กำหนดสภาพการทำงานของ Air to Water Heat Pump
- 2 days ago
- 1 min read
โรงแรมในปัจจุบันใช้ฮีตปั๊มเพื่อการประหยัดพลังงานและลดค่าคาร์บอนไดออกไซด์จากระบบน้ำร้อนของโรงแรม บทความนี้จึงให้ข้อคิดสำหรับผู้ออกแบบระบบน้ำร้อนเพื่อใช้กำหนดสภาพการทำงานของ AWHP (Air to Water Heat Pump) ซึ่งในบทความนี้จะเรียกว่าฮีตปั๊มให้มีประโยชน์สูงสุดสำหรับโรงแรม
ระบบน้ำร้อนโรงแรม
อัตราการใช้น้ำร้อนของโรงแรมจะเปลี่ยนแปลงตามเวลาจากประเภทการใช้ได้แก่ การใช้น้ำร้อนในห้องพัก การซักรีด ครัว และอื่นๆ การใช้เครื่องทำร้อนเฉพาะจุดทำให้ไม่สามารถควบคุมการใช้พลังงานได้ และทำให้มีจำนวนเครื่องทำน้ำร้อนให้บำรุงรักษามาก ระบบน้ำร้อนโรงแรมควรเป็นระบบรวม ผู้ออกแบบระบบน้ำร้อนจะคำนวณและกำหนดปริมาณการใช้น้ำร้อนภายในหนึ่งวัน ซึ่งก็คือปริมาณน้ำร้อนที่ต้องผลิต เพื่อกำหนดขนาดของถังเก็บน้ำร้อน อัตราการผลิตน้ำร้อนคำนวณจากปริมาณน้ำร้อนที่ต้องผลิตระยะเวลาการทำงานของเครื่องทำน้ำร้อน
เมื่อใช้ฮีตปั๊มทำน้ำร้อน สามารถกำหนดขนาดฮีตปั๊มให้ทำงานในช่วงเวลาที่ค่าไฟฟ้าถูก (off peak) แต่ฮีตปั๊มจะมีขนาดใหญ่ทำให้งบประมาณของระบบทำน้ำร้อนสูง และอาจทำให้ค่าความต้องการไฟฟ้า (Demand) สูงขึ้น จึงควรลดอัตราการผลิตน้ำร้อนซึ่งจะยืดระยะเวลาการทำงานของฮีตปั๊มเป็น 20ชม.ต่อวันเ ทำให้ขนาดของฮีตปั๊มเล็กลง ลดงบประมาณของระบบทำน้ำร้อน และมีปริมาณการผลิตน้ำร้อนเพิ่มขึ้นเมื่อต้องใช้น้ำร้อนมากกว่าที่คำนวนไว้อีก 4 ชม.ต่อวัน
อุณหภูมิน้ำร้อนที่ผลิตคือ 60 ซ. ซึ่งจะผสมกับน้ำจากระบบจ่ายน้ำเพื่อลดอุณหภูมิให้เหมาะสมกับผู้ใช้ การผลิตน้ำร้อนอุณหภูมิสูงมีจุดประสงค์เพื่อฆ่าเชื้อลีเจียเนลล่า (Legionella) ซึ่งเป็นแบคทีเรียที่ทำให้เกิดปอดอักเสบจากการหายใจละอองน้ำที่มีเชื้อเข้าไป เมื่อผสมกับน้ำใช้ที่อุณหภูมิปกติจะลดอัตราการไหลของน้ำร้อนประมาณ 30% ของอัตราการใช้น้ำจากก๊อกผสมจึงทำให้ระบบท่อน้ำร้อนมีขนาดเล็กลง ลดเงินลงทุนของระบบท่อน้ำร้อนและลดการใช้ไฟฟ้าของเครื่องสูบน้ำร้อนลงเหลือประมาณ 30% ด้วย
หลักการทำงานของฮีตปั๊ม
ฮีตปั๊มมีหลักการทำงานเหมือนเครื่องปรับอากาศ คอยล์เย็นออกแบบให้มีอุณหภูมิต่ำกว่าอุณหภูมิอากาศที่นำมาใช้เป็นแหล่งความร้อน และนำความร้อนที่ได้จากคอยล์เย็นรวมทั้งความร้อนที่เกิดจากการทำงานของคอมเพรสเซอร์มาใช้ทำน้ำร้อนที่คอยล์ร้อน อุณหภูมิของคอยล์ร้อนจึงต้องสูงกว่าอุณหภูมิน้ำร้อนที่ต้องการ การกำหนดค่าอุณหภูมิของอากาศเข้าคอยล์เย็นและอุณหภูมิน้ำเข้า/ออกคอยล์ร้อนจึงมีผลต่อการทำงานของฮีตปั๊ม
ความแตกต่างระหว่างอุณหภูมิคอยล์ร้อนและคอยล์เย็นมีผลต่อการทำงานของเครื่อง เมื่ออุณหภูมิแตกต่างสูงจะทำให้คอมเพรสเซอร์ทำงานหนักเพื่อหมุนเวียนน้ำยาทำให้ค่าประสิทธิภาพ (COP, Coefficient of performance) ต่ำกว่าและได้ความร้อนลดกว่าเมื่ออุณหภูมิแตกต่างน้อยลง ระบบน้ำร้อนต้องการน้ำร้อนออกจากฮีตปั๊ม 60 ซ. เมื่อน้ำเข้าคอยล์ร้อนมีอุณหภูมิต่ำลงจะทำให้อุณหภูมิคอยล์ลดลงต่ำกว่าขึ้นเพื่อทำให้น้ำยาที่ออกจากคอยล์ร้อนมีซับคูล (Sub-cooled) เมื่ออุณหภูมิอากาศเข้าคอยล์เย็นลดลง คอยล์เย็นจะต้องมีอุณหภูมิต่ำกว่าจึงทำให้ดึงความร้อนได้ลดลง
การกำหนดอุณหภูมิน้ำเข้าคอยล์ร้อนและอุณหภูมิอากาศเข้าคอยล์เย็นจึงมีผลต่อการทำงานของฮีตปั๊ม คอยล์ร้อนและคอยล์เย็นจะออกแบบตามอุณหภูมิที่กำหนดให้ผลิตน้ำร้อนได้ตามอัตราการผลิตน้ำร้อนที่ต้องการ และต้องออกแบบอุปกรณ์ประกอบที่เกี่ยวข้องได้แก่ เครื่องสูบน้ำร้อน พัดลมคสยล์เย็น คอมเพรสเซอร์ และอื่นๆ
สภาพการทำงานของฮีตปั๊ม
สภาพการทำงานของฮีตปั๊มแบ่งออกได้เป็น 2 แบบ แบบแรกเป็นสภาพการทำงานที่กำหนดเป็นมาตรฐานเพื่อการรับรองการทำงานของผลิตภัณฑ์ได้แก่มาตรฐาน มอก. 3623-2566 “เครื่องทำน้ำร้อนระบบปั๊มความร้อนแบบอากาศสู่น้ำ : คุณลักษณะที่ต้องการด้านประสิทธิภาพพลังงาน, AIR TO WATER HEAT PUMP : ENERGY EFFICIENCY REQUIREMENT” และมาตรฐานอื่นๆ อีกแบบหนึ่งเป็นการกำหนดสภาพการทำงานให้เหมาะสมกับโรงแรมในแต่ละแห่งเพื่อให้ผลิตน้ำร้อนได้ตามต้องการ ควบคุมงบประมาณ ประหยัดพลังงาน และอื่นๆ ซึ่งผู้ออกแบบระบบน้ำร้อนมีความรับผิดชอบในการกำหนดสภาพการทำงานของฮีตปั๊มให้เหมาะสมกับโรงแรมนั้นๆ
ผู้ออกแบบระบบน้ำร้อนต้องระบุสภาพการทำงานที่ต้องการของฮีตปั๊มสำหรับงานได้แก่ อัตราการผลิตน้ำร้อน อุณหภูมิน้ำร้อนที่ต้องการจากฮีตปั๊ม อุฌหภูมิน้ำเข้าคอยล์ร้อนของฮีตปั๊ม อุณหภูมิอากาศได้แก่อุณหภูมิกระเปาะแห้งและกระเปาะเปียกเข้าคอยล์เย็น ซึ่งจะอธิบายอย่างละเอียดต่อไป
ความสัมพันธ์ของอุณหภูมิน้ำและอากาศ
อุณหภูมิน้ำที่เข้าคอยล์ร้อนของฮีทปั๊มกับอุณหภูมิอากาศที่เข้าคอยล์เย็นของฮีตปั๊มอาจมีความสัมพันธ์กันหรือไม่ขึ้นกับสภาพแวดล้อมของงาน และการติดตั้งระบบน้ำร้อน สามารถสรุปข้อคิดสำหรับการกำหนดอุณหภูมิน้ำได้ดังต่อไปนี้
- ในกรณีที่น้ำที่นำมาป้อนฮีตปั๊มมีผิวน้ำสัมผัสอากาศมากเป็นเวลานานพอ จะมีการถ่ายเทของไอน้ำจากผิวน้ำสู่อากาศทำให้น้ำมีอุณหภูมิลดลงใกล้เคียงกับอุณหภูมิกระเปาะเปียกของอากาศ ซึ่งจะน้อยกว่าอุณหภูมิกระเปาะแห้ง
- น้ำในถังที่สัมผัสอากาศน้อยเช่นอยู่ในถังเหล็กการถ่ายเทไอน้ำเกิดขึ้นน้อย แต่จะมีการถ่ายเทความร้อนระหว่างน้ำกับอากาศผ่านถังทำให้อุณหภูมิน้ำน้อยกว่าหรือเท่ากับอุณหภูมิกระเปาะแห้ง แต่จะสูงกว่าอุณหภูมิกระเปาะเปียก
- น้ำในถังใต้ดินจะถ่ายเทความร้อนกับพื้นดินหรืออากาศในชั้นใต้ดิน อุณหภูมิอากาศชั้นใต้ดินจะต่ำกว่าอากาศบนดินแสดงว่ามีการถ่ายเทความร้อนด้วยการระเหยน้ำ(ไอน้ำ) อุณหภูมิน้ำในถังน้ำใต้ดินต่ำกว่าอุณหภูมิกระเปาะแห้งแต่จะสูงกว่าอุณหภูมิกระเปาะเปียกเช่นเดียวกัน
- ถ้าอาคารที่วางถังเก็บน้ำไว้บนหลังคาซึ่งได้รับความร้อนจากแสงอาทิตย์โดยตรงในช่วงกลางวัน น้ำจะมีอุณหภูมิสูงกว่าอุณหภูมิอากาศ ในเวลากลางคืนความร้อนในถังจะระบายให้กับอากาศอุณหภูมิน้ำลดลงแต่ยังคงสูงกว่าอากาศ
- น้ำเข้าฮีตปั๊มในระบบน้ำร้อนจะเป็นน้ำที่ผสมระหวางน้ำเติมระบบ น้ำในถังน้ำร้อน และน้ำกลับจากระบบท่อน้ำร้อนซึ่งตามข้อกำหนดควรมีอุณหภูมิ 55 ซ. อุณหภูมิน้ำเข้าฮีตปั๊มจึงต้องคำนวณโดยมีสมมุติฐานเพื่อให้ได้ค่าที่มีผลกระทบกับการทำงานของฮีตปั๊มน้อยที่สุด
- เพื่อให้ฮีตปั๊มทำงานอย่างมีประสิทธิภาพอุณหภูมิน้ำเข้าฮีตปั๊มควรมีค่าต่ำสุดเท่าที่เป็นไปได้เพื่อให้คอยล์ร้อนสามารถสร้างซับคูลได้โดยไม่ทำให้อุณหภูมิคอยล์ร้อนสูงเกินไป จึงควรให้น้ำที่เข้าฮีตปั๊มเป็นน้ำที่ผสมระหว่างน้ำเติมกับน้ำกลับจากระบบท่อน้ำร้อนเท่านั้น
อากาศเป็นแหล่งความร้อนสำหรับฮีตปั๊ม อุณหภูมิอากาศเปลี่ยนแปลงตามเวลา และภูมิอากาศข้อคิดสำหรับการกำหนดอุณหภูมิอากาศสามารถสรุปได้ดังต่อไปนี้
- การกำหนดอุณหภูมิอากาศในงานปรับอากาศใช้อุณหภูมิในฤดูร้อนเพื่อใช้คำนวณภาระความร้อนสำหรับเลือกเครื่องปรับอากาศ แต่ในเขตภูมิอากาศหนาวจะใช้อุณหภูมิในฤดูหนาวเพื่อเลือกเครื่องทำความร้อนสำหรับอาคาร ฮีตปั๊มใช้ทำน้ำร้อนจึงควรใช้อุณหภูมิอากาศด้านเย็นสำหรับเลือกฮีตปั๊ม
- ปัจจุบันฮีตปั๊มถูกกำหนดให้ทำงานที่อุณหภูมิอากาศสูง อุณหภูมิคอยล์เย็นจะสูงกว่าเมื่ออุณหภูมิอากาศน้อยกว่า เมื่อฮีตปั๊มทำงานที่อุณหภูมิอากาศลดลง ฮีตปั๊มจึงผลิตน้ำร้อนได้ลดลง นอกจากนี้ขณะใช้งานอัตราการใช้น้ำร้อนจะสูงขึ้นเนื่องจากน้ำที่ใช้ผสมมีอุณหภูมิต่ำลงด้วย ทำให้น้ำร้อนไม่เพียงพอให้ใช้งาน
- การกำหนดอุณหภูมิอากาศควรใช้อุณหภูมิด้านต่ำซึ่งจะช่วยให้ฮีตปั๊มช่วยลดการใช้พลังงานได้สูงสุด แต่ต้องลงทุนสูงขึ้นตามขนาดฮีตปั๊ม
- เนื่องจากประเทศไทยอยู่ในเขตร้อนชื้น อากาศหนาวมีระยะเวลาสั้น การกำหนดอุณหภูมิอากาศควรพิจารณาจากอุณหภูมิที่ประสิทธิภาพฮีตปั๊ม COP > 1.5 ซึ่งจะใช้ไฟฟ้าน้อยกว่าการใช้ฮีตเตอร์ไฟฟ้า 50% ถ้า ที่อุณหภูมิอากาศต่ำกว่าอุณหภูมิที่กำหนดจะใช้ฮีตเตอร์ไฟฟ้าให้ความร้อนเสริมฮีตปั๊ม
- ควรนำข้อมูลอุณหภูมิอากาศมาศึกษาระยะเวลาของอุณหภูมิต่างๆในหลายๆปีมาใช้ในการประมาณค่าไฟฟ้าที่ใช้กับฮีตปั๊มและฮีตเตอร์เพื่อเปรียบเทียบค่าใช้จ่ายที่เพิ่มขึ้นและเงินลงทุนเพื่อนำมาปรับค่ากำหนดเรื่องอุณหภูมิ
- อุณหภูมิอากาศอาจสูงขึ้นถ้ามีการผสมความร้อนสูญเสียจากระบบอื่นๆได้ถ้ามีปริมาณและความสม่ำเสมอตลอดการทำงานของฮีตปั๊ม
Risk Analysis
เจ้าของโรงแรมต้องควบคุมความเสี่ยงจากการลงทุน ได้แก่ต้นทุนของระบบต่างๆ ความสะดวกในการบำรุงรักษา การขาดบุคลากรควบคุมและบำรุงรักษาระบบน้ำร้อน ค่าพลังงานที่ใช้กับระบบน้ำร้อน ตลอดจนผลกระทบกับสิ่งแวดล้อม เรื่องพลังงานและคาร์บอนไดออกไซด์
ผู้ออกแบบระบบน้ำร้อนมีความรับผิดชอบในการป้องกันความเสี่ยงที่อาจทำให้ระบบน้ำร้อนไม่สามารถผลิตน้ำร้อนให้โรงแรมได้เพียงพอ ขนาดของฮีตปั๊มจึงต้องผลิตน้ำร้อนเท่ากับความต้องการสูงสุดและแบ่งจำนวนตัวเพื่อให้สามารถหยุดทำการบำรุงรักษาได้โดยไม่กระทบต่อการผลิตน้ำร้อน บางครั้งก็อาจเพิ่มฮีตปั๊มเพื่อสำรองไว้อีกหนึ่งเครื่อง การกำหนดอุณหภูมิน้ำเข้าคอยล์ร้อนและอุณหภูมิอากาศเข้าคอยล์เย็นช่วยให้ผู้ออกแบบสามารถปรับขนาดและการทำงานของฮีตปั๊มตามที่ได้อธิบายไว้แล้ว
ผู้ออกแบบควรได้แลกเปลี่ยนข้อมูลและความคิดเห็นกับเจ้าของโรงแรมและผู้เกี่ยวข้องเพื่อให้ทราบความเสี่ยง ความคิดเห็นและข้อจำกัดซึ่งอาจทำให้ต้องปรับเปลี่ยนแนวทางการออกแบบเพื่อให้ได้ประโยชน์สูงสุดแก่โรงแรม โดยหาจุดร่วมที่ยอมรับได้สำหรับทุกฝ่าย การกำหนดอุณหภูมิอากาศทีเย็นทำให้ฮีตปั๊มมีขนาดใหญ่ แต่อัตราการเข้าพักของโรงแรมเป็นไปตามฤดูกาล ความต้องการน้ำร้อนจึงเปลี่ยนแปลงไปด้วย จึงมีแนวคิดที่สามารถใช้ในการออกแบบระบบทำน้ำร้อนด้วยฮีตปั๊มโดยวิธีการดังต่อไปนี้
- อัตราการใช้น้ำร้อนเปลี่ยนแปลงตามเวลาของวัน ฤดูกาลและอัตราการเข้าพัก เมื่อฮีตปั๊มถูกเลือกให้จ่ายน้ำร้อนในอัตราที่ต้องการที่อุณหภูมิอากาศที่กำหนดและมีเวลาการทำงานเหลือระหว่างวัน จึงมีโอกาสที่จะจัดให้มีการบำรุงรักษาทีละเครื่องได้โดยไม่ต้องมีฮีตปั๊มสำรอง
- สามารถปรับค่าอุณหภูมิอากาศเข้าคอยล์เย็นให้สูงขึ้นเพื่อลดขนาดและควบคุมราคาฮีตปั๊ม เมื่ออุณหภูมิอากาศต่ำกว่าค่าที่กำหนดจะใช้ฮีตเตอร์ไฟฟ้าช่วยผลิตน้ำร้อน ระยะเวลาที่อุณหภูมิอากาศต่ำกว่าค่าที่กำหนดเป็นช่วงเวลาที่ต้องใช้ฮีตเตอร์ทำงานและสามารถคำนวณค่าไฟฟ้าของฮีตเตอร์เพื่อเปรียบเที่ยบกับราคาของฮีตปั๊มที่ลดลง ข้อมูลนี้ช่วยในการตัดสินใจการกำหนดค่าอุณหภูมิอากาศสำหรับฮีตปั๊ม
- ระบบควบคุมปัจจุบันสามารถควบคุม ตรวจสอบและประมวลผลเพื่อการบำรุงรักษา โดยการทำงานออนไลน์จากผู้ผลิต ซึ่งเป็นการแก้ปัญหาของโรงแรม เรื่องการขาดแคลนบุคคลากรของโรงแรมได้อย่างมีประสิทธิภาพ
Comments