การทดสอบฮีตปั๊มระบบน้ำร้อนโรงแรม ปั๊มและการติดตั้ง

การทำงานของระบบทำน้ำร้อนโรงแรมขึ้นอยู่กับสภาวะอากาศของสถานที่ติดตั้งและปริมาณการใช้น้ำร้อนตามอัตราการเข้าพัก และการติดตั้งอุปกรณ์ประกอบได้แก่ปั๊มน้ำหมุนเวียนและขนาดถังเก็บน้ำร้อน ปั๊มฯส่งน้ำจากถังเก็บน้ำร้อนผ่านฮีตปั๊มเพื่อผลิตน้ำร้อนส่งกลับทำให้น้ำในถังเก็บน้ำร้อนมีอุณหภูมิสูงขึ้นตามต้องการ บทความนี้อธิบายถึงผลที่เกิดจากการเลือกขนาดปั๊ม  การติดตั้งระบบท่อ และการทดสอบฮีตปั๊มตามมาตรฐาน  มอก.3623-2566 เพื่อเป็นแนวทางให้ผู้ออกแบบและผู้เกี่ยวข้องเข้าใจปัญหาซึ่งสามารถหลีกเลี่ยงได้ตั้งแต่ขั้นตอนการออกแบบ การแก้ไข และการควบคุมการทำงานเพื่อให้ใช้ฮีตปั๊มทำงานได้ประโยชน์สูงสุด

ตัวอย่างการออกแบบผลิตภัณฑ์ฮีตปั๊ม

ฮีตปั๊มระบบน้ำร้อนโรงแรมเป็นแบบอากาศสู่น้ำ(AWHP, Air to water Heat Pump) การออกแบบฮีตปั๊มทำตามสภาวะการทำงานระบุในแค็ตตาล็อกซึ่งโดยทั่วไปจะเลือกน้ำยาและคอมเพรสเซอร์ตามผลิตภัณฑ์ของผู้ผลิต อุปกรณ์อื่นๆเลือกตามการทำงานของคอมเพรสเซอร์ตามสภาพการทำงานที่ระบุประกอบด้วย คอยล์ร้อน (คอนเดนเซอร์)เป็นแบบ BPHE(Brazed Plate Heat Exchanger) กำหนดอุณหภูมิน้ำร้อนที่ออกจากคอยล์ร้อน 60 C โดยมีอุณหภูมิน้ำเข้า 30 C คอยล์เย็น(อีวาปอเรเตอร์) เป็นแบบ PFC(Plate Fin Coil) โดยที่อากาศเข้ามีอุณหภูมิ 35 Cdb 24 Cwb

ตัวอย่างนี้เลือกอุณหภูมิคอยล์ร้อน 64 C เนื่องจากคอยล์ร้อนแบบBPHEมีพื้นที่ถ่ายเทความร้อนมาก มีขนาดเล็ก และราคาถูกกว่าคอยล์ร้อนแบบอื่นๆ จึงสามารถเลือกอุณหภูมิคอยล์ร้อนสูงกว่าอุณหภูมิน้ำร้อนที่ต้องการ 3-5 C อุณหภูมิซับคูลขึ้นกับอุณหภูมิน้ำเข้าคอยล์ร้อน สามารถเลือกคอยล์ร้อนให้มีอุณหภูมิซับคูลเกือบ 34 C (64-30) เลือกอุณหภูมิซับคูล 7 C เพื่อไม่ให้ราคาคอยล์ร้อนสูงเกินไป

อุณหภูมิคอยล์เย็นจะต่ำกว่าอุณหภูมิอากาศเพื่อให้สามารถดึงความร้อนจากอากาศได้ อุณหภูมิยิ่งสูงจะทำให้ประสิทธิภาพของฮีตปั๊มสูง แต่ในตัวอย่างนี้เลือกคอยล์เย็นให้ทำงานที่อุณหภูมิ 15 C เนื่องจากขอบเขตการทำงานของคอมเพรสเซอร์กำหนดให้อุณหภูมิคอยล์เย็นสูงสุด 15 C โดยอุณหภูมิซูปเปอร์ฮีท 5 C เพื่อป้องกันไม่ให้น้ำยาในสถานะของเหลวเข้าคอมเพรสเซอร์ ต้องการฮีตปั๊มผลิตน้ำร้อน 36 kW ตามสภาพการทำงานข้างต้น คำนวณการทำงานของฮีตปั๊มโดยใช้โปรแกรม CoolPack ตามรูปที่ 1. คอมเพรสเซอร์ ใช้น้ำยา R134a มี Isen. Eff. 70 % อัตราการส่งน้ำยาคงที่ 34.16 m3/h ใช้กำลังไฟฟ้า 8.898 kW

รูปที่ 1.การคำนวณการทำงานฮีตปั๊ม ที่ออกแบบตามสภาพการทำงานระบุจากโปรแกรม CoolPack

-            ปั๊มน้ำต้องส่งน้ำ     = ความร้อน / ความจุความร้อนของน้ำ / อุณหภูมิแตกต่าง / ตัวแปลงหน่วย

= 36 / 4.18 / (60-30) /3600     = 0.287 ลิตร/ชม. 

ให้ปั๊มมีประสิทธิภาพ 65 % ดวามดันตก 10 m.

-            ปั๊มใช้ไฟฟ้า           = ความหนาแน่นน้ำ x 9.81 x อัตราการไหล x ความดันตก /  ประสิทธิภาพปั๊ม

= 1x 9.81 x 0.287 x 10 / 0.65 /1000 = 0.043 kW

-            พัดลมสำหรับคอยล์เย็นใช้ไฟฟ้า 0.095 kW

-            ฮีตปั๊มมี COPh      =  ความร้อน /  (กำลังไฟฟ้าคอมเพรสเซอร์ + ปั๊ม + พัดลม )

= 36 / ( 8.898 + 0.043 + 0.095)    = 3.98

การติดตั้งระบบน้ำร้อนและวิธีการทดสอบ มอก.3623-2566

การติดตั้งระบบน้ำร้อนทำได้หลายแบบในตอนต้นนี้จะอธิบายการติดตั้งตามที่กำหนดใน มอก.3623-2566  “เครื่องทำน้ำร้อนระบบปั๊มความร้อนแบบอากาศสู่น้ำ : คุณลักษณะที่ต้องการด้านประสิทธิภาพพลังงาน” ซึ่งเป็นการติดตั้งที่ใช้อยู่มากในปัจจุบันแม้จะมีปัญหาการทำงาน

รูปที่ 2. การติดตั้งระบบทำน้ำร้อนด้วยฮีตปั๊มแบบอากาศสู่น้ำตามมาตรฐานการทดสอบมอก.3623-2566

การทำงานของระบบทำน้ำร้อนตามรูปที่ 2. ปั๊ม(6)อยู่นอกเครื่องฮีตปั๊ม(เส้นประ) มอก.กำหนดให้ถังเก็บน้ำร้อน(7) มีปริมาตร 520 ลิตร อุณหภูมิอากาศ 35 Cdb 24 Cwb อุณหภูมิน้ำ 25 C อุณหภูมิน้ำร้อนในถัง 55 C ดึงน้ำไปใช้รวม 260 ลิตร โดยมีอัตราการใช้น้ำร้อนและการเติมน้ำเย็นเข้าถัง 15.6 ลิตร/นาที พลังงานความร้อนทั้งสิ้นเท่ากับความร้อนในช่วงที่มีการใช้น้ำร้อนและความร้อนในขณะที่หยุดใช้น้ำร้อนขณะที่ฮีตปั๊มทำงานเพื่อทำอุณหภูมิน้ำร้อนในถังเก็บให้ได้ 55 C เท่าเดิม

              ในการทดสอบ มอก.จึงให้ผู้ผลิตจัดหาปั๊มติดตั้งนอกฮีตปั๊มมาด้วยเนื่องจากการทำงานของปั๊มมีผลกับการทำงานของฮีตปั๊ม เพื่อตัดปัญหาในการติดตั้งควรให้มีปั๊มติดตั้งรวมเข้าเป็นส่วนหนึ่งของฮีตปั๊ม ซึ่งจะทำให้ผู้ผลิตความรับผิดชอบในการทำงานของระบบทำน้ำร้อนทั้งหมด

ประสิทธิภาพของระบบทำน้ำร้อนตามวิธีการทดสอบ มอก.3623-2566

ฮีตปั๊มที่ออกแบบไว้ข้างต้นเมื่อทดสอบประสิทธิภาพการทำงานตามสภาพการทำงานที่กำหนดใน มอก.3623-2566 สามารถสรุปข้อสังเกตุการติดตั้งระบบตามรูปที่ 2. ได้ดังต่อไปนี้

-            น้ำเย็นเติมให้ถังเก็บน้ำร้อนจึงทำให้อุณหภูมิน้ำในถังเก็บน้ำร้อนลดลง ซึ่งจะมีผลมากน้อยตามอัตราการเติมและขนาดของถังเก็บน้ำร้อน

-            น้ำที่เข้าฮีตปั๊มเป็นน้ำที่ออกจากถังเก็บขณะที่น้ำในถังมีอุณหภูมิสูงคอยล์ร้อนจึงต้องทำงานที่อุณหภูมิสูงซึ่งทำให้ประสิทธิภาพลดลงและถ้าสูงมากอาจทำให้อุปกรณ์ป้องกันตัดการทำงานไม่สามารถทำน้ำร้อนได้

-            อุณหภูมิน้ำร้อนเข้าคอยล์ร้อนสูงอาจทำให้คอยล์ร้อนไม่สามารถทำซับคูลได้ซึ่งจะทำให้เอ็กซ์แปนด์ชั่นวาวล์ทำงานผิดพลาด

-            อุณหภูมิน้ำร้อนที่ออกจากฮีตปั๊มต้องสูงกว่าน้ำในถังเก็บน้ำร้อนเพื่อส่งความร้อนให้น้ำในถังเก็บได้

-            เอ็กซ์แปนด์ชั่นวาวล์ทำหน้าที่ปรับลดความดันโดยควบคุมอุณหภูมิSuperheat(SH)ให้คงที่ ด้วยการหรี่ลดอัตราการไหลของน้ำยาเข้าคอยล์เย็นทำให้อุณหภูมิคอยล์เย็นลดลง

-            การลดอุณหภูมิของคอยล์เย็นทำให้ประสิทธิภาพของฮีตปั๊มลดลง และลดลงต่ำจนเกิดน้ำแข็งที่คอยล์เย็นจะทำให้อากาศไม่สามารถผ่านคอยล์เย็นได้ ไม่สามารถรับความร้อนจากอากาศได้ จึงต้องมีอุปกรณ์ตัดการทำงานของฮีตปั๊มเพื่อป้องกันความเสียหาย

ตารางที่ 2. แถวที่ 1.แสดงผลการคำนวณการทำงานตามสภาวะที่ออกแบบด้วยโปรแกรมCoolPack เพื่อคำนวณพื้นที่คอยล์ร้อนAของฮีตปั๊มสำหรับคำนวณการทำงานที่สภาวะอื่นๆด้วยวิธีคำนวณค่าLMTD แถวที่ 2.สุ่มค่า t c, t sc, te น้ำเข้าฮีตปั๊มt ci=55 ใช้CoolPackคำนวณโดยปรับความร้อนQจนได้พื้นที่คอยล์ร้อนAเท่าเดิม(คอยล์ร้อนเดิม) จะเห็นได้ว่าคอยล์ร้อนมีอุณหภูมิสูงถึง 75 C แต่ไม่มีซับคูลซึ่งทำให้การทำงานของฮีตปั๊มไม่เสถียร ประสิทธิภาพของระบบและความร้อนที่ได้ลดลงจากค่าระบุมาก

แถวที่ 3.และ4. คำนวณในลักษณะเดียวกันกับแถวที่ 2. ได้ค่า t ci ลดลงเนื่องจากมีมีการใช้น้ำจึงมีน้ำเย็นและน้ำร้อนจากฮีตปั๊มเติมเข้าถังเก็บน้ำร้อนผสมกับน้ำในถังเดิม จะเห็นได้ว่าอุณหภูมิคอยล์ร้อนสูงเท่าเดิมแต่ค่าซับคูลและอุณหภูมิคอยล์เย็นสูงขึ้นทำให้ประสิทธิภาพของระบบและความร้อนที่ได้เพิ่มขึ้น

แถวที่ 20.และ21. เมื่อหยุดการใช้น้ำร้อนจะหยุดการเติมน้ำ ความร้อนจากฮีตปั๊มทำให้อุณหภูมิน้ำในถังน้ำร้อนสูงขึ้น อุณหภูมิคอยล์ร้อนสูงเท่าเดิมความร้อนที่ได้ลดลงทำให้ประสิทธิภาพของระบบลดลงจะกว่าเครื่องจะหยุดทำงานเมื่ออุณหภูมิน้ำร้อนในถังเก็บเท่ากับ 55 C

ตารางที่ 2. แสดงผลการคำนวณตามตัวอย่างฮีตปั๊มข้างต้นเมื่อใช้ปั๊มตามระบุ

เมื่อใช้ปั๊มส่งน้ำสองเท่าของที่ใช้กับค่าระบุ สามารถลดอุณหภูมิคอยล์ร้อน การทำงานจะเปลี่ยนไปตามตารางที่ 3. เมื่อส่งน้ำมากขึ้นคอยล์ร้อนจะมีความดันตกมากขึ้น= 10 x 2^2 = 40 m. ปั๊มใช้ไฟฟ้า = 1x 9.81 x 0.574 x 40 / 0.65 /1000 = 0.347 kW พัดลมสำหรับคอยล์เย็นใช้ไฟฟ้า 0.095 kW เท่าเดิม

              แถวที่ 1. ของตารางที่ 3.เมื่อใช้ปั๊มวนน้ำในถังเก็บน้ำร้อนผ่านคอยล์ร้อนสองเท่าของค่าระบุ จะทำให้อุณหภูมิคอยล์ร้อนลดลงทำให้ได้ความร้อนมากขึ้นคอมเพรสเซอร์ใช้ไฟลดลง แม้ปั๊มจะกินไฟมากขึ้นแต่โดยรวมระบบทำน้ำร้อนมีประสิทธิภาพสูงขึ้น มีอุณหภูมิซับคูลมากขึ้นทำให้ฮีตปั๊มทำงานได้เสถียรกว่าเดิม

              แถวที่ 2.และ3. ได้ค่า t ci ลดลง อุณหภูมิคอยล์ร้อนสูงเท่าเดิมแต่ค่าซับคูลและอุณหภูมิคอยล์เย็นสูงขึ้นทำให้ประสิทธิภาพของระบบและความร้อนที่ได้เพิ่มขึ้น แถวที่ 19.และ20. เมื่อหยุดการใช้น้ำร้อน น้ำจะไม่เติม ความร้อนจากฮีตปั๊มทำให้อุณหภูมิน้ำในถังน้ำร้อนสูงขึ้น อุณหภูมิซับคูลลดลง ความร้อนที่ได้ลดลงทำให้ประสิทธิภาพของระบบลดลง เครื่องจะหยุดทำงานเมื่ออุณหภูมิน้ำร้อนในถังเก็บเท่ากับ 55 C อุณหภูมิน้ำในถังเก็บสูงขึ้นเร็วทำให้ระยะเวลาทำอุณหภูมิน้อยกว่า

ตารางที่ 3. แสดงผลการคำนวณตามตัวอย่างฮีตปั๊มข้างต้นเมื่อใช้ปั๊มส่งน้ำสองเท่าของค่าตามระบุ

แก้ไขการติดตั้งระบบท่อทำน้ำร้อน

              ระบบทำน้ำร้อนในโรงแรมต้องส่งน้ำร้อนให้ระบบท่อจ่าย  60 C ฮีตปั๊มจึงต้องเริ่มทำงานเมื่ออุณหภูมิน้ำในถังเก็บลดลงที่ 55 C และหยุดการทำงานที่อุณหภูมิ 60 C การทดสอบตาม มอก.3623 ซึ่งกำหนดให้ครบรอบการทดสอบที่ 55 C จึงไม่สะท้อนถึงสภาพการใช้งานจริง อุณหภูมิน้ำเข้าจะสูงกว่า 55 C ระหว่างทำอุณหภูมิขึ้นไปถึง 60 C จากตารางที่ 1.ที่อุณภูมิน้ำเข้า 55 C อุณหภูมิคอยล์ร้อนสูงถึง 75 C โดยไม่มีซับคูล และตารางที่ 2. เมื่อเพิ่มขนาดเครื่องสูบน้ำ แม้จะมีอุณหภูมิคอยล์ร้อนลดลงเป็น 73 C โดยมีซับคูล 2 C แต่ก็ไม่สามารถแน่ใจได้ว่าจะทำงานได้จนอุณหภูมิน้ำในถังเท่ากับ 60 C

เพื่อให้แน่ใจว่าระบบสามารถทำงานได้จนอุณหภูมิน้ำในถังเก็บน้ำสูงขึ้นถึง 60C และเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานของระบบทำน้ำร้อน ควรเปลี่ยนการติดตั้งระบบทำน้ำร้อนจากรูปที่ 2. เป็นใช้น้ำเติมผสมน้ำในถังก่อนเข้าคอยล์ร้อนตามรูปที่ 3. ซึ่งจะทำให้อุณหภูมิน้ำเข้าฮีตปั๊มลดลงทำให้อุณหภูมิคอยล์ร้อนลดลง ทำความร้อนได้มากขึ้น ใช้กระแสไฟฟ้าน้อยลง และประสิทธิภาพระบบทำน้ำร้อนสูงขึ้น

รูปที่ 3. เสนอแนะการติดตั้งระบบทำน้ำร้อนด้วยฮีตปั๊มแบบอากาศสู่น้ำ

คำนวณการทำงานของระบบทำน้ำร้อนตามตารางที่ 3. tci ลดลงมากทำให้ฮีตปั๊มทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพโดยไม่ต้องเพิ่มขนาดปั๊ม ทำความร้อนได้มากขึ้น ใช้ไฟฟ้าน้อยลง ทำให้ประสิทธิภาพสูงขึ้น และอุณหภูมิน้ำร้อนในถังสูงขึ้นตลอดการทำงานของฮีตปั๊ม ถ้าทดสอบการทำงานตาม มอก.เครื่องจะไม่ทำงานจะต้องเปลี่ยนรอบการวัดเป็นเริ่มจากอุณหภูมิน้ำในถัง 50 C จนจบรอบการวัดที่ 60 C ระยะเวลาการทดสอบจะเร็วขึ้นมาก จากตารางที่ 3. ใช้เวลาไม่ถึง 7 นาที

ตารางที่ 3. การติดตั้งระบบทำน้ำร้อนด้วยฮีตปั๊มแบบอากาศสู่น้ำเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของระบบทำน้ำร้อนเมื่อใช้ปั๊มตามระบุ

บทส่งท้าย

              การคำนวณในบทความนี้ใช้สำหรับแสดงเป็นแนวทางการทำงานเท่านั้น เมื่อต้องการความแม่นยำต้องใช้โปรแกรมของผู้ผลิตคอมเพรสเซอร์ คอยล์ร้อน(BPHE) และคอยล์เย็น(PFC) เมื่อพบปัญหาการทำงานของฮีตปั๊มไม่เสถียร ตัดการทำงานบ่อยครั้ง ไม่สามารถทำอุณหภูมิถึง 60 C ถ้าติดตั้งตามรูปที่ 2. ควรเพิ่มขนาดปั๊มฯ หรือเปลี่ยนแนวท่อตามรูปที่ 3. ซึ่งจะทำให้ฮีตปั๊มทำงานได้ประสิทธิภาพดีขึ้น แต่ในช่วงทำอุณหภูมิซึ่งไม่มีน้ำเติมถ้าฮีตปั๊มยังทำงานไม่เสถียรให้เพิ่มขนาดของปั๊ม และสุดท้ายถ้ายังทำงานไม่เสถียรอีกให้เปลี่ยนเป็นฮีตปั๊มที่ออกแบบให้มีซับคูลมากขึ้นซึ่งจะมีคอยล์ร้อนใหญ่แทน

              สำหรับการทดสอบควรปรับการติดตั้งเป็นตามรูปที่ 3. และเปลี่ยนอุณหภูมิครบรอบการทำงานเป็น 60 C ซึ่งจะทำให้ระยะเวลาในการทดสอบสั้นลง และสามารถแน่ใจได้ว่าฮีตปั๊มสามารถทำงานได้ถึงอุณหภูมิน้ำเข้า 60 C ซึ่งเป็นสภาพจริงของการใช้งานระบบน้ำร้อนโรงแรม