Author: nannopie

Air Dehumidifer HeatPump ลดความชื้นในอากาศ ด้วยฮีทปั๊ม มีประสิทธิภาพสูง ประหยัดพลังงานกว่าระบบอื่น โดยไม่จำเป็นต้องเปลี่ยนเครื่องปรับอากาศ โดยผู้เชี่ยวชาญ LEAFS HEATPUMP

ตัวอย่างการใช้งาน แบบ Real-Time ผ่าน Internet of Things
http://35.187.228.136/iot/civic.html
บทความเพิ่มเติม
https://www.leafheatpump.com/inverterheatpump

HeatPump Air Dehumidifer – OAU,AHU Model

โดยทั่วไปการอุ่นอากาศ และลดความชื้นสัมพัทธ์ในอากาศ จะใช้ฮีทเตอร์ไฟฟ้าในการสร้างความร้อน

การอุ่นอากาศ และลดความชื้นสัมพัทธ์ในอากาศ โดยระบบฮีทปั๊ม (Dx-Coil)

เราสามารถอธิบายหลักการที่ฮีทปั๊ม ลดความชื้นในอากาศ ด้วยการ plot ลง Psychrometric Chart ดังนี้

1.) จุด OA (Outdoor Air) คืออุณหภูมิความชื้น ของอากาศของประเทศไทยโดยทั่วไปอยู่ที่ 35 องศาเซลเซียส ความชื้นสัมพัทธ์ 60 %rH

2.) จุด MIX (Mixing Air) คืออุณหภูมิความชื้น ของอากาศผสมกับอากาศภายในห้องที่ย้อนกลับมาทางท่อลม (Return Air) อยู่ที่ 27 องศาเซลเซียส ความชื้นสัมพัทธ์ 58 %rH

3.) จุด EVAP คืออุณหภูมิความชื้น ของอากาศผ่านคอยล์เย็น (Evaporate Coil) ของฮีทปั๊ม ณ จุดนี้มวลน้ำในอากาศจะถูกดึงออกไป และยังช่วยลดอุณหภูมิอากาศ เป็นการช่วยลดภาระทำความเย็นของเครื่องปรับอากาศ  ( AHU) และช่วยลดการใช้พลังงานในส่วนแรก อยู่ที่ 21.5 องศาเซลเซียส ความชื้นสัมพัทธ์ 68 %rH

4.) จุด CC2 คืออุณหภูมิความชื้น ของอากาศผ่านคอยล์เย็น (Cooling Coil) ของเครื่องปรับอากาศ  (AHU) ตามปกติ อยู่ที่ 10 องศาเซลเซียส ความชื้นสัมพัทธ์ 100 %rH จุดนี้เป็นจุด Dew Point จะเห็นได้ว่าภาระทำความเย็น (Cooling) ของเครื่องปรับอากาศลดลง

5.) จุด SA คืออุณหภูมิความชื้น ของอากาศผ่านคอยล์ร้อน (Condensate Coil) ของฮีทปั๊มเพื่อเป็นการอุ่นอากาศ (Reheat) ทำให้ได้อากาศที่จ่ายเข้าไปในห้องใช้งานได้ตามต้องการ อยู่ที่ 18 องศาเซลเซียส ความชื้นสัมพัทธ์ 55 %rH ณ จุดนี้ฮีทปั๊มจะใช้พลังงานไฟฟ้า น้อยกว่าฮีทเตอร์ไฟฟ้าถึง 4 เท่า  ซึ่งเป็นการลดใช้พลังงานในส่วนที่สอง

6.) จุด ROOM คือจุดเป้าหมายของการปรับอากาศในห้องที่ต้องการ อยู่ที่ 24 องศาเซลเซียส ความชื้นสัมพัทธ์ 50 %rH

Air Dehumidifier HeatPump จะเห็นได้ว่าการนำฮีทปั๊ม มาใช้ในการลดความชื้นของอากาศนั้น มีประสิทธิภาพ ช่วยลดภาระทำความเย็นของเครื่องปรับอากาศ และยังใช้พลังงานน้อยกว่าวิธีอื่นๆ อีกด้วย . . .

นอกจากนั้น LEAFS ยังได้นำเทคโลยี Internet Of Things ซึ่งเป็น Trend ใน ยุค 4.0 มาใช้ฮีทปั๊มเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการดูแลรักษา และวิเคราะห์ข้อมูลการใช้งาน ให้กับลูกค้าอีกด้วย

Monitor แบบ Real Time ผ่าน Internet

Alarm History and Alert Email

แสดงข้อมูลย้อนหลัง Data Graph,Data Report

การนำไปใช้งาน และปรับปรุงระบบ

Dehumidifier HeatPump เหมาะสำหรับการนำไปใช้งานห้องปรับอากาศต่างๆ ที่ต้องการควบคุมความชื้นในอากาศเช่น ห้องผ่าตัด ห้องเก็บยา ในโรงพยาบาล ห้องทดสอบ ห้องผลิตยา ในโรงงานผลิตยา และเวชภัณฑ์ และแม้กระทั่งการนำไปใช้ลดความชื้นของระบบส่งลมเย็นในอาคารต่างๆ

ลดความชื้นในอากาศ

 นอกจากนี้ยังสามารถนำ Dehumidifier Heatpump ไปติดตั้งกับระบบปรับอากาศเดิมเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการลดความชื้้นในอากาศ และลดการใช้ฮีทเตอร์ไฟฟ้าซึ่งกินไฟมาก และยังนำไปใช้แทนการลดความชื้นด้วยไอน้ำจากหม้อต้มด้วย เช่นที่โรงงาน DAICEL นิคมอุตสาหรรม 304 จ.ปราจีนบุรี

ในกระบวนการปรับสภาวะอากาศที่มีความต้องการในการควบคุมความชื้นนั้น อากาศจ่ายจากเครื่องส่งลมเย็น มีความจำเป็นที่จะต้องได้รับการอุ่น (Reheat) ก่อนจ่ายเข้าสู่พื้นที่ปรับอากาศ ในอดีตการอุ่นอากาศนี้มักใช้ขดลวดต้านทานไฟฟ้า (Electric Heater) เพราะมีราคาถูกและง่ายต่อการใช้งาน แต่มีข้อเสียที่สำคัญคือสิ้นเปลืองพลังงานมาก ระบบฮีทปั้มเป็นเทคโนโลยีที่ให้ผลในการประหยัดในการทำความร้อน (ในลักษณะนี้) สูงสุด ประกอบกับในปัจจุบันสมรรถนะของคอมเพรสเซอร์ชนิดปรับเปลี่ยนความเร็วรอบ เริ่มมีความคุ้มทุนทางเศรษฐกิจ ดังนั้นการนำเอาคอมเพรสเซอร์ชนิดนี้มาประยุกต์เข้ากับหลักการทำงานของระบบฮีทปั้ม อาจทำให้เราได้เครื่องอุ่นอากาศที่มีความสามารถในการประหยัดพลังงานมากยิ่งขึ้น และอาจมีผลค้างเคียงในทางบวกในเรื่องอื่นๆ อีกด้วย

จุดเด่นที่สำคัญของฮีทปั๊มแบบนี้คือ

• ความสามารถในการปรับเปลี่ยนปริมาณการอุ่นอากาศได้ตามต้องการอย่างแม่นยำ โดยการปรับความเร็วรอบของคอมเพรสเซอร์
• คอยล์ระเหย (Evaporator Coil) ของระบบฮีทปั๊ม สามารถช่วยในการลดอุณหภูมิจุดน้ำค้างของอากาศให้ต่ำลงได้อีก ส่งผลให้ประสิทธิภาพในการควบคุมความชื้นทำได้ดียิ่งขึ้น

การออกแบบ

การออกแบบเครื่องฮีทปั๊มชนิดปรับความเร็วรอบได้เพื่อการอุ่นอากาศจ่ายนี้ สามารถแบ่งออกได้เป็น 2 ส่วน คือ การคำนวณหาปริมาณความร้อนสำหรับการอุ่นอากาศ และการเลือกอุปกรณ์ภายในเครื่อง รายละเอียดของแต่ละส่วนมีดังต่อไปนี้คือ

การคำนวณหาปริมาณความร้อนสำหรับการอุ่นอากาศ

โดยปกติคอยล์น้ำเย็น (Chilled Water Coil) ของเครื่องส่งลมเย็นจะจ่ายอากาศออกมาที่อุณหภูมิประมาณ 10°C และความต้องการในการอุ่นอากาศจะอยู่ที่ราว 16°C ถึง 22°C ขึ้นอยู่กับสภาวะโหลดของห้องปรับอากาศ (ในสภาวะ Full Load ความต้องการในการอุ่นอากาศจะมีน้อย คือประมาณ 16°C ส่วนในสภาวะ Part Load ความต้องการในการอุ่นอากาศจะมีมาก คือประมาณ 22°C

ปริมาณความร้อนที่ต้องใช้ในการอุ่นอากาศ สามารถหาได้จากสมการดังต่อไปนี้คือ

kW_RH = (1.1 x cfm x ΔT) / (3.41 x 1000)                                         (1)

เมื่อ          kW_RH     คือ ปริมาณความร้อนสำหรับการอุ่นอากาศ เป็น kW

cfm       คือ ปริมาณลม เป็น cu.ft/min

ΔT       คือ ผลต่างระหว่างอุณหภูมิของอากาศก่อนและหลังทำการอุ่น เป็น °F

ในงานวิจัยนี้ปริมาณลมจ่ายจะมีค่าอยู่ที่ 698 cfm เนื่องจากเป็นปริมาณลมจ่ายของอุปกรณ์พัดลมเดิมที่มีอยู่แล้วจากสมการ (1) และจากความต้องการในการอุ่นอากาศสูงสุด ซึ่งอยู่ที่ค่า ΔT = 22.0 – 10.0 = 12.0°C = 21.6°F ดังนั้นปริมาณความร้อนสำหรับการอุ่นอากาศจ่ายสูงสุดคือ

kW_RH = 1.1 x 698 x 21.6 / (3.41 * 1000)

= 4.86 kW

ส่วนความต้องการในการอุ่นอากาศต่ำสุดอยู่ที่ค่า ΔT = 16.0 – 10.0 = 6.0°C = 10.8°F ดังนั้นปริมาณความร้อนสำหรับการอุ่นอากาศจ่ายต่ำสุดคือ

kW_RH = 1.1 x 698 x 10.8 / (3.41 * 1000)

= 2.43 kW

การเลือกขนาดของอุปกรณ์ภายในเครื่อง

การออกแบบและเลือกขนาดอุปกรณ์ของระบบฮีทปั๊มนี้ก็เหมือนกับการออกแบบระบบเครื่องทำความเย็น/ร้อน ทั่วไป กล่าวคือต้องพิจารณากำหนดอุณหภูมิและความดันของวัฏจักรบนแผนภาพ P-h ไดอะแกรม ของสารทำความเย็นที่ใช้ในระบบ แล้วทำการเลือกอุปกรณ์ต่างๆให้สัมพันธ์กัน เพื่อให้สามารถคายความร้อนได้ตามที่ต้องการ ดังนี้

• Condensing Temperature (T_C) เนื่องจากอุณหภูมิของอากาศจ่ายที่ต้องการมีค่าสูงสุดอยู่ที่ 22°C ดังนั้นค่าของ T_C จึงต้องมีค่าสูงกว่า 22°C พอสมควร แต่ก็ไม่ควรสูงมากกว่าจนเกินไป ในทางปฏิบัตินิยมออกแบบให้ค่า T_C สูงกว่าอุณหภูมิอากาศขาเข้าอยู่ราว 10°C ดังนั้นในที่นี้ จึงกำหนดให้ T_C = 32°C ที่สภาวะ Full Load และคอยล์ควบแน่นต้องสามารถคายความร้อนได้อย่างน้อย 86 kW ที่ค่า T_C นี้

• Condensing Temperature (T_C) เนื่องจากอุณหภูมิของอากาศจ่ายที่ต้องการมีค่าสูงสุดอยู่ที่ 22°C ดังนั้นค่าของ T_C จึงต้องมีค่าสูงกว่า 22°C พอสมควร แต่ก็ไม่ควรสูงมากกว่าจนเกินไป ในทางปฏิบัตินิยมออกแบบให้ค่า T_C สูงกว่าอุณหภูมิอากาศขาเข้าอยู่ราว 10°C ดังนั้นในที่นี้ จึงกำหนดให้ T_C = 32°C ที่สภาวะ Full Load และคอยล์ควบแน่นต้องสามารถคายความร้อนได้อย่างน้อย 86 kW ที่ค่า T_C นี้

ปริมาณความเย็นที่คอยล์ระเหยสามารถคำนวณได้จากความสัมพันธ์คือ

Q_E = Q_C – W                                                       (2)

เมื่อ          Q_E        คือ ปริมาณความร้อนที่คอยล์ระเหยสามารถดูดมาได้ เป็น kW

Q_C        คือ ปริมาณความร้อนสำหรับการอุ่นอากาศ (ความร้อนที่คายออกจากคอยล์ควบแน่น)

เป็น kW

W         คือ ปริมาณไฟฟ้าที่จ่ายให้กับคอมเพรสเซอร์ เป็น kW

ภาพ Full Load และ Part Load แสดงวัฏจักรการทำงานของระบบฮีทปั๊มบน P-h ไดอะแกรมของสารทำความเย็น R410A โดยโปรแกรม Refrigeration Utilities ที่สภาวะ Full Load และ Part Load ตามลำดับ

คอยล์ควบแน่น (Condenser Coil)

จากการคำนวณในสมการ (1) คอยล์ควบแน่นต้องมีความสามารถในการคายความร้อนให้กับอากาศได้ไม่ต่ำกว่า 4.86 kW ที่ T_C เท่ากับ 32°C ตามแผนภาพ P-h ไดอะแกรม ดังแสดงในภาพที่ 5 โดยมีอัตราการไหลของสารทำความเย็น R410A เท่ากับ 86.4 kg/hr และมีอุณหภูมิ Superheat เท่ากับ 6°C ที่สภาวะอากาศเข้าคอยล์เท่ากับ 5.8°C ความชื้นสัมพัทธ์ 90%RH การเลือกหาขนาดของคอยล์ที่เหมาะสมทำได้หลายวิธี โดยในงานวิจัยนี้จะใช้โปรแกรม EVAP-CON [2] ช่วยในการออกแบบหาขนาดที่เหมาะสม ผลลัพธ์ที่ได้คือคอยล์จะเป็นแบบ Finned-tube ทำด้วยท่อทองแดงขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง 3/8″ กว้าง 24″ สูง 16″ ลึก 3 แถว มีค่า FPI เท่ากับ 12 และมีความสามารถในการคายความร้อนให้กับอากาศเท่ากับ 4.96 kW

คอยล์ระเหย (Evaporator Coil)

ความสามารถในการดึงความร้อนของคอยล์ระเหยหาได้โดยตรง จากวัฏจักรการทำงานของระบบฮีทปั๊มบน P-h ไดอะแกรม ขนาดของคอยล์ระเหยที่ต้องการจะมีค่าอยู่ที่ 3.88 kW ที่ T_E เท่ากับ 0°C โดยมีอัตราการไหลของสารทำความเย็น R410A เท่ากับ 86.4 kg/hr และสัดส่วนของไอผสม(x) เท่ากับ 0.12 ที่อุณหภูมิจุดน้ำค้างอากาศขาเข้าเท่ากับ 10 °C การเลือกหาขนาดของคอยล์ที่เหมาะสมทำได้หลายวิธี โดยในงานวิจัยนี้จะใช้โปรแกรม EVAP-CON  ช่วยในการออกแบบหาขนาดที่เหมาะสม เช่นเดียวกันกับคอยล์ควบแน่น  ผลลัพธ์ที่ได้คือคอยล์จะเป็นแบบ Finned-tube ทำด้วยท่อทองแดงขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง 3/8″ กว้าง 24″ สูง 16″ ลึก 2 แถว มีค่า FPI เท่ากับ 12 และมีความสามารถในการคายความร้อนให้กับอากาศเท่ากับ 4.16 kW

คอมเพรสเซอร์ชนิดปรับความเร็วรอบได้ (Variable Speed Drive Compressor)

จากการใช้โปรแกรม CoolPack ทำการวิเคราะห์การทำงานของระบบฮีทปั๊มที่สภาวะ Full Load และ Part Load โดยสมมติให้ค่าของ Adiabatic Compression Efficiency มีค่าเท่ากับ 80% ทำให้ทราบว่าคอมเพรสเซอร์ที่ต้องการมีปริมาณการใช้ไฟฟ้าประมาณ 0.97 kW ที่สภาวะ Full Load และ 0.49 kW ที่สภาวะ Part Load และมีความสามารถในการทำความเย็นและการคายความร้อนได้ตามที่คอยล์ระเหยและคอยล์ควบแน่นต้องการ

วาล์วปรับแรงดัน (Expansion valve)

วาล์วปรับแรงดันเป็นอุปกรณ์ควบคุมอัตราการไหลของสารทำความเย็น ให้มีความเหมาะสมกับปริมาณภาระความร้อนของคอยล์ระเหย โดยถ้าทราบอัตราการไหลสูงสุดและแรงดันตกคร่อมของวาล์วที่สภาวะ Full Load ก็จะสามารถเลือกขนาดของวาล์วปรับแรงดันให้เหมาะสมกับระบบฮีทปั๊มที่ออกแบบได้

จากรายการคำนวณค่าอัตราการไหลสูงสุดของสารทำความเย็น R410A ผ่านวาล์วปรับแรงดันที่ความดันตกคร่อม 11.7 bar พบว่าวาล์วปรับแรงดันแบบอิเล็กทรอนิกส์ยี่ห้อ “คาเรล” รุ่น E2V18SSF00 มีความเหมาะสมกับการนำมาใช้งานเพราะสามารถรองรับปริมาณโหลดทางความเย็นได้สูงถึง 11.8 kW ที่สภาวะ T_C = 38°C และ T_E = 4.4°C

การสร้าง

ตัวเครื่องฮีทปั๊มสร้างจากเหล็กฉากขนาด 30 x 30 x 3.0 มม. และ 25 x 25 x 3.0 มม. เชื่อมเข้าด้วยกัน แล้วนำแผ่นโฟมท่อลมสำเร็จรูป PID ซึ่งมีคุณสมบัติเป็นฉนวนความร้อนตัดทำเป็นแผ่นผนังของเครื่อง และเมื่อนำมาประกอบเข้าด้วยกันจะมีลักษณะเป็นกล่องขนาด 750 x 1200 x 1230 มม.

อุปกรณ์ทั้งหมดจะถูกติดตั้งเข้ากับฐานและโครงสร้างของเครื่อง จากนั้นจึงทำการเดินและเชื่อมท่อทองแดงเข้ากับอุปกรณ์ตามแบบ หลังจากการทดสอบรอยรั่วด้วยก๊าซไนโตรเจน (N₂) ที่ความดัน 28 bar จนแน่ใจว่าระบบไม่มีการรั่วซึม จึงนำฉนวนยางดำ (EPDM Closed Cell Foam Insulation) มาหุ้มท่อทองแดงเพื่อป้องกันการสูญเสียความร้อนและการกลั่นตัวของน้ำในอากาศที่ผิวท่อ จากนั้นจึงทำให้ระบบเป็นสุญญากาศด้วยปั๊มสุญญากาศ(Vacuum Pump) ก่อนเติมสารทำความเย็น R410A น้ำหนัก 2 kg. เข้าสู่ระบบ แล้วเดินสายไฟ เชื่อมต่อกับคอมเพรสเซอร์ พัดลม วาล์วปรับแรงดัน และอุปกรณ์ตรวจวัดเข้าไปที่ตู้ควบคุม

การทดสอบ

การทดสอบหาสมรรถนะของเครื่องฮีทปั๊มที่สร้าง ได้จัดทำขึ้นในห้องแคลอรี่มิเตอร์ ชั้น 3 ตึกโคลัมโบ ภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล คณะวิศวกรรมศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย โดยการติดตั้งเครื่องฮีทปั๊มในฝั่งร้อนของห้องแคลอรี่มิเตอร์ และใช้คอยล์น้ำเย็น (Chilled Water Coil) ภายในห้องเป็นตัวจำลอง ในการจ่ายอากาศเย็นจากเครื่องส่งลมเย็นให้กับเครื่องฮีทปั๊ม

ในระหว่างการทดสอบ สภาวะอากาศที่จุด 1 (จุด CC), จุด 2 (จุด EV) และ จุด 3 (จุด SA) จะถูกบันทึกด้วยอุปกรณ์ Data Logger ซึ่งทำการตรวจวัดค่าของอุณหภูมิกระเปาะแห้ง (Dry Bulb Temperature) และความชื้นสัมพัทธ์(Relative Humidity) โดยในแต่ละชุดการทดลองจะควบคุมสภาวะอากาศที่จุด 1 (จุด CC) ไว้ให้คงที่ด้วยวิธีการปรับอัตราการไหลของน้ำที่จ่ายให้กับคอยล์น้ำเย็นที่ตั้งอยู่ภายในห้อง ส่วนการปรับรอบการทำงานของคอมเพรสเซอร์นั้น จะควบคุมรอบการทำงานผ่านทางคอมพิวเตอร์โดยใช้โปรแกรม ModbusReader 1.6.0 ด้วยการป้อนความเร็วรอบที่ต้องการลงบนโปรแกรม เพื่อสั่งการทำงานของคอมเพรสเซอร์

วัตถุประสงค์ของการทดสอบก็เพื่อหาสมรรถนะของเครื่องฮีทปั๊มที่สร้างขึ้น ในแต่ละความเร็วรอบ และที่สภาวะอากาศขาเข้าต่างๆ โดยสมรรถนะที่ต้องการประกอบไปด้วย

1. ความสามารถในการอุ่นอากาศของเครื่องฮีทปั๊ม
2. ความสามารถในการลดอุณหภูมิจุดน้ำค้างของอากาศขาเข้าเครื่องฮีทปั๊ม
3. การใช้พลังงานไฟฟ้าของเครื่อง
4. ค่าสัมประสิทธิ์สมรรถนะของเครื่องฮีทปั๊ม (COP)
5. ผลประหยัดของเครื่องเมื่อเปรียบเทียบกับการใช้ขดลวดต้านทานไฟฟ้า

การทดสอบจะแบ่งออกเป็น 3 ชุดการทดลอง โดยในแต่ละชุด สภาวะของอากาศขาเข้าที่จุด 1 (จุด CC) จะถูกควบคุมค่าให้มีค่าคงที่ตลอดช่วงการทดสอบ ดังแสดงในตารางที่ 1

ตารางที่ 1 สภาวะคงที่ของอากาศที่จุด 1 (จุด CC)

การทดสอบชุดที่	สภาวะคงที่ของอากาศที่จุด 1 (จุด CC)
	อุณหภูมิ dry bulb (°C)	ความชื้นสัมพัทธ์ (%RH)	อุณหภูมิจุดน้ำค้าง (°C)
1	13.0	78.2	9.4
2	14.0	78.5	10.5
3	15.0	80.1	11.7

ในแต่ละช่วงการทดสอบ ความเร็วรอบของคอมเพรสเซอร์จะถูกปรับเปลี่ยนในช่วงตั้งแต่ 20 ถึง 90 rps โดยทำการปรับเพิ่มครั้งละ 5 ถึง 10 rps ตามความเหมาะสม แล้วทำการบันทึกค่าดังต่อไปนี้

1. อุณหภูมิกระเปาะแห้งและความชื้นสัมพัทธ์ของอากาศที่จุด 1 2 และ 3
2. ความเร็วลม
3. ความเร็วรอบของคอมเพรสเซอร์
4. กำลังไฟฟ้าที่คอมเพรสเซอร์ใช้
5. แรงดันของระบบฮีทปั๊มทางด้านร้อนและเย็น
6. อุณหภูมิทางด้านจ่ายของคอมเพรสเซอร์ (Discharge Temperature)
7. อุณหภูมิทางด้านดูดของคอมเพรสเซอร์ (Suction Temperature)
8. อุณหภูมิยิ่งยวด (Superheat Temperature)
9. เปอร์เซ็นต์การเปิดของวาล์วปรับแรงดันแบบอิเล็กทรอนิกส์

ผลการทดสอบ

ผลการทดสอบที่สำคัญสามารถนำมาแสดงผลเป็นเส้นกราฟสมรรถนะต่างๆ ได้ดังนี้คือ

ความสามารถในการอุ่นอากาศ

ภาพกราฟความสัมพันธ์ระหว่างอุณหภูมิอากาศที่จุด 3 (จุด SA) และความเร็วรอบ แสดงอุณหภูมิอากาศที่จุด 3 (จุด SA) ซึ่งเป็นสภาวะของอากาศจ่ายที่เครื่องฮีทปั๊มทำได้ จากกราฟเห็นได้ว่าเครื่องฮีทปั๊มสามารถอุ่นอากาศได้ตามที่ต้องการคือในช่วงอุณหภูมิ 16 ถึง 22°C ที่สภาวะ Part Load ของเครื่องฮีทปั๊ม ความเร็วรอบ 20 rps สามารถทำอุณหภูมิได้เท่ากับ 16.0°C และที่สภาวะ Full Load ความเร็วรอบ 60 rps สามารถทำอุณหภูมิได้เท่ากับ 22.4°C ของการทดสอบชุดที่ 1  และสามารถทำอุณหภูมิได้สูงกว่าโดยไม่เกิดปัญหา

ที่ลดลงและความเร็วรอบ

จากภาพ กราฟความสัมพันธ์ผลต่างอุณหภูมิจุดน้ำค้างที่ลดลงและความเร็วรอบ แสดงผลต่างอุณหภูมิจุดน้ำค้างที่เครื่องฮีทปั๊มสามารถลดอุณหภูมิลงได้ จากกราฟจะเห็นได้ว่าที่สภาวะ Part Load ของเครื่องฮีทปั๊ม ความเร็วรอบ 20 rps สามารถลดอุณหภูมิจุดน้ำค้างได้เท่ากับ 0.1°C และที่สภาวะ Full Load ความเร็วรอบ 60 rps สามารถลดอุณหภูมิจุดน้ำค้างได้เท่ากับ 4.6°C ของการทดสอบชุดที่ 1

การใช้พลังงานไฟฟ้าและค่าสัมประสิทธิ์สมรรถนะ (COP)

จากภาพ กราฟความสัมพันธ์ระหว่างการใช้พลังงานไฟฟ้าของคอมเพรสเซอร์และความเร็วรอบ แสดงการใช้พลังงานไฟฟ้าของคอมเพรสเซอร์ที่ความเร็วรอบต่างๆ จากภาพกราฟจะเห็นได้ว่าการใช้พลังงานไฟฟ้าจะมีแนวโน้มที่สูงขึ้นเมื่อเพิ่มความเร็วรอบ

จากภาพ กราฟความสัมพันธ์ระหว่างค่าสัมประสิทธิ์สมรรถนะและความเร็วรอบ แสดงค่า COP ในความเร็วรอบต่างๆ จากภาพกราฟจะเห็นได้ว่าแนวโน้มของค่า COP จะลดต่ำลงเมื่อเพิ่มความเร็วรอบให้กับคอมเพรสเซอร์ โดยค่า COP สามารถคำนวณได้จากสมการ (3)

COP  =  (1.1 x cfm x ΔT) / (3.41 x W)                                (3)

เมื่อ          COP     คือ ค่าสัมประสิทธิ์สมรรถนะของเครื่องฮีทปั๊ม คำนวณจากประสิทธิภาพในการอุ่นอากาศ

cfm       คือ ปริมาณลม เป็น cu.ft/min

ΔT       คือ ผลต่างระหว่างอุณหภูมิของอากาศที่จุด 1 (จุด CC)และจุด 3 (จุด SA) เป็น °F

W         คือ ปริมาณไฟฟ้าที่จ่ายให้กับคอมเพรสเซอร์ เป็น W

สืบเนื่องจากในช่วงการทำงานจริงของระบบนั้น โดยส่วนมากจะทำงานในช่วงของ Part Load ดังนั้นสำหรับการวิเคราะห์ในเรื่องการใช้พลังงานจะพิจารณาจากค่า IPLV (Integrated Part Load Value) หรือ NPLV (Non-standard Part Load Value) ซึ่งเป็นการคำนวณโดยให้อัตราส่วนน้ำหนักเป็น % ของการทำงานในช่วง Part Load  สามารถคำนวณได้จากสมการ (4) อ้างอิงจาก ARI Standard 550/590 [1]

IPLV or NPLV  =  0.01A + 0.42B + 0.45C + 0.12D                           (4)

เมื่อ          NPLV    คือ ค่า COP ของระบบฮีทปั๊ม ในช่วง Part Load

A          คือ ค่า COP ของระบบฮีทปั๊มที่สภาวะโหลด 100%

B          คือ ค่า COP ของระบบฮีทปั๊มที่สภาวะโหลด 75%

C          คือ ค่า COP ของระบบฮีทปั๊มที่สภาวะโหลด 50%

D          คือ ค่า COP ของระบบฮีทปั๊มที่สภาวะโหลด 25%

จากสมการ (4) สามารถคำนวณค่าของ NPLV (COP ช่วง Part Load) ได้ดังนี้

การทดสอบที่ 1    6.35

การทดสอบที่ 2    6.95

การทดสอบที่ 3    8.07

สรุปผล

งานวิจัยนี้คือการออกแบบและสร้างเครื่องฮีทปั๊มชนิดปรับความเร็วรอบ พร้อมทดสอบสมรรถนะ จากการทดสอบสมรรถนะที่ความเร็วรอบตั้งแต่ 20 – 90 rps โดยเครื่องมีปริมาณลมจ่ายเท่ากับ 698 cfm สามารถสรุปผลสมรรถนะของเครื่องฮีทปั๊มดังแสดงในตารางที่ 2

ตารางที่ 2 แสดงผลสมรรถนะเครื่องฮีทปั๊มชนิดปรับความเร็วรอบ

การทดสอบชุดที่	อุณหภูมิอากาศจ่าย (°C)	อุณหภูมิจุดน้ำค้างที่เครื่องสามารถลดลงได้ (°C)	NPLV (COP ช่วง Part Load)	ผลประหยัดพลังงานเปรียบเทียบกับขดลวดต้านทานไฟฟ้า (%)
1	16.0 – 27.2	0.1 – 5.3	6.35	84.0
2	16.7 – 28.8	0.4 – 5.5	6.95	85.6
3	18.5 – 30.4	0.7 – 5.5	8.07	87.6

นอกจากข้อมูลที่ได้ข้างต้นแล้ว จากการออกแบบสร้างและทดสอบสมรรถนะเครื่องฮีทปั๊ม ทำให้ทางคณะผู้วิจัยทราบถึงข้อดีและข้อเสียของเครื่องชนิดนี้ โดยมีข้อดีคือสามารถควบคุมปริมาณความร้อนสำหรับการอุ่นอากาศได้อย่างแม่นยำและมีผลประหยัดทางด้านพลังงานกว่าร้อยละ 80 เมื่อเปรียบเทียบกับการใช้ขดลวดต้านทานไฟฟ้า ส่วนข้อเสียนั้นคือการต้องใช้ชุดควบคุมแบบ BLDC Motor Drive ที่มีความซับซ้อนและมีต้นทุนในการผลิตที่สูง

ขอขอบคุณ

บริษัท สยามคอมเพรสเซอร์อินดัสทรี จำกัด, บริษัท คาเรล (ประเทศไทย) จำกัด และบริษัท เอ็มแอนด์อีทีมเวิร์ค จำกัด สำหรับคอมเพรสเซอร์ชนิดปรับความเร็วรอบ อุปกรณ์ชุดควบคุมความเร็วรอบ และวาล์วปรับแรงดันแบบอิเล็กทรอนิกส์ พร้อมให้ข้อมูลคำแนะนำเกี่ยวกับงานวิจัยในครั้งนี้

คณะผู้วิจัย

ภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล คณะวิศวกรรมศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย กรุงเทพฯ 10330