Air-cooled หรือ Water-cooled chiller

เครื่องทำน้ำเย็นระบายความร้อนด้วยน้ำ(Water-cooled chiller) ประหยัดพลังงานได้มากกว่าเครื่องทำน้ำเย็นระบายตวามร้อนด้วยอากาศ(Air-cooled chiller) มีต้นทุนที่ถูกกว่าเมื่อเทียบต่อตันความเย็น การเลือกเครื่องทำน้ำเย็นยังต้องพิจารณาปัจจัยอื่นๆนอกเหนือจากการประหยัดพลังงานได้แก่ ค่าใช้จ่ายโดยรวม ค่าสารเคมี ค่าบำรุงรักษา การใช้พื้นที่ ความปลอดภัย บุคคลากร เมื่อเทียบกับระบบอื่นระยะเวลาการคืนทุนเร็วและคืนทุนก่อนอายุของระบบ

การวิเคราะห์จะต้องเข้าใจการทำงานของส่วนประกอบแต่ละระบบ ต้องมีข้อมูลความแตกต่างของระบบ ประสิทธิภาพ ราคาต้นทุน การบำรุงรักษาที่จำเป็น การใช้งานของระบบปรับอากาศซึ่งขึ้นกับประเภทและขนาดของอาคารเป้าหมายของเจ้าของโครงการ เปรียบเทียบข้อดี ข้อเสีย เปรียบเทียบค่าใช้จ่ายตลอดอายุการใช้งานของระบบปรับอากาศ

วงจรการทำงานของระบบทำน้ำเย็น

ระบบน้ำเย็นที่ใช้เครื่องที่ระบายความร้อนด้วยอากาศประกอบด้วย เครื่องทำน้ำเย็นระบายความร้อนด้วยอากาศซึ่งติดตั้งนอกอาคาร และอุปกรณ์ประกอบได้แก่ปั๊มปฐมภูมิและปั๊มทุติยภูมิ(primary and secondary pumps) ถังขยายตัว(expansion tank) ที่ไล่ลม(air separator) และอุปกรณ์เติมสารเคมีของระบบน้ำเย็น

ระบบน้ำเย็นที่ใช้เครื่องที่ระบายความร้อนด้วยน้ำประกอบด้วย เครื่องทำน้ำเย็นระบายความร้อนด้วยน้ำติดตั้งภายในห้องเครื่องในอาคาร ปั๊มน้ำระบายความร้อน หอผึ่งน้ำ อุปกรณ์เติมสารเคมีของระบบน้ำเย็นและน้ำระบายความร้อน เครื่องทำน้ำอ่อนสำหรับเติมน้ำให้หอผึ่งน้ำ อุปกรณ์ประกอบเหมือนกับระบบท่อน้ำเย็นของระบบน้ำเย็นที่ระบายความร้อนด้วยอากาศ ปั๊มปฐมภูมิและปั๊มทุติยภูมิ หรือใช้ปั๊มปฐมภูมิปรับความเร็วซึ่งไม่ต้องใช้ปั๊มทุติยภูมิ

รูปที่ 1.แสดงวงจรท่อของระบบทำน้ำเย็นทั้งระบบที่ระบายความร้อนด้วยอากาศและระบายความร้อนด้วยน้ำ ด้านล่างสุดเป็นเครื่องที่ระบายความร้อนด้วยอากาศ ระบบจะมีปั๊มปฐมภูมิหมุนเวียนน้ำเข้าเครื่องแล้วljน้ำเย็นให้ปั๊มทุติยภูมิซึ่งจะส่งน้เย็นไปเครื่องเป่าลมเย็นและแฟนคอยล์เพื่อทำความเย็นแล้วกลับมาที่ปั๊มปฐมภูมิ

ด้านบนคือวงจรของระบบทำน้ำเย็นระบบระบายความร้อนด้วยน้ำซึ่งเพิ่มวงจรน้ำระบายความร้อนประกอบด้วยปั๊มน้ำระบายความร้อนและหอผึ่งน้ำ วงจรท่อน้ำเย็นเหมือนกับระบบที่ระบายความร้อนด้วยอากาศ

รูปที่ 1.วงจรของระบบทำน้ำเย็นระบายความร้อนด้วยอากาศ และระบายความร้อนด้วบน้ำ ปั๊มปฐมภูมิและปั๊มทุติยภูมิ หอผี่งน้ำ และปั๊มระบายความร้อน

การใช้พื้นที่

พื้นที่ห้องเครื่องของระบบปรับอากาศในอาคารถือเป็นต้นทุนของระบบเพราะไม่สามารถทำรายได้จากพื้นที่นั้นได้ ต้นทุนนี้นอกจากค่าก่อสร้างแล้วยังรวมถึงเงินที่จะได้จากพื้นที่นั้นด้วย พื้นที่หลังคาของอาคารใช้กับเครื่องทำน้ำเย็นระบายความร้อนด้วยอากาศหรือใช้วางหอผึ่งน้ำของเครื่องที่ระบายความร้อนด้วยน้ำ

รูปที่ 2.ซ้ายแสดงการวางเครื่องทำน้ำเย็นแบบหน่วย(Unitary)ระบายความร้อนด้วยอากาศทำงานตามชนาดความเย็นที่ต้องการ วางบนหลังคา เครื่องประกอบด้วบคอมเพรสเซอร์อยู่ด้านล่าง คอยล์ร้อนระบายความร้อนด้วยอากาศ พัดลม และคอยล์เย็นทำน้ำเย็น ต้องการพื้นที่โดยรอบให้อากาศเข้าได้สดวกและเป็นพื้นที่สำหรับการบำรุงรักษา ตามรูปจะเห็นปั๊มน้ำเย็นแบบ Inline เพื่อให้ประหยัดเนื้อที่ รูปที่ 2.ขวาเป็นเครื่องแบบชุด(Modular)ซึ่งใช้พื้นที่น้อยลงเนื่องจากออกแบบให้เครื่องมาต่อกันเพื่อให้ได้ขนาดตามต้องการหรือขยายขนาดด้วยการต่อเพิ่ม ทำให้พื้นที่รอบเครื่องลดลง

รูปที่ 2.เครื่องทำน้ำเย็นระบายความร้อนด้วยอากาศแบบหน่วยตั้งอยู่บนหลังคาของอาคาร และเครื่องแบบชุด

รูปที่ 3.ซ้ายแสดงการวางเครื่องทำน้ำเย็นระบายความร้อนด้วยน้ำภายในห้องเครื่องของอาคาร เครื่องประกอบ ด้วยคอมเพรสเซอร์วางบนคอยล์ร้อนและคอยล์เย็นแบบShell and tube ตามรูปท่อน้ำเย็นและท่อน้ำระบายความร้อนอยู่คนละด้านของเครื่องทำให้ใช้เนื้อที่มากขึ้น และมีพื้นที่โดยรอบน้อยทำให้บำรุงรักษายาก รูปที่ 3.ขวาแสดงหอผึ่งน้ำแบบCrossed-flowทรงสี่เหลี่ยมซึ่งประหยัดเนื้อที่โดยรอบมากกว่าแบบCounter flowทรงกลม ติดตั้งบนหลังคา ซึ่งจะมีอุปกรณ์ควบคุมคุณภาพน้ำระบายความร้อน

รูปที่ 3.เครื่องทำน้ำเย็นระบายความร้อนด้วยน้ำแบบแรงเหวี่ยง(Centrifugal chiller)และหอผึ่งน้ำวางบนหลังคา

พื้นที่ของระบบทำน้ำเย็นขึ้นกับขนาดความเย็นของอาคาร ตัวอย่างเช่นอาคารต้องการระบบทำน้ำเย็น 450ตัน เลือกเครื่องทำน้ำเย็น 150ตัน 3ชุด พื้นที่ห้องเครื่องสำหรับเครื่องทำน้ำเย็น ปั๊มน้ำเย็น และอุปกรณ์อื่นๆรวม 80ตรม. พื้นที่หลังคา 120ตรม.สำหรับหอผึ่งน้ำ ปั๊มระบายความร้อนและอื่นๆ เมื่อเทียบกับเครื่องที่ระบายความร้อนด้วยอากาศต้องการพื้นที่บนหลังคารวม 120ตรม.เท่านั้น

การใช้พลังงาน

การใช้พลังงานของเครื่องทำน้ำเย็นขึ้นกับประสิทธิภาพของคอมเพรสเซอร์ สารทำความเย๊นที่ใช้ อุณหภูมิคอยล์เย็น อุณหภูมิคอยล์ร้อน และอุณหภูมิซับคูล(Sub-cooled temperature) คอมเพรสเซอร์แบบเดียวกันที่ใช้สารทำความเย็นชนิดเดียวกัน มีสภาวะการทำงานเดียวกันไม่ว่าเครื่องจะระบายความร้อนด้วยอากาศหรือน้ำจะมีประสิทธิภาพเท่ากัน เครื่องที่ระบายความร้อนด้วยอากาศใช้คอมเพรสเซอร์แบบScrew oil less magnetic bearing, variable speed ก็สามารถหาได้เช่นเดียวกับเครื่องที่ระบายความร้อนด้วยน้ำ

รูปที่ 4.แสดงวงจรการทำงานของเครื่องทำน้ำเย็นบน P-h ไดอะแกรมของสารทำความเย็น สารทำความเย็นที่มีความกว้างของช่วงเปลี่ยนสถานะมากจะทำความเย็นได้มากทำให้เครื่องมีประสิทธิภาพดี แต่สารทำความเย็นถูกจำกัดและยกเลิกการผลิตไปมากเนื่องจากปัญหาโลกร้อน และมีสารทำความเย็นพัฒนาขึ้นมาใหม่เพื่อทดแทน จึงไม่มีผลแตกต่างในเรื่องประสิทธิภาพเพราะต่างต้องใช้สารใหม่เหมือนกัน

รูปที่ 4.ของวงจรทำน้ำเย็นระบายความร้อนด้วยน้ำบน P-h ไดอะแกรมของสารทำความเย็น

ถ้ากำหนดให้น้ำเย็นที่จ่ายมีอุณหภูมิ 7 C จากน้ำเข้า 12 C อุณหภูมิคอยล์เย็นใกล้ 7 C มากขึ้นประสิทธิภาพของเครื่องทำน้ำเย็นก็จะสูงขึ้น คอยล์เดิมใช้Shell and tubeและพัฒนามาใช้flood type, SPHE(Solderef Plate Heat exchanger) และ Falling film ซึ่งมีประสิทธิภาพดีขึ้น SPHEมีข้อดีที่ขนาดเล็กกว่า เครื่องทั้งระบายความร้อนด้วยอากาศและน้ำสามารถใช้คอยล์เย็นชนิดเดียวกันได้ ระบบน้ำเย็นเป็นระบบปิดจึงควบคุณภาพน้ำได้ดีมีFouling factorน้อย

น้ำระบายความร้อนที่หอผึ่งน้ำกำหนดให้เข้า 37.8 C และออกที่ 32.2 C คอยล์ร้อนใช้แบบเดียวกับคอยล์เย็นแต่คุณภาพของน้ำควบคุมได้ยากกว่าเนื่องจากเป็นระบบเปิด จึงมีFouling factorมากกว่า การล้างคอยล์ร้อนแบบ SPHE (Soldered Plate Heat exchanger) และ Falling filmทำได้ยากต้องใช้สารเคมีเพียงอย่างเดียวจึงต้องใส่ใจการควบคุมคุณภาพน้ำระบายความร้อนเป็นพิเศษ อุณหภูมิคอยล์ร้อนสูงกว่า 32.2 C น้อยจะทำให้ประสิทธิภาพของเครื่องทำน้ำเย็น

สูงขึ้นแต่อุณหภูมิซับคูลจะน้อย ซึ่งเมื่อใช้ Liquid-gas heat exchanger จะทำให้ COPสูงถึง 6.5(0.54kW/TR)ตามรูปที่ 4.

รูปที่ 5.ของวงจรทำน้ำเย็นระบายความร้อนด้วยอากาศบน P-h ไดอะแกรมของสารทำความเย็น

สำหรับคอยล์ร้อนของเครื่องที่ระบายความร้อนด้วยอากาศจะเป็นแบบPlate fin ปัจจุบันพัฒนาเป็นแบบMicro channel heat exchanger (MCHX) ซึ่งคอยล์บางกว่าและมีประสิทธิภาพสูงขึ้น อุณหภูมิอากาศที่ใช้ระบายความร้อนเป็นอุณหภูมิอากาศสูงสุด 1%สำหรับการคำนวณภาระปรับอากาศคือ 35 Cdb, 26.4 Cwb อุณหภูมิคอยล์ร้อนประมาณ 45 C แต่อาจทำซัปคูลได้ถึง 6 C เมื่อใช้ Liquid-gas heat exchanger วงจรทำน้ำเย็นตัวอย่างบนP-h ไดอะแกรมของสารทำความเย็นระบายความร้อนด้วยอากาศ รูปที่ 5.ซ้ายซึ่ง จะทำให้ COPสูงถึง 4.43(0.79kW/TR)

และเมื่อใช้Cellulose humidifierหรือSpray humidifierลดอุณหภูมิอากาศระบายความร้อนเหลือ 28 C อุณหภูมิคอยล์ร้อน 38 C ซัปคูล 6 C เมื่อใช้Liquid-gas heat exchanger วงจรทำน้ำเย็นตัวอย่างบนP-h ไดอะแกรมของสารทำความเย็นระบายความร้อนด้วยอากาศ รูปที่ 5.ขวาซึ่ง จะทำให้ COPสูงถึง 5.6(0.63kW/TR) ใกล้เคียงกับเครื่องที่ระบายความร้อนด้วยน้ำ ซึ่งต้องใช้ปั๊มน้ำระบายความร้อนอีก 1 ชุด ประมาณ 10kW การใช้พลังงานของเตรื่องทำน้ำเย็นระบายความร้อนอากาศจึงใกล้เคียงกับเครื่องที่ระบายความร้อนด้วยน้ำได้ถ้ากำหนดความต้องการให้ถูกต้อง

ความปลอดภัย

ระบบระบายความร้อนด้วยน้ำเป็นระบบเปิด จึงมีโอกาสเกิดเชื้อลีจีเนลล่าในน้ำของหอผึ่งน้ำ ถ้าคนหายใจเชื้อที่อยู่ในละอองน้ำจากหอผึ่งน้ำเข้าไปจะทำให้เกิดอาการในระบบหายใจคล้ายปอดบวมถึงแก่ชีวิตได้ จึงต้องมีการฆ่าเชื้อในหอผึ่งน้ำ และตรวจสอบเป็นระยะๆ

สารทำความเย็นที่ใช้ในเครื่องทำน้ำเย็นใหม่เช่น R-1234ze เป็นสารที่มีค่า GWP(Global warming potential)ต่ำ มีผลต่อปัญหาโลกร้อนน้อย ไม่มีพิษ แต่มีปัญหาเรื่องติดไฟ เมื่อมีการรั่ว ถ้าเป็นเครื่องที่ระบายความร้อนด้วยอากาศติดตั้งบนหลังคาจะระบายโดยธรรมชาติไม่มีอันตราย แต่ถ้าเป็นเครื่องที่ระบายความร้อนด้วยน้ำที่ติตั้งในอาคารไม่ว่าจะเป็นสารทำความเย็นประเภทใดจะต้องมีระบบไล่อากาศเพื่อไม่ให้มีสารทำความเย็นสะสมในห้องเครื่อง เป็นการป้องกันอัคคีภัยและความปลอดภัยกับคนเพราะถึงจะไม่เกิดอัคคีภัยและไม่มีพิษแต่เมื่อสะสมก็จะไล่ออกซิเจนทำให้มีปัญหาเรื่องการหายใจ

เสียงและความสั่นสะเทือน

เครื่องทำน้ำเย็นที่ระบายความร้อนด้วยน้ำติดตั้งภายในห้องเครื่อง สามารถป้องกันเสียงและการสั่นสะเทือนได้ง่าย ส่วนหอผึ่งน้ำและปั๊มระบายความร้อนบนหลังคามีระดับเสียงซึ่งนอกจากจะกำหนดที่การทำงานของหอผึ่งน้ำและป็มแล้ว ยังอาจต้องใช้แผ่นกันเสียงในงานสถาปัตยกรรมร่วมด้วย สำหรับเครื่องทำน้ำเย็นระบายความร้อนด้วยอากาศก็อาจต้องใช้แผ่นกันเสียงในลักษณะเดียวกัน

ความสั้นสะเทือนของเครื่องทำน้ำเย็นรับด้วยแผ่นยางกันสะเทือนและความหนาของพื้นคอนกรีต ซึ่งน้ำหนักของเคริ่องทำน้ำเย็นน้อยกว่าน้ำหนักน้ำและหอผึ่งน้ำ ค่าโครงสร้างจึงไม่แตกต่างกันมากนัก

เลือกระบบทำน้ำเย็น

เพื่อเลือกระบบทำน้ำเย็นให้เหมาะสมกับโครงการ ต้องเปรียบเทียบระหว่างระบบที่ระบายความร้อนด้วยอากาศและระบายความร้อนด้วยน้ำด้วยข้อมูลที่ถูกต้องทั้งข้อมูลเกี่ยวกับเครื่องและความต้องการของโครงการ จึงควรเป็นการทำงานให้ข้อมูลร่วมกันระหว่างผู้ออกแบบ ผู้ผลิต เจ้าของโครงการ และผู้เชี่ยวชาญการประมาณราคา การเปรียบเทียบข้อมูลเฉพาะระบบทำน้ำเย็นดังต่อไปนี้

- การลงทุน ราคาเครื่อง อุปกรณ์ที่เกี่ยวข้อง ระบบที่ระบายความร้อนด้วยน้ำได้แก่ราคาเครื่อง ราคาหอผึ่งน้ำ ปั๊มน้ำระบายความร้อน ราคาระบบทำน้ำอ่อนเติมหอผึ่งน้ำ ระบบควบคุมคุณภาพน้ำหอผึ่งน้ำ ระบบไล่อากาศห้องเครื่องทำน้ำเย็น ส่วนระบบที่ระบายความร้อนด้วยอากาศประกอบด้วยราคาเครื่องเท่านั้น แม้ราคาเครื่องระบายความร้อนด้วยอากาศจะสูงกว่า แต่ไม่มีอุปกรณ์ประกอบอื่นๆ ต้นทุนของระบบของระบบระบายความร้อนด้วยอากาศจะใกล้เคียงกับระบบระบายความร้อนด้วยน้ำ

- ค่าพลังงานที่ใช้ในการทำงานของระบบที่ระบายความร้อนด้วยอากาศนั้นสามารถเลือกให้การใช้พลังงานของเครื่องทำน้ำเย็นใกล้เคียงกับระบบระบายความร้อนด้วยน้ำได้

- ค่าแรงควบคุมการทำงานและบำรุงรักษาระบบระบายความร้อนด้วยอากาศซึ่งถูกกว่าระบบระบายความร้อนด้วยน้ำมากเพราะมีอุปกรณ์น้อยกว่า ไม่มีค่าสารเคมีปรับคุณภาพน้ำระบายความร้อน ค่าสารเคมีเตรื่องทำน้ำอ่อนเติมหอผึ่งน้ำ ค่าน้ำเติมหอผึ่งน้ำ ค่าบำรุงรักษาหอผึ่งน้ำ ค่าบำรุงรักษาเครื่องทำน้ำเย็นรวมถึงการล้างคอยล์ร้อน เมื่อใช้คนน้อยกว่าปัญหาในการบริหารบุคคลก็น้อยกว่าด้วย

- ค่าเสียโอกาสเนื่องจากพื้นที่ห้องเครื่อง ซึ่งสามารถใช้หารายได้แม้จะเป็นโดยทางอ้อม

บทส่งท้าย

เครื่องทำน้ำเย็นถ้าเป็นขนาดใหญ่มากๆจะถูกจำกัดตามการผลิตเป็นเฉพาะแบบที่ระบายความร้อนด้วยน้ำ แต่โดยทั่วไปแล้วสามารถใช้ระบบที่ระบายความร้อนด้วยอากาศได้ จึงควรเปรียบเทียบทั้งสองระบบทุกครั้งเพื่อความเหมาะสมของแต่ละโดรงการ บางโครงการในต่างจังหวัดที่มีขนาดเครื่องทำน้ำเย็นไม่ใหญ่ได้เลือกใช้เครื่องทำน้ำเย็นแบบระบายความร้อนด้วยอากาศเนื่องจากเรื่องการบำรุงรักษาง่ายกว่า เมื่อทำงานได้จึงขาดการบำรุงรักษาจนคอยล์ร้อนตัน คลีบกร่อนจนเครื่องทำความเย็นได้น้อยลง ใช้พลังงานมาก กลับกลายเป็นความผิดของผู้ออกแบบ ปัจจุบันเปลี่ยนเป็นเครื่องที่ระบายความร้อนด้วยน้ำที่ต้องบำรุงรักษาระบบมากขึ้น ถ้ายังไม่มีการบำรุงรักษาอีกก็จะมีปัญหามากกว่าเดิม