PowerplantKMUTNB: Heat pumps

HEAT PUMPS

สมาชิกกลุ่ม

1. วรฉัตร จำปาทอง 5310061121

2. รสถพล นุชมาก 5310063218

3. พรชัย พินิจสถิล 5310061097

4. พีรพัฒน์ เพ็ชรวิเศษ 5310061196

5. ปวีณ กายง 5310063184

ความเป็นมาการใช้ปั๊มความร้อน

ปั๊มความร้อน ถูกคิดค้นมากว่า 50 ปีมาแล้ว ตั้งแต่ปี ค.ศ. 1947 และพัฒนาเรื่อยมาอย่างมาก จนปัจจุบันจนเกือบจะเรียกได้ว่าพัฒนาสมบูรณ์ แล้วโดยมีมาตรฐานรองรับโดย ARI (Air Condition and Refrigeration Institute) หมายเลข 240-61 ในปี ค.ศ. 1961 ซึ่งได้ระบุไว้ทั้งภาคความร้อนและความเย็น หากจะดูด้าน การทดสอบสามารถดูได้จาก ASHRAE 39-61 โดยตัวระบบมีความหลากหลาย ในส่วนประกอบและการประยุกต์ใช้งาน

ปั๊มความร้อนเป็นเทคโนโลยีที่ยังไม่แพร่หลายในประเทศไทย เพราะมักจะสนใจแต่การทำความเย็น เนื่องจากสภาพภูมิอากาศในบ้านเรานั้นไม่หนาวมาก แต่ในความเป็นจริงแล้วปั๊มความร้อนจะใช้งานได้ดีในเขตเมืองร้อนมากกว่าเขตเมืองหนาวและถ้าออกแบบให้ดีจะสามารถใช้อุปกรณ์ชุดเดียวกันนี้ในการทำความร้อนและทำความเย็นตามแต่ฤดูกาลหรือออกแบบให้ทำงานเป็นชุดระบายอากาศและกรองอากาศทำให้คุ้มค่าประหยัดในด้านการลงทุนมากขึ้น

ผลการทดสอบจากห้องทดลองและการวิเคราะห์ทางทฤษฎียืนยันได้ว่าเทคโนโลยีนี้เป็นเทคโนโลยีที่ดีในด้านเทคนิค ด้านการนำไปใช้นั้นต้องระมัดระวัง เพราะเงินลงทุนเบื้องต้นที่สูง ปัญหาด้านการออกแบบเบื้องต้น และปัญหาด้านการติดตั้งผิดพลาด แต่ก็สามารถแก้ไขปัญหาได้โดยการเลือกนำไปใช้ให้ถูกต้อง รวมถึงการออกแบบ การติดตั้งที่ถูกต้อง และการบำรุงรักษาอย่างสม่ำเสมอ

ปั๊มความร้อน คืออะไร

ปั๊มความร้อน ( Heat Pump) เป็นชุดอุปกรณ์ทำความร้อนที่ใช้คอมเพรสเซอร์แบบเดียวกับที่ใช้ในเครื่องปรับอากาศ มาดึงความร้อนจากอากาศภายนอกที่อุณหภูมิปกติแล้วถ่ายเทความร้อนให้แก่น้ำ

หลักการทำงานของปั๊มความร้อน คือ การถ่ายเทความร้อน กล่าวคือ ปั๊มความร้อนทำงาน โดย การการดึงความร้อนจากแหล่งความร้อน ( Heat Source) แล้วนำไปถ่ายเทในบริเวณที่ต้องการความร้อน (Heat Sink) ปั๊มความร้อนไม่ได้เป็นตัวสร้างความร้อน แต่ส่งผ่านความร้อน ซึ่งวัฎจักรการ ทำงานก็ไม่แตกต่างจาก ระบบ การทำความเย็นทั่วไป ซึ่งเป็นระบบอัด ต่างกันเพียงแต่ปั๊มความร้อนจะเลือกใช้ประโยชน์ จากด้านความ ร้อนเป็นหลักและควบคุมอุณหภูมิดานความร้อนแทนด้านความเย็น ส่วนความเย็นที่ได้ก็จะกลายเป็นผลพลอยได้ของระบบ ปั๊มความร้อนจะทำหน้าที่ส่งผ่านความร้อนจากแหล่งความร้อนไปยังด้านที่รับความร้อน ฉะนั้นถ้าส่งความร้อนไปเรื่อย ๆ อีกฝั่งก็จะร้อนขึ้น และเมื่อสะสมมาก ๆ ก็จะสามารถมีอุณหภูมิสูงขึ้น จนอุณหภูมิสูงกว่าอุณหภูมิของแหล่งความร้อน

วัฏจักรการทำงานด้านความเย็นกับความร้อนนั้นจะเชื่อมโยงกันด้วยสารทำงาน โดยเริ่มจากการทำงานของคอมเพรสเซอร์ซึ่งสารทำงานก็จะถูกอัดเพื่อเพิ่มอุณหภูมิและความดันก็เพิ่มตามมาด้วยจากนั้นสารทำงานก็จะถูกนำมากลั่นในคอนเดนเซอร์ จนได้ของเหลวความดันสูง แล้วก็จะถูกลดความดันในเอ็กซ์แพน ชั่นวาล์วจนสารทำงานบางส่วนกลายเป็นไอหรือพร้อมที่จะระเหยเมื่อได้รับความร้อนจากแหล่งความร้อนในอีแวปเปอร์เรเตอร์ พลังงานที่ใช้จึงใช้เพื่อการขับคอมเพรสเซอร์และพัดลมที่บริเวณอีแวปเปอร์เรเตอร์หรือคอนเดนเซอร์ อาจรวมถึงปั๊มน้ำกรณีที่ถังน้ำแยกเป็นคนละส่วนกับปั๊มความร้อนซึ่งถ้าดูสัดส่วนความร้อนในน้ำที่ได้รับต่อพลังงานไฟฟ้าที่ใส่เข้าไปจะพบว่ามีค่ามากกว่า100 %

ข้อดี และ ข้อเสีย

ข้อดี

1. ได้ลมเย็นเป็นผลพลอยได้ เพราะปั๊มความร้อนใช้หลักการแลกเปลี่ยนความร้อนของสารทำความเย็นใน สถานะแก๊สให้กับน้ำ ทำให้ได้รับลมเย็นเมื่อสารทำความเย็นแลกเปลี่ยนความร้อน กับอากาศเมื่ออยู่ในสถานะของเหลว ทำให้ได้รับลมเย็นเป็นผลพลอยได้ โดยสามารถนำลมเย็นที่ได้ไปใช้ในการปรับอากาศได้

2. ปลอดภัย จากไฟฟ้าดูด หมดกังวลเรื่องไฟฟ้ารั่วและช๊อตขณะใช้น้ำร้อน เนื่องจาก เป็นน้ำร้อนจากระบบส่วนกลาง ผู้ใช้ไม่ได้สัมผัสกับเครื่องใช้ไฟฟ้าโดยตรง

3. ประหยัดพลังงานในการทำน้ำร้อน สามารถให้ค่าความร้อนแก่น้ำในปริมาณที่เท่ากันกับ ฮีทเตอร์ แต่กินไฟน้อยกว่า ขึ้นอยู่กับค่าการออกแบบ เนื่องจากใช้การแลกเปลี่ยนความร้อนของสารทำความเย็นในสถานะแก๊ส กับน้ำ ทำให้น้ำร้อน ซึ่งต่างจากฮีทเตอร์ไฟฟ้าที่เปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานความร้อนโดยตรง

4. พลังงานสะอาด เนื่องจากปั๊มความร้อนรุ่นมาตรฐานใช้สารทำความเย็น R134a ซึ่งเป็นสารทำ ความเย็นในอนาคต ไม่ก่อให้เกิดมลภาวะกับสิ่งแวดล้อม ต่างจากสาร CFC ซึ่งก่อให้เกิดมลภาวะและยังทำให้โลกร้อน นอกจากนี้ยังได้ค่าความร้อนสูงเหมาะ กับการทำน้ำร้อนอีกด้วย

ข้อเสีย

1. เทคโนโลยีปั๊มความร้อนจะเป็นพลังงานสะอาดแต่ก็ยัง มีผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมในระดับต่ำ อยู่ในระดับเดียวกับเครื่องปรับอากาศทั่วไป

การออกแบบปั๊มความร้อน

การออกแบบปั๊มความร้อนนั้นสามารถออกแบบให้รวมเป็นส่วนเดียวกันกับถังเก็บน้ำหรืออาจจะออกแบบให้แยกกัน ส่วนด้านลมเย็นก็สามารถออกแบบให้มีการนําลมเย็นไปใช้ภายในอาคารเพื่อปรับอากาศซึ่งเรียกว่าเป็นแบบ Ambient air หรือปล่อยทิ้งไปนอกอาคารอย่างที่เรียกว่า Exhaust Air แต่ละชนิดก็มีข้อดีข้อเสียต่างกัน ปั๊มความร้อนที่เป็นชุดแพ็คเกจ ที่มีถังน้ำร้อนรวมเป็นส่วนเดียวกันกับตัวปั๊มความร้อน ก็ไม่ต้องใช้ปั๊มเพื่อหมุนเวียนน้ำระหว่างถังเก็บน้ำกับชุดปั๊มความร้อน แต่ถ้าแยกถังน้ำออกมาก็จะมีข้อดีกรณีที่ถังน้ำชํารุดก็สามารถจะเปลี่ยนถังน้ำได้สะดวก
ส่วนข้อดีของการนําอากาศเย็นที่ได้จากด้านอีแวปเปอร์เรเตอร์กลับมาใช้ใหม่ก็คือการประหยัดพลังงานจากการการปรับอากาศ
ในกรณีที่ปล่อยลมเย็นทิ้งออกไปนอกอาคารก็จะมีข้อดีในด้านการระบายอากาศหรือเรียกว่า Ambient air-source และแบบปล่อยลมเย็นในอาคารก็เรียกว่า Residential exhaust-air

ปั๊มความร้อนแบบที่ใช้งานในโรงแรมหรือคอนโดมิเนียมก็มีหลักการไม่แตกต่างกับแบบที่ใช้ในครัวเรือนเพียงแต่ออกแบบให้ทํา งานกับภาระที่มากขึ้นเท่านั้นและรูปลักษณ์ก็ต่างออกไปซึ่งมีทั้งแบบที่ใช้ Propeller Fan และแบบที่ใช้ Centrifugal Fan โดย แบบ Propeller fans เหมาะกับการใช้เป่าลมที่ไม่จํากัดปริมาณลมแต่ไม่เหมาะกับการเป่าลมในท่อลมเย็น และแบบ Centrifugal Fans เมือต้องการเพิ่มความดันสแตติกส์

แหล่งความร้อนของปั๊มความร้อน

ชนิดของปั๊มความร้อนอาจเรียกตามแหล่งความร้อน และแหล่งรับความร้อน

เช่น Air to Air, Air to Water, Water to Air , และ Water to Water

แหล่งความร้อน	อากาศ	น้ำประปา	น้ำบาดาล	น้ำทะเลสาบ,แม่น้ำ,ทะเล
ชนิดของแหล่งความร้อน	เบื้องต้น	เบื้องต้นและใช้เสริม	เบื้องต้น	เบื้องต้น
ความเหมาะสมในการเป็นแหล่งปล่อยความร้อน	ดี	ดี	ดี	ดี
ความมีอยู่ในการนำกลับมาใช้	มีอยู่ทั่วไป	เฉพาะในเขตที่ประปาเข้่าถึง	ไม่แน่นอน	หายาก
เวลาที่สามารถนำมาใช้	ต่อเนื่อง	อาจมีปัญหา	จนกว่าจะหมด	ต่อเนื่อง
ค่าใช้จ่ายเบื้องต้น	ค่อนข้างต่ำ	ต่ำสุด	ขึ้นกับค่าขุดเจาะ	ต่ำ
ค่าใช้จ่ายระหว่างปฏิบัติงาน	ค่อนข้างต่ำ	สูงและมักจะถูกห้าม	ต่ำกึ่งปานกลาง	ค่อนข้างต่ำ
ระดับอุณหภูมิ	เกือบทั้งวัน	ระดับที่น่าพอใจ	เป็นที่พอใจ	เป็นที่พอใจ
ความผันผวนของอุณหภูมิ	มาก	แปรผันตามตำแหน่ง	เล็กน้อย	ปานกลาง
ข้อมูลการออกแบบ	เพียงพอ	เพียงพอ	เพียงพอ	เพียงพอ
ขนาดอุปกรณ์	ใหญ่	กลาง	กลาง	กลาง
ความยากง่ายในการผลิตอุปกรณ์จำนวนมาก	ง่ายมาก	ง่ายมาก	ง่ายมาก	ง่ายมาก
ปัญหาที่อาจเกิดขึ้น	ความร้อนอาจไม่เพียงพอเมื่อมีความต้องการมาก	เกิดตะกรันได้	เกิดตะกรันได้	เกิดตะกรันได้

ส่วนประกอบปั๊มความร้อน

ระบบปั๊มความร้อนตามความหมายของ ARI (Air Condition and Refrigeration Institute) จะประกอบด้วยอุปกรณ์หลักดังนี้
- ชุดคอยล์ร้อน (Condenser) ซึ่งมีหน้าระบายความร้อนจากสารทํางานไปสู่แหล่งระบายความร้อน

Condenser

- ชุดคอยล์เย็น ( Evaporator) ซึ่งทําหน้าที่ดูดความร้อนจากแหล่งความร้อน

Evaporator

เครื่องอัดไอ ( Compressor) ซึ่งทําหน้าที่อัดไอของสารทํางาน (Working Substance) ให้มีอุณหภูมิสูงกว่าอุณหภูมิรอบคอนเดนเซอร์เพื่อจะถ่ายเทความร้อนออกจากสารทํางาน วาล์วลดความดัน หรืออาจเรียกว่าวาล์วขยายตัว (Expansion valve) ในกรณีที่ระบบมีขนาดเล็กจะใช้ท่อขนาดเล็ก (Capillary Tube)

Compressor

Expansion valve

Capillary Tube

ซึ่งมีหน้าที่ลดความดันของสารทํางาน และอุปกรณ์เสริมได้แก่ ถังน้ำหุ้มฉนวนซึ่งมีหน้าที่สำคัญสองประการด้วยกันคือกักเก็บน้ำเพื่อให้เพียงพอกับความต้องการน้ำอุ่นของอาคารนั้น และประการที่สองคือเพื่อแบ่งระดับอุณหภูมิน้ำในกรณีที่มี

มากกว่า 1 ถัง นอกจากนั้นก็เป็นอุปกรณ์ที่เกี่ยวกับ ปั๊มน้ำ ชุดควบคุมและวัดความดัน ชุดควบคุมและวัดอุณหภูมิชุดควบคุมและวัดไฟฟ้า

ชนิดของปั๊มความร้อน ( IEA Heat Pump Center)

ปั๊มความร้อนในอุตสาหกรรม

1. Mechanical Vapor Recompression System (MVRs) แบ่งได้เป็นปั๊มความร้อนแบบเปิดและกึ่งเปิด

แบบเปิดนั้นไอของสารทํางานจะถูกอัดจนความดันสูงและอุณหภูมิสูงแล้วควบแน่นเมื่อคายความร้อนออก

โดยสารทํางานสัมผัสโดยตรงกับแหล่งความร้อนและแหล่งปล่อยความร้อน

แบบกึ่งเปิดนั้นความร้อนจากไอจะถ่ายเทให้กับกระบวนการผ่านอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนบริเวณแหล่งความร้อนหรือแหล่งปล่อยความร้อน ปกติแล้วสมรรถนะการทํางานของปั๊มความร้อนชนิดนี้จะค่อนข้างสูง ซึ่งดูได้จากค่า COP: Coefficient of Performance (COPs) ที่มีค่าระหว่าง 10 - 30 ส่วนการทํางานของปั๊มความร้อนชนิดนี้จะได้ความร้อนมากจากแหล่งความร้อนอุณหภูมิ 70 - 80 องศาเซลเซียส และทําความร้อนได้สูงถึง 110 -150 องศาเซลเซียส และบางกรณีอาจสูงถึง 200 องศาเซลเซียส น้ำมักจะถูกใช้เป็นสารทํางานซึ่งใช้กันมากในอุตสาหกรรมปิโตรเคมี

2. Closed Cycle Compression Heat Pumps ปั๊มความร้อนแบบปิดคือการที่สารทํางานวนอยู่ในระบบปิดกล่าวคือแลกเปลี่ยนความร้อนทั้งในอีแวปเปอร์เรเตอร์และคอนเดนเซอร์สารทํางานจํากัดอุณหภูมิความร้อนที่ไ้ด้ 120 องศาเซลเซียส

3. Absorption Heat Pump (Type I) ปั๊มความร้อนแบบนี้ไม่มีการใช้งานในอุตสาหกรรมมากนัก มักใช้เพื่องาน Heat Recovery อุณหภูมิที่จะได้ออกมาประมาณ 100 องศาเซลเซียส และทําอุณหภูมิสูงขึ้นมาได้ 65องศาเซลเซียส(Lift of) ค่า COP อยู่ระหว่าง 1.2 ถึง 1.4 แต่ปั๊มความร้อนแบบใหม่ ๆ ให้อุณหภูมิที่ได้สูงถึง 260 องศาเซลเซียส ในกรณีที่เป็นปั๊มความร้อนรุ่นใหม่

4. Heat Transformers (Type II) จะมีส?วนประกอบเหมือนกับแบบ Absorption Heat Pump สามารถนําความร้อนทิ้งที่เหลือใช้ที่อุณหภูมิระดับกลาง(ระหว่างระดับความร้อนที่ต้องการกับระดับความร้อนของ สภาพแวดล้อม) มาใช้กับระบบนี้ได้้โดยไม่ต้องใช้พลังงานจากภายนอก ความร้อนระดับกลางจะถูกส่งให้กับ อีแวปเปอร์เรเตอร์และเจนเนอเรเตอร์ ความร้อนส่วนที่ใช้ประโยชน์ได้ก็จะส่งต่อไปยังแอบซอร์บเบอร์ ในปัจจุบันใช้นํ้ําและลิเทียมโบรไมดเป็นสารทํางานคู่กัน อุณหภูมิทีได้จากระบบนี้จะสูงถึง 150 องศาเซลเซียส และทําอุณหภูมิสูงขึ้นมาได้ 50 องศาเซลเซียส(Lift of) มีค่า COP ระหว่าง 0.45 - 0.48

5. Reversed Brayton-cycled Heat Pumps ใช้หลักการในการ recover ของ solvents จากแก็สในกระบวนการผลิต อากาศที่มี solvent จะถูกอัด แล้วขยายตัว อากาศเย็น(จากการขยายตัว) แล้ว Solvent ก็จะควบแน่นและวนในกระบวนการนี้ซํ้ําอีกครั้ง การขยายตัวและการวนกลับที่กล่าวมาจะเกิดในกังหันซึ่งขับคอมเพรสเซอร์

ปั๊มความร้อนในที่พักอาศัยและอาคารพาณิชย์

1. Heating Only เป็นแบบที่ใช้งานโดยเน้นภาคความร้อนเป็นหลักโดยจะทําความร้อนให้แก่น้ำหรืออากาศก็ได้

2. Heating and Cooling แบบที่ง่ายที่สุดคือ Reversible air-to-air heat pump ซึ่งในอาคารใหญ่ ๆ มักจะใช้วงจรน้ำ (Water Loop: Hydronic) เป็นตัวส่งถ่ายความร้อนและความเย็น จึงสามารถทําได้พร้อมกัน

3. Integrated System คือการทําทั้งความร้อนและความเย็นและทําให้กับน้ำหรืออากาศรวมทั้งมีการนําไอร้อนกลับมาใช้งาน ถ้าเป็นการทําน้ำร้อนให้น้ำก็ทําได้แค่ De-superheating หรือ Condenser heating

4. Water Only มักใช้อากาศภายนอกเป็นแหล่งความร้อน แต่หากมีความร้อนจากแหล่งอื่นที่สูงกว่าก็ใช้ได้เช่นกัน

ในกรณีที่ยึดการใช้งานด้านใดด้านหนึ่งเป็นหลักก็จะเรียกว่าเป็นแบบ Monovalent แต่ถ้าต้องการทั้งสองด้านก็จะเป็นแบบ Bivalent ในกรณี Bivalent ขนาดฮีทปั๊มจะมีขนาดเป็น 20-60% ของภาระสูงสุด ซึ่งจะรองรับความต้องการได้ถึง 50-95% ของความต้องการตลอด แต่ในช่วงพีคโหลดอาจต้องใช้ความร้อนจากแก๊สหรือบอยเลอร์ช่วย ในอาคารขนาดใหญ่อาจต่อร่วมกับ Cogeneration System

การนำปั๊มความร้อนไปใช้ในชีวิตประจำวัน

1)ฟิตเนสและสปอร์ตคลับ

น้ำร้อนสำหรับผู้มาใช้บริการอาบน้ำชำระร่างกายหลังจากออกกำลังกายเสร็จ