ปั๊มความร้อน / HEAT PUMP

Heat pump เป็นอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนชนิดหนึ่ง ซึ่งเคลื่อนย้ายพลังงานความร้อนในทิศทางตรงข้ามกับกระบวนการถ่ายเทความร้อนแบบเกิดขึ้นได้เอง กล่าวคือถ่ายเทความร้อนจากบริเวณที่มีอุณหภูมิต่ำกว่าไปยังบริเวณที่มีอุณหภูมิสูงกว่า โดยใช้พลังงานภายนอกเพียงเล็กน้อยเท่านั้น

ตัวอย่างอุปกรณ์ heat pump ที่ทุกคนคุ้นเคยคือ เครื่องปรับอากาศ และตู้เย็น โดยคำว่า heat pump นั้นมีความหมายกว้าง และใช้เรียกทั้งอุปกรณ์ทำความเย็น และอุปกรณ์ทำความร้อนในระบบ HVAC (heating, ventilation, and air condition)  Heat pump ที่ใช้เพื่อทำความร้อนนั้นใช้หลักการเดียวกับเครื่องทำความเย็น แต่ทำในทิศทางตรงกันข้ามคือปล่อยความร้อนในที่ที่ต้องการ และปล่อยความเย็นออกสู่ภายนอก

ในส่วนของการทำความร้อนด้วย heat pump นั้นจะมีประสิทธิภาพมากกว่าเครื่องทำความร้อนโดยขดลวดไฟฟ้า 3 ถึง 4 เท่า แต่อย่างไรก็ตามค่าใช้จ่ายในการติดตั้งเครื่อง heat pump ก็สูงกว่าเครื่องทำความความร้อนโดยขดลวดไฟฟ้าเช่นกัน

โดยปกติแล้วพลังงานความร้อนจะถ่ายเทจากที่ที่ร้อนกว่าไปยังที่ที่เย็นกว่า แต่เครื่อง heat pump สามารถทำให้เกิดการถ่ายเทความร้อนในทิศทางตรงข้ามได้โดยการใช้พลังงานจากภายนอก เช่น พลังงานไฟฟ้า เพื่อนำความร้อนจากที่เย็นไปสู่ที่ร้อน โดยส่วนใหญ่แล้วในระบบ HVAC คำว่า heat pump จะหมายถึง อุปกรณ์ทำความเย็นแบบอัดไอ (vapor – compression refrigeration) ที่สามารถย้อนกลับได้ คือสามารถทำงานเป็นอุปกรณ์ทำความเย็น หรือความร้อนก็ได้

Heat pump ถูกใช้งานอย่างแพร่หลายเพราะใช้พลังงานคุณภาพสูง (พลังงานไฟฟ้า) น้อยกว่าพลังงานความร้อนที่ปล่อยออกมาได้ พลังงานความร้อนส่วนใหญ่มาจากสิ่งแวดล้อมภายนอก มีเพียงบางส่วนเท่านั้นที่มาจากพลังงานไฟฟ้าที่ใส่เข้าไป ในเครื่อง heat pump ที่ใช้พลังงานไฟฟ้า สามารถถ่ายเทความร้อนได้มากกว่าพลังงานไฟฟ้าที่ใส่เข้าไป 3 ถึง 4 เท่า กล่าวคือมีค่าสัมประสิทธิ์สมรรถนะ (COP) สูงถึง 3 หรือ 4 ในขณะที่เครื่องทำความร้อนแบบขดลวดไฟฟ้ามีค่าสัมประสิทธิ์สมรรถนะ (COP) สูงสุดได้เพียง 1

Heat pump ใช้สารทำความเย็นเป็นของไหลตัวกลางในการดูดซับความร้อนขณะที่กลายเป็นไอ จากนั้นปล่อยพลังงานความร้อนออกขณะที่สารทำความเย็นควบแน่น

ปั๊มความร้อนแบบกลับวัฏจักรได้ (Reversible heat pump )

การที่ heat pump ทำงานได้ทั้งการทำความร้อน และความเย็นนั้นต้องอาศัย reversing valve เพื่อให้สารทำความเย็นสามารถไหลย้อนกลับได้ โดยในกระบวนการทำความร้อนนั้น  coil ที่อยู่ภายนอกบริเวณที่ต้องการนั้นจะทำหน้าที่เป็น evaporator ในขณะที่coilที่อยู่ภายในบริเวรที่ต้องการจะทำหน้าที่เป็น condenser

สารทำความเย็นที่ไหลมาจาก evaporator (Coil ด้านนอก) จะนำพาพลังงานความร้อนจากอากาศภายนอกเข้ามาภายใน อุณหภูมิของไอจะถูกทำให้สูงขึ้นโดยการอัดใน compressor จากนั้น Coil ภายในจะทำหน้าที่ถ่ายเทความร้อนจากไอสารทำความเย็นให้กับบริเวณภายใน ทำให้สารทำความเย็นควบแน่นกลายเป็นของเหลวอีกครั้ง

ส่วนในโหมดการทำความเย็นก็จะคล้ายคลึงกัน แต่กลับด้านให้ Coil ภายนอกทำหน้าที่เป็น condenser และ Coil ภายในจะเป็น evaporator

หลักการทำงาน

Heat pump อาศัยหลักการของคุณสมบัติทางกายภาพในการกลายเป็นไอและการควบแน่นของสารทำความเย็น โดย Compressor จะอัดสารทำความเย็นเพื่อทำให้สารทำความเย็นร้อนขึ้นในด้านที่ต้องการให้อุณหภูมิสูงขึ้น และลดความดันที่ด้านที่ต้องการดูดซับความร้อน

               สารทำความเย็นจะถูก compressor อัดและหมุนเวียนในระบบ โดยสารทำความเย็นที่อุณหภูมิและความดันสูงจะถูกทำให้เย็นลงที่เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่เรียกว่า condenser จนกระทั่งควบแน่นกลายเป็นของเหลวที่ความดันสูงอุณหภูมิปานกลาง จากนั้นจะถูกส่งผ่านไปยังอุปกรณ์ลดความดัน เช่น expansion valve, capillary tube  จนกลายเป็นของเหลวที่อุณหภูมิและความดันต่ำ แล้วจึงเข้าสู่เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนอีกเครื่องหนึ่งซึ่งเรียกว่า evaporator เพื่อให้สารทำความเย็นดูดซับความร้อนและเดือดกลายเป็นไอ และไหลเข้าสู่ compressor เป็นวัฏจักรเช่นนี้ต่อไป

โดยสารทำความเย็นหลังจากถูกอัดแล้ว จะต้องมีอุณหภูมิที่สูงเพียงพอเพื่อให้พลังงานความร้อนสามารถถ่ายเทออกจากระบบผ่าน condenser ได้ เช่นเดียวกันสารทำความเย็นใน evaporator ต้องมีอุณหภูมิต่ำเพียงพอเพื่อรับความร้อนจากระบบ และโดยเฉพาะอย่างยิ่ง ผลต่างความดันจะต้องมากพอเพื่อให้สารทำความเย็นควบแน่นที่ฝั่งร้อน และยังคงสามารถระเหยเป็นไอที่อุณหภูมิต่ำ ในบริเวณฝั่งเย็น ยิ่งต้องการผลต่างอุณหภูมิมากก็ยิ่งต้องการผลต่างความดันมากขึ้นเช่นกัน ซึ่งก็หมายความว่าต้องใช้พลังงานในการอัดสารทำความเย็นมากขึ้นด้วย เพราะฉะนั้นสำหรับเครื่อง heat pump ค่า COP จะลดลงเมื่อใช้งานภายใต้ผลต่างอุณหภูมิที่มากขึ้น

แหล่งให้ความร้อนและแหล่งรับความร้อน ( Heat sources/ sinks )

               ในระบบที่มีขนาดเล็ก จะใช้อากาศภายนอกเป็นทั้งแหล่งให้ความร้อน (heat source) และแหล่งรับความร้อน (heat sink) โดยอาศัยพัดลมเพื่อช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการแลกเปลี่ยนความร้อน

แต่ในระบบใหญ่ซึ่งต้องจัดการกับพลังงานความร้อนที่มากขึ้น หรือในระบบที่มีพื้นที่จำกัด มักใช้น้ำแทน เพราะสามารถจุความร้อนได้มากกว่าอากาศ นอกจากนั้นน้ำอาจจะถูกให้ความร้อนโดยผ่านหม้อต้ม พลังงานแสงอาทิตย์ หรือวิธีอื่นๆ ภายนอกระบบ heat pumpได้อีกด้วย หรือหากต้องการลดอุณหภูมิของน้ำก็อาจใช้ cooling tower หรือปล่อยน้ำลงในแหล่งน้ำขนาดใหญ่อื่นๆ เช่นทะเลเสาบ แม่น้ำลำธาร หรือมหาสมุทร เป็นต้น

นอกจากนี้พลังงานความร้อนใต้ดินยังสามารถถูกใช้เป็นแหล่งความร้อนหรือแหล่งรับได้อีกด้วย เนื่องจากแต่ละฤดูกาลอุณหภูมิใต้พื้นดินค่อนข้างจะคงที่และยังเป็นแหล่งกักเก็บความร้อนขนาดใหญ่ ข้อดีของการใช้แหล่งความร้อนใต้ดินเมื่อเทียบกับอากาศภายนอกก็คือ ไม่จำเป็นต้องใช้พัดลมและไม่ต้องการระบบการละลายน้ำแข็ง ค่าใช้จ่ายในการดำเนินการจึงถูกกว่าแต่ต้องแลกมาด้วยราคาของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่มีราคาสูงกว่าเช่นกัน Heat pump อาจจะถูกติดตั้งคู่ขนานกับเครื่องให้ความร้อนแบบดั้งเดิมเช่นฮีตเตอร์ไฟฟ้า หรือหม้อต้มน้ำเพื่อเป็นการรับประกันว่าจะมีความร้อนใช้อย่างสม่ำเสมอ

การประยุกต์ใช้งาน (Application)

ในงานปรับอากาศ ( HVAC )

ในงาน HVAC heat pump ก็คือระบบทำความเย็นแบบอัดไอทั่วไปแต่มีการติดตั้ง reversing valve และเพิ่มประสิทธิภาพในการแลกเปลี่ยนความร้อน ดังนั้นทิศทางของการถ่ายเทพลังงานความร้อนนั้นอาจกลับสวนทางได้ reversing valve สามารถเปลี่ยนทิศทางการไหลของสารทำความเย็นในระบบได้ ทำให้ heat pump สามารถเป็นได้ทั้งเครื่องทำความร้อน และเครื่องทำความเย็นให้กับบริเวณที่ต้องการ เพราะ condenser และ evaporator ต้องทำงานสลับหน้าที่กัน จึงต้องออกแบบให้เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนทั้งสองสามารถทำงานได้ทั้ง 2 หน้าที่ ทำให้ค่าประสิทธิภาพของเครื่อง heat pump อาจจะน้อยกว่าเครื่องที่ทำงาน 2 ระบบแยกกันเล็กน้อย

การทำน้ำร้อน ( Water heating )

Heat pump อาจถูกใช้เพื่อให้ความร้อนแก่น้ำในสระว่ายน้ำ หรือเครื่องทำน้ำร้อนในบ้านและอุตสาหกรรม โดยทั่วไปแล้ว ความร้อนจะถูกสกัดจากอากาศภายนอกแล้วส่งผ่านไปยังแท๊งค์เก็บน้ำ หรืออาจจะสกัดความร้อนจากอากาศภายเพื่อช่วยในการปรับอากาศก็ได้

สารทำความเย็น ( Refrigerant )

ในช่วงก่อนปี 1990 สารที่นิยมใช้เป็นสารทำความเย็นคือสารประเภท Chlorofluorocarbons หรือ CFC เช่น R-12 (หรือที่รู้จักในชื่อเครื่องหมายการค้าว่า Freon) แต่ในปัจจุบันได้มีการห้ามผลิตสารเหล่านี้ หรือมีกฎข้อบังคับที่เข้มงวด ตามพิธีสารมอนทรีออล (Montreal Protocol) เพราะสารประเภท CFC เป็นตัวทำลายชั้นโอโซนในบรรยากาศโลก สารประเภท hydro fluorocarbon (HFC) หรือ R-134a จึงถูกนำมาใช้แทน ซึ่งมีคุณสมบัติในการทำความเย็นได้คล้ายกับ R-12 แต่ส่งผลกระทบต่อการทำลายชั้นโอโซน และทำให้โลกร้อนน้อยกว่า สารอีกชนิดอื่นที่นิยมใช้คือ R-717 หรือแอมโมเนีย นิยมใช้ในระบบขนาดใหญ่ รวมทั้งสาร Propane และ Butane ก็มีใช้ในบางโอกาส จนกระทั้งปี 2001 คาร์บอนไดออกไซด์ (R-744) ถูกใช้เป็นสารทำความเย็นเพิ่มมากขึ้น ถึงแม้ว่าระบบต้องทำงานภายใต้ความดันที่สูงขึ้นมาก ส่วนในภาคครัวเรือนและภาคการค้าซึ่งเดิมนิยมใช้สาร Hydrochlorofluorocarbon (HCFC) หรือ R-22 อย่างแพร่หลายก็มีการเปลี่ยนมาใช้สารทดแทนพวก R410A ซึ่งไม่ทำลายชั้นโอโซน แต่ส่งผลกระทบต่อปรากฎการเรือนกระจกค่อนข้างสูง ไฮโดรเจน ฮีเลียม ไนโตรเจน และอากาศ ก็ถูกใช้บ้างเนื่องจากเป็นสารที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม