ปั๊มความร้อนจากแหล่งอากาศรับมือกับสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิต่ำเป็นพิเศษได้อย่างไร

ปั๊มความร้อนจากแหล่งอากาศได้รับความสนใจจากตลาดในด้านประสิทธิภาพและประโยชน์ต่อสิ่งแวดล้อม อย่างไรก็ตาม ประสิทธิภาพอาจแตกต่างกันอย่างมากโดยขึ้นอยู่กับปัจจัยหลายประการ ในสภาพอากาศที่เย็นกว่า ประสิทธิภาพของปั๊มเหล่านี้จะลดลง และการก่อตัวของน้ำค้างแข็งในระหว่างการทำความร้อนอาจส่งผลกระทบอย่างรุนแรงต่อทั้งประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือ เพื่อต่อสู้กับความท้าทายเหล่านี้ จึงมีการพัฒนาความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีและการออกแบบ โดยปรับปรุงการทำงานและการประยุกต์ใช้ปั๊มความร้อนจากแหล่งอากาศในสภาพแวดล้อมต่างๆ

ความก้าวหน้าในเทคโนโลยีการบีบอัดแบบหลายขั้นตอน

เทคโนโลยีการบีบอัดความถี่แปรผันเป็นหนึ่งในวิธีการที่มีประสิทธิภาพในการปรับปรุงความสามารถในการทำความร้อนของปั๊มความร้อนจากแหล่งอากาศ ในสภาวะที่มีอุณหภูมิต่ำ การเพิ่มความเร็วของคอมเพรสเซอร์จะช่วยเพิ่มปริมาตรไอเสียได้อย่างมาก ซึ่งจะช่วยปรับปรุงความสามารถในการทำความร้อนของปั๊มความร้อนจากแหล่งอากาศ อย่างไรก็ตาม เทคโนโลยีความถี่แปรผันไม่ได้ปรับปรุงประสิทธิภาพการใช้พลังงานของระบบ เพื่อปรับปรุงความสามารถในการทำความร้อนและประสิทธิภาพการใช้พลังงานที่อุณหภูมิต่ำไปพร้อมๆ กัน จึงได้มีการพัฒนาเทคโนโลยีการบีบอัดแบบหลายขั้นตอน

ขึ้นอยู่กับจำนวนขั้นตอนการบีบอัดและโครงสร้างของวงจร ปั๊มความร้อนจากแหล่งอากาศอัดแบบหลายขั้นตอนสามารถแบ่งออกเป็นวงจรแบบเรียงซ้อนและการบีบอัดแบบคู่/หลายขั้นตอน เป็นต้น เพื่อปรับปรุงความสามารถในการทำความร้อนของระบบการบีบอัดแบบขั้นตอนเดียวในอุณหภูมิแวดล้อมต่ำ สารทำความเย็นสามารถฉีดเข้าไปในห้องอัดได้โดยตรงในระหว่างกระบวนการอัด หรือที่เรียกว่าการบีบอัดแบบกึ่งสองขั้นตอน เนื่องจากรอบการบีบอัดแบบกึ่งสองขั้นตอนมีลักษณะของการบีบอัดแบบสองขั้นตอน บทความนี้จะรวมไว้ในขอบเขตของรอบการบีบอัดแบบสองขั้นตอนเพื่อการอภิปราย

ปั๊มความร้อนจากแหล่งอากาศแบบคาสเคด

เนื่องจากอุณหภูมิแวดล้อมต่ำ อัตราส่วนความดันของระบบจึงสูง งานอัดมีขนาดใหญ่ และการสูญเสียการควบคุมปริมาณมีนัยสำคัญ ซึ่งท้ายที่สุดจะนำไปสู่ประสิทธิภาพการใช้พลังงานของปั๊มความร้อนต่ำ เพื่อลดการสูญเสียและปรับปรุงประสิทธิภาพ ระบบปั๊มความร้อนจากแหล่งอากาศแบบคาสเคดจะใช้รอบการบีบอัดไอสองรอบต่อเนื่องกันเพื่อแทนที่รอบเดียว เพื่อลดอัตราส่วนการอัดของรอบขั้นตอนเดียว

ดังที่แสดงในภาพ ระบบคาสเคดประกอบด้วยรอบการบีบอัดไออิสระสองรอบ รอบแรกเป็นรอบสเตจอุณหภูมิต่ำ และอีกรอบเป็นรอบสเตจอุณหภูมิสูง สองรอบนี้เชื่อมต่อกันผ่านเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนระดับกลางทั่วไป ซึ่งทำหน้าที่เป็นคอนเดนเซอร์สำหรับวงจรอุณหภูมิต่ำและเครื่องระเหยสำหรับวงจรอุณหภูมิสูง ในฤดูหนาว วงจรอุณหภูมิต่ำจะดูดซับความร้อนจากอากาศโดยรอบผ่านเครื่องระเหย และยกระดับความร้อนให้มีอุณหภูมิสูงขึ้นเพื่อใช้เป็นแหล่งความร้อนสำหรับวงจรอุณหภูมิสูง ในวงจรอุณหภูมิสูง ความร้อนจะเพิ่มขึ้นอีกจนถึงอุณหภูมิที่จำเป็นสำหรับการทำความร้อนภายในอาคาร

ด้วยการใช้ปั๊มความร้อนจากแหล่งอากาศแบบคาสเคด อัตราการบีบอัดของวงจรจะลดลงอย่างมาก ลดการสูญเสียการบีบอัดโดยรวมและการสูญเสียการควบคุมปริมาณ ซึ่งจะช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพการใช้พลังงานของปั๊มความร้อนจากแหล่งอากาศ นอกจากนี้ ขึ้นอยู่กับสภาพการทำงานที่แตกต่างกัน ช่วงอุณหภูมิสูงและต่ำของวงจรคาสเคดสามารถใช้สารทำความเย็นที่แตกต่างกันได้ เนื่องจากระบบคาสเคดสามารถใช้งานได้โดยใช้ระบบขั้นตอนเดียวง่ายๆ สองระบบ จึงมีการใช้มานานหลายปีในการทำความร้อนและการจ่ายน้ำร้อน อย่างไรก็ตาม ความแตกต่างของอุณหภูมิในการแลกเปลี่ยนความร้อนของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนระดับกลางในวงจรคาสเคดย่อมนำไปสู่การสูญเสียประสิทธิภาพบางอย่างอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ นอกจากนี้ วงจรคาสเคดยังต้องใช้คอมเพรสเซอร์สองตัวและเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนเพิ่มเติม ซึ่งทำให้มีค่าใช้จ่ายสูงกว่าเมื่อเทียบกับวงจรขั้นตอนเดียว

ข้อดีของปั๊มความร้อนจากแหล่งอากาศอัดแบบ Dual Stage

ปั๊มความร้อนจากแหล่งอากาศอัดแบบสองขั้นตอนเชื่อมต่อรอบการทำความเย็นสองรอบเข้าด้วยกัน และสามารถมองเห็นได้ว่าเป็นรูปแบบที่เรียบง่ายของระบบคาสเคด ดังที่แสดงในภาพ ขึ้นอยู่กับเครื่องประหยัดที่แตกต่างกันที่ใช้ ปั๊มความร้อนจากแหล่งอากาศอัดแบบสองขั้นตอนสามารถแบ่งได้เป็นสองประเภท: ระบบถังแฟลช (FT) และระบบแลกเปลี่ยนความร้อนระดับกลาง (IHX)

สำหรับระบบถังแฟลช สารทำความเย็นที่เป็นของเหลวที่ออกจากคอนเดนเซอร์ในอาคารจะถูกควบคุมออกเป็นสองเฟส จากนั้นจึงเข้าสู่ถังแฟลช โดยที่สารทำความเย็นแบบสองเฟสจะถูกแยกออกเป็นไออิ่มตัวและของเหลวอิ่มตัว สารทำความเย็นไออิ่มตัวผสมกับไอเสียของสารทำความเย็นจากคอมเพรสเซอร์แรงดันต่ำแล้วบีบอัดอีกครั้งโดยคอมเพรสเซอร์สเตจแรงดันสูง ของเหลวอิ่มตัวจะถูกควบคุมโดยวาล์วขยายตัวที่สองและเข้าสู่เครื่องระเหยภายนอกเพื่อระเหยเป็นก๊าซแล้ว เข้าสู่สเตจคอมเพรสเซอร์แรงดันต่ำ จากนั้นผสมกับแก๊สแรงดันปานกลางจากถังแฟลช

สำหรับระบบแลกเปลี่ยนความร้อนระดับกลาง สารทำความเย็นเหลวจากช่องคอนเดนเซอร์จะถูกแบ่งโดยตรงออกเป็นสองเส้นทาง: การไหลหลักและการไหลของสาขา สารทำความเย็นแบบไหลสาขาจะถูกควบคุมความดันที่ระดับกลางและเข้าสู่ตัวแลกเปลี่ยนความร้อนระดับกลาง โดยที่สารทำความเย็นอุณหภูมิต่ำจะทำให้สารทำความเย็นที่ไหลหลักเย็นลงเป็นสถานะทำความเย็นต่ำกว่า สารทำความเย็นแบบไหลสาขาจะดูดซับความร้อนและกลายเป็นไออิ่มตัวหรือสถานะร้อนยวดยิ่งและผสมกับไอเสีย จากสเตจคอมเพรสเซอร์แรงดันต่ำ จากนั้นเข้าสู่สเตจคอมเพรสเซอร์แรงดันสูงเพื่อการบีบอัดเพิ่มเติม สารทำความเย็นแบบระบายความร้อนต่ำกว่าจากช่องจ่ายกระแสหลักของตัวแลกเปลี่ยนความร้อนระดับกลางจะถูกควบคุมปริมาณผ่านเครื่องระเหยและสุดท้ายจะกลับสู่คอมเพรสเซอร์ระดับแรงดันต่ำ จากนั้นจะถูกบีบอัดจนถึงแรงดันระดับกลาง และผสมกับสารทำความเย็นแบบไหลแยก

การบีบอัดแบบ Quasi-Dual Stage เพื่อความคล่องตัว

ดังที่แสดงในภาพ ปั๊มความร้อนจากแหล่งอากาศอัดแบบกึ่งขั้นตอนคู่ (หรือที่เรียกว่าระบบแต่งหน้า) มีความคล้ายคลึงกับระบบการบีบอัดแบบสองขั้นตอนมาก ข้อแตกต่างก็คือในการบีบอัดแบบกึ่งสเตจคู่ สารทำความเย็นจากถังแฟลชหรือตัวแลกเปลี่ยนความร้อนระดับกลางจะถูกฉีดเข้าไปในห้องอัดของคอมเพรสเซอร์ แทนที่จะฉีดระหว่างคอมเพรสเซอร์สองซีรีย์

ดังนั้น ปั๊มความร้อนแบบสองขั้นตอนจึงถือเป็นรูปแบบที่เรียบง่ายของปั๊มความร้อนแบบสองขั้นตอน โดยใช้คอมเพรสเซอร์แต่งหน้าที่ออกแบบมาเป็นพิเศษเพื่อแทนที่คอมเพรสเซอร์สองตัว ดังนั้นจึงหลีกเลี่ยงปัญหาการปรับสมดุลน้ำมันระหว่างคอมเพรสเซอร์สองตัวและลดต้นทุนของระบบ ที่สำคัญกว่านั้น ด้วยการปิดวาล์วบนกิ่งแต่งหน้า ระบบกึ่งเวทีคู่สามารถสลับไปใช้โหมดวงจรขั้นตอนเดียวได้อย่างยืดหยุ่น ซึ่งจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานของปั๊มความร้อนกึ่งสองขั้นตอนในฤดูหนาวและฤดูร้อน ด้วยเหตุนี้ เทคโนโลยีการบีบอัดแบบกึ่งสองขั้นตอนจึงถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในปั๊มความร้อนอุณหภูมิต่ำในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา

การเปลี่ยนสารทำความเย็น

การหันมาใช้สารทำความเย็นที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมและมีประสิทธิภาพถือเป็นหัวใจสำคัญในความก้าวหน้าของปั๊มความร้อนจากแหล่งอากาศ สารทำความเย็นแบบดั้งเดิม เช่น R22 และ R410A กำลังถูกแทนที่ด้วยสารทำความเย็นทางเลือก เช่น R290, R32, R744 และ R161 และอื่นๆ สารทำความเย็นแต่ละชนิดมีข้อดีและข้อควรพิจารณา โดยเฉพาะอย่างยิ่งเกี่ยวกับผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม ประสิทธิภาพ และมาตรฐานความปลอดภัย เมื่อเทคโนโลยีก้าวหน้าไป การนำทางเลือกเหล่านี้มาใช้ควบคู่ไปกับการออกแบบระบบขั้นสูง จะช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพและการบังคับใช้ของปั๊มความร้อนจากแหล่งอากาศต่อไป

ด้วยนวัตกรรมและการวิจัยอย่างต่อเนื่อง ปั๊มความร้อนจากแหล่งอากาศจึงมีความแข็งแกร่ง มีประสิทธิภาพ และเหมาะสมกับสภาพอากาศและการใช้งานที่หลากหลายยิ่งขึ้น การบูรณาการเทคโนโลยีการบีบอัดขั้นสูงและการเปลี่ยนไปใช้สารทำความเย็นที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมเป็นศูนย์กลางของวิวัฒนาการนี้ ซึ่งปูทางไปสู่โซลูชันการทำความร้อนที่ยั่งยืนและมีประสิทธิภาพ

บทสรุป

ปั๊มความร้อนจากแหล่งอากาศอยู่ในระดับแนวหน้าของเทคโนโลยีการทำความร้อนและความเย็น โดยนำเสนอทางเลือกที่ยั่งยืนและมีประสิทธิภาพนอกเหนือจากระบบแบบเดิม ด้วยการใช้เทคโนโลยีการบีบอัดแบบหลายขั้นตอนและสารทำความเย็นที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม ระบบเหล่านี้มีการพัฒนาอย่างต่อเนื่องเพื่อให้มีประสิทธิภาพที่ดีขึ้น ปรับตัวได้ และลดผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม ด้วยการวิจัยและนวัตกรรมอย่างต่อเนื่อง ปั๊มความร้อนจากแหล่งอากาศถูกกำหนดให้กลายเป็นตัวเลือกที่น่าสนใจยิ่งขึ้นสำหรับการใช้งานในที่อยู่อาศัยและพาณิชยกรรมที่หลากหลาย ซึ่งขับเคลื่อนอนาคตของการทำความร้อนและความเย็นที่ยั่งยืน