ระบบพลังงานความร้อนจากแสงอาทิตย์ของ Demax สามารถรวมเข้ากับปั๊มความร้อนได้หรือไม่?

แผงเก็บความร้อนของ Demax ร่วมกับปั๊มความร้อน: ระบบไฮดรอลิกและการทำความร้อน

การเข้าใจวิธีการผสานรวมระบบที่กล่าวข้างต้นนั้นจำเป็นต้องมีความเข้าใจที่ดีเกี่ยวกับระบบไฮดรอลิกที่เกี่ยวข้องกับแผงรับพลังงานความร้อนจากแสงอาทิตย์ (solar thermal collectors) และวงจรปั๊มความร้อน (heat pump circuits) อย่างเหมาะสม ภายใต้สภาวะการทำงานที่กำหนดหนึ่ง ๆ อัตราการไหลของน้ำในแผงรับพลังงานความร้อนจากแสงอาทิตย์และปั๊มความร้อนควรควบคุมให้อยู่ภายในช่วง ±10% ซึ่งกันและกัน เพื่อหลีกเลี่ยงการสูญเสียพลังงานแบบไม่จำเป็น (parasitic losses) ที่เกิดจากการสูบจ่ายน้ำมากเกินไป นอกจากนี้ เพื่อให้มั่นใจว่าจะมีการถ่ายเทความร้อนได้อย่างเพียงพอ เราควรพยายามรักษาเงื่อนไขของการไหลแบบปั่นป่วน (turbulent flow) ไว้ ข้ออ้างที่พบได้บ่อยมากข้อหนึ่งซึ่งผู้ปฏิบัติงานหลายคนมักกล่าวถึง คือ ความต่างของอุณหภูมิ (thermal gradients หรือ temperature differences) ที่แผงรับพลังงานความร้อนจากแสงอาทิตย์สามารถสร้างขึ้นได้ ตัวอย่างเช่น แผงรับพลังงานความร้อนจากแสงอาทิตย์รุ่น Demax สามารถให้อุณหภูมิที่ทางออกอยู่ในช่วง 50–80°C ขณะที่ปั๊มความร้อนส่วนใหญ่ไม่สามารถทำงานได้ดี หรืออาจไม่สามารถทำงานได้เลย ในช่วงอุณหภูมิ 25–35°C ดังนั้น เพื่อปิดช่องว่างหรือลดความต่างของอุณหภูมิเหล่านี้ให้น้อยที่สุด พร้อมทั้งปรับปรุงประสิทธิภาพการแลกเปลี่ยนความร้อน เราอาจจำเป็นต้องใช้ถังเก็บความร้อนแบบแยกชั้น (stratified buffer tanks) หรือเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบแผ่น (compact plate heat exchangers) ที่มีค่าความต่างของอุณหภูมิระหว่างสองฝั่ง (temperature approach) ไม่เกิน 2°C งานวิจัยเชิงอุตสาหกรรมหลายชิ้นรายงานว่า หากไม่มีการออกแบบส่วนต่อประสาน (interface designs) ที่ดีในระบบร่วม (hybrid systems) ประสิทธิภาพโดยรวมของระบบนั้นอาจลดลงถึง 15–22 เปอร์เซ็นต์ เมื่อเทียบกับค่าประสิทธิภาพที่ออกแบบไว้ นี่จึงเป็นหนึ่งในเหตุผลหลักที่ทำให้การใช้วาล์วผสมแบบเทอร์โมสแตต (thermostatic mixing valves) มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการรักษาอุณหภูมิที่เข้าสู่ระบบให้คงที่ แม้เมื่อการรับพลังงานจากแสงอาทิตย์มีความแปรผัน

การตลาดเพื่อความสอดคล้อง: ตรรกะลำดับความสำคัญ การจัดขั้นตอนอุณหภูมิ และข้อบังคับป้องกันการเปิด-ปิดเครื่องบ่อยเกินไป

ประสิทธิภาพเชิงพยากรณ์ต้องอาศัยระบบควบคุมที่ขับเคลื่อนด้วยปัญญา ซึ่งปรับการใช้พลังงานตามสถานการณ์จริงที่กำลังเกิดขึ้นอยู่ โพรโทคอลการจัดลำดับความสำคัญแบบสามขั้นตอนควบคุมกิจกรรมของระบบ:

โหมดพลังงานแสงอาทิตย์หลักจะทำงานเมื่ออุณหภูมิของแผงรับพลังงานแสงอาทิตย์สูงกว่าอุณหภูมิแหล่งที่ต้องการของปั๊มความร้อนอย่างน้อย 8 °C

โหมดช่วยเสริมแบบไฮบริดจะถูกเปิดใช้งานในช่วงที่มีรังสีแสงอาทิตย์บางส่วน และควบคุมอุณหภูมิของวงจรแผงรับพลังงานแสงอาทิตย์ เพื่อให้วงจรแหล่งความร้อนได้รับการให้ความร้อนล่วงหน้าโดยไม่เกิดการให้ความร้อนมากเกินไป

โหมดให้ความสำคัญกับปั๊มความร้อนจะถูกเปิดใช้งานเมื่อมีพลังงานแสงอาทิตย์ไม่เพียงพอ และอัตราการไหลของระบบจะถูกควบคุมเพื่อป้องกันความเสียหายต่อคอมเพรสเซอร์ โดยการรักษาระยะเวลาในการทำงาน/ควบคุมระยะเวลาการทำงาน

การทดสอบภาคสนามในยุโรปแสดงให้เห็นว่า การควบคุมอุณหภูมิแบบขั้นตอนช่วยลดการเปิด-ปิดคอมเพรสเซอร์ซ้ำๆ ลงได้ร้อยละ 40 และยืดอายุการใช้งานของอุปกรณ์ออกไปในช่วงเวลาดังกล่าว ระบบควบคุมป้องกันการเปิด-ปิดซ้ำๆ อย่างรวดเร็ว (Anti-short cycling controls) ใช้การควบคุมที่ทำนายภาระงานล่วงหน้า (load predictive controls) และการควบคุมเชิงคาดการณ์ (anticipatory controls) รวมทั้งการพยากรณ์ความต้องการความร้อน (thermal demand forecasting) จึงช่วยลดการสตาร์ทที่ไม่จำเป็น ซึ่งจะส่งผลให้ต้นทุนการบำรุงรักษาเพิ่มขึ้นถึง 740 ดอลลาร์สหรัฐต่อปีต่อหน่วย (The Ponemon Institute, 2023)

ประโยชน์ด้านประสิทธิภาพของปั๊มความร้อนที่ใช้พลังงานแสงอาทิตย์ (SAHPs)

การรวมกันของเครื่องเก็บความร้อนจากพลังงานแสงอาทิตย์กับปั๊มความร้อนให้ประสิทธิภาพเชิงสัมพันธ์ที่ดีกว่าที่แต่ละชิ้นส่วนจะสามารถทำได้เพียงลำพัง เนื่องจากจุดแข็งที่ต่างกันของแต่ละระบบ ซึ่งอาจเปรียบเทียบได้กับการทำงานร่วมกันของแหล่งพลังงานหลายประเภท เครื่องเก็บความร้อนจากพลังงานแสงอาทิตย์จะจัดหาความร้อนที่ปั๊มความร้อนสามารถนำไปใช้เพื่อให้เกิดการถ่ายโอนความร้อนอย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น ตัวอย่างเช่น อาคารจะต้องใช้พลังงานน้อยลงในการขับเคลื่อนปั๊มความร้อน เนื่องจากพลังงานที่จำเป็นสำหรับการขับเคลื่อนปั๊มความร้อนลดลง เพราะส่วนหนึ่งของพลังงานที่ต้องย้ายไปยังจุดหมายนั้นได้รับการจัดหาไว้ล่วงหน้าแล้วจากพลังงานแสงอาทิตย์ นอกจากนี้ การจัดวางระบบนี้ยังช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพด้านพลังงานของอาคาร และเปลี่ยนรูปแบบการใช้พลังงานโดยการลดปริมาณการใช้พลังงาน ซึ่งส่งผลให้ประสิทธิภาพด้านพลังงานของอาคารดีขึ้น และปรับปรุงโปรไฟล์ภาระ (load profile) ของอาคารให้เหมาะสมยิ่งขึ้น ด้วยวิธีนี้ ปั๊มความร้อนที่ได้รับการเสริมด้วยพลังงานแสงอาทิตย์จึงช่วยให้อาคารสามารถสื่อสารกับโครงข่ายไฟฟ้าได้ดีขึ้น โดยเฉพาะในช่วงเวลาที่มีการใช้พลังงานสูงสุด

การเพิ่มค่า COP: การทดลองภาคสนาม SAHPs แบบผสานกับ Demax ในสหภาพยุโรป

การทดสอบระบบ SAHP แบบยุโรปที่ผสานกับเทคโนโลยี Demax แสดงให้เห็นว่าค่าสัมประสิทธิภาพ (COP) ดีขึ้น 20 ถึง 30 เปอร์เซ็นต์ เมื่อเปรียบเทียบกับปั๊มความร้อนที่ใช้งานแยกต่างหาก ขณะที่เครื่องระเหยได้รับพลังงานความร้อนจากแสงอาทิตย์ ทำให้การใช้ไฟฟ้าโดยรวมลดลง และอุณหภูมิของเครื่องระเหยในคอมเพรสเซอร์ลดลง 10 ถึง 15°C ส่งผลให้ปั๊มความร้อนทำงานได้ง่ายขึ้น เทคโนโลยีนี้มีศักยภาพในการประหยัดพลังงานมากที่สุดเมื่อมีการทับซ้อนกันระหว่างปริมาณรังสีดวงอาทิตย์ที่มีอยู่กับความต้องการใช้ความร้อน นอกจากการประหยัดไฟฟ้าแล้ว ระบบ SAHP ที่ปรับปรุงแล้วยังมีประสิทธิภาพการใช้พลังงานสูงขึ้นในฤดูหนาว เนื่องจากต้องทำการละลายน้ำแข็งน้อยลง จึงใช้พลังงานน้อยลงด้วย

การเลื่อนเวลาการใช้โหลดและการเสริมสร้างความมั่นคงของระบบส่งไฟฟ้า: การให้ความร้อนล่วงหน้าแก่น้ำต้นทางเพื่อลดความต้องการไฟฟ้าสูงสุด

ปั๊มความร้อนที่ใช้พลังงานแสงอาทิตย์ช่วย (SAHP) ใช้พลังงานแสงอาทิตย์ในการทำน้ำให้ร้อน เพื่อนำไปใช้ในช่วงเย็นเมื่อค่าไฟฟ้าสูงขึ้น และชาร์จแบตเตอรี่ความร้อนของ SAHP ในระหว่างวันเมื่อค่าไฟฟ้าต่ำกว่า เราสังเกตเห็นว่าระบบเชิงพาณิชย์ที่มีแบตเตอรี่ความร้อนสามารถลดความต้องการพลังงานสูงสุดได้ถึง 30–40 เปอร์เซ็นต์ นอกจากการลดค่าใช้จ่ายด้านพลังงานแล้ว ระบบ SAHP ยังเพิ่มความยืดหยุ่นให้กับโครงข่ายพลังงาน และการเข้าร่วมโครงการตอบสนองต่อความต้องการ (demand response) ยังสร้างแหล่งรายได้เพิ่มเติมให้กับเจ้าของอาคาร อีกทั้งด้วยเทคโนโลยีปั๊มความร้อน อุปกรณ์ทำความร้อนซึ่งเคยถูกมองข้ามมาก่อนก็กลายเป็นส่วนสำคัญในการจัดการภาระการใช้พลังงานของลูกค้าและปรับปรุงประสิทธิภาพโดยรวมของโครงข่ายพลังงาน

เหตุใดระบบพลังงานความร้อนจากแสงอาทิตย์เพียงอย่างเดียวจึงไม่เพียงพอ—และปั๊มความร้อนเข้ามาเสริมกลยุทธ์การลดคาร์บอนอย่างไร ระบบพลังงานความร้อนจากแสงอาทิตย์มีความสามารถในการดักจับความร้อนหมุนเวียนจากดวงอาทิตย์ แต่ก็มีข้อจำกัดของตนเอง ความสามารถในการดักจับความร้อนจะได้รับผลกระทบจากเมฆปกคลุม ฤดูหนาว และช่วงกลางคืน หากพึ่งพาแต่ระบบที่ใช้ความร้อนในขณะที่จำเป็นต้องดักจับความร้อนเพื่อผลิตพลังงาน ระบบนั้นจะต้องใช้เชื้อเพลิงฟอสซิล ซึ่งขัดแย้งกับวัตถุประสงค์ของการลดการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ ด้วยระบบที่ใช้ความร้อน ปั๊มความร้อนจึงมีประโยชน์อย่างยิ่ง ปั๊มความร้อนสามารถดักจับพลังงานความร้อนจากสิ่งแวดล้อมรอบข้าง และสามารถให้ความร้อนได้แม้ในขณะที่พลังงานแสงอาทิตย์กำลังถูกผลิตขึ้น ปั๊มความร้อนมีประสิทธิภาพสูง และมีค่าสัมประสิทธิ์การทำงาน (COP) สูงสุดได้ถึง 3.5 ซึ่งมีประสิทธิภาพมากกว่าระบบทั่วไปอย่างมาก นอกจากนี้ ยังให้ประสิทธิภาพที่สูงขึ้นอีกด้วยเมื่อใช้ร่วมกับระบบที่ใช้พลังงานความร้อนจากแสงอาทิตย์ อุปกรณ์พลังงานความร้อนจากแสงอาทิตย์จะทำหน้าที่ให้ความร้อนกับน้ำก่อนที่น้ำจะไหลเข้าสู่ปั๊มความร้อน ดังนั้นคอมเพรสเซอร์จึงทำงานได้มีประสิทธิภาพมากขึ้น

ตามการศึกษา โครงสร้างนี้สามารถลดความต้องการไฟฟ้าสูงสุดได้ร้อยละ 18–34 ในช่วงที่ระบบไฟฟ้าเผชิญกับภาระหนัก (ปี 2023, Fraunhofer ISE) ณ ขณะนี้ ข้อมูลจาก IEA ปี 2024 ระบุว่า ปั๊มความร้อนมีสัดส่วนเพียงร้อยละ 10 ของการทำความร้อนในอาคารทั่วโลก ซึ่งไม่สอดคล้องกับเป้าหมายด้านสภาพภูมิอากาศของเรา อย่างไรก็ตาม การผสานรวมปั๊มความร้อนเข้ากับเทคโนโลยีพลังงานความร้อนจากแสงอาทิตย์ช่วยเพิ่มความสามารถในการควบคุมภาระพลังงาน เพิ่มความน่าเชื่อถือ และทำให้สามารถทำความร้อนให้กับอาคารได้ตลอดทั้งปีโดยไม่ปล่อยคาร์บอน ทั้งสองเทคโนโลยีนี้เสริมกันอย่างลงตัว โดยพลังงานแสงอาทิตย์ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของปั๊มความร้อน ในขณะที่ปั๊มความร้อนรับประกันการทำงานอย่างต่อเนื่องในช่วงเวลาที่พลังงานแสงอาทิตย์ไม่เพียงพอ นวัตกรรมการผสานรวมนี้จึงมีบทบาทเปลี่ยนแปลงอย่างแท้จริงในการลดการพึ่งพาเชื้อเพลิงฟอสซิล ทั้งในแง่เทคนิคและเศรษฐศาสตร์ ซึ่งแตกต่างจากเทคโนโลยีอื่นๆ ที่เพียงแต่รวมสองส่วนเข้าด้วยกันแบบ 'หนึ่งบวกหนึ่งเท่ากับสอง' เท่านั้น

ส่วน FAQ

คำถามข้อที่ 1: ความท้าทายหลักในการผสานรวมแผงเก็บความร้อน Demax เข้ากับวงจรปั๊มความร้อนคืออะไร?

A1: ความท้าทายหลักคือการปรับสมดุลระบบไฮดรอลิกของแผงเก็บพลังงานความร้อนจากแสงอาทิตย์และวงจรปั๊มความร้อน เพื่อหลีกเลี่ยงการสูญเสียพลังงานแบบไม่จำเป็น (parasitic losses) และให้การถ่ายเทความร้อนมีประสิทธิภาพ

ความแตกต่างของอุณหภูมิส่งผลต่อการบูรณาการของระบบร่วมกันอย่างไร?

แผงเก็บพลังงานความร้อนแบบ Demax สามารถทำความร้อนได้สูงสุดถึง 80°C แต่ปั๊มความร้อนทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพสูงสุดที่ช่วงอุณหภูมิ 25–35°C ซึ่งหมายความว่า จำเป็นต้องใช้อุปกรณ์เฉพาะเพื่อเชื่อมช่องว่างอุณหภูมิดังกล่าว โดยยังคงรักษาประสิทธิภาพโดยรวมของระบบไว้

ปั๊มความร้อนที่ได้รับการเสริมด้วยพลังงานแสงอาทิตย์ (SAHP) เพิ่มประสิทธิภาพได้อย่างไร?

SAHP ทำงานโดยใช้พลังงานแสงอาทิตย์เป็นแหล่งพลังงานระดับใหม่ (อายุน้อยกว่า 6 ปี) ซึ่งพลังงานประเภทนี้มีต้นทุนต่ำกว่า และยังช่วยให้ความร้อนสามารถ ‘เคลื่อนย้าย’ ได้อย่างสะดวกภายในหน่วย

เหตุใดจึงกล่าวได้ว่าการใช้พลังงานความร้อนจากแสงอาทิตย์เพียงอย่างเดียวจึงไม่เพียงพอ?

ระบบพลังงานความร้อนจากแสงอาทิตย์ยังมีประสิทธิภาพลดลงในช่วงที่มีเมฆมากและในเวลากลางคืน ดังนั้นจึงยังต้องอาศัยเชื้อเพลิงฟอสซิลช่วยด้วย ปั๊มความร้อนก็สามารถเสริมการทำงานของระบบพลังงานความร้อนจากแสงอาทิตย์ได้โดยให้ความร้อนในช่วงที่ไม่มีแสงแดด ซึ่งจะช่วยสนับสนุนเป้าหมายการลดคาร์บอนให้บรรลุผลอย่างสมบูรณ์