การทำงานของฮีตปั๊ม

ฮีตปั๊มให้ความร้อนได้3-4เท่าของพลังงานไฟฟ้าที่ใช้ จึงเป็นเครื่องให้ความร้อนชนิดเดียวที่มีประสิทธิภาพ300-400%.ในขณะที่เครื่องให้ความร้อนประเภทอื่นๆประสิทธิภาพที่ดีที่สุดไม่ถึง100% นอกจากนี้ฮีตปั๊มยังให้ความเย็นเป็นผลพลอยได้ซึ่งถ้านำไปใช้ได้จะทำให้ประสิทธิภาพโดยรวมสูงขึ้นไปอีก เพื่อให้การนำฮีตปั๊มได้ประโยชน์สูงสุดจะต้องเข้าใจการทำงานของฮีตปั๊มก่อน

ฮีตปั๊มมีวงจรการทำงานเหมือนเครื่องปรับอากาศ ประกอบด้วย

- คอมเพรสเซอร์ อัดไอสารทำความเย็นให้มีความดันและอุณหภูมิสูงส่งไปคอยล์ร้อน(condenser)

- คอยล์ร้อนระบายความร้อนออกจากระบบได้สารทำความเย็นเหลวความดันสูงส่งต่อไป

- เอ็กซ์แปนด์ชั่นวาวล์ลดความดันทำให้สารทำความเย็นเป็นทั้งไอและของเหลวที่อุณหภูมิต่ำลง

- คอยล์เย็น(evaporator)รับความร้อนเข้ามาในระบบทำให้กลายเป็นไอก่อนถูกคอมฯดูดไป

รูปที่ 1.วงจรการทำงานของเครื่องปรับอากาศและฮีตป็ม

การระบายความร้อนและรับความร้อนในคอยล์ร้อนและคอยล์เย็นได้ความร้อนสูงมากเนื่องจากเป็นความร้อนแฝงที่ใช้ในการเปลี่ยนสถานะของสารทำความเย็น จึงไม่ต้องการสารทำความเย็นปริมาณมาก คอมเพรสเซอร์จึงใช้พลังงานน้อยกว่าความร้อนที่ได้ COP(Coefficient Of Performance) สูง 3 - 4 ไม่ใช่ประสิทธิภาพซึ่งทำได้ไม่เกิน 1 หรือ 100%

ตารางที่ 1.ความแตกต่างของเครื่องปรับอากาศและฮีตปั๊ม

เครื่องปรับอากาศมี EER 10.6 -14 เท่ากับ COP 3.1 – 4.1 (ความเย็น) ขึ้นกับอุณภูมิคอยล์เย็นและคอยล์ร้อนขณะทำงาน ฮีตปั๊มใช้อุณหภูมิคอยล์ร้อนและคอยล์เย็นสูงกว่าจึงมี COP (ความร้อน) ต่างออกไป ฮีตปั๊มให้ความเย็น(ดึงความร้อนเข้าระบบและระบายความร้อนออกจากระบบมีความสัมพันธ์กันตามสมการ

COP (ความร้อน) = ความร้อนจากคอยล์ร้อน / พลังงานงานไฟฟ้าของคอมเพรสเซอร์

COP (ความเย็น) = ความเย็นจากคอยล์เย็น / พลังงานงานไฟฟ้าของคอมเพรสเซอร์

ความร้อนจากคอยล์ร้อน = ความเย็นจากคอยล์เย็น + พลังงานงานไฟฟ้าของคอมเพรสเซอร์

COP (ความร้อน) = COP (ความเย็น) + 1

ความเย็นที่ได้ขากฮีตปั๊มจะน้อยกว่าตวามร้อนที่ได้ ในทางปฎิบัติถ้าต้องการความเย็นใช้งานมากขึ้นจะใช้sub-coolerระบายความร้อนทิ้งเพื่อให้ได้sub-coolมากขึ้น ดังนั้นจึงได้ความเย็นเพิ่มขึ้นแต่ได้ความร้อนเท่าเดิม จะเพิ่มขึ้นมากหรือน้อยขึ้นกับอุณหภูมิตัวกลางที่ใช้ระบายความร้อนที่sub-cooler

รูปที่ 2.วงจรการทำงานของฮีตปั๊มที่ติคตั้งsub-coolerเพิ่มเพื่อให้ได้ความเย็นเพิ่มขึ้น

COP (ความร้อน) = ความร้อนจากคอยล์ร้อน / พลังงานงานไฟฟ้าของคอมเพรสเซอร์

COP (ความเย็น) = COP (ความร้อน) -1+ ความเย็นจากSub-cooler / พลังงานงานไฟฟ้าของคอมเพรสเซอร์

สารทำความเย็น

สารทำความเย็นสำหรับระบบปรับอากาศจะต้องมีผลกระทบต่อปัญหาโลกร้อนน้อยที่สุด ไม่ทำลายโอโซนในชั้นบรรยากาศ ไม่ติดไฟและไม่มีพิษต่อคนเมื่อรั่วไหล สำหรับฮีตปั๊มคอนเดนเซอร์ต้องมีอุณหภูมิสูงเพื่อถ่ายเทความร้อนให้กับตัวกลางและงาน อุณหภูมิจึงต้องห่างจากอุณหภูมิวิกฤติของสารทำความเย็น และที่อุณหภูมินั้นความดันควรต่ำที่สุดเพื่อให้ใช้พลังงานน้อยและสามารถใช้อุปกรณ์ท่วไปในงานปรับอากาศได้โดยราคาไม่สูงมาก

จากตารางที่ 2.GWP(Global warming potential)แสดงผลกระทบของสารทำความเย็นต่อสภาวะโลกร้อนเทียบกับก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์(GWP=1) ทำให้สารทำความเย็นตามที่มีค่าสูงถูกยกเลิกการใช้ตามลำดับ ODP(Ozone depletion factor)แสดงผลกระทบของสารทำความเย็นต่อการทำลายก๊าซโซนในชั้นบรรยากาศทำให้รังสีUVส่งผ่านมาทำอันตรายต่อคนได้โดยตรง สารHCFCจึงถูกยกเลิกไป Glideการที่สารทำความเย็นแบบผสมมีการเปลี่ยนสถานะไม่คงที่ทำให้การทำงานของเครื่องผิดพลาดได้ ความปลอดภัยจากการติดไฟเป็นสิ่งที่สามารถจัดการได้(A3ไวไฟมากกว่า A2L, A1ไม่ติดไฟ) ความเป็นพิษทำให้แอมโมเนียไม่เหมาะสำหรับงานทั่วไป

สารทำความเย็นที่ใชกับฮีตปั๊มในปัจจุบันคือR134aแต่อยู่ในลำดับที่จะยกเลิก ต่อไปจึงเป็นR1234yfซึ่งมีคุณสมบัติใกล้เคียงกันแต่มีปัญหาการติดไฟ จำเป็นต้องมีการจัดการมากขึ้น

ตารางที่ 2.คุณสมบัติชองสารทำความเย็นประเภทต่างๆ

คอมเพรสเซอร์

คอมเพรสเซอร์ที่ใช้ในงานปรับอากาศมีหลายแบบได้แก่ Rotary vane, Scroll, ลูกสูบ(Reciprocating), Screw, และCentrifugal สำหรับงานฮีตปั๊มต้องการอุณหภูมิสูงกว่างานปรับอากาศจึงใช้คอมเพรสเซอร์แบบScroll ตามรูปที่ 3.ซึ่งมีอุณหภูมิคอยล์ร้อนสูงสุด75c และแบบลูกสูบตามรูปที่ 4.ซึ่งมีอุณหภูมิคอยล์ร้อนสูงสุด85c

รูปที่ 3.คอมเพรสเซอร์แบบScroll และช่วงการทำงาน

รูปที่ 4.คอมเพรสเซอร์แบบลูกสูบและช่วงการทำงาน

คอมเพรสเซอร์สำหรับฮีตปั๊มเป็นแบบความเร็วคงที่เพระฮีตปั๊มส่วนใหญ่จะใช้ร่วมกับระบบเก็บพลังงานจึงให้ฮีตปั๊มทำงานที่

คอยล์ร้อน คอยล์เย็นและ Sub-cooler

เป็นอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนระหว่างสารทำความเย็นกับตัวกลาง ถ้าตัวกลางเป็นอากาศคอยล์เป็นแบบPlate fin ตามรูปที่ 5.อากาศไหลผ่านครีบอลูมิเนียมสารทำความเย๊นจะไหลในท่อทองแดงที่ร้อยอยู่ในครีบ ถ้าตัวกลางเป็นน้ำคอยล์เป็นแบบSolder plate ตามรูปที่ 6.สร้างจากแผ่นเหล็กไร้สนิมขึ้นรูปให้มีลายสำหรับการไหล แผ่นจะซ้อนกันหลายๆชิ้น น้ำจะไหลผ่านระหว่างแผ่นสลับกับสารทำความเย๊นในแผ่นถัดไปตลอดทั้งชุด ขอบของแผ่นจะบัดกรีด้วยทองแดงหรือเหล็กไร้สนิมเพื่อกันรั่ว

รูปที่ 5.คอยล์สำหรับอากาศแบบPlate fin

รูปที่ 6.คอยล์สำหรับน้ำแบบ Solder plate

เอ็กซ์แปนด์ชั่นวาวล์

มีหลายประเภท สำหรับฮีตปั๊มใช้แบบเทอร์โมสแตติก(thermostatic expansion valve) ควบคุมความดันสารทำความเย็นและอัตราการไหลเพิ่อให้แน่ใจว่าสารทำความเย็นที่ออกจากคอยล์เย็นมาเข้าคอมเพรสเซอร์เป็นก๊าซทั้หมด07ควบคุมด้วยอุณหภูมิsuperheatของก๊าซที่ออกจากคอยล์เย็น ปัจจุบันอีเล็กโทรนิคเอ็กซ์แปนด์ชั่นวาวล์มีทั้งเซนเซอร์และระบบควบคุมของฮีตปั๊มก็รวมระบบควบคุมวาวล์เข้าไปทำให้ราคาทั้งหมดถูกลง จึงนิยมใช้มากขึ้น

รูปที่ 7.เอ็กซ์แปนด์ชั่นวาวล์แบบต่างๆ