ปั๊มความร้อนทำงานอย่างไร?

อ่านประมาณ 12 นาที

ปั๊มความร้อนจะดึงพลังงานความร้อนฟรีจากสิ่งแวดล้อม (อากาศ, ดิน หรือน้ำใต้ดิน) และใช้ไฟฟ้าจำนวนเล็กน้อยเพื่อยกระดับความร้อนนี้ให้สูงขึ้นเพื่อนำมาใช้ในการทำความร้อนภายในอาคาร [1] โดยพื้นฐานแล้ว มันทำงานเหมือนกับตู้เย็นที่ย้อนกลับ: ในขณะที่ตู้เย็นเคลื่อนย้ายความร้อนจากภายในออกสู่ภายนอก ปั๊มความร้อนจะสูบความร้อนจากสิ่งแวดล้อมเข้ามาในบ้าน [2]

วงจรสารทำความเย็น (หรือวงจรปั๊มความร้อน) คือหัวใจสำคัญ โดยมีสารทำความเย็นชนิดพิเศษหมุนเวียนอยู่ภายใน และเปลี่ยนสถานะ ความดัน และอุณหภูมิอย่างต่อเนื่อง เพื่อขนส่งความร้อนจากระดับต่ำไปสู่ระดับสูง ซึ่งเกิดขึ้นใน 4 ขั้นตอนดังนี้:

1. การระเหย (การรับความร้อน): ในเครื่องระเหย (Evaporator) สารทำความเย็นในสถานะของเหลวจะรับความร้อนจากแหล่งสิ่งแวดล้อม เนื่องจากมีจุดเดือดที่ต่ำมาก จึงระเหยกลายเป็นไอได้แม้ในอุณหภูมิต่ำ พลังงานที่ได้รับส่วนใหญ่มาจากสิ่งแวดล้อมโดยไม่มีค่าใช้จ่าย [1]

2. การอัด (การเพิ่มอุณหภูมิ): คอมเพรสเซอร์ (Compressor) จะดูดสารทำความเย็นที่เป็นก๊าซเข้ามาและอัดด้วยความดันสูง ส่งผลให้อุณหภูมิสูงขึ้นอย่างรวดเร็ว ขั้นตอนนี้ต้องใช้พลังงานไฟฟ้าและมีความสำคัญอย่างยิ่งในการทำให้ความร้อนอยู่ในระดับที่ใช้ในการทำความร้อนได้ [2]

3. การควบแน่น (การปล่อยความร้อน): ในคอนเดนเซอร์ (Condenser) สารทำความเย็นที่มีอุณหภูมิสูงและความดันสูงจะปล่อยความร้อนให้กับระบบทำความร้อน (เช่น หม้อน้ำ หรือระบบทำความร้อนใต้พื้น) จากนั้นจะเย็นตัวลง ควบแน่น และกลับกลายเป็นของเหลวอีกครั้ง ความร้อนที่ปล่อยออกมานี้จะทำให้ตัวอาคารอบอุ่น [1]

4. การขยายตัว (การลดความดัน): วาล์วลดความดัน (Expansion Valve) จะลดความดันลงอย่างกะทันหัน ทำให้อุณหภูมิของสารทำความเย็นลดลงอย่างมาก จนกลับมาเย็นและอยู่ในสถานะของเหลว พร้อมสำหรับรอบถัดไปในเครื่องระเหย [2]

คุณสมบัติพิเศษเมื่ออากาศภายนอกหนาวเย็น: แม้ในอุณหภูมิติดลบ (เช่น -5 °C) อากาศก็ยังคงมีพลังงานความร้อนที่นำมาใช้ได้ เนื่องจากความเย็นสัมบูรณ์จะเกิดขึ้นที่ -273.15 °C เท่านั้น ในขณะนั้นสารทำความเย็นจะมีความเย็นยิ่งกว่า (เช่น -15 °C) และสามารถรับความร้อนได้ เพราะความร้อนจะไหลจากที่ที่อุ่นกว่าไปยังที่ที่เย็นกว่าเสมอ จุดเดือดที่ต่ำของสารทำความเย็น (มักต่ำกว่า -20 °C) ทำให้สิ่งนี้เป็นไปได้ อย่างไรก็ตาม ประสิทธิภาพจะลดลงเมื่อมีน้ำค้างแข็งรุนแรง เนื่องจากคอมเพรสเซอร์ต้องทำงานหนักขึ้น [2]

ค่าสัมประสิทธิ์สมรรถนะรายปี (Jahresarbeitszahl - JAZ) ใช้สำหรับวัดประสิทธิภาพจริงตลอดทั้งปี: โดยระบุว่าสร้างความร้อนได้กี่ kWh ต่อการใช้ไฟฟ้า 1 kWh ซึ่งแตกต่างจาก COP (Coefficient of Performance) ภายใต้เงื่อนไขการทดสอบ เนื่องจาก JAZ จะคำนึงถึงปัจจัยจริงทั้งหมด เช่น ความผันผวนของอุณหภูมิและรอบการละลายน้ำแข็ง (defrost cycles) ค่าที่ดีสำหรับปั๊มความร้อนแบบอากาศ-น้ำ จะอยู่ที่ 3.5–4.0, แบบดิน-น้ำ อยู่ที่ 4.0–5.0 และแบบน้ำ-น้ำ อยู่ที่ 4.5–5.5+ โดยแนะนำว่า JAZ ตั้งแต่ 3.0 ขึ้นไปจึงจะคุ้มค่าทางเศรษฐกิจ อุณหภูมิขาจ่ายที่ต่ำ (เช่น ในระบบทำความร้อนใต้พื้น) และแหล่งความร้อนที่คงที่ จะช่วยปรับปรุงค่า JAZ ให้ดีขึ้นอย่างมาก [2]

ความแตกต่างของแต่ละประเภท: ทุกประเภทใช้วงจรสารทำความเย็นแบบเดียวกัน แต่แตกต่างกันที่แหล่งความร้อน ปั๊มความร้อนแบบอากาศ-น้ำ มีราคาติดตั้งถูก (ประมาณ 25,000–45,000 €) ติดตั้งง่ายและยืดหยุ่น แต่มีประสิทธิภาพผันผวนและมีเสียงรบกวนจากเครื่องภายนอก ปั๊มความร้อนแบบดิน-น้ำ (พลังงานความร้อนใต้พิภพ) มีประสิทธิภาพและเสถียรกว่า (JAZ 4.0–5.0) แต่ต้องมีการขุดดินหรือเจาะ (ค่าใช้จ่าย 35,000–60,000 €) และต้องขออนุญาต ปั๊มความร้อนแบบน้ำ-น้ำ (น้ำใต้ดิน) ให้ประสิทธิภาพสูงสุด (JAZ เกิน 5.0) แต่มีราคาแพงที่สุด (40,000–65,000 €) และมีการควบคุมการขออนุญาตที่เข้มงวดเนื่องจากการขุดบ่อน้ำ [3]

ความเหมาะสมสำหรับอาคารเก่าที่ยังไม่ได้ปรับปรุง: ใช่ มักจะทำได้ แต่มีความท้าทายเนื่องจากมีความต้องการความร้อนสูงและจำเป็นต้องใช้อุณหภูมิน้ำจ่าย (Vorlauftemperatur) ที่สูง (สูงสุด 60–70 °C) ปั๊มความร้อนอุณหภูมิสูงหรือระบบไฮบริด (การผสมผสานกับหม้อต้มก๊าซหรือน้ำมันเดิม) มีความเหมาะสมสำหรับกรณีนี้ ระบบทำความร้อนใต้พื้นเป็นตัวเลือกที่เหมาะสมที่สุด (อุณหภูมิน้ำจ่ายต่ำ 30–35 °C) แต่ในอาคารเก่ามักมีค่าใช้จ่ายในการติดตั้งเพิ่มเติมสูง สำหรับหม้อน้ำ (Heizkörper) การใช้รุ่นที่มีขนาดใหญ่ขึ้น, หม้อน้ำอุณหภูมิต่ำ, การปรับสมดุลไฮดรอลิก (hydraulischer Abgleich) หรือมาตรการฉนวนขนาดเล็ก (เช่น หลังคา, หน้าต่าง) จะช่วยลดอุณหภูมิน้ำจ่ายได้ การคำนวณภาระความร้อนโดยมืออาชีพเป็นสิ่งจำเป็น [4]

ค่าใช้จ่ายและการสนับสนุน: ค่าใช้จ่ายในการจัดหาอยู่ที่ 25,000–65,000 € ขึ้นอยู่กับประเภท (รวมการติดตั้ง) ค่าใช้จ่ายในการดำเนินงานขึ้นอยู่กับค่า JAZ และราคาไฟฟ้า – หาก JAZ เท่ากับ 4 และมีความต้องการความร้อน 15,000 kWh มักจะมีค่าใช้จ่ายต่ำกว่า 1,300 €/ปี สำหรับไฟฟ้าที่ใช้กับปั๊มความร้อน ในเยอรมนี การสนับสนุนจากกองทุนเพื่ออาคารที่มีประสิทธิภาพ (BEG) ให้เงินสนับสนุนสูงสุด 70% ของค่าใช้จ่าย (เงินสนับสนุนพื้นฐาน 30% บวกกับโบนัสสำหรับการเปลี่ยนระบบทำความร้อนเก่า, ประสิทธิภาพ หรือรายได้; สูงสุด 21,000 €) ต้องยื่นคำขอที่ BAFA/KfW ก่อนเริ่มดำเนินการ แนะนำให้มีที่ปรึกษาด้านพลังงาน หรือสามารถเลือกใช้โบนัสทางภาษีเป็นทางเลือกได้ [3]

ระดับเสียงและการติดตั้ง: รุ่น Sole และ Water-Water มีเสียงเงียบมาก (เทียบเท่ากับตู้เย็น) ส่วนอุปกรณ์ Air-Water มีระดับเสียง 35–50 dB(A) ในระยะห่าง 1 เมตร ข้อสำคัญ: ต้องรักษาระยะห่างจากเพื่อนบ้านและหน้าต่าง (ปฏิบัติตาม TA Lärm) หลีกเลี่ยงมุมและพื้นผิวที่สะท้อนเสียง ใช้ตัวลดแรงสั่นสะเทือนและฐานรากที่มั่นคง โหมดกลางคืนช่วยลดเสียงรบกวนได้ [1]

การลด CO₂: เมื่อเปรียบเทียบกับระบบทำความร้อนด้วยก๊าซ (ประมาณ 200 g CO₂/kWh) ปั๊มความร้อนที่มี JAZ 4 และใช้ส่วนผสมไฟฟ้าของเยอรมนี (ประมาณ 380 g CO₂/kWh) จะช่วยลด CO₂ ได้มากกว่า 50% หากใช้ไฟฟ้าสีเขียว (Ökostrom) หรือระบบ PV จะลดการปล่อยก๊าซจากการดำเนินงานได้เกือบ 100% โดยการลดลงจะเพิ่มขึ้นตามสัดส่วนของไฟฟ้าสีเขียวในโครงข่ายไฟฟ้า [3]

บทสรุปสำหรับเจ้าของบ้าน: ปั๊มความร้อนมีประสิทธิภาพ เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม และรองรับอนาคต การเลือกใช้ขึ้นอยู่กับที่ดิน อาคาร และงบประมาณ การรับคำปรึกษาเฉพาะรายจากบริษัทผู้เชี่ยวชาญและที่ปรึกษาด้านพลังงาน รวมถึงการคำนวณภาระความร้อน เป็นสิ่งจำเป็นอย่างยิ่งเพื่อการวางแผน การขอรับการสนับสนุน และประสิทธิภาพสูงสุด