การออกแบบเพื่อประหยัดพลังงานของเครื่องทำน้ำเย็น

ปัญหาของเครื่องทำน้ำเย็นในปัจจุบันที่มีผลต่อการใช้พลังงาน

1. เดินเครื่องทำน้ำเย็นหลายเครื่องทำให้แต่ละเครื่องทำงานแบบ Part load ทั้งที่สามารถเดินเครื่องเดียวได้

2. ปัญหาความชื้นในอาคารแม้จะตั้งอุณหภูมิน้ำเย็นไว้ที่ 7c เพื่อให้คอยล์น้ำเย็นใช้ดึงความชื้นในอากาศ

3. ปัญหา LTDS(Low Temperature Different Syndrome) อุณหภูมิน้ำเย็นที่เข้าเครื่องทำน้ำเย็นต่ำกว่าปกติทำให้เครื่องทำน้ำเย็นเดิน Part load เนื่องจากระบบปรับอากาศมีภาระความร้อนแฝงมาก(ความชื้นสูง) จะต้องใช้น้ำเย็นอัตราการไหลมากเพื่อดึงความร้อนแฝง

แนวทางการแก้ปัญหา

ปัญหาที่ 1 Concept การออกแบบระบบน้ำเย็นเพื่อหลีกเลี่ยงการเดินเครื่องแบบ Part load จะต้องเลือกขนาดเครื่องทำน้ำเย็นให้เหมาะสมด้วยการวิเคราะห์ Load ของโรงแรมตลอดทั้งปี การเลือกเครื่องทำน้ำเย็นจะคำนึงถึง Loadสูงสุด และต่ำสุด จำนวนเครื่องที่เลือกต้องคำนึงถึงเครื่องทดแทนขณะบำรุงรักษาและสามารถจัดการทำงานร่วมกันให้ใกล้เคียง Loadได้มากที่สุด ในการทำงานให้ประหยัดพลังงานที่สุดควรมีอุปกรณ์วัด Load และระบบควบคุมการเลือกเปิดเครื่องทำน้ำเย็นอัตโนมัติ

ปัญหาที่ 2 อุณหภูมิน้ำเย็นจะต้องต่ำที่สุดเท่าที่เป็นไปได้เพื่อให้สามารถดึงความชื้นจากอากาศโดยไม่เกิดน้ำแข็งในเครื่องทำน้ำเย็น แต่อุณหภูมิที่ต่ำจะทำให้เครื่องทำน้ำเย็นประสิทธิภาพต่ำลง จึงต้องมีเครื่ดงทำน้ำเย็นอีกระบบหนึ่งทำน้ำเย็นที่อุณหภูมิสูงขึ้น เครื่องทำน้ำเย็นระบบนี้จะมีประสิทธิภาพสูงกว่าเพื่อใช้ให้ความเย็นได้มากขึ้นโดยใช้ไฟฟ้าลดลง หรือใช้ระบบแยกส่วน (Dx-system) แทนระบบน้ำเย็นอุณหภูมิต่ำช่วยดึงความชื้นส่วนที่เหลือจากระบบน้ำเย็นอุณหภูมิสูง

ปัญหาที่ 3 การแก้ไขปัญหาข้อที่ 2 ด้วยระบบน้ำเย็นอุณหภูมิต่ำเป็นสาเหตุของปัญหาที่ 3 คอยล์น้ำเย็นต้องการน้ำเย็นอุณหภูมิต่ำปริมาณมากทำให้อุณหภูมิน้ำที่ออกจากคอยล์เย็นยังไม่สูงและเกิดปัญหา LTDS การใช้ระบบแยกส่วนเพื่อดึงน้ำจึงเป็นการแก้ปัญหาทั้งข้อ 2 และ 3 พร้อมกัน

การใช้ OAU(Outdoor Air Unit) หรือ FAU(Fresh Air Unit) ที่มีระบบน้ำเย็นทำงานร่วมกับระบบแยกส่วนจะดึงความชื้นจากอากาศใด้มากที่สุด อากาศแห้งจาก OAU/FAU จะส่งไปให้AHUและFCUสำหรับการควบคุมความชื้นและอุณหภูมิในพื้นที่ปรับอากาศ เมื่อคอยล์น้ำเย็นไม่ต้องมีอุณหภูมิต่ำอัตราการไหลของน้ำเย็นเป็นปกติก็จะไม่เกิด LTDS เครื่องทำน้ำเย็นจึงไม่ต้องทำงานPart load

สำหรัยโรงแรม สามารถใช้ฮีตปั๊มออกแบบให้ดึงน้ำจากอากาศต่อจากคอยล์น้ำเย็นของเครื่องOAU/FAU เพื่อให้ได้อากาศแห้ง และทำน้ำร้อนสำหรับการใช้อีกด้วย อีกวิธีหนึ่งคือการใช้ Desiccant wheel ดึงความชื้นแทนระบบแยกส่วนเพื่อใช้ตวบคุมความชื้นในห้องปรับอากาศ โดยไม่เกิด LTDS เครื่องทำน้ำเย็นจึงไม่ต้องทำงานPart load เช่นเดียวกันแต่มีราคาสูงกว่า

การทำงานของOAUร่วมกับฮีตปั๊ม

OAUทำหน้าที่ดึงน้ำจากอากาศภายนอกที่ใช้ทดแทนอากาศภายในที่ถูกระบายออกเพื่อสุขภาพของคนในอาคาร รูปที่ 1 แสดงการทำงานของ OAUร่วมกับFCUของห้องพัก เมื่ออากาศจากOAUมีความชื้นสูงผสมกับอากาศภายในห้องเข้าFCU coil เพื่อดึงน้ำและลดอุณหภูมิอากาศก่อนจะจ่ายเข้าห้องเพื่อรับ load ซึ่งมีทั้งความร้อนสัมผัสและความร้อนแฝง อากาศที่ออกจากODUแม้จะมีอุณหภูมิและความชื้นสูงแต่ก็ไม่ทำให้เกิดปัญหาความชื้นในห้องเพราะจุดน้ำค้างยังต่ำกว่าอุณหภูมิห้อง แต่ถ้าOAUหรือFCUไม่ทำงาน ความชื้นในห้องจะสูงจนเกิดการกลั่นตัวและเชื้อราในห้องได้

รูปที่ 1. OAU ทำงานร่วมกับ FCU

การใช้อากาศจากOAUลดความชื้นในห้องด้วยจะต้องดึงน้ำจากอากาศภายนอกให้จุดน้ำค้างต่ำกว่าจุดน้ำค้างของห้องตามรูปที่ 2.ซึ่งถ้าใช้น้ำเย็นอุณหภูมิต่ำและปริมาณมากเพื่อลดความชื้นและอุณหภูมิลงมาในขั้นตอนเดียว ทำให้เกิดปัญหา LTDS เพื่อแก้ปัญหาทั้งความชื้นและLTDSจึงใช้ฮีตไปป์และฮีตปั๊มช่วยตามรูปที่ 3.

รูปที่ 2. OAU ทำงายร่วมกับ FCUเพื่อช่วยคุมความชื้นห้อง

รูปที่ 3. การทำงานของ OAU ร่วมกับ FCU ตามconceptที่นำเสนอ

OAUประกอบด้วยฮีตไปป์หรือ Air to Air heat exchanger ฮีตปั๊มแบบ Air to water คอยล์น้ำเย็น และคอยล์น้ำร้อน อากาศภายนอกผ่านฮีตไปป์คอนเดนเซอร์เพื่อลดอุณหภูมืจึงช่วยลดขนาดของคอยล์น้ำเย็นซึ่งจะลดอุหภูมิและดึงน้ำออกมาระดับหนึ่ง จากนั้นอากาศจะผ่านฮีตไปป์อีแวปอเรเตอร์ทำให้อุณหภูมิสูงโดยใช้ความร้อนที่ดีงมาจากฮีตไปป์คอนเดนเซอร์ แล้วจึงเข้าคอยล์เย็นของฮีตปั๊มเพื่อลดอุณหภูมิและดึงความชื้นให้จุดน้ำค้างต่ำกว่าจุดน้ำค้างของห้อง

อากาศจะผ่านคอยล์ร้อนของฮีตปั๊มให้อากาศมีอุณหภูมิสูงกว่าจุดน้ำค้างของอากาศภายนอก ท่อลมที่ใช้ส่งลมจากOAUมายังAHUและFCUจึงไม่ต้องมีฉนวนเพื่อป้องกันน้ำกลั่นตัวที่ด้านนอกของท่อลม และได้น้ำร้อนจากฮีตปั๊มส่วนที่เหลือจากการอุ่นอากาศเพื่อใช้กับระบบน้ำร้อนของโรงแรมอีกด้วย

คอยล์น้ำเย็นในOAUจะใช้ลดอุหภูมิและดึงน้ำออกจากอากาศมาระดับหนึ่ง จึงสามารถใช้อุณหภูมิน้ำเย็นสูงขึ้นกว่าทั่วไปได้ทำให้ระบบทำน้ำเย็นมีประสิทธิภาพสูงขึ้น

การทำงานของOAUที่ติดตั้ง Desiccant wheel

คอยล์น้ำเย็นในOAUจะใช้ลดอุหภูมิและดึงน้ำออกจากอากาศมาระดับหนึ่งเพื่อลดขนาดของDesiccant wheel และช่วยลดloadของFCUโดยทำให้สภาวะอากาศที่ปล่อยเข้าห้องใกล้เคียงกับอุณหภูมิห้องมากที่สุด และใช้ช่วยลดความชื้นของห้องโดยให้จุดน้ำค้างของอากาศจากOAUต่ำกว่าจุดน้ำค้างของห้อง

Desiccant wheelเคลือบด้วยสารดูดความชื้น อากาศจะไหลผ่านwheelซึ่งหมุนรอบแกนตัวเองรับความชื้นไปจนถึงบริเวณที่ใช้คืนสภาพ (Reactivate) ตามรูปเพื่อไล่ความชื้นออกจากสารดูดความชื้นด้วยความร้อนหรืออากาศแห้ง(heatless)ขึ้นกับประเภทของสารดูดความชื้นที่ใช้

ความชื้นในอากาศเมื่อถุกสารดูดความชื้นดึงไว้จะเปลี่ยนสถานะเป็นของเหลวและคายดวามร้อนแฝงให้อากาศทำให้อากาศมีอุณหถูมิสูงขึ้น ท่อลมที่ใช้ส่งอากาศจาก OAUมาที่FCUจึงไม่ต้องหุ้มฉนวน และเนื่องจากอัตราส่วนของอากาศภายนอกกับอากาศหมุนเวียนของFCUต่ำ ดังนั้นเมื่อผสมอากาศจากOAUและลมกลับ ภาระความร้อนสัมผัสของFCUจึงเพิ่มขึ้นเพียงเล็กน้อยแต่ไม่มีภาระความร้อนแฝง คอยล์FCUไม่ต้องดึงน้ำ

รูปที่ 4. การทำงานของOAUที่ติดตั้งDesiccant wheel

การประหยัดพลังงานเมื่อตั้งอุณหภูมิน้ำเย็นสูงขึ้น

ด้านคอยล์เย็นเมื่อไม่ต้องดึงน้ำจากอากาศ อุณหภูมิน้ำเย็นจากเดรื่องทำน้ำเย็นก็สามารถตั้งให้สูงขึ้นได้ เมื่อใช้ซอฟท์แวร์CoolPack ประเมินการทำงานของเครื่องทำน้ำเย็นขนาดใหญ่ เริ่มจากวงจรทำความเย็นใช้ Flood evaporator มีอุณหภูมิน้ำเย็น 7c อุณหภูมิสารทำความเย็น(R134a) 3c ตามรูปที่ 5. เครื่องทำความเย็น 878.8 kW(250TR) เมื่อคอมเพรสเซอร์มี Isentropic efficiency 0.7 ใช้ไฟฟ้า 175.1 kW สารทำความเย็นไหลผ่านคอมเพรสเซอร์ 5.654 kg/s เครื่องทำน้ำเย็นใช้ไฟฟ้า 0.7 kW/TR

เลือกอุณหภูมิน้ำเย็นใหม่ 12c อุณหภูมิสารทำความเย็น 8c คอมเพรสเซอร์เดิมย่อมส่งก๊าซสารทำความเย็นได้ปริมาตรเท่าเดิมดังนั้นที่อัตราการไหลเดิม 5.654 kg/s จึงส่งสารทำความเย็นได้ลดลงตามอัตราส่วนของปริมาตรจำเพาะของก๊าซที่ทางเข้าคอมเพรสเซอร์ซึ่งคำนวณได้ 4.773 kg/s เมื่อคำนวณโดยซอฟท์แวร์ให้สภาวะการทำงานด้านระบายความร้อนเท่าเดิมจะได้ความเย็น 755 kW(214.8 TR) ใช้ไฟฟ้า 125.8 kW ตามรูปที่ 6. เครื่องทำน้ำเย็นใช้ไฟฟ้า 0.59 kW/TR

จากตัวอย่างนี้สามารถลดการใช้ไฟฟ้าได้ถึง 28.16% ความเย็นลดลง 14% ซึ่งไม่มีผลในการทำงานถ้าออกแบบไว้ตั้งแต่แรก เครื่องทำน้ำเย็นตามตัวอย่างใช้ไฟฟ้า 0.7 kW/TR ซึ่งในปัจจุบันครื่องทำน้ำเย็นประสิทธิภาพสูงใช้ไฟฟ้าเพียง 0.56 kW/TR ที่อุณหภูมิน้ำเย็น 7c ถ้าตั้งอุณหภูมิน้ำเย็นสูงขึ้นก็จะทำให้ประสิทธิภาพเครื่องทำน้ำเย็นสูงขึ้นไปอีก

รูปที่ 5. การทำงานของเครื่องทำน้ำเย็นเมื่ออุณหภูมิน้ำเย็น 7c โดยซอฟท์แวร์ CoolPack

รูปที่ 6. การทำงานของเครื่องทำน้ำเย็นเมื่ออุณหภูมิน้ำเย็น 12c โดยซอฟท์แวร์ CoolPack