Chiller Plant Optimization

วัชระ มั่งวิทิตกุล
realyouenergy@yahoo.com

                  ระบบทำน้ำเย็นใช้ไฟฟ้า เป็นที่นิยมใช้ในอุตสาหกรรม เพื่อการปรับสภาพอากาศในโรงงาน และน้ำเย็นสำหรับกระบวนการผลิต และระบบทำน้ำเย็นก็เป็นระบบที่ใช้พลังงานสูงในอันดับต้น ๆ ของอุปกรณ์เครื่องจักรในโรงงาน ผู้ผลิตเครื่องทำน้ำเย็นก็พยายามที่จะพัฒนาเครื่องที่มีประสิทธิภาพสูงขึ้นใช้พลังงานน้อยลง และตลอดระยะเวลากว่า 35 ปี ที่ผ่านมาประสิทธิภาพเครื่องทำน้ำเย็นได้ถูกพัฒนาให้ดีขึ้นกว่า 2 เท่า

ประสิทธิภาพของเครื่องทำน้ำเย็นมี COP ถึง 7.8 หรือ 0.45 kW/RT ดังรูปที่ 1 อย่างไรก็ตามด้วยข้อจำกัดตามวัฏจักรของคาร์นอท (Carnot Cycle) COP สูงสุดจะอยู่ที่ 8.33 ทำให้การพัฒนาเครื่องทำน้ำเย็นให้มีประสิทธิภาพมากขึ้นจะยากขึ้นดังรูปที่ 2 ประสิทธิภาพจะเพิ่มขึ้นแบบไม่เป็นสัดส่วนกับต้นทุนวัสดุ โดยเฉพาะอย่างยิ่งต้องเพิ่มพื้นที่ผิวในการแลกเปลี่ยนความร้อนอย่างมากเพื่อจะให้ได้ประสิทธิภาพอุดมคติ ดังนั้นในการเพิ่มประสิทธิภาพอาจจะต้องพิจารณาการเพิ่มประสิทธิภาพทั้งระบบ
 ไม่ใช่มองเฉพาะเครื่องทำน้ำเย็นอย่างเดียว

Chilled Water System Optimization

ในความเป็นจริงแล้วผู้ประกอบการต้องเสียค่าไฟฟ้าจากทั้งระบบไม่ใช่เฉพาะเครื่องทำน้ำเย็น ซึ่งระบบ (ทำน้ำเย็น) ในที่นี้หมายถึง

• เครื่องทำน้ำเย็น

• คูลลิ่งทาวเวอร์

• ปั๊มน้ำเย็น

• ปั๊มน้ำหล่อเย็น

รูปที่ 3 สัดส่วนการใช้พลังงานของอุปกรณ์ในระบบทำน้ำเย็น

       จากรูปที่ 3 สัดส่วนการใช้พลังงานของเครื่องทำน้ำเย็นลดลงกว่า 20% จากช่วงปี 70 (หรือ พ.ศ 2513-23) ผลก็คือสัดส่วนการใช้พลังงานของคูลลิ่งทาวเวอร์ และปั๊มน้ำเย็นมากขึ้นจนไม่อาจที่จะเพิกเฉยต่อไปได้ ดังนั้นเราจึงควรทำการลดการใช้พลังงานรวมทั้งระบบมากกว่าจะทำที่ตัวอุปกรณ์แต่ละตัว

ลองมาดูสูตรพื้นฐานของภาระทำความเย็น

         ถ้าเราสมมติให้ค่าความร้อนจำเพาะ Cp มีค่าคงที่ ถ้ากำหนดให้ภาระทำความเย็น = Q เราสามารถเพิ่มอัตราการไหลของน้ำเย็นและลดอุณหภูมิแตกต่างน้ำเย็น หรือลดอัตราการไหลและเพิ่มอุณหภูมิแตกต่างแทน ซึ่งกล่าวอีกนัยหนึ่งก็คือจะเพิ่มพลังงานของปั๊มแต่ลดพลังงานเครื่องทำน้ำเย็น หรือในทางตรงข้ามลดพลังงานของปั๊มแต่เพิ่มพลังงานเครื่องทำน้ำเย็น แต่อย่างไรก็ตามการใช้พลังงานรวมของระบบของ 2 วิธีไม่จำเป็นต้องเท่ากัน

เราสามารถวิเคราะห์ผลการใช้พลังงานจากพื้นฐานดังกล่าว 4 กรณีดังตารางต่อไปนี้ กรณีอ้างอิง (Baseline) ใช้อัตราการไหล 2.4/3.0 gpm/ton ARI Standard Rating Condition จากการศึกษาพบว่าหากลดอัตราการไหลของน้ำและเพิ่มอุณหภูมิแตกต่างน้ำจะใช้พลังงานรวมต่ำสุด (ต่ำกว่ากรณีอ้างอิง 35%) ถึงแม้ว่าเครื่องทำน้ำเย็นจะใช้พลังงานสูงสุดก็ตาม

รูปที่ 4 การใช้พลังงานของระบบทำน้ำเย็นที่อัตราการไหลและอุณหภูมิน้ำกรณีต่าง ๆ

ประโยชน์ของระบบที่มีอัตราการไหลต่ำ

        สำหรับการทำงานที่ภาระต่ำกว่าพิกัด (Partial Load) แล้ว การใช้ระบบที่อัตราการไหลต่ำและอุณหภูมิน้ำแตกต่างมากจะทำให้การใช้พลังงานรวมของระบบต่ำกว่าระบบที่ใช้อัตราการไหลสูงและอุณหภูมิน้ำแตกต่างน้อยด้วย และให้ผลประหยัดที่มากกว่าเมื่อเทียบกับที่พิกัดอีกด้วยดังรูปที่ 5

รูปที่ 5 กราฟแสดงผลการประหยัดพลังงานที่ภาระต่ำกว่าพิกัด (Partial Loads)

จะเห็นว่าระบบอัตราการไหลต่ำดูเหมือนว่าจะช่วยลดการใช้พลังงานได้มาก อาจจะมีข้อสงสัยว่าแล้วการลงทุนเริ่มต้นล่ะ ?
การใช้ระบบอัตราการไหลต่ำและเพิ่มอุณหภูมิแตกต่างน้ำจาก 10 oF (5.56 oC) เป็น 18 oF (10 oC) จะช่วยลดขนาดปั๊ม วาล์ว ท่อ ฉนวน ดังนี้

         และยิ่งเป็นโครงการปรับปรุง (Retrofitting) ยิ่งประหยัดได้มากขึ้น เช่นเมื่อต้องการภาระทำความเย็นเพิ่มขึ้นจาก 500 RT เป็น 750 RT เพียงแต่ควบคุมการเดินปั๊มน้ำหล่อเย็นจาก 3 gpm/ton (0.194 m3/h-kW) เป็น 2 gpm/ton (0.129 m3/h-kW) และเลือกเครื่องทำน้ำเย็นที่อุณหภูมิคอนเดนเซอร์สูงขึ้น 

        อย่างไรก็ตามอัตราการไหลต่ำก็ไม่ใช่จะช่วยประหยัดพลังงานโดยรวมเสมอไป เราต้องเลือกอัตราการไหลที่เหมาะสมโดยพิจารณาคุณสมบัติและต้นทุนของปั๊มและเครื่องทำน้ำเย็นควบคู่กัน

        นอกจากนี้ความสัมพันธ์ของเครื่องทำน้ำเย็นกับคูลลิ่งทาวเวอร์ก็เป็นอีกจุดหนึ่งในการลดการใช้พลังงานรวมของทั้งระบบ ตามรูปที่ 6 พลังงานของคูลลิ่งทาวเวอร์ลดลงเมื่ออุณหภูมิน้ำหล่อเย็นเพิ่มขึ้น แต่พลังงานเครื่องทำน้ำเย็นมากขึ้น และจะมีอยู่จุดหนึ่งที่พลังงานรวมต่ำสุดในกรณีนี้ที่ 79 oF (26 oC)

รูปที่ 6 การใช้พลังงานเครื่องทำน้ำเย็นและคูลลิ่งทาวเวอร์

        ในทางปฏิบัติอุณหภูมิน้ำหล่อเย็นที่เหมาะสมขึ้นอยู่กับภาระทำความเย็น อุณหภูมิกะเปาะเปียกของอากาศรอบ ๆ คูลลิ่งทาวเวอร์ ดังนั้นในการควบคุมการใช้พลังงานของคูลลิ่งทาวเวอร์กับเครื่องทำน้ำเย็นให้เหมาะสมควรใช้พัดลมแบบ 2 ความเร็วรอบหรือใช้อุปกรณ์ปรับความเร็วรอบมอเตอร์ (Variable Speed Drive, VSD) 

       กล่าวโดยสรุป การปรับปรุงเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพพลังงานโดยเน้นแต่ละอุปกรณ์อาจจะไม่ได้ประสิทธิภาพสูงสุด ถ้าเครื่องทำน้ำเย็นสามารถทำงานที่ช่วงอุณหภูมิน้ำแตกต่างที่กว้าง การใช้อัตราการไหลของน้ำต่ำจะช่วยลดการใช้พลังงานรวมทั้งระบบและลดเงินลงทุนเริ่มต้นเนื่องจากใช้คูลลิ่งทาวเวอร์ ปั๊ม ท่อ เล็กลง และจะคุ้มมากถ้าเป็นโครงการปรับปรุงงานเก่าที่ต้องการภาระทำความเย็นมากขึ้น
  
 เอกสารอ้างอิง
• Peter Xia, Ph.D, Asian R&D Center, Trane Company, Energy Saving from Chilled-Water System Optimization