รู้จักและประยุกต์ใช้เทคโนโลยีการทำความเย็นด้วยพลังงานแสงอาทิตย์
ตอนที่ 1 ระบบทำความเย็นแบบดูดซึมพลังงานแสงอาทิตย์

ทนงศักดิ์ วัฒนา
thanongsak.wattana@hotmail.com

ปัจจุบันระบบทำความเย็นมีความสำคัญต่อการดำเนินชีวิตของมนุษย์มากมาย เช่น การใช้ระบบทำความเย็นสำหรับระบบปรับอากาศในอาคารหรือบ้านเรือน หรือการรักษาความสดของอาหาร เช่น ตู้เย็น หรือห้องเย็น ระบบทำความเย็นในปัจจุบันที่นิยมใช้กันอย่างแพร่หลาย มี 2 ระบบ คือ ระบบอัดไอ ( Vapor Compression) และ ระบบดูดซึม หรือ ระบบดูดกลืน (Absorption)

การทำความเย็นแบบอัดไอมีความหลากหลายในการเลือกใช้งาน เช่น ในเครื่องปรับอากาศสำหรับบ้านเรือน มักใช้ระบบอัดไอด้วยคอมเพรสเซอร์ชนิดโรตารี แต่ถ้าเป็นระบบใหญ่ เช่นในอาคารขนาดใหญ่ มักจะใช้คอมเพรสเซอร์แบบหอยโข่ง (Centrifugal Compressor) หรือแบบลูกสูบ โดยใช้น้ำเป็นสารแลกเปลี่ยนความร้อน เราเรียกระบบนี้ว่า ระบบชีลเลอร์ (Chiller)                                                   

นอกจากนี้ยังมีการทำความเย็นอีกระบบที่นิยมใช้ คือ เครื่องทำความเย็นแบบดูดซึม เป็นระบบที่ใช้พลังงานความร้อนเพื่อเปลี่ยนเป็นความเย็น มักนิยมใช้ในโรงงานอุตสาหกรรมที่มีแหล่งผลิตความร้อนเพื่อใช้กระบวนการ และยังมีความร้อนมากพอเพื่อทำความเย็น หรือการนำความร้อนทิ้งกลับมาใช้ เพื่อเป็นการอนุรักษ์พลังงาน แต่นอกจากระบบที่กล่าวมาทั้งหมด ยังมี 2 ระบบที่สามารถทำความเย็นและใช้งานได้ คือ การทำความเย็นด้วยหัวฉีดลดความดัน (Ejector) และระบบทำความเย็นแบบเทอร์โมอิเล็กตริก 

การทำความเย็นทั้ง 4 แบบต้องใช้แหล่งพลังงานที่มนุษย์สร้างขึ้น เช่น ระบบอัดไอ ต้องใช้พลังงานไฟฟ้าในการขับคอมเพรสเซอร์ ซึ่งพลังงานไฟฟ้าที่ผลิตในประเทศไทยมากกว่าร้อยละ 70 มาจากเชื้อเพลิงฟอสซิล ซึ่งมีแต่จะลดลงและหมดไปในอนาคต และสืบเนื่องจากประเทศไทยมีศักยภาพพลังงานความร้อนจากแสงอาทิตย์สูง             

ดังนั้น การประยุกต์ใช้พลังงานความร้อนจากแสงอาทิตย์ในการผลิตความเย็นซึ่งเป็นเรื่องที่น่าสนใจและต้องให้ความสำคัญในการพัฒนา เพื่อการใช้งานในเชิงพาณิชย์ได้อย่างจริงจัง เพื่อลดการนำเข้าเชื้อเพลิงฟอสซิลของไทย พลังงานแสงอาทิตย์เป็นพลังงานสะอาดที่ไม่มีวันหมด อีกทั้งประเทศไทยเป็นประเทศที่มีศักยภาพด้านพลังงานความร้อนดีพอสมควร การพัฒนาเทคโนโลยีพลังงานความเย็นจากแสงอาทิตย์จึงเป็นทางเลือกที่มีความยั่งยืนด้านพลังงานอย่างไม่วันหมด

ก) เครื่องทำความเย็นแบบใช้หัวฉีดลดความดัน (Ejector)

ข) เครื่องทำความเย็นแบบดูดกซึม

รูปที่ 1 ตัวอย่างเครื่องทำความเย็นพลังงานแสงอาทิตย์แบบต่าง ๆ

พลังงานแสงอาทิตย์นอกจากเป็นแหล่งพลังงานความร้อนในการใช้ประโยชน์ด้านความร้อนที่มีศักยภาพแล้ว พลังงานแสงอาทิตย์ยังสามารถนำมาผลิตเป็นความเย็นเพื่องานด้านความเย็นหรือระบบปรับอากาศที่มีประสิทธิภาพ และยังรักษาสิ่งแวดล้อมลดการใช้พลังงานจากฟอสซิลในการผลิตไฟฟ้าเพื่อเป็นแหล่งพลังงานการขับเคลื่อนมอเตอร์เพื่อเปลี่ยนเป็นพลังงานกลและความเย็นเพื่อใช้ในกระบวนการ 

การประยุกต์พลังงานแสงอาทิตย์กับระบบทำความเย็นแบบดูดกลืนโดยใช้พลังงานความร้อนจากแสงอาทิตย์เป็นแหล่งหลังงานเพื่อเปลี่ยนเป็นความเย็น ระบบการทำความเย็นแบบนี้ สามารถอธิบายหลักการทำงาน ส่วนประกอบ และการประยุกต์ใช้งานได้ดังนี้

เทคโนโลยีระบบทำความเย็นแบบดูดซึม เป็นเทคโนโลยีที่มีการค้นพบและใช้มานาน หรือกว่า 160 ปี โดยนาย Edmond Carre เขาได้นำเสนอระบบทำความเย็นแบบดูดซึมโดยใช้ น้ำและกรดซัลฟูริกเป็นสารทำงาน ต่อมาปี 1859 นาย Ferdinand Carre ได้นำเสนอเครื่องทำความเย็นแบบดูดซึมโดยใช้น้ำและแอมโมเนียเป็นเครื่องแรก โดยเขาได้ประดิษฐ์เครื่องทำน้ำแข็งซึ่งมีกำลังการผลิตถึง 200 กิโลกรัมต่อชั่วโมง ในงานแสดงสินค้า Universal London 

รูปที่ 2 แสดงภาพของนาย Ferdinand Carre และเครื่องเครื่องทำน้ำแข็งโดยระบบทำความเย็นแบบดูดซึม

ในการพัฒนาระบบทำความเย็นแบบดูดซึมในระยะแรกก่อนปี 1960 เป็นระบบดุดซึมแบบชั้นเดียว โดยใช้สารลิเธียมโบไมด์เป็นสารดูดซึมและใช้น้ำเป็นสารทำความเย็น ต่อมามีการพัฒนาประสิทธิภาพของระบบให้มีประสิทธิภาพสูงขึ้น โดยการพัฒนาระบบดูดซึมแบบสองชั้น (Double Effect Absorption Chiller) ดังแสดงในรูปที่ 3

ก) เครื่องทำความเย็นระบบดูดซึมแบบสองชั้นของ YORK

ข) ไดอะแกรมของการทำความเย็นระบบดูดซึมแบบสองชั้น

รูปที่ 3 ระบบผลิตความเย็นแบบดูดซึมสองชั้น

หลังจากนั้น ระบบทำความเย็นระบบดูดซึมแบบสองชั้นได้รับการปรับปรุงและผลิตจำหน่ายไปทั่วโลก โดยเฉพาะประเทศญี่ปุ่น ได้ผลิตเครื่องทำความเย็นระบบดูดซึมแบบสองชั้นที่ใช้การเผาไหม้โดยตรง (Direct Fired Double Effect Chiller) และปรับปรุงระบบจนมียอดขายทั่วโลกมากมาย

เหตุผลที่เครื่องทำความเย็นระบบดูดซึมได้รับความนิยม อาจมีปัจจัยมาจาก การพัฒนาระบบอย่างต่อเนื่องจากหลายผู้ผลิตและหลายประเทศทำให้ประสิทธิภาพทำความเย็นสูงและเรื่องการการประหยัดพลังงานและเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม การพัฒนาเครื่องทำความเย็นแบบดูดซึมยังได้รับการพัฒนาอย่างต่อเนื่อง

จนเมื่อปี 1985 มีการจดสิทธิบัตรระบบความเย็นแบบดูดซึมชนิดสามชั้น และได้รับการพัฒนาโดยบริษัท ยอร์ค อินเตอร์เนชั่นแนล สหรัฐอเมริกา และผลิตออกจำหน่ายประมาณปี ค.ศ. 2000-2001 เทรน เป็นอีกผู้ผลิตเครื่องทำความเย็นที่พัฒนาระบบความเย็นแบบดูดซึมชนิดสามชั้น โดยเพิ่มประสิทธิภาพของระบบ ให้สูงขึ้นประมาณ 30-50% เมื่อเทียบกับการทำความเย็นระบบดูดซึมแบบสองชั้น

รูปที่ 4 แสดงแผนภาพการทำงานของการทำความเย็นระบบดูดซึมแบบสามชั้น

ระบบทำความเย็นที่นิยมใช้ตั้งแต่อดีตจนถึงปัจจุบัน คือ ระบบอัดไอ เนื่องจากระบบมีประสิทธิภาพในการทำความเย็นสูง แต่ระบบอัดไอมีการใช้พลังงานในการขับคอมเพรสเซอร์ค่อนข้างสูง ทำให้สิ้นเปลืองพลังงานไฟฟ้าเป็นจำนวนมาก จึงมีการพัฒนาระบบดูดซึมขึ้นเพื่อลดค่าใช้จ่ายด้านพลังงาน และทั้งที่ใช้ในระบบส่วนใหญ่เป็นพลังงานความร้อน ซึ่งมีความหลากหลายในการเลือกใช้แหล่งพลังงานความร้อน เช่น ความร้อนเหลือจากกระบวนการ พลังงานไอน้ำจากหม้อต้มไอน้ำ หรือแม้แต่พลังงานทดแทน พลังงานแสงอาทิตย์ เป็นต้น

ก) Direct -fired Double Effect Lithium Bromide

ข) Hot Water Operated Two Stage Lithium Bromide 

รูปที่ 5 เครื่องทำความเย็นระบบดูดซึมแบบสองชั้น 

ส่วนประกอบของระบบทำความเย็นแบบดูดซึม ระบบทำความเย็นแบบดูดซึมมีส่วนประกอบคล้ายกับระบบอัดไอ คือ เครื่องควบแน่น (Condenser), เครื่องทำระเหย (Evaporator), วาล์วลดความดัน (Expansion Valve) และเครื่องอัดสารทำความเย็น (Compressor)   

แต่ในส่วนของเครื่องอัด (Compressor) ในระบบดูดซึมจะเป็นเครื่องอัดชนิดความร้อน (Thermal Compressor) ซึ่งใช้พลังงานความร้อนในการขับเคลื่อนระบบแทน ซึ่งมีองค์ประกอบเป็นเครื่องดูดซึมความร้อน (Absorber) และอุปกรณ์ให้ความร้อน (Generator) ดังแสดงในรูปที่ 6 ระบบทำความเย็นแบบดูดซึม สามารถอธิบายส่วนประกอบและหน้าที่การทำงานได้ดังนี้  

รูปที่ 6 แผนภาพการทำงานและส่วนประกอบของระบบทำความเย็นแบบดูดซึม
(ที่มา: http://www.northeastchp.org/nac/businesses/refrigeration.htm)

1. เครื่องควบแน่น (Condenser) เป็นอุปกรณ์ในการควบแน่นไอของสารทำความเย็นให้กลั่นตัวกลายเป็นของเหลว โดยแลกเปลี่ยนความร้อน หรือระบายความร้อนของสารทำความเย็นให้กับน้ำหล่อเย็นจากภายนอก โดยทั่วไปจะใช้หอทำความเย็น (Cooling Tower) ในการลดอุณหภูมิของน้ำหล่อเย็น

รูปที่ 7 ตัวอย่างลักษณะของเครื่องควบแน่น

2. เครื่องทำระเหย (Evaporator) เป็นอุปกรณ์ในการแลกเปลี่ยนความร้อนระหว่างน้ำเย็นที่นำไปใช้ในกระบวนการทำความเย็น หรือระบบปรับอากาศ กับสารทำความเย็น ทำให้อุณหภูมิของน้ำเย็นลดต่ำลง และสารทำความเย็นจะกลายเป็นไอ เมื่อเกิดการแลกเปลี่ยนความร้อนในอุปกรณ์นี้ 

3. เครื่องดูดซึมความร้อน (Absorber) เป็นอุปกรณ์ที่ทำหน้าที่ดูดซึมความร้อน โดยตัวทำละลายทำหน้าที่ดูดซึมสารทำความเย็นเป็นสารละลาย เช่น ในกรณีระบบทำความเย็นแบบดูดซึมลิเธียมโบรไมด์ (Lithium Bromide: LiBr) และน้ำ ซึ่งสารลิเธียมโบรไมด์ ทำหน้าที่เป็นตัวทำละลายและน้ำเป็นสารทำความเย็น เป็นต้น

4. อุปกรณ์ให้ความร้อน (Generator) เป็นอุปกรณ์ที่ให้ความร้อนแก่ระบบในส่วนอุปกรณ์ให้ความร้อน โดยอาศัยความร้อนจากภายนอก เช่น การให้ความร้อนโดยตรง หรือ ความร้อนเหลือทิ้ง เป็นต้น ในบริเวณนี้ ความร้อนจะทำให้สารทำความเย็นในสารละลาย ระเหยออกมาทำให้ตัวดูดซึมมีความเข้มข้นเพิ่มขึ้นและส่งกลับไปใช้งานดูดซึมสารทำความเย็นที่เครื่องดูดซึมความร้อน ต่อไป ส่วนไอของสารทำความเย็นจะถูกควบแน่นที่เครื่องควบแน่น เพื่อให้เป็นของเหลวต่อไป

ระบบทำความเย็นแบบดูดซึมเป็นระบบที่อาศัยความร้อนในการให้ระบบทำงานเป็นส่วนใหญ่ โดยอาศัยความดันสุญญากาศเพื่อทำให้สารทำความเย็นมีจุดเดือดต่ำลง ในกลุ่มงานที่ต้องการอุณหภูมิสูงกว่า 0 OC ซึ่งเป็นระบบปรับอากาศเป็นส่วนใหญ่ มักจะใช้น้ำเป็นสารทำความเย็น ซึ่งจุดเดือดของน้ำจะแปรเปลี่ยนตามความดันสุญญากาศ ดังตัวอย่างในดังตารางที่ 1

ตารางที่ 1 จุดเดือดของน้ำซึ่งแปรเปลี่ยนตามความดันสุญญากาศ

จากหลักการดังกล่าว สารทำความเย็น (น้ำ) สามารถทำให้เดือดกลายเป็นไอได้ที่อุณหภูมิต่ำ โดยอาศัยความดันสุญญากาศ ซึ่งสามารถประยุกต์ในระบบทำความเย็นแบบดูดซึมได้ สามารถอธิบายหลักการทำงานของระบบทำความเย็นแบบดูดซึมได้ โดยแบ่งออกเป็น 4 กระบวนการ คือ การระเหย (Evaporation) การดูดซึม (Absorption) กระบวนการผลิตสารทำความเย็น (Generation) และกระบวนการควบแน่น (Condensation)

รูปที่ 8 อธิบายวงจรทำความเย็นระบบดูดซึมแบบชั้นเดียว

1.  กระบวนการระเหย (Evaporation) ในกระบวนการนี้ เป็นกระบวนการดูดความร้อนภายใต้ความดันสุญญากาศ ในกรณีที่ใช้น้ำเป็นสารทำความเย็น ความดัน 0.798 kPa น้ำจะมีจุดเดือดที่ 3.7 OC สารทำความเย็น (น้ำ) จะดูดความร้อนจากน้ำเย็นไหลกลับ (Chilled Water Return) จากกระบวนการต่าง ๆ  ซึ่งอุณหภูมิของน้ำไหลกลับประมาณ 12-14 ^oC         

ความร้อนในส่วนนี้จะเป็นถูกถ่ายไปไปยังสารทำความเย็น (น้ำ) ทำให้สารทำความเย็นระเหยกลายเป็นไอ และไหลไปสู่กระบวนการดูดซึมโดยสารดูดซึม เมื่อผ่านกระบวนการนี้ น้ำเย็น (Chilled Water) จะมีอุณหภูมิลดลงเหลือประมาณ 5-7 ^oC จะถูกส่งไปยังกระบวนการ หรือโหลดอีกครั้ง โดยเครื่องเพิ่มแรงดันน้ำ กระบวนการระเหยสามารถแสดงได้ในรูปที่ 9     

รูปที่ 9 แสดงกระบวนการระเหยของระบบทำความเย็นแบบดูดซึม โดยใช้น้ำเป็นสารทำความเย็น
(ที่มา: http://www.fortepak.com/coolingcycle.htm)

2.  กระบวนการดูดซึม (Absorption) ในกระบวนการนี้สารดูดซึมเข้มข้น (Concentrated Solution) จะถูกฉีดให้กระจายลงบนท่อน้ำหล่อเย็น ด้วยเครื่องสูบ เพื่อดูดซับไอสารทำความเย็นที่เกิดขึ้นจากกระบวนการระเหย เพื่อรักษาความดันสุญญากาศภายในห้องระเหยให้มีค่า 0.798 kPa ตลอดเวลา    

ซึ่งทำให้กระบวนการระเหยขึ้นขึ้นได้อย่างต่อเนื่องตลอดเวลา ทำให้สารดูดซึมเข้มข้นเจือจางลงด้วยไอของสารทำความเย็น ดังแสดงในรูปที่ 10 หลังจากนั้น สารละลายเจือจางจะถูกส่งต่อไปยังกระบวนการผลิตสารทำความเย็น โดยเครื่องสูบสารละลาย ดังแสดงในรูปที่ 8

รูปที่ 10 แสดงกระบวนการดูดซึมของระบบทำความเย็นแบบดูดซึม โดยใช้น้ำเป็นสารทำความเย็น
(ที่มา: http://www.fortepak.com/coolingcycle.htm)

3.  กระบวนการผลิตสารทำความเย็น (Generation) การจะทำให้สารทำความเย็นและสารดูดซึมกลับมาใช้งานได้อีกครั้งในกระบวนการต่าง ๆ ต้องแยกสารทำความเย็นและสารดูดซึมออกจากกัน ซึ่งเกิดการดูดซึมของสารดูดซึมกับสารทำความเย็นในกระบวนการที่ 2 (กระบวนการดูดซึม) จะอาศัยพลังงานความร้อนในการระเหยสารทำความเย็นออกจากสารดูดซึมเจือจาง ความร้อนที่นำมาใช้สามารถนำมาได้จากหลายแหล่ง เช่น จากความร้อนเหลือในกระบวนการ หรือแม้แต่พลังงานแสงอาทิตย์ เป็นต้น

ซึ่งในการเลือกใช้แหล่งพลังงานความร้อนได้ จึงเป็นข้อได้เปรียบของเครื่องทำความเย็นแบบนี้ ภายหลังกระบวนการนี้จะได้สารดูดซึมที่มีความเข้มข้นขึ้นและถูกส่งต่อไปยังกระบวนการที่ 2 ส่วนไอสารทำความเย็นจะถูกส่งไปยังกระบวนการควบแน่น เพื่อทำให้เป็นของเหลวและสามารถนำไปใช้งานต่อไป กระบวนการนี้สามารถแสดงได้ในรูปที่ 11

รูปที่ 11 แสดงกระบวนการผลิตสารทำความเย็นของระบบทำความเย็นแบบดูดซึม โดยใช้น้ำเป็นสารทำความเย็น
(ที่มา : http://www.fortepak.com/coolingcycle.htm)

4.  กระบวนการควบแน่น (Condensation) ไอระเหยสารทำความเย็นจากกระบวนการที่ 3 จะถูกส่งเข้ามายังกระบวนการควบแน่น โดยใช้น้ำมาถ่ายเทความร้อนออกจากไอระเหยของสารทำความเย็น ทำให้สารทำความเย็นควบแน่นเป็นของเหลว และจะถูกส่งไปยังกระบวนการระเหยต่อไปส่วนน้ำหล่อเย็นจะทำงานอย่างต่อเนื่อง โดยจะนำน้ำร้อนที่รับมาจากสารทำความเย็นไปแลกเปลี่ยนความร้อนที่หอผึ่งเย็น (Cooling Tower) กระบวนการทั้งหมดจะเกิดขึ้นอย่างต่อเนื่องตลอดเวลา ดังแสดงในรูปที่ 13 

รูปที่ 12 ลักษณะของหอผึ่งเย็น (Cooling Tower)

ระบบทำความเย็นแบบดูดซึม นับว่าเป็นระบบทำความเย็นที่เป็นทางเลือกที่มีความคุ้มค่าด้านการใช้พลังงาน ถึงแม้ประสิทธิภาพต่ำกว่าระบบทำความเย็นแบบอัดไอ แต่ด้วยการพัฒนาอย่างต่อเนื่องประสิทธิภาพการทำความเย็นของระบบทำความเย็นแบบนี้จะมีแต่ประสิทธิภาพสูงขึ้น     

เช่น การทำความเย็นระบบดูดซึมแบบสามชั้น ระบบความเย็นแบบดูดซึมปัจจุบันมีการใช้งานหลายชนิด ซึ่งสามารถแบ่งระบบทำความเย็นได้ เป็น 3 แบบใหญ่ ตามชั้น คือ ระบบทำความเย็นแบบดูดซึมชั้นเดียว ระบบทำความเย็นแบบดูดซึมสองชั้น และระบบทำความเย็นแบบดูดซึมสามชั้น แต่ระบบแบบสามชั้นยังอยู่ในช่วงการพัฒนา และยังมีราคาแพงอยู่ จึงไม่ขอกล่าวถึงในที่นี้

รูปที่ 13 แสดงกระบวนการควบแน่นและการทำงานทั้งระบบของระบบทำความเย็นแบบดูดซึม

1.  ระบบทำความเย็นแบบดูดซึมชั้นเดียว (Single Effect Absorption Chiller) ระบบการทำงานระบบทำความเย็นแบบดูดซึมชั้นเดียว มีหลักหารทำงานดังที่กล่าวไปแล้ว ข้างต้น และกระบวนการทำงานอย่างง่าย ดังแสดงในรูปที่ 13 แต่ในระบบที่ทำงานจริง จะมีการเพิ่มอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อน ในจุดที่ 6 ดังแสดงในรูปที่ 14 เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานของระบบให้สูงขึ้น

ระบบทำความเย็นแบบดูดซึมชั้นเดียว สามารถแบ่งได้เป็น 2 รูปแบบที่มีการใช้งาน คือ ระบบทำความเย็นแบบดูดซึมชั้นเดียวแบบใช้ไอน้ำ (Single Effect Steam Fired Absorption Chiller) และระบบทำความเย็นแบบดูดซึมชั้นเดียวแบบใช้น้ำร้อน (Single Effect hot water Fired Absorption Chiller) หรืออาจเรียก ระบบทำความเย็นแบบดูดซึมชั้นเดียวทั้ง 2 แบบนี้ว่า Single Effect Indirect Fired Absorption Chiller กำลังการทำความเย็นจะอยู่ระหว่าง 100-1,350 ตันความเย็น และทำได้สูงสุดประมาณ 2,000 ตันความเย็น

รูปที่ 14 แสดงระบบการทำงานของระบบทำความเย็นแบบดูดซึมชั้นเดียว
(ที่มา: www.esmagazine.com)

ก) เครื่องทำความเย็นของบริษัทเทรน

ข) เครื่องทำความเย็นของบริษัทยอร์ค (YORK)

รูปที่ 15 เครื่องทำความเย็นแบบดูดซึมชั้นเดียว

1.1) ระบบทำความเย็นแบบดูดซึมชั้นเดียวแบบใช้ไอน้ำ (Single Effect Steam Fired Absorption Chiller) ใช้ไอน้ำที่ความดันระหว่าง 0.8-1.5 kg/cm²
1.2) ระบบทำความเย็นแบบดูดซึมชั้นเดียวแบบใช้น้ำร้อน (Single Effect Hot  Water Fired Absorption Chiller) ใช้น้ำร้อนอุณหภูมิระหว่าง 130-150 ^oC  

2.  ระบบทำความเย็นแบบดูดซึมสองชั้น (Double Effect Absorption Chiller) ระบบทำความเย็นแบบดูดซึมสองชั้นได้รับการพัฒนาจากระบบทำความเย็นแบบดูดซึมชั้นเดียว เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพและลดการใช้พลังงานความร้อนในระบบ การทำงานของระบบดังแสดงในรูปที่ 16 มีการออกแบบให้มีเครื่องผลิต (Generator) เป็น 2 ชุด โดยความร้อนแฝงของไอสารทำความเย็นที่ระเหยออกจากเครื่องผลิตอุณหภูมิสูง จะถูกนำไปใช้กับสารดูดซึมในเครื่องผลิตอุณหภูมิต่ำ ให้มีอุณหภูมิสูงขึ้น

ดังนั้น ทำให้ระบบทำความเย็นแบบนี้จึงต้องการพลังงานความร้อนน้อยกว่าในการแยกสารดูดซึมออกจากสารทำความเย็น และเนื่องจากความร้อนในสารทำความเย็นถูกถ่ายเทไปบางส่วนให้กับสารดูดซึม ทำให้ความต้องการสารหล่อเย็นเพื่อควบแน่นสารทำความเย็นจึงน้อยตามไปด้วยเช่นกัน ส่งผลทำให้ระบบทำความเย็นแบบสองชั้น มีประสิทธิภาพเชิงความร้อนดีกว่าแบบระบบทำความเย็นแบบดูดซึมชั้นเดียว

รูปที่ 16 แผนภาพการทำงานของระบบทำความเย็นแบบดูดซึมสองชั้น

ระบบทำความเย็นแบบดูดซึมสองชั้น ยังสามารถแบ่งได้เป็น 2 ประเภท คือ แบบให้ความร้อนโดยตรง (Direct -fired Double Effect Absorption Chiller) อาจเป็นการใช้แก๊ส LPG หรือ แก๊สธรรมชาติ เป็นแหล่งเชื้อเพลิงเพื่อผลิตความร้อน โดยใช้หัวเผาเป็นตัวสร้างเปลวไฟ ดังแสดงในรูปที่ 3 ระบบทำความเย็นแบบดูดซึมสองชั้น ชนิด ความร้อนโดยตรง      

กำลังลังการผลิตจะอยู่ระหว่าง 100–1350 ตันความเย็น มีค่า COP ระหว่าง 1.07-1.18 และระบบทำความเย็นแบบดูดซึมความร้อนทางอ้อม (Indirect -fired Double Effect Absorption Chiller) เครื่องทำความเย็นแบบนี้ความสามารถทำความเย็นอยู่ระหว่าง 100-1ม500 ตันความเย็น และสามารถทำได้สูงสุด 5,000 ตันความเย็น ค่า COP อยู่ระหว่าง 1.19 -1.35  และระบบทำความเย็นแบบนี้ยังมีข้อดี คือ สามารถเลือกแหล่งพลังงานความร้อนได้หลากหลาย เช่น 

* ใช้ไอน้ำสำหรับเครื่องกำเนิด (Generator) น้ำความดัน 8 kg/cm² เรียกระบบความเย็นที่ใช้ไอน้ำว่า Double Effect Steam Fired Absorption Chiller
* ใช้น้ำร้อนสำหรับเครื่องกำเนิด (Generator) อุณหภูมิของน้ำร้อนประมาณ 180-200 ^oC และเรียกเครื่องทำความเย็นแบบดูดซึมแบบนี้ว่า Double Effect Hot Water Fired Absorption Chiller
* ความร้อนทิ้งจากกระบวนการ
* พลังงานความร้อนจากแสงอาทิตย์

รูปที่ 17 กำลังการผลิตความเย็นของระบบทำความเย็นแบบต่าง ๆ
(ที่มา: http://www.fortepak.com/products.htm)

รูปที่ 18 แสดงการเปรียบเทียบค่า COP แต่ละภาระการทำงาน ของแต่ละชนิดของเครื่องทำความเย็น

การพิจารณาเลือกสารทำความเย็นที่ใช้ในระบบเครื่องทำความเย็นแบบดูดซึม โดยทั่วไปจะพิจารณาจากอุณหภูมิใช้งาน สารคู่ผสมที่ใช้ในอุตสาหกรรมมีหลายคู่ แต่ที่นิยมใช้ คือ

1. แอมโมเนีย -น้ำ มักใช้กับกลุ่มงานที่มีอุณหภูมิต่ำกว่า 0 ^OC โดยใช้น้ำเป็นตัวดูดซึมและใช้แอมโมเนียเป็นสารทำความเย็น ใช้ความดันในระบบสูงกว่าบรรยายกาศและสามารถหารอยรั่วได้ง่าย อุณหภูมิในการแยกสารทำความเย็นไม่สูงมากนัก สามารถใช้พลังงานความร้อนจากแสงอาทิตย์ได้

2. ลิเธียมโบรไมด์–น้ำ มักใช้กับกลุ่มงานที่ต้องการอุณหภูมิต่ำไม่มาก เกิน 0 ^OC นิยมใช้กับระบบปรับอากาศในอาคาร โดยใช้นำเป็นสารทำความเย็นและใช้ลิเธียมโบรไมด์ เป็นสารดูดซึม เนื่องจากระบบทำความเย็นแบบนี้ต้องทำงานที่ความดันต่ำกว่าบรรยากาศมากจึงต้องระมัดระวังเรื่องการรั่วซึมของอากาศภายนอกเข้าสู่ระบบเป็นอย่างดี มีค่าความร้อนแฝงการเป็นไอต่ำ จึงใช้พลังงานความร้อนในการแยกสารละลายไม่มากนัก จึงใช้กับพลังงานแสงอาทิตย์ได้เป็นอย่างดี

3. น้ำ–สารละลายเกลือไฮโกร์ซคอฟิก โดยใช้น้ำเป็นสารทำความเย็น และใช้ สารละลายเกลือไฮโกร์ซคอฟิก เป็นสารดูดซึม โดยสารละลายที่มีหลายชนิด เช่น คลอไรด์ ไอโอไดช์ สารลิเธียม แมกนีเซียม แคลเซียม สังกะสี
ระบบทำความเย็นแบบดูดกลืนพลังงานแสงอาทิตย์

ด้วยความหลายหลายในการใช้แหล่งความร้อนเพื่อขับเคลื่อนระบบทำความเย็นแบบดูดซึม ประกอบกับการพัฒนาอย่างต่อเนื่องเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพระบบทำความเย็นแบบดูดซึม ประกอบกับกระแสการอนุรักษ์พลังงานหรือแหล่งพลังงานทดแทนเพื่อลดการใช้เชื้อเพลิงฟอสซิล เพื่อลดภาวะโลกร้อน  

ระบบทำความเย็นโดยใช้เพลังงานแสงอาทิตย์จึงมีผู้ศึกษาค้นคว้า ทำการวิจัย เพื่อให้สามารถใช้งานได้อย่างจริงจัง และคุ้มค่าการลงทุน ระบบทำความเย็นแบบดูดซึมพลังงานแสงอาทิตย์จึงเป็นทางเลือกที่เหมาะสมในการพัฒนา โดยเฉพาะอย่างยิ่งประเทศไทยซึ่งมีค่าพลังงานความร้อนเฉลี่ยสูง คือประมาณ 18.2 MJ/m2 จึงมีศักยภาพในการนำพลังงานความร้อนมาใช้ประโยชน์

จากข้อได้เปรียบเรื่องความหลากหลายในการใช้แหล่งความร้อนของระบบทำความเย็นแบบดูดซึม ทำให้สามารถประยุกต์ใช้กับพลังงานแสงอาทิตย์ได้เป็นอย่างดี โดยระบบทำความเย็นแบบดูดซึมพลังงานแสงอาทิตย์ สามารถเลือกแหล่งความร้อนเพื่อขับเคลื่อนระบบได้ 2 รูปแบบ คือ น้ำร้อน และไอน้ำ โดยอาศัยตัวรับพลังงานแสงอาทิตย์ในการสร้างน้ำร้อนและไอน้ำ เพื่อส่งต่อไปยังเครื่องผลิตความเย็น เครื่องทำความเย็นแบบดูดซึมพลังงานแสงอาทิตย์ สามารถแสดงได้ในรูปที่ 19

รูปที่ 19 แสดงระบบทำความเย็นแบบดูดซึมพลังงานแสงอาทิตย์แบบใช้แผงรับแสงอาทิตย์

รูปที่ 20 แสดงระบบทำความเย็นแบบดูดซึมพลังงานแสงอาทิตย์แบบใช้รางพาราโบลิก

ระบบทำความเย็นแบบดูดซึมพลังงานแสงอาทิตย์ ในส่วนของระบบทำความเย็นจะมีหลักการทำงานเหมือนในหัวข้อที่กล่าวมาแล้วข้างต้น ต่างกันตรงที่แหล่งกำเนิดความร้อนที่จ่ายให้เครื่องกำเนิด (Generator) จะใช้พลังงานความร้อนจากแสงอาทิตย์แทน

โดยทั่วไปอุปกรณ์ในการรับพลังงานแสงอาทิตย์เพื่อนำความร้อนไปใช้งาน นิยมใช้กัน 2 รูปแบบ คือ แบบแผงรับพลังงานแสงอาทิตย์ ส่วนใหญ่ใช้ผลิตน้ำร้อน และแบบรางรวมแสงจะผลิตได้ทั้งน้ำร้อน และไอน้ำ ดังแสดงในรูปที่ 21

รูปที่ 21 ลักษณะของอุปกรณ์รับพลังงานความร้อนจากแสงอาทิตย์

1. การผลิตน้ำร้อนด้วยแผงรับพลังงานแสงอาทิตย์  โดยทั่วไประบบผลิตน้ำร้อนด้วยวิธีนี้ มักพบในเครื่องทำน้ำร้อนพลังงานแสงอาทิตย์ที่ใช้งานกันอย่างแพร่หลายในปัจจุบัน เพียงแต่มีการดึงน้ำร้อนที่ผลิตได้ไปใช้ในระบบทำความเย็นแบบดูดซึม แทนการนำน้ำร้อนไปใช้งานอย่างอื่น ลักษณะของอุปกรณ์รับพลังงานแสงอาทิตย์ ดังแสดงในรูปที่ 22

รูปที่ 22 รูปแบบแผงรับพลังงานแสงอาทิตย์ที่นิยมใช้เพื่อผลินน้ำร้อน

2. ระบบผลิตน้ำร้อนหรือไอน้ำแบบรางรวมแสง การผลิตน้ำร้อน หรือไอน้ำ ด้วยวิธีนี้ในประเทศไทยยังไม่มีการใช้งานในเชิงพาณิชย์ มีแต่เป็นงานทดลองและวิจัยในมหาวิทยาลัยเท่านั้น ระบบผลิตน้ำร้อน หรือไอน้ำด้วยรางรวมแสง ประกอบด้วยอุปกรณ์ 3 ส่วนหลัก ๆ คือ อุปกรณ์รับแสง อุปกรณ์รับแสงจากการรวมแสง อุปกรณ์ติดตามดวงอาทิตย์

ซึ่งหลักการทำงานของระบบ ประกอบด้วย อุปกรณ์รับแสง (Receiver) เป็นอุปกรณ์เพื่อรับพลังงานความร้อนที่เกิดจากการรวมแสง โดยปกติจะใช้หลอดแก้วสุญญากาศ ภายในมีท่อซึ่งบรรจุสารทำงาน      

เมื่อสารทำงานรับพลังงานความร้อนจะระเหยและเคลื่อนที่ไปแลกเปลี่ยนความร้อนกับน้ำ หรืออาจใช้น้ำเป็นสารทำงาน เมื่อน้ำเดือดกลายเป็นไอ และส่งไปใช้งานต่อไป ในกรณีใช้กับระบบทำความเย็นไอน้ำ ก็จะถูกส่งไปยังเครื่องกำเนิด (Generator) เพื่อให้ระบบทำความเย็นทำงานได้อย่างต่อเนื่อง 

รูปที่ 23 แสดงรางโครงพาราลิกเพื่อผลิตน้ำร้อน หรือไอน้ำ 

ปกติความสามารถในการรับพลังงานแสงอาทิตย์และนำความร้อนไปใช้งานขึ้นอยู่กับประสิทธิภาพของอุปกรณ์รับพลังงานแสงอาทิตย์ว่ามีมากน้อยแค่ไหน ระบบผลิตน้ำร้อน หรือ ไอน้ำ เพื่อนำน้ำร้อนไปใช้งาน ประสิทธิภาพขึ้นอยู่กับแผงรับพลังงานแสงอาทิตย์ ว่ามีประสิทธิภาพแค่ไหน ซึ่งขึ้นอยู่กับ ค่าพลังงานความร้อนที่นำไปใช้ และค่าการสูญเสียในรูปแบบต่าง ๆ ของแผงรับแสงอาทิตย์      

เช่น การสูญเสียจากการพาความร้อน การสูญเสียจากการนำความร้อน หรือ การสูญเสียจากการแผ่รังสีความร้อน เป็นต้น หรืออาจกำหนดประสิทธิภาพของแผงรับพลังงานแสงอาทิตย์ได้ โดยกำหนดเป็นอัตราส่วนของพลังงานความร้อนที่นำไปใช้ต่อ พลังงานความร้อนจากรังสีรวมจากดวงอาทิตย์   

สำหรับแผงรับพลังงานแสงอาทิตย์ที่มีใช้ในประเทศไทย มีหลายรุ่นและหลายยี่ห้อ ซึ่งค่าประสิทธิภาพก็แตกต่างกันออกไป เช่น แผงรับพลังงานแสงอาทิตย์โดยใช้หลอดสุญญากาศ SK-6 มีประสิทธิภาพ 56.65% พลังงานความร้อน 978.88 kWh/m2 แผง หรือ หลอดสุญญากาศของ Thermomax ประสิทธิภาพ 59.90% พลังงานความร้อน 1,053.64 978.88 kWh/m2 แผง เป็นต้น ซึ่งย่อขึ้นอยู่กับผู้เลือกใช้งาน 

ในการประเมินศักยภาพการทำความเย็นแบบดูดซึมพลังงานแสงอาทิตย์ มีหลายปัจจัยในการพิจารณาถึงประสิทธิภาพการทำงานของระบบ เช่น สภาวะอากาศของแต่ละช่วงเวลา ค่ารังสีความร้อนของดวงอาทิตย์ในแต่ละช่วงเวลา และภูมิภาค

หรือแม้แต่อุณหภูมิทำงานของแผงรับพลังงานแสงอาทิตย์ของแต่ละผู้ผลิต รวมถึงประสิทธิภาพของแผงรับพลังงานแสงอาทิตย์ด้วยเช่นกัน และอีกตัวแปรที่สำคัญในการพิจารณาคือ ค่า โหลดความเย็นของอาอาคารหรือบ้านเรือนที่ใช้ความเย็นในแต่ละช่วงเวลาเช่นกัน

ดังนั้น การออกแบบแผงรับแสงอาทิตย์ สภาวะอากาศแต่ละช่วงเวลา และการพิจารณาโหลดความเย็น ให้มีความเหมาะสมจะทำให้ระบบทำงานอย่างมีประสิทธิภาพ เพื่อให้ระบบทำความเย็นพลังงานแสงอาทิตย์ทำงานให้มีประสิทธิภาพสูงขึ้น ผู้ออกแบบจำเป็นต้องพิจารณาการจ่ายพลังงานความร้อนให้คงที่และเหมาะสมกับโหลดความเย็นให้มากที่สุด แต่เนื่องจากความแน่นนอน และความไม่คงที่ของแสงอาทิตย์ทำให้ความร้อนที่ได้ไม่คงที่ตามไปด้วย

เพื่อลดปัญหาดังกล่าว การใช้ ระบบสะสมความร้อนเพิ่มเข้าไปในระบบจะช่วยลดปัญหาดังกล่าวได้ คือ  ในช่วงเวลาที่พลังงานแสงอาทิตย์มีมากเกินความจำเป็นของระบบ พลังงานความร้อนก็จะถูกเก็บไว้ในระบบสะสมความร้อน และจะจ่ายออกมาเมื่อความร้อนในระบบไม่เพียงพอ หรือแสงอาทิตย์มีปริมาณน้อย กว่าความต้องการของโหลดความเย็น เป็นต้น ระบบดังกล่าว แสดงในรูปที่  24

รูปที่ 24 แสดงการเพิ่มระบบสะสมความร้อนเข้าไปในระบบทำความเย็นแบบดูดซึมพลังงานแสงอาทิตย์

จากที่กล่าวมาทั้งหมด จะเห็นได้ว่าระบบทำความเย็นพลังงานแสงอาทิตย์เป็นทางเลือกของการใช้พลังงานในรูปของความร้อน และความเย็นที่มีประสิทธิภาพ และยังเหมาะสมกับประเทศไทยซึ่งเป็นประเทศในเขตร้อน

ดังนั้น การพัฒนาระบบทำความเย็นแบบดูดซึมพลังงานความร้อนจากแสงอาทิตย์อย่างจริงจังของหน่วยงานที่เกี่ยวข้อง เพื่อสามารถให้ใช้ประโยชน์ได้จริงในเชิงพาณิชย์ จึงเป็นทางออกเรื่องการลดการใช้พลังงานเชื้อเพลิงจากฟอสซิล อย่างยั่งยืน และพลังงานแสงอาทิตย์ยังเป็นพลังงานทดแทนที่สะอาดที่ไม่มีวันหมดไป

เอกสารอ้างอิง

* เอกสารเผยแพร่ หมวดที่ 10 ระบบการทำความเย็น (Refrigeration) จาก http://www2.dede.go.th