การอนุรักษ์พลังงานในระบบปรับอากาศ
ในปัจจุบันพลังงานมีราคาสูงขึ้น อันเนื่องมาจากทรัพยากรที่ใช้ผลิตพลังงานหลัก เช่น ถ่านหิน, น้ำมัน และก๊าซธรรมชาติ เริ่มหมดไป ดังนั้นหลายธุรกิจจึงให้ความสำคัญต่อมาตรการประหยัดพลังงาน เพื่อลดต้นทุนและสร้างผลกำไรที่มากขึ้น เพื่อให้ธุรกิจอยู่รอดไปได้
หากพูดถึงการใช้พลังงานไฟฟ้าภายในอาคาร (สำนักงาน โรงแรม โรงพยาบาล ศูนย์การค้า สถาบันศึกษา) พลังงานไฟฟ้าที่ใช้ ได้แก่ ระบบปรับอากาศ หลอดไฟ และอุปกรณ์เครื่องใช้ไฟฟ้า เป็นต้น ระบบที่มีการใช้พลังงานมากที่สุด คือ ระบบปรับอากาศ ซึ่งใช้พลังงานประมาณ 60-70% ดังนั้นเราจะมาพูดถึงการอนุรักษ์พลังงานในระบบปรับอากาศกัน
หลักการทำงานของระบบปรับอากาศ
หน้าที่ของระบบปรับอากาศ คือ การควบคุมอุณหภูมิ-ความชื้น การไหลเวียนอากาศ และควบคุมคุณภาพอากาศ ให้เป็นไปตามความต้องการ โดยมีหลักการทำงานเป็นวัฏจักร 1-2-3-4 (ดังรูปที่ 1 และ 2)
รูปที่ 1 วัฏจักรการทำงานของระบบปรับอากาศ [1]
รูปที่ 2 PH-diagram การทำงานของระบบปรับอากาศ [2]
โดยสมการคำนวณเป็นดังนี้
อัตราการทำความเย็น (ที่ Evaporator) = h1 – h4
อัตราการระบายความร้อน (ที่ Condenser) = h2 – h3
งานที่ใช้อัดไอ (ที่ Compressor) = h2 – h1
COP = (h1 – h4) / (h2 – h1)
หมายเหตุ Co-efficiencies of Performance (COP) คือ ประสิทธิภาพเครื่องปรับอากาศ โดย COP = EER/3.412
จะเห็นได้ว่าส่วนที่เราต้องการคือ อัตราการทำความเย็น และส่วนที่เราต้องใช้พลังงานคือ งานที่ใช้อัดไอ (ที่ Compressor) ดังนั้นหลักในการอนุรักษ์พลังงานในระบบปรับอากาศ คือทำให้ช่วง h2-h1 มีค่าน้อยที่สุด ซึ่งหลักการนี้สามารถใช้ได้กับทั้งระบบปรับอากาศขนาดใหญ่และเครื่องปรับอากาศขนาดเล็กที่ใช้ตามบ้านเรือน เพราะทั้งสองล้วนแล้วแต่เป็นไปตามวัฏจักรนี้
มาตรการประหยัดพลังงานในระบบปรับอากาศ
สำหรับมาตรการประหยัดพลังงานในระบบปรับอากาศ เราจะทำให้งานที่ใช้อัดไอ h2-h1 (ที่ Compressor) มีค่าน้อยที่สุด ซึ่งมีวิธีดังนี้
1. ลดความดันด้าน Condenser
2. เพิ่มความดันด้าน Evaporator
3. ลดความดันด้าน Condenser และเพิ่มความดันด้าน Evaporator
หลังจากนี้จะเป็นตัวอย่างการลาก PH-diagram เพื่อคำนวณค่าประสิทธิภาพพลังงาน (COP) ที่สภาวะปกติและที่สภาวะจากการดำเนินการมาตรการประหยัดพลังงานข้างต้น
สภาวะปกติ
กำหนดให้
สารทำความเย็น R-22
อุณหภูมิอิ่มตัวด้านความดันต่ำ = 40 °F
อุณหภูมิอิ่มตัวด้านความดันสูง = 105 °F
Superheat = 15 °F
Sub-Cooling = 10 °F
ประสิทธิภาพการอัดไอของคอมเพรสเซอร์ 100% (Isentropic Efficiency)
เมื่อลาก PH-diagram จะได้ดังรูปที่ 3
รูปที่ 3 PH-diagram ที่สภาวะปกติ
อัตราการทำความเย็น(ที่ Evaporator) อัตราการระบายความร้อน(ที่ Condenser) งานที่ใช้อัดไอ(ที่ Compressor) และ ประสิทธิภาพเครื่องปรับอากาศ(COP และ EER) สามารถคำนวณได้ดังนี้
อัตราการทำความเย็น (ที่ Evaporator) = h1 – h4 = 112.5 – 39.5 = 73 Btu/lb
อัตราการระบายความร้อน (ที่ Condenser) = h2 – h3 = 123.5 – 39.5 = 84 Btu/lb
งานที่ใช้อัดไอ (ที่ Compressor) = h2 – h1 = 123.5 – 112.5 = 11 Btu/lb
COP = 73/11 = 6.6
EER = 6.6 x 3.412 = 22.5 Btu/h/W
1. มาตรการประหยัดพลังงานโดยการลดความดันด้าน Condenser
กำหนดให้
สารทำความเย็น R-22
อุณหภูมิอิ่มตัวด้านความดันต่ำ = 40 °F
อุณหภูมิอิ่มตัวด้านความดันสูง = 95 °F
Superheat = 15 °F
Sub-Cooling = 10 °F
ประสิทธิภาพการอัดไอของคอมเพรสเซอร์ 100% (Isentropic Efficiency)
เมื่อลาก PH-diagram จะได้ดังรูปที่ 4
รูปที่ 4 PH-diagram เมื่อดำเนินมาตรการประหยัดพลังงานโดยการลดความดันด้าน Condenser
อัตราการทำความเย็น(ที่ Evaporator) อัตราการระบายความร้อน(ที่ Condenser) งานที่ใช้อัดไอ(ที่ Compressor) และ ประสิทธิภาพเครื่องปรับอากาศ(COP และ EER) สามารถคำนวณได้ดังนี้
อัตราการทำความเย็น (ที่ Evaporator) = h1 – h4 = 112.5 – 36 = 76.5 Btu/lb
อัตราการระบายความร้อน (ที่ Condenser) = h2 – h3 = 122 – 36 = 86 Btu/lb
งานที่ใช้อัดไอ (ที่ Compressor) = h2 – h1 = 122 – 112.5 = 9.5 Btu/lb
COP = 76.5/9.5 = 8.05
EER = 8.05 x 3.412 = 27.5 Btu/h/W
วิธีการทำให้ความดันด้าน Condenser ต่ำลง สามารถทำได้โดยให้สารทำความเย็นมีการระบายความร้อนได้ดี เช่นติดตั้งชุดระบายความร้อนในตำแหน่งที่เหมาะสม ทำความสะอาดผิวระบายความร้อนอย่างสม่ำเสมอ และควรมีการทำความสะอาด Cooling Tower (สำหรับเครื่องปรับอากาศระบายความร้อนด้วยน้ำ) เป็นต้น
2. มาตรการประหยัดพลังงานโดยการเพิ่มความดันด้าน Evaporator
กำหนดให้
สารทำความเย็น R-22
อุณหภูมิอิ่มตัวด้านความดันต่ำ = 45 °F
อุณหภูมิอิ่มตัวด้านความดันสูง = 105 °F
Superheat = 15 °F
Sub-Cooling = 10 °F
ประสิทธิภาพการอัดไอของคอมเพรสเซอร์ 100% (Isentropic Efficiency)
เมื่อลาก PH-diagram จะได้ดังรูปที่ 5
รูปที่ 5 PH-diagram เมื่อดำเนินมาตรการประหยัดพลังงานโดยการเพิ่มความดันด้าน Evaporator
อัตราการทำความเย็น(ที่ Evaporator) อัตราการระบายความร้อน(ที่ Condenser) งานที่ใช้อัดไอ(ที่ Compressor) และ ประสิทธิภาพเครื่องปรับอากาศ(COP และ EER) สามารถคำนวณได้ดังนี้
อัตราการทำความเย็น (ที่ Evaporator) = h1 – h4 = 112.5 – 39.5 = 73 Btu/lb
อัตราการระบายความร้อน (ที่ Condenser) = h2 – h3 = 122.5 – 39.5 = 83 Btu/lb
งานที่ใช้อัดไอ (ที่ Compressor) = h2 – h1 = 122.5 – 112.5 = 10 Btu/lb
COP = 73/10 = 7.3
EER = 7.3 x 3.412 = 24.9 Btu/h/W
วิธีการทำให้ความดันด้าน Evaporator สูงขึ้น สามารถทำได้โดยการทำความสะอาดแผงคอยล์เย็น ทำความสะอาดท่อ Evaporator และปรับตั้งอุณหภูมิน้ำเย็นออกจาก Chiller ให้สูงขึ้น
3. มาตรการประหยัดพลังงานโดยการลดความดันด้าน Condenser และเพิ่มความดันด้าน Evaporator
กำหนดให้
สารทำความเย็น R-22
อุณหภูมิอิ่มตัวด้านความดันต่ำ = 45 °F
อุณหภูมิอิ่มตัวด้านความดันสูง = 95 °F
Superheat = 15 °F
Sub-Cooling = 10 °F
ประสิทธิภาพการอัดไอของคอมเพรสเซอร์ 100% (Isentropic Efficiency)
เมื่อลาก PH-diagram จะได้ดังรูปที่ 6
รูปที่ 6 PH-diagram เมื่อดำเนินมาตรการประหยัดพลังงานโดยการลดความดันด้าน Condenser และเพิ่มความดันด้าน Evaporator
อัตราการทำความเย็น(ที่ Evaporator) อัตราการระบายความร้อน(ที่ Condenser) งานที่ใช้อัดไอ(ที่ Compressor) และ ประสิทธิภาพเครื่องปรับอากาศ(COP และ EER) สามารถคำนวณได้ดังนี้
อัตราการทำความเย็น (ที่ Evaporator) = h1 – h4 = 112.5 – 36 = 76.5 Btu/lb
อัตราการระบายความร้อน (ที่ Condenser) = h2 – h3 = 121 – 36 = 85 Btu/lb
งานที่ใช้อัดไอ (ที่ Compressor) = h2 – h1 = 121 – 112.5 = 8.5 Btu/lb
COP = 76.5/8.5 = 9
EER = 9 x 3.412 = 30.7 Btu/h/W
จะสังเกตได้ว่าหากดำเนินมาตรการประหยัดพลังงานในระบบปรับอากาศ โดยลดทั้งความดันด้าน Condenser และเพิ่มความดันด้าน Evaporator จะทำให้ค่า COP เพิ่มจาก 6.6 เป็น 9 เลยทีเดียว อย่างไรก็ตามตัวเลขดังกล่าวเป็นเพียงตัวเลขสมมุติเพื่อให้การคำนวณง่ายเท่านั้น หากต้องการคำนวณที่สภาวะจริง ค่าที่ได้อาจจะแตกต่างไปจากนี้
หากมีความสนใจให้ ZERO ENERGY ไปอบรมให้ความรู้ในหัวข้อ “การอนุรักษ์พลังงานในระบบปรับอากาศ” ภายในสถานประกอบการของท่าน สามารถดูเนื้อหาหลักสูตรได้ที่เมนู “บริการของเรา” เลือกหัวข้อ “อบรมอนุรักษ์พลังงาน”
อ้างอิง
[1] http://www.dsd.go.th/itrain/opast/kboc/2553_Aircondition/finalpaper3_1.pdf
[2] http://article.sciencepublishinggroup.com/html/10.11648.j.ijepe.20150403.15.html