Thermal Energy Storage ระบบปรับอากาศและน้ำร้อนกับฮีตปั๊ม

โรงแรมที่ควบคุมค่าใช้จ่ายด้านพลังงานได้จะได้เปรียบในการดำเนินกิจการ TES(Thermal Energy Storage) สามารถลดค่าใช้จ่ายโดยย้ายเวลาการใช้พลังงานด้วยการเก็บพลังงานความร้อนในเวลาที่มีค่าไฟฟ้าถูกมาใช้ในเวลาที่ค่าไฟฟ้าสูง การใช้ฮีตปั๊มนอกจากจะลดค่าใช้จ่ายในการทำน้ำร้อนแล้ว การใช้ระบบ TES ยังทำให้สามารถลดขนาดของฮีตปั๊มและอุปกรณ์ และได้ความเย็นช่วยระบบTESของระบบปรับอากาศ ลดค่าใช้จ่ายด้านพลังงานของระบบปรับอากาศได้ด้วย

โรงแรมขนาดใหญ่ใช้ระบบน้ำร้อนกลางซึ่งอาจใช้ไฟฟ้าหรือใช้เชื้อเพลิงธรรมชาติเช่นน้ำมันหรือก๊าซ และใช้ระบบปรับอากาศแบบน้ำเย็นเพื่อลดต้นทุนด้านพลังงาน และลดการเสียโอกาสจากการขายห้องเมื่ออุปกรณ์ทำน้ำร้อนและเครื่องปรับอากาศเสีย แม้จะต้องลงทุนงานระบบมากขึ้นแต่ก็คุ้มค่าการลงทุน

การติดตั้งระบบเก็บน้ำเย็นภายหลังจะมีข้อจำกัดมากกว่าทำให้มีค่าใช้จ่ายมากกว่าเมื่อออกแบบทำเมื่อเริ่มโครงการ ต่อไปนี้เป็นการอธิบายการออกแบบและการทำงานเพื่อลดค่าไฟฟ้าของระบบปรับอากาศและระบบน้ำร้อนด้วยการเก็บพลังงานความร้อนTES

โครงสร้างค่าไฟฟ้า

ตารางที่ 1. แสดงอัตราค่าไฟฟ้าสำหรับกิจการเฉพาะอย่าง ประเภทที่ 5. เพื่อกิจการโรงแรมและกิจการให้เช่าที่พักอาศัย ซึ่งแบ่งเป็นอัตราปกติ และ TOU, Time of used (อัตราตามช่วงเวลาการใช้) จะเห็นได้ว่าค่าความต้องการไฟฟ้า TOU น้อยกว่าอัตราปกติ และค่าพลังงานไฟฟ้าในช่วงOn-Peakสูงกว่าค่าพลังงานของอัตราปกติ แต่ในช่วงOff-Peak ค่าพลังงานไฟฟ้าต่ำกว่าอัตราปกติ เพื่อให้ผู้ใช้ไฟฟ้าควบคุมการใช้ไฟฟ้าของกิจการซึ่งจะทำให้กิจการลดค่าไฟฟ้าของตัวเองและช่วยกระจายการใช้ไฟฟ้าในช่วงเวลาอื่น ๆ ทำให้การไฟฟ้าฯ ควบคุมการจ่ายกระแสไฟฟ้าได้ดีขึ้น จ่ายไฟฟ้าได้สม่ำเสมอขึ้น

ระบบปรับอากาศเป็นระบบที่ใช้ไฟฟ้ามากที่สุดในงานโรงแรม ในช่วงกลางวันที่ผลิตน้ำเย็นเป็นOn-Peak ทำให้เสียค่าไฟฟ้าในอัตราสูงและค่าความต้องการไฟฟ้าสูง ปัจจุบันนิยมใช้ฮีตปั๊มผลิตน้ำร้อนแทนการใช้เชื้อเพลิงอื่นๆ เนื่องจากฮีตปั๊มใช้กระแสไฟฟ้าน้อยและสามารถให้ความเย็นและความร้อนมากกว่าไฟฟ้าที่ใช้ 3–4 เท่า การใช้ฮีตปั๊มจึงเสียค่าไฟฟ้าน้อยกว่าค่าเชื้อเพลิง มีการทำงานที่สะอาดกว่าใช้หม้อน้ำร้อนที่ใช้เชื้อเพลิงเผาไหม้ มีความปลอดภัยมากกว่า และมีค่าบำรุงรักษาน้อยกว่า การใช้ระบบTES เพื่อหลีกเลี่ยงการใช้ไฟฟ้ากับระบบปรับอากาศในช่วงที่ค่าไฟสูงจึงเป็นความจำเป็น

ตารางที่ 1. อัตราค่าไฟฟ้าประเภทที่ 5 สำหรับโรงแรม (การไฟฟ้านครหลวง)

On Peak คือเวลาระหว่าง 9.00-22.00 น. ของวันจันทร์ – วันศุกร์ ช่วงเวลา

Off Peak คือเวลาระหว่าง 22.00 – 09.00 น. ของวันจันทร์ – วันศุกร์

9.00– 24.00 น. ของวันเสาร์ – วันอาทิตย์ วันแรงงานแห่งชาติ วันหยุดราชการตามปกติ

(ไม่รวมวันพืชมงคลและวันหยุดชดเชย)

การลดค่าไฟฟ้าระบบปรับอากาศด้วยระบบ TES

ลักษณะการใช้ไฟฟ้าของโรงแรมจะขึ้นกับพฤติกรรมของลูกค้าเข้าพักและการดำเนินกิจการของโรงแรม โรงแรมอาจมีรายได้จากการจัดเลี้ยง การประชุม การสัมมนา หรือมีงานซักรีด ลูกค้าเข้าพักเป็นกลุ่มนักท่องเที่ยว ลูกค้าที่มาประชุม เป็นต้น ลักษณะการใช้ระบบ TES ที่เป็นไปได้ตามทฤษฎีมี 3 แบบตามที่แสดงในรูปที่ 1 ก. เก็บพลังงานเพื่อใช้ทดแทนในช่วงเวลาที่ต้องการทั้งหมดซึ่งจะต้องลงทุนสูงทั้งเครื่องและการเก็บ การประหยัดค่าพลังงานในช่วงค่าไฟสูงทำได้มากที่สุดแต่จะลดค่าไฟฟ้าได้คุ้มค่าการลงทุนหรือไม่ รูปที่ 1.ข. เก็บเพื่อใช้บางส่วนในช่วงค่าไฟสูงโดยปรับให้เครื่องทำความเย็นคงที่ตลอดทั้งวัน และ รูปที่3.ค.เก็บพลังงานเพื่อลดการใช้ในช่วงค่าไฟสูงสุดบางส่วนซึ่งจะทำให้ลงทุนน้อยและมีเป้าการลดค่าไฟฟ้าที่แน่นอน

รูปที่ 1. ลักษณะการใช้ระบบ TES ตามทฤษฎี

ตัวอย่าง โรงแรมขนาด600ห้อง ใช้เครื่องปรับอากาศในช่วงเวลาของวันตามตารางที่ 2.ภาระความร้อนสูงสุดในช่วง 18.00-22.00 เนื่องจากมีภัตาคาร ห้องจัดเลี้ยง คลับ และลูกค้ากลับเข้าห้องพัก และรูปที่ 2. แสดงภาระความร้อนจากตารางที่ 2. เขียนตามเวลาของวัน ภาระความร้อนลักษณะนี้เลือกใช้เครื่องทำน้ำเย็น 420 TR จำนวน 4 เครื่อง เดินที่ภาระความร้อนสูงสุด 3 เครื่อง สำรอง 1 เครื่อง เครื่องทำน้ำเย็นทำงานต่ำสุด 23.8%

ตารางที่ 2. ภาระความร้อนของโรงแรมขนาด 600 ห้องตามช่วงต่าง ๆ ภายใน 1 วัน

รูปที่ 2. แสดงภาระความร้อนของโรงแรมตามเวลา ซึ่งเครื่องทำน้ำเย็นต้องทำงานตามค่าภาระความร้อนนี้

ตารางที่ 3. ภาระความร้อนของโรงแรมตามช่วงต่าง ๆ ภายใน 1 วัน แสดงภาระความร้อนสะสมของช่วงเวลา On-Peak และภาระความร้อนรวมทั้งวัน

ให้โรงแรมใช้แรงดันไฟฟ้าต่ำกว่า 12 kV ประสิทธิภาพเครื่องทำความเย็น 0.56 kW/TR วันหยุดเสาร์อาทิตย์และวันหยุดตามประเพณีไม่รวมวันหยุดชดเชย 110 วัน (คิด 365 วัน/ปี) ภาระเครื่องทำความเย็นเปลี่ยนตามฤดูกาลทั้งปี 70%

ค่าพลังงานไฟฟ้าของเครื่องทำความเย็น On-Peak = 14600x0.56x4.3555x(365-110)x0.7 = 6356486.4 บาท/ปี

ค่าพลังงานไฟฟ้าของเครื่องทำความเย็น Off-Peak =(18350-14600)x0.56x2.6627(365-110)x0.7= 998113.1 บาท/ปี

ความต้องการไฟฟ้า = 210 x 1250 x 0.56 x12 = 1764000 บาท/ปี

รวมค่าไฟฟ้าระบบปรับอากาศ = 6356486.4+998113.1+1764000 = 9118955.5บาท/ปี

เก็บความเย็นเพื่อทดแทนการใช้ทั้งหมดในช่วงเวลา On-Peak โดยตัดการทำงานของเครื่องทำน้ำเย็นในช่วงเวลานี้ทั้งหมด ทำให้ในช่วงเวลา Off-Peak ต้องเดินเครื่องทำน้ำเย็น 1668.2 TR (จากตารางที่ 3.=18350/11) เพื่อใช้ในช่วงเวลา Off-Peak และเก็บความเย็นให้เพียงพอสำหรับการใช้ในช่วงเวลา On-Peak ตามรูปที่ 3. ซึ่งจะต้องติดตั้งเครื่องทำความเย็นขนาด 556 TR จำนวน 4 เครื่อง เดินที่ภาระความร้อนสูงสุด 3 เครื่อง สำรอง 1 เครื่อง ต้องติดตั้งเครื่องใหญ่ขึ้นจากระบบทำน้ำเย็นปกติมากและต้องเก็บความเย็น 14600 TR.hr (จากตารางที่ 3. ภาระความร้อนรวมของช่วงเวลา On-Peak) จึงมีการลงทุนสูงขึ้นมาก

รูปที่ 3. การใช้เครื่องทำความเย็นเพื่อเก็บความเย็น 1668.2 TR ในช่วง Off-Peak มาใช้ในช่วง On-Peak ทั้งหมด

ค่าพลังงานไฟฟ้าของเครื่องทำความเย็น Off-Peak = 1668.2x0.56x11x2.6627(365-110)x0.7 = 4884153.3 บาท/ปี

รวมลดค่าไฟได้ทั้งสิ้น = 9118955.5 - 4884153.3 = 4234802.2 บาท/ปี

เก็บความเย็นให้เครื่องทำความเย็นทำงานคงที่ตลอดวัน เพื่อลดต้นทุนของระบบเก็บความเย็นจะออกแบบให้เครื่องทำความเย็นคงที่ตลอดทั้งวัน ขนาดเครื่องทำความเย็นเท่ากับค่าเฉลี่ยของภาระความร้อนสะสมทั้งวัน 18350/24 = 746.4 TR ตามรูปที่ 4. ใช้เครื่องทำความเย็นขนาด 255 TR จำนวน 4 เครื่อง เดินตลอดทั้งวัน 3 เครื่อง สำรอง 1 เครื่อง ทำงานคู่กับระบบเก็บความเย็น แต่ถ้าระบบเก็บความเย็นไม่ทำงานจะไม่สามารถทำความเย็นในช่วงภาระสูงสุดได้ จึงควรใช้ขนาดเลือกขนาดเครื่องทำน้ำเย็น 420 TR จำนวน 4 เครื่อง เดินที่ภาระความร้อนสูงสุด 3 เครื่อง สำรอง 1 เครื่อง ตามที่ใช้ในระบบปรับอากาศเดิม

ต้องเก็บความเย็น = 14600 – 746.4 x 13 = 4896.8 TR.hr

ค่าพลังงานไฟฟ้าของเครื่องทำความเย็น On-Peak = 746.4x13x0.56x4.3555x(365-110)x0.7 = 4224538.2 บาท/ปี

ค่าพลังงานไฟฟ้าของเครื่องทำความเย็น Off-Peak = 746.4x11x0.56x2.6627(365-110)x0.7 = 2185308.7 บาท/ปี

ความต้องการไฟฟ้า = 210 x 746.4 x 0.56 x12 = 1053319.7 บาท/ปี

รวมค่าไฟฟ้า = 4224538.2 +2185308.7 +1053319.7 = 7463166.6 บาท/ปี

ลดค่าไฟฟ้าได้ทั้งสิ้น = 9118955.5 - 7463166.6 = 1655788.9 บาท/ปี

.รูปที่ 4. การใช้เครื่องทำความเย็น 764.6 TR ทำงานคงที่ตลอดเวลาเพื่อเก็บความเย็นมาใช้

เก็บความเย็นเพื่อควบคุมความต้องการไฟฟ้า ตามตัวอย่างถ้าใช้เครื่องทำความเย็นของระบบปรับอากาศที่เลือกไว้ 1 เครื่องเดินทำความเย็นให้โรงแรมและเก็บความเย็นในช่วง Off-Peak

เดินเครื่องทำน้ำเย็น 1 เครื่องเก็บความเย็นได้ = 420x11-(2550+1200) ภาระความร้อนตารางที่ 3.= 870 TR.hr

จากการ try & error ใช้น้ำเย็นที่เก็บเมื่อภาระความร้อนในช่วง On-Peak = 1086.67 TR

สามารถใช้น้ำเย็นจากถังเก็บ ตั้งแต่ 13.20 – 22.00 น. ตามรูปที่ 5

ต้องเดินเครื่องทำความเย็นในช่วง On-Peak = 14600 – 870 = 13730 TR.hr

ค่าพลังงานไฟฟ้าของเครื่องทำความเย็น On-Peak ลดลง = 870 x0.56x4.3555x(365-110)x0.7 = 378776.9 บาท/ปี

ค่าพลังงานไฟฟ้าของเครื่องทำความเย็น Off-Peak เพิ่มขึ้น= 8700 x0.56x2.6627(365-110)x0.7 = 231562.2 บาท/ปี

ความต้องการไฟฟ้าลดลง = 210 x (1250-1086.67) x 0.56 x12 = 230491.3 บาท/ปี

รวมลดค่าไฟได้ = 378776.9-231562.2+230491.3 = 377706.0 บาท/ปี

จะเห็นว่าสามารถลดค่าความต้องการไฟฟ้าได้มากกว่าค่าพลังงานไฟฟ้า แต่การควบคุมยุ่งยากกว่าเพราะจะต้องใช้น้ำเย็นที่เก็บในเวลาที่พอเหมาะทุกๆวัน ถ้าพลาดไปแม้จะเป็นวันเดียว ค่าความต้องการไฟฟ้าในเดือนนั้นก็จะเป็นค่าสูงสุดในวันที่พลาดไป ระบบควบคุมอัตโนมัติจึงมีความสำคัญและเป็นสิ่งที่จำเป็นอย่างยิ่งเพื่อไม่ให้มีความผิดพลาด

รูปที่ 5. การใช้เครื่องทำความเย็น 420 TR 1 เครื่องทำงานคงที่ตลอดเวลา Off-Peak เพื่อเก็บความเย็นมาใช้ลดค่าไฟฟ้าเฉพาะช่วงเวลาทีใช้ไฟฟ้าสูงสุด

เดินเครื่องทำความเย็นพร้อมกัน 2 เครื่องเท่ากับ 840 kW

เดินเครื่องทำน้ำเย็น 2 เครื่องเก็บความเย็นได้ = 840x11-(2550+1200(จากตารางที่ 3.) = 5490 TR.hr

ต้องเดินเครื่องทำความเย็นในช่วง On-Peak = (14600-5490)/13 = 700.77 TR

ค่าพลังงานไฟฟ้าของเครื่องทำความเย็น On-Peak = 700.77x13x0.56x4.3555x(365-110)x0.7 = 4224538.2 บาท/ปี

ค่าพลังงานไฟฟ้าของเครื่องทำความเย็น Off-Peak = 840 x11x0.56x2.6627(365-110)x0.7 = 2459350.7 บาท/ปี

ความต้องการไฟฟ้า = 210 x 700.77 x 0.56 x12 = 988926.6 บาท/ปี

รวมค่าไฟฟ้า = 4224538.2 +2459350.7+988926.6 = 7672815.5 บาท/ปี

ลดค่าไฟฟ้าได้ทั้งสิ้น = 9118955.5 - 7672815.5 = 1446140.0 บาท/ปี

รูปที่ 6. การใช้เครื่องทำความเย็น 420 TR 2 เครื่องทำงานคงที่ตลอดเวลา Off-Peak เพื่อเก็บความเย็นมาใช้ลดค่าไฟ

.ในกรณีที่เดินเครื่องทำความเย็น 3 เครื่อง เท่ากับ 1260 TR

เดินเครื่องทำน้ำเย็น 2 เครื่องเก็บความเย็นได้ = 1260x11-(2550+1200) ภาระความร้อนตารางที่ 3.= 10110 TR.hr

ต้องเดินเครื่องทำความเย็นในช่วง On-Peak = (14600-10110)/13 = 345.4 TR

ค่าพลังงานไฟฟ้าของเครื่องทำความเย็น On-Peak = 345.4x13x0.56x4.3555x(365-110)x0.7 = 1954924.3 บาท/ปี

ค่าพลังงานไฟฟ้าของเครื่องทำความเย็น Off-Peak = 1260 x11x0.56x2.6627x(365-110)x0.7 = 3689026 บาท/ปี

ความต้องการไฟฟ้า = 210 x 345.4 x 0.56 x12 = 487428.5 บาท/ปี

รวมค่าไฟฟ้า = 1954924.3 +3689026+487428.5 = 6131378.8 บาท/ปี

ลดค่าไฟฟ้าได้ทั้งสิ้น = 9118955.5 - 6131378.8 = 2987576.7 บาท/ปี

รูปที่ 7. การใช้เครื่องทำความเย็น 420 TR 3 เครื่องทำงานคงที่ตลอดเวลา Off-Peak เพื่อเก็บความเย็นมาใช้ลดค่าไฟ

จากตารางที่ 4. การเก็บความเย็นโดยเดินเครื่องทำความเย็นเครื่องเดียวเก็บน้ำเย็นได้น้อยที่สุดและปรหยัดค่าไฟฟ้าได้น้อยที่สุดจึงใช้เป็นฐานสำหรับเปรียบเทียบกับการเก็บความเย็นแบบอื่น ๆ การลงทุนของแต่ละแบบสัมพันธ์กับปริมาณการเก็บน้ำเย็น การเก็บความเย็นแบบอื่น ๆ ลดค่าไฟฟ้าได้มากกว่า แต่ต้องเก็บความเย็นมากกว่านั่นคือมีการลงทุนมากกว่าอัตราการลดค่าไฟฟ้า ดังนั้นการเก็บความเย็นเพื่อควบคุมความต้องการไฟฟ้าด้วยการเดินเครื่องทำความเย็นเครื่องเดียวจึงคุ้มทุนเร็วกว่าวิธีอื่น ๆ

ตารางที่ 4. สรุปผลการคำนวณการลดค่าไฟด้วยการเก็บความเย็นแบบต่าง ๆ

ระบบเก็บพลังงาน TES ของระบบปรับอากาศ

ระบบเก็บความเย็นสำหรับงานปรับอากาศมีหลายแบบ เริ่มแรกเก็บความเย็นด้วยน้ำแข็ง(Iced Storage) เพราะน้ำแข็งมีค่าความร้อนแฝงมาก ทำให้สามารถเก็บพลังงานได้มาก ใช้พื้นที่เก็บความเย็นน้อย แต่ต้องมีเครื่องทำน้ำแข็งซึ่งมีราคาแพงและใช้ไฟฟ้าสูงกว่าเครื่องทำน้ำเย็นในงานปรับอากาศ ต้องมีอุปกรณ์ละลายน้ำแข็งเพื่อนำความเย็นมาใช้ ต้นทุนสูง จึงไม่คุ้มกับค่าไฟที่ลดลง

รุปที่ 8.ก. เป็นระบบเก็บความเย็นที่ใช้เครื่องทำน้ำแข็งส่งสารทำความเย็นผ่านถังเก็บน้ำแข็งเพื่อให้น้ำแข็งเกาะด้านนอกของท่อ เมื่อจะใช้ความเย็นจะสูบน้ำเย็นที่ยังไม่แข็งจากถังเก็บน้ำแข็งมาทำน้ำเย็นที่ถังทำน้ำเย็นเพื่อนำไปใช้ และมีถังทำน้ำเย็นอีกชุดที่ใช้สารทำความเย็นช่วยทำน้ำเย็นจ่ายในขณะที่กำลังเก็บความเย็น ซึ่งการควบคุมมีความยุ่งยากเล็กน้อยแต่ก็สามารถควบคุมได้ทุกระบบเก็บความเย็นที่อธิบายไว้ข้างต้น ข้อเสียของระบบนี้คือเครื่องทำน้ำแข็งซึ่งใช้พลังงานไฟฟ้ามากจะต้องทำงานตลอดเวลา ทั้งเมื่อเก็บความเย็นแลเมื่อใช้ความเย็น

รูปที่ 8.ข. เป็นระบบเก็บน้ำแข็งอีกระบบหนึ่งที่ใช้เครื่องทำความเย็นลดอุณหภูมิของน้ำเกลือ (Glycol) ซึงเป็นตัวกลางให้ต่ำกว่าศูนย์ แล้วจึงส่งน้ำเกลือไปยังถังเก็บน้ำแข็งเพื่อทำน้ำแข็ง และส่งน้ำเกลือไปที่อุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนสำหรับทำน้ำเย็นใช้ในระบบปรับอากาศ จากรูปน้ำเย็นในระบบปรับอากาศต้องผ่านถังเก็บน้ำแข็งตลอดเวลา อุณหภูมิน้ำเย็นจึงต้องใกล้ศูนย์ด้วย การเก็บความเย็นและอุณหภูมิน้ำเย็นที่นำไปใช้จึงควบคุมได้ยาก เครื่องทำความเย็นซึ่งใช้พลังงานไฟฟ้ามากต้องทำงานตลอดเวลา ต้องใช้น้ำเกลือในระบบท่อทั้งหมดทำให้ระบบมีราคาสูงกว่าและเครื่องสูบน้ำใช้พลังงานสูงกว่าเนื่องจากน้ำเกลือมีความหนาแน่นมากกว่าและมีความหนืดมากกว่าน้ำทำให้เครื่องสูบน้ำต้องมีความดันมากขึ้น

รูปที่ 8. ระบบเก็บน้ำแข็งใช้เครื่องทำความเย็นอุณหภูมิต่ำให้เกิดน้ำแข็งนอกท่อ

รูปที่ 9.ก.เป็นระบบทำความเย็นซึ่งใช้น้ำเกลือเป็นตัวกลาง เก็บความเย็นโดยทำให้น้ำในลูกบอลกลายเป็นน้ำแข็ง จะส่งน้ำเกลือเย็นจากเครื่องทำความเย็นไปยังถังเก็บความเย็นเพื่อเก็บความเย็น และส่งน้ำเกลือกลับจากการใช้งานซึ่งมีอุณหภูมิสูงกว่าเข้าไปรับความเย็นจากลูกบอลน้ำแข็งในถังเก็บไปใช้ และสามารถใช้น้ำเกลือเย็นตรงผ่านไปยังภาระความร้อนได้ด้วย แต่เครื่องทำความเย็นซึ่งใช้พลังงานไฟฟ้ามากต้องทำงานตลอดเวลา รูปที่ 9.ข,เป็นรูปตัดด้านในของลูกบอลซึ่งน้ำภายในจะกลายเป็นน้ำแข็งเพื่อเก็บความเย็นและละลายเพื่อนำความเย็นมาใช้ ลูกบอลจึงต้องรับการขยายตัวและหดตัวตลอดเวลา จึงมีอายุการใช้งานจำกัด

รูปที่ 9. ระบบบรรจุภัณฑ์น้ำแข็งเก็บความร้อนด้วยการเปลี่ยนสถานะของสารตัวกลาง โดยใช้น้ำอยู่ภายในลูกบอล

เพื่อลดค่าไฟฟ้าของระบบเก็บความเย็น จึงใช้เครื่องทำน้ำเย็นในงานปรับอากาศซึ่งมีประสิทธิภาพสูงกว่าแทนเครื่องทำความเย็นตามรูปที่ 10.ก. โดยใช้สารละลายเกลือยูเทคติก (Eutectic salt) ใส่ในบรรจุภัณฑ์ตามรูปที่ 10.ข.ซึ่งจะแข็งตัวที่อุณหภูมิ 8.3ซ จึงสามารถใช้เก็บความเย็นจากน้ำเย็น 7ซ ได้ เมื่อจะเก็บความเย็นน้ำเย็นที่ออกจากเครื่องทำน้ำเย็นไปทำความเย็นที่คอยล์เย็นจะถูกแบ่งส่งไปเข้าถังเก็บเพื่อถ่ายความเย็นให้สารละลายเกลือเพื่อเปลี่ยนสถานะอุณหภูมิน้ำเย็นจึงสูงขึ้นเพียงเล็กน้อยเท่านั้นเมื่อกลับไปเครื่องทำน้ำเย็นโดยผสมกับน้ำเย็นกลับจึงทำให้อุณหภูมิน้ำกลับมีค่าต่ำลงกว่าปกติ จะต้องออกแบบให้อุณหภูมิน้ำกลับสูงเพื่อแก้ปัญหานี้

เมื่อต้องการนำความเย็นไปใช้ จะเปิดให้น้ำกลับเข้าไปรับความเย็นจากถังเก็บทำให้อุณหภูมิลดลงก่อนเข้าเครื่องทำน้ำเย็นช่วยลดการทำงานของเครื่องทำน้ำเย็นทำให้ประหยัดค่าไฟ เหมาะสำหรับเมื่อต้องการควบคุมให้เครื่องทำความเย็นทำงานคงที่ตลอดหรือระบบที่ใช้ควบคุมความต้องการไฟฟ้า และเนื่องจากค่าความร้อนในการเปลี่ยนสถานะของสารละลายเกลือเท่ากับ 95.4 kJ/kg ซึ่งเมื่อเทียบกับน้ำ 334.9 kJ/kg การเก็บความเย็นจึงต้องใช้สารละลายมากกว่าน้ำแข็งกว่า 3 เท่า ทำให้มีต้นทุนสูงแต่ก็ควบคุมการทำงานได้ง่าย ถ้ามีสารละลายอื่นที่เก็บความเย็นได้มากกว่าที่อุณหภูมิเดียวกันก็จะช่วยลดพื้นที่เก็บความเย็นได้ดีขึ้น

รูปที่ 10. ระบบบรรจุภัณฑ์เปลี่ยนสถานะของเกลือยูเทคติก (Eutectic salt)

การเก็บน้ำเย็นเป็นการเก็บความเย็นสำหรับงานปรับอากาศอีกวิธีหนึ่งซึ่งนิยมใช้ในปัจจุบัน เนื่องจากเครื่องทำน้ำเย็นที่ใช้สำหรับงานปรับอากาศผลิตน้ำเย็นอยู่แล้ว อุปกรณ์ที่ต้องเพิ่มเติมจึงมีน้อยกว่าหรือลงทุนน้อยกว่าการเก็บน้ำแข็ง ระบบเก็บน้ำเย็นทำให้เครื่องทำน้ำเย็นทำงานคงที่ เมื่อเลือกเครื่องทำน้ำเย็นที่มีประสิทธิภาพสูงก็จะทำให้การเก็บน้ำเย็นมีค่าไฟลดลงด้วย ใช้ถังเก็บน้ำเย็นขนาดใหญ่ความร้อนสูญเสียจากผนังของถังและน้ำที่กลับเข้าถังจึงทำให้อุณหภูมิน้ำเย็นในถังสูงขึ้น ประสิทธิภาพของระบบเก็บน้ำเย็น (ประสิทธิภาพระบบเก็บน้ำเย็น=ความเย็นที่ใช้ได้/ความเย็นที่เก็บไว้) จึงขึ้นอยู่กับประเภทของถังเก็บน้ำเย็นที่ใช้

ระบบปรับอากาศที่ใช้กับระบบเก็บน้ำเย็นจะออกแบบให้มีอุณหภูมิแตกต่างสูงกว่าปกติเพื่อให้ลดปริมาณน้ำเย็นที่ต้องเก็บและเพื่อการลดต้นทุน รูปที่ 11. แสดงวงจรการทำงานของระบบปรับอากาศที่ใช้ถังเก็บน้ำเย็น จะเห็นว่าระบบไม่ซับซ้อนสามารถใช้อุปกรณ์ที่ใช้กับระบบปรับอากาศได้ทั้งหมด สิ่งที่มีความสำคัญของระบบคือประเภทของถังเก็บน้ำเย็น และระบบควบคุมซึ่งจะอธิบายต่อไป สำหรับการคำนวณจะให้น้ำเย็นที่สามารถใช้จากถังเก็บน้ำร้อนประมาณ 90% ของปริมาตรน้ำเย็นในถังทั้งหมด

รูปที่ 11. วงจรการทำงานของระบบปรับอากาศที่ใช้ถังเก็บน้ำเย็น

ประเภทของถังเก็บน้ำเย็น

ถังเก็บน้ำเย็นมีหลายประเภท ได้แก่ แบบเขาวงกต (labyrinth) แบบแผ่นกั้น (baffle) แบบหลายถังต่ออนุกรม (tank series) แบบหลายถังที่มีถังว่าง 1ถัง แบบเมมเบรน (membrane) และแบบชั้นอุณหภูมิ (thermally stratified system)

ถังเก็บน้ำเย็นแบบเขาวงกตมีลักษณะการก่อสร้างตามรูปที่ 12. แนวผนังของถังจะวางตามแนวเสาและคานของอาคารทำให้การก่อสร้างมีราคาถูก การไหลของน้ำจะไหลลงถังหนึ่งลอดผนังเข้าอีกถังหนึ่งและขึ้นไปลงอีกถังหนึ่งเรื่อย ๆ ตามแนวโดยมีช่องของผนังบังคับทิศทางการไหลตามภาพตัด ทำให้มีประสิทธิภาพต่ำเพราะการไหลลงทำให้น้ำปั่นป่วนและเกิดการผสมของน้ำจากถังหนึ่งไปอีกถังหนึ่ง เมื่อส่งน้ำเย็นไปใช้น้ำที่ใช้แล้วจะกลับเข้าถังทำให้อุณหภูมิน้ำเปลี่ยนเร็วและใช้ความเย็นที่เก็บได้น้อยลง

รูปที่ 12. ถังเก็บน้ำเย็นแบบเขาวงกต แสดงแปลนถัง ทิศทางการไหล และภาพตัด

ถังเก็บน้ำเย็นแบบแผ่นกั้นตามรูปที่ 13.เป็นถังขนาดใหญ่ซึ่งใช้แผ่นกั้นทำให้น้ำปั่นป่วนขณะไหลลงน้อย ในขณะเก็บความเย็นจึงมีการแยกของอุณหภูมิเป็นระดับและไล่น้ำในถังออกมาทีละส่วนจนน้ำเย็นเต็มทุกถัง แต่แผ่นกั้นทำให้มีระดับแตกต่างจึงทำให้เก็บความเย็นได้น้อยลง ขณะเมื่อใช้น้ำเย็นในถัง น้ำกลับเข้าถังมีอุณหภูมิสูงจะต้องไหลกลับทางเพื่อให้น้ำอุณหภูมิที่สูงกว่าอยู่ด้านบนและไล่น้ำเย็นที่อยู่ล่างออกไปใช้

รูปที่ 13. ถังเก็บน้ำเย็นแบบแผ่นกั้นแสดงการไหลขณะเก็บความเย็น และจะไหลกลับทางขณะใช้น้ำเย็น

การเก็บน้ำเย็นแบบหลายถังต่ออนุกรมตามรูปที่ 14. มีหลักการทำงานเหมือนแบบแผ่นกั้น อาศัยการแบ่งชั้นของอุณหภูมิ ช่วงเก็บความเย็นจะให้น้ำเย็นเข้าทางด้านล่างของถังไล่น้ำที่อยู่ในถังออกไปทีละถังจนครบทุกถัง และเมื่อนำน้ำเย็นไปใช้จะดึงออกจากด้านล่างของถัง น้ำกลับจะเข้ามาแทนที่จากด้านบน ข้อดีของระบบนี้คือถังแยกจากกันจึงไม่มีการถ่ายเทความร้อนผ่านผนังและโครงสร้างของถังไม่ยุ่งยากซับซ้อน

รูปที่ 14. การเก็บน้ำเย็นแบบหลายถังต่ออนุกรม

การเก็บความเย็นแบบถังว่างตามรูปที่ 15. มีถังทั้งสิ้น 4 ถัง จะใช้เก็บน้ำเย็น 3 ถัง และถังว่าง 1 ถัง เมื่อใช้น้ำเย็นจากถังหนึ่ง น้ำกลับจะนำมาเติมที่ถังว่างเท่ากับน้ำเย็นที่ใช้จากถังเก็บ น้ำเย็นจึงไม่ผสมกับน้ำกลับ เมื่อใช้น้ำเย็นหมดถัง ถังนั้นก็จะกลายเป็นถังว่างสำหรับรับน้ำกลับในรอบต่อไป

ระบบนี้นิยมใช้กันอย่างแพร่หลาย แต่มีข้อเสียคือมีต้นทุนสูงเนื่องจากต้องมีถังว่างเพิ่มขึ้น และมีระบบควบุมท่อและวาล์วควบคุมการทำงานซับซ้อนขึ้น ถังว่างมีปริมาตรอากาศมากจึงต้องมีการบำบัดสภาพน้ำมากขึ้น เพื่อป้องกันการผุกร่อน และไม่สามารถใช้น้ำเย็นทั้งหมดได้ต้องให้มีน้ำค้างอยู่ก้นถังป้องกันไม่ให้อากาศเข้าสู่ระบบท่อน้ำเย็น ประสิทธิภาพของถังแบบนี้จึงลดลง

รูปที่ 15. ระบบเก็บน้ำเย็นแบบถังว่าง

ถังแบบเมมเบรนเป็นถังที่มีแผ่นเมมเบรนติดอยู่กึ่งกลางของถังแยกถังออกเป็นส่วนบนและส่วนล่าง น้ำเย็นจะเก็บเข้าที่ส่วนล่างของถังดันแผ่นเมมเบรนขึ้นและไล่น้ำที่ส่วนบนออกจนน้ำเต็ม เมื่อเอาน้ำเย็นไปใช้น้ำกลับจะเข้าที่ส่วนบนของถังแทนที่จนเต็มตามรูปที่ 16. น้ำจะถูกแบ่งด้วยเมมเบรนจึงไม่ผสมกันแต่เมมเบรนทำให้ราคาแพงและยังเพิ่มงานบำรุงรักษาอีกด้วย

รูปที่ 16. ถังเก็บน้ำเย็นแบบเมมเบรนเมื่อใช้น้ำเย็นจากถังจนหมด

ถังแบบชั้นอุณหภูมิ (thermally stratified system) มีลักษณะการทำงานเหมือนถังเมมเบรนแต่ไม่มีแผ่นเมมเบรนแต่อาศัยความแตกต่างของความหนาแน่นของน้ำที่อุณหภูมืต่างกัน ทั้งนี้ต้องควบคุมการไหลเข้าและออกจากถังไม่ให้มีการปั่นป่วนซึ่งจะทำให้น้ำไม่ผสมกันทำให้น้ำในถังมีอุณหภูมิแยกกัน มีเพียงส่วนแคบ ๆ เท่านั้นที่น้ำมีอุณหภูมิเปลี่ยนแปลงมากตามรูปที่ 17.

ข้อดีของถังแบบนี้คือมีราคาถูกเพราะเป็นถังเดียวที่ใช้อุณหภูมิแตกต่างโดยธรรมชาติ มีความเย็นสูญเสียน้อย มีอัตราส่วนของพื้นที่ต่อปริมาตรน้อย ไม่ต้องมีระบบควบคุมเครื่องสูบน้ำและอุปกรณ์พิเศษจึงมีค่าบำรุงรักษาน้อย ควบคุมง่าย ราคาถูกกว่ากังเก็บน้ำเย็นแบบอื่น ๆ

รูปที่ 17. ถังเก็บน้ำเย็นแบบชั้นอุณหภูมิ (thermally stratified system)

ปริมาตรของถังเก็บน้ำเย็น

สามารถใช้น้ำเย็นในถังเก็บน้ำเย็นได้ประมาณ90%ของปริมาตรน้ำเย็นในถังเท่านั้น เนื่องจากมีความร้อนสูญเสียจากผนัง ก้นถังและฝาถัง เกิดการผสมของน้ำกลับ และอื่น ๆ ทำให้อุณหภูมิน้ำเย็นสูงขึ้นไม่สามารถใช้ให้ความเย็นได้ ในการออกแบบระบบน้ำเย็นจะใช้น้ำเย็นจ่ายที่ 7ซ และน้ำเย็นกลับเข้าเครื่องทำน้ำเย็น 12ซ เท่ากับมีอุณหภูมิแตกต่าง 5ซ การออกแบบระบบปรับอากาศจึงต้องให้มีอุณหภูมิแตกต่างของระบบน้ำเย็นมากขึ้นเพื่อช่วยให้สามารถลดปริมาตรของถังเก็บน้ำเย็น เช่นอุณหภูมิแตกต่าง9ซ ทำให้สามารถลดขนาดและค่าไฟฟ้าของเครื่องสูบน้ำเย็นลงได้เกือบครึ่ง

น้ำเย็นในจากตัวอย่างโรงแรมขนาด 600 ห้อง ต้องเก็บน้ำเย็น 14600 TR.hr เมื่อต้องการใช้น้ำเย็นที่เก็บในช่วง On-Peak ทั้งหมด ประสิทธิภาพถังเก็บน้ำเย็น 90%

ปริมาตรที่ใช้เก็บน้ำเมื่อระบบน้ำเย็นใช้อุณหภูมืแตกต่าง 1ซ = 14600 x 12000 x 3600 / 3414 / 4.186 / 0.9

= 49037842.27 ลิตร.ซ

ปริมาตรน้ำเย็นที่เก็บเมื่อระบบน้ำเย็นใช้อุณหภูมืแตกต่าง 5ซ = 49037842.27 / 5 = 9807568.45 ลิตร

ปริมาตรน้ำเย็นที่ใช้ได้ = 9807568.45 x 0.9 = 8826811.6 ลิตร

ปริมาตรที่ใช้เก็บน้ำเมื่อระบบน้ำเย็นใช้อุณหภูมืแตกต่าง 9ซ = 49037842.27 / 9 = 5488649.14 ลิตร

ปริมาตรน้ำเย็นที่ใช้ได้ = 5488649.14 x 0.9 = 4939784.2 ลิตร

สามารถสรุปการเก็บน้ำเย็นในแบบต่าง ๆ ได้ตามตารางที่ 5.จะเห็นได้ว่าการควบคุมความต้องการไฟฟ้าโดยใช้เครื่องทำน้ำเย็นเพียงเครื่องเดียวทำน้ำเย็นเก็บในช่วง Off-Peak ต้องใช้ถังเก็บน้ำเย็นเล็กที่สุด และเมื่อออกแบบให้อุณหภูมิแตกต่างของน้ำเย็นมากขึ้นถังเก็บน้ำเย็นมีขนาดเล็กลงและลดต้นทุนของถัง

ตารางที่ 5. สรุปขนาดถังเก็บน้ำเย็นและการลดค่าไฟฟ้าของโรงแรมตัวอย่างตามลักษณะการเก็บน้ำเย็นแบบต่าง ๆ เมื่อประสิทธิภาพถังน้ำเย็น 90%

ประสิทธิภาพถังเก็บน้ำเย็น

ประสิทธิภาพของถังเก็บน้ำเย็นคืออัตราส่วนของน้ำเย็นที่สามารถนำไปใช้ได้ต่อปริมาณของน้ำเย็นที่นำมาเก็บ อุณหภูมิน้ำเย็นที่เก็บจะลดลงเนื่องจากมีความร้อนถ่ายเทผ่านผนังเข้ามาภายในถังเก็บน้ำเย็น และที่สำคัญคือการที่ต้องใช้ถังเดียวกันเพื่อถ่ายเทน้ำที่กลับจากคอยล์เย็นซึ่งมีอุณหภูมิสูงกว่ากลับเข้ามาในถัง การถ่ายเทความร้อนเข้าสู่ถังผ่านผนังสามารถควบคุมได้ด้วยการใช้ฉนวน ส่วนการนำน้ำกลับเข้าถังเป็นวิธีการทางฟิสิกส์ เพื่อไม่ให้น้ำผสมกันแต่ให้แยกชั้นด้วยความหนาแน่นและเกิดอุณหภูมิแตกต่างขึ้นในถัง ความร้อนถ่ายเทอีกส่วนหนึ่งคือความร้อนทึค้างอยู่ในผนังเมื่อในถังเป็นน้ำกลับอุณหภูมิผนังจะเท่ากับอุณหภูมิน้ำกลับ เมื่อเก็บน้ำเย็นจึงได้รับความร้อนที่ค้างในผนังทำให้อุณหภูมิเพิ่มขึ้นเล็กน้อย

ถ้าระบบน้ำเย็นออกแบบให้อุณหภูมิน้ำเย็นที่จ่ายจากเครื่องทำน้ำเย็น 4.4oซ และน้ำกลับมีอุณหภูมิ 15.6oซ ขณะที่เก็บน้ำเย็นเข้าถังตามรูปที่ 18.ก. น้ำเย็นที่เข้าถังจะแทนที่น้ำที่อยู่ในถังเดิมให้ออกจากถังไปที่เครื่องทำน้ำเย็น อุณหภูมิของน้ำเย็นเข้าถังจะคงที่ น้ำเย็นที่เข้าถังจะถ่ายเทความร้อนกับน้ำที่อยู่ในถังเดิมทำให้อุณหภูมิน้ำเย็นในถังเพิ่มขึ้นเล็กน้อยตามเส้นประในขณะเดียวกันอุณหภูมิน้ำที่ออกจากถังก็จะลดลงเล็กน้อย รูปที่ 18.ข. เมื่อจ่ายน้ำเย็นไปใช้ จะปล่อยน้ำกลับเข้าถังเก็บแทนที่น้ำเย็นที่จ่ายจากถังการถ่ายเทความร้อนของน้ำทั้งสองกระแสจะทำให้อุณหภูมิน้ำกลับในถังลดลงตามเส้นประและน้ำเย็นที่ออกจากถังจะมีอุณหภูมิสูงขึ้น

รูปที่ 18. อุณหภูมิน้ำในถังเก็บน้ำเย็นเมื่อเก็บน้ำเย็นและเมื่อจ่ายน้ำเย็น

เพื่อประสิทธิภาพของถังเก็บน้ำเย็น ต้องป้องกันไม่ให้น้ำเย็นและน้ำกลับที่มีอุณหภูมิสูงกว่าผสมกันเพราะการผสมกันจะทำให้สูญเสียความเย็นมากกว่าการถ่ายเทด้วยการนำความร้อนผ่านชั้นของน้ำและความร้อนที่ค้างในผนังของถังเก็บน้ำเย็น ถังแบบเมมเบรนและระบบถังเก็บที่มีถังว่าง 1 ถัง สามารถแยกไม่ให้น้ำผสมกันได้ แต่ทำให้ระบบมีราคาแพงกว่าถังเก็บน้ำเย็นแบบที่แบ่งชั้นตามอุณหภูมิ ต่อไปจึงจะอธิบายวิธีการทำงานของถังเก็บน้ำเย็นแบบชั้นอุณหภูมิ

วิธีการต่อท่อเพื่อเอาน้ำเข้าออกจากถังโดยให้น้ำในถังแยกระดับตามอุณหภูมิ แสดงในรูปที่ 19. หัวกระจายน้ำจะจ่ายน้ำออกทางด้านข้างในแนวราบ และรูปที่ 20. ท่อกระจายน้ำจะวางเป็นรูปตัว H เพื่อให้คลอบคลุมพื้นที่ของถัง ท่อกระจายน้ำด้านบนจะจ่ายหรือดูดน้ำกลับทางด้านบน ท่อกระจายน้ำด้านล่างจะจ่ายหรือดูดน้ำเย็นทางด้านล่างของถัง ความเร็วน้ำจากช่องเปิดจะสัมผัสพื้นหรือด้านบนของถังและกระจายทำให้ความเร็วน้ำที่เปลี่ยนแปลงลดลงตามพื้นที่ของถังโดยไม่ปั่นป่วน ไม่ทำให้เกิดการผสม

รูปที่ 19. ถังเก็บน้ำเย็นและรายละเอียดท่อกระจายน้ำแบบจ่ายด้านข้าง

รูปที่ 20. ถังเก็บน้ำเย็นและรายละเอียดท่อกระจายน้ำรูปตัว H

ระบบน้ำร้อนโรงแรม

โรงแรมมาตรฐานในปัจจุบันใช้ฮีตปั๊มเป็นอุปกรณ์ผลิตน้ำร้อนแทนหม้อไอน้ำหรือหม้อน้ำร้อนเนื่องจากฮีตปั๊มใช้พลังงานน้อยกว่า มีความปลอดภัยมากกว่า ควบคุมการทำงานและบำรุงรักษาได้ง่าย รูปที่ 22. แสดงลักษณะการใช้น้ำร้อนในโรงแรมซึ่งขึ้นกับการใช้งานของลูกค้าและบริการที่ให้แก่ลูกค้าได้แก่การซักรีด สปา และครัว (เครื่องล้างจาน) เป็นต้น หลักการออกแบบระบบน้ำร้อนฮีตปั๊มคือการใช้ระบบเก็บพลังงานความร้อนในรูปของน้ำร้อน เพื่อใช้น้ำร้อนที่เก็บในเวลาที่ต้องการ ทำให้ขนาดของฮีตปั๊มเล็กสำหรับทำน้ำร้อนในอัตราการทำน้ำร้อนคงที่ ต้นทุนของฮีตปั๊มจึงลดลง และค่าความต้องการไฟฟ้าก็จะลดลงตามขนาดของฮีตปั๊ม

รูปที่ 22. ลักษณะการใช้น้ำร้อนของโรงแรมตามเวลาของวัน (Source: DOE)

ระบบน้ำร้อนฮีตปั๊มต่างจากระบบน้ำเย็นที่น้ำร้อนเป็นระบบที่จ่ายน้ำร้อนไปใช้ จึงมีเฉพาะน้ำกลับมาจากท่อน้ำร้อนหลัก (Main riser) เมื่ออุณหภูมิในท่อหลักลดลงเพื่อให้น้ำร้อนในท่อหลักร้อนพร้อมจ่ายตลอดเวลา แต่ระบบน้ำเย็นต้องมีน้ำกลับมาทั้งหมด ทำให้ระบบน้ำร้อนติดตั้งเข้ากับถังเก็บน้ำร้อนได้ง่ายกว่าระบบน้ำเย็น ฮีตปั๊มและถังเก็บน้ำร้อนติดตั้งตามรูปที่ 23. ถังเก็บน้ำร้อนอาศัยหลักการแบ่งชั้นของอุณหภูมิเช่นเดียวกับถังเก็บน้ำเย็น

รูปที่ 23.ก ฮีตปั๊มดึงน้ำจากถังเก็บน้ำร้อนและจากน้ำเติมมาให้ความร้อนจ่ายกลับเข้าถัง ทำให้อุณหภูมิน้ำร้อนในถังสูงขึ้นเรื่อย ๆ จนได้อุณหภูมิน้ำร้อนในถังน้ำร้อนตามที่ต้องการ ฮีตปั๊มจึงหยุดการทำงาน อุณหภูมิน้ำที่เข้าและออกจากฮีตปั๊มจึงเปลี่ยนแปลงตามเวลาการทำงาน ส่วนรูปที่ 23.ข. ฮีตปั๊มมีระบบควบคุมอุณหภูมิน้ำให้ออกจากเครื่องตามที่ต้องการจึงสามารถจ่ายไปใช้งานโดยตรงได้และวนเข้าถังเมื่อการใช้น้ำร้อนในโรงแรมลดลง จนน้ำร้อนในถังมีอุณหภูมิสูงขึ้นตามต้องการแล้วจึงหยุดการทำงานของฮีตปั๊ม

รูปที่ 23. การติดตั้งระบบท่อน้ำร้อน ฮีตปั๊ม และถังเก็บน้ำร้อน

ฮีตปั๊มทำน้ำร้อนโดยการดึงความร้อนจากแหล่งที่มีความร้อนมาใช้ จึงได้ความเย็นมาใช้เป็นผลพลอยได้ เฉพาะด้านร้อนจะได้ความร้อนที่ใช้และความร้อนที่ดึงจากแหล่งความร้อนรวมกัน 4 เท่าของพลังงานที่ใช้ (ประสิทธิภาพความร้อน COP =4) และได้ความเย็น 3 เท่าของพลังงานที่ใช้ (ประสิทธิภาพความเย็น COP =3) เฉพาะด้านความร้อนจะให้น้ำร้อนถูกกว่าการใช้เชื้อเพลิงธรรมชาติมาก จึงคุ้มค่าการลงทุนในเวลาประมาณ 1-3 ปี

ฮีตปั๊มกับระบบเก็บน้ำเย็น

ความเย็นที่ได้จากฮีทปั๊มถ้าใช้โดยไม่มีระบบเก็บน้ำเย็นจะได้การประหยัดค่าพลังงานไฟฟ้า แต่ถ้ามีระบบเก็บน้ำเย็นจะสามารถใช้ควบคุมความเย็นจากฮีตปั๊มเพื่อการประหยัดค่าความต้องการไฟฟ้าได้อีกด้วย ทำให้ประหยัดค่าไฟฟ้ารวมมากกว่าเดิมตามตัวอย่างต่อไปนี้

ตัวอย่าง โรงแรมขนาด 600 ห้อง ใช้น้ำร้อน 120 ลิตร/คน/วัน ห้องอาหารสำหรับลูกค้าที่พัก 2 มื้อ/วัน อาหารสำหรับจัดเลี้ยง 2500 มื้อ/วัน ครัวใช้น้ำร้อน 6 ลิตร/ที่นั่ง ใช้น้ำร้อนซักรีด 6 ลิตร/กก.ผ้า ต้องผ้าซัก 7 กก./ห้อง/วัน เครื่องแบบพนักงาน ผ้าปูโต๊ะ ผ้าเช็ดมือ และอื่น ๆ รวม 1000 กก./วัน ให้ฮีตปั๊มเป็นแบบดึงความร้อนจากน้ำเย็น 12ซ มาทำน้ำร้อน 60ซ มีประสิทธิภาพความร้อน 3.0 ประสิทธิภาพความเย็น 2.0

ปริมาณการใช้น้ำร้อน = 600 x 2 x 120 + (600 x 2 x 2 + 2500) x 6 + 600 x 7 x 6 +1000 x 6

= 204600 ลิตร/วัน

ความร้อนที่ต้องการใช้ทำน้ำร้อน = 204600 x 4.186 x 30 / 3600 = 7137 Kw.ชม./วัน

ให้ฮีตปั๊มทำงาน 20 ชม./วัน ใช้ฮีตปั๊ม 4 เครื่อง ทำงาน 3 เครื่อง สำรอง 1 เครื่อง ประสิทธิภาพความร้อน COP = 3

ขนาดฮีตปั๊ม = 7137 / 20 / 3 / 3 = 39.65 kW

เลือกฮีตปั๊มขนาด 40 kW 4 เครื่อง

ฮีตปั๊มใช้ไฟฟ้ารวม = 40 x 3 / 3 = 40.00 kW

ให้ความเย็นที่ได้จากฮีตปั๊มรวม = 40 x 2 = 80 x 3414 /12000 = 22.76 TR

ความเย็นที่ได้จากฮีตปั๊มทั้งหมด = 22.76 x 20 = 455.2 TR.hr

ความเย็นที่สามารถเก็บได้จากฮีตปั๊ม = 22.76 x 11 = 250.4 TR.hr

สามารถให้น้ำเย็นจากฮีตปั๊มได้กว่าครึ่งของระบบเก็บน้ำเย็นที่เดินเครื่องทำน้ำเย็น 1 เครื่องเก็บน้ำเย็นได้ (870 TR.hr ตารางที่ 4.) สามารถเก็บน้ำเย็นจากฮีตปั๊มได้ 250.4 TR.hr ในช่วงเวลา Off-Peak ทำให้สามารถลดค่าไฟของระบบปรับอากาศได้ทั้งในช่วง On-Peak ส่วนที่เหลือใช้น้ำเย็นโดยตรงกับระบบปรับอากาศทำให้สามารถลดค่าไฟในช่วง On-Peak ได้เพิ่มขึ้นอีกด้วย

ระบบเก็บความเย็นเพื่อทดแทนการใช้ทั้งหมดในช่วงเวลา On-Peak ความเย็นจากฮีทปั๊มช่วยลดค่าไฟฟ้าเฉพาะในช่วงเก็บความเย็นเท่านั้น

ฮีทปั๊มช่วยลดค่าไฟฟ้าในระหว่างเก็บน้ำเย็นได้ = 250.4 x 0.56 x (2.6627 x (365-110) x 0.7 = 66647.3 บาท/ปี

ระบบเก็บความเย็นแบบอื่น ๆ สามารถใช้ความเย็นจากฮีตปั๊มตลอดทั้งช่วงเก็บน้ำเย็นและช่วงใช้น้ำเย็น

ค่าพลังงานไฟฟ้าของเครื่องทำความเย็น On-Peak = 455.2x0.56x4.3555x(365-110)x0.7 = 198183.1 บาท/ปี

ความต้องการไฟฟ้า = 250.4 x 0.56 x 210 x 12 / (22-13.2) = 40155.1 บาท/ปี

รวมลดค่าไฟฟ้าเพิ่มขึ้น = 198183.1 + 40155.1 = 238338.2 บาท/ปี

สรุปผลการคำนวณตามตารางที่ 6. ฮีตปั๊มช่วยผลิตน้ำเย็นเพื่อเก็บน้ำเย็นเพิ่มขึ้นและนำมาใช้ในช่วง On-Peak ทำให้ลดค่าไฟเพิ่มจากเดิม ซึ่งทำให้การเก็บน้ำเย็นโดยใช้เครื่องทำน้ำเย็นเครื่องเดียวมีความคุ้มทุนมากที่สุด อัตราการลงทุนน้อยที่สุด การเก็บน้ำเย็นแบบอื่น ๆ ที่ใช้แม้จะมีอัตราการลดค่าไฟมากกว่า แต่มีอัตราการลงทุนมากกว่ามาก และเมื่อเทียบกับตารางที่ 4. ฮีตปั๊มช่วยให้อัตราการลดค่าไฟของวิธีอื่น ๆ น้อยลง นั่นคือทำให้การลดค่าไฟฟ้าด้วยการใช้เครื่องทำน้ำเย็นเครื่องเดียวทำงานเพื่อเก็บน้ำเย็นมากขึ้นคุ้มค่าที่สุดนั่นเอง

ตารางที่ 6. สรุปผลการคำนวณการลดค่าไฟด้วยการเก็บความเย็นแบบต่าง ๆ เมื่อใช้ฮีตปั๊มทำน้ำเย็นช่วย

บทส่งท้าย

การเก็บน้ำเย็นสำหรับระบบปรับอากาศเหมาะสำหรับอาคารที่มีภาระความร้อนเปลี่ยนแปลงมาก เพราะสามารถเก็บน้ำเย็นมาใช้ช่วงOn-Peakได้ง่าย ถังเก็บน้ำเย็นขนาดเล็ก ต้นทุนไม่สูงและใช้พื้นที่ถังเก็บน้ำเย็นน้อย สามารถใช้เครื่องทำน้ำเย็นขนาดเล็กลง ราคาของเครื่องทำน้ำเย็นลดลง การออกแบบระบบปรับอากาศที่มีถังเก็บน้ำเย็นควรเพิ่มอุณหภูมิแตกต่างของน้ำเย็นในระบบเพื่อลดขนาดของถังเก็บน้ำเย็นซึ่งเป็นการลดต้นทุน ลดขนาดและพลังงานที่ใช้กับเครื่องสูบน้ำเย็นน้อย

โรงแรมตามตัวอย่างมีการเปลี่ยนแปลงของภาระความร้อนปานกลางจึงสามารถใช้กับการเก็บน้ำเย็นเพื่อควบคุมความต้องการไฟฟ้า โดยใช้เครื่องทำน้ำเย็นเพียงเครื่องเดียวทำงานเพื่อเก็บน้ำเย็น เมื่อใช้ความเย็นจากฮีตปั๊มของระบบน้ำร้อนมาช่วยจะทำให้สามารถลดค่าไฟฟ้าได้มากขึ้นทั้งค่าพลังงานไฟฟ้าและค่าความต้องการไฟฟ้า ระยะเวลาคืนทุนเร็วขึ้น

โรงแรมและโรงพยาบาลใช้ทั้งระบบปรับอากาศและระบบทำน้ำร้อนอยู่แล้ว มีความเป็นไปได้ที่จะใช้ระบบเก็บน้ำเย็น ใช้ฮีทปั๊มผลิตทั้งน้ำเย็นและน้ำร้อนเสริมให้กับระบบเก็บน้ำเย็น อุปสรรคในการออกแบบได้แก่งบประมาณโครงการ ระบบที่ซับซ้อนขึ้น และการแบ่งขอบเขตการทำงานของผู้ออกแบบซึ่งจะแยกระบบปรับอากาศและงานสุขาภิบาลทำให้ไม่มีผู้รับผิดชอบโดยตรงไม่สามารถออกแบบระบบเก็บพลังงานที่ใช้อุปกรณ์ร่วมกันได้ งบประมาณการออกแบบและระยะเวลาการออกแบบ

ในอนาคต ถังที่ใช้เก็บน้ำเย็นควรเป็นแบบแบ่งระดับน้ำเย็นตามชั้นของอุณหภูมิซึ่งจะมีการลงทุนต่ำที่สุดเป็นแบบถังเดียวหรือหลายถังต่ออนุกรมและ/หรือขนานกันเพื่อให้สามารถดูแลรักษาถังเก็บน้ำเย็นได้ และสิ่งที่สำคัญที่สุดของระบบเก็บน้ำเย็นแบบควบคุมความต้องการไฟฟ้าคือระบบควบคุมซึ่งอาจต้องมีข้อมูลร่วมกับ Property management system ของโรงแรมเพื่อให้สามารถปรับเปลี่ยนการทำงานของระบบตามการใช้ (ภาระความร้อน) ที่เปลี่ยนแปลงไปในแต่ละวัน เพราะความผิดพลาดแม้เพีบงครั้งเดียวจะทำให้ไม่สามารถละค่าความต้องการไฟฟ้าของเดือนนั้นได้

เอกสารอ้างอิง

1. FEDERAL ENERGY MANAGEMENT PROGRAM: “Thermal Energy Storage for Space Cooling, Technology for reducing on-peak electricity demand and cost” U.S. Department of Energy by the Pacific Northwest National Laboratory December 2009

2.E. Ian Mackie, George Reeves ;Stratified Chilled-Water Storage Design Guide: EM-4852 Final report, May 1988: Prepared for Electric Power Research Institute