ENERGY COST REDUCTION OF SLAUGHTERHOUSE WITH HOT WATER GENERATION FROM SOLAR PHOTOVOLTAIC THERMAL HYBRID BOOSTED HEAT PUMP

Abstract

The aim of this research is to reduce the electric power cost of hot water production in a Chai Pra Kan District slaughterhouse, Chiang Mai Province by solar photovoltaic thermal boosted heat pump system (Solar PV/T Boosted Heat Pump). This research divided into five parts, the first part was a testing of heat pump, solar photovoltaic/thermal panel (Solar PV/T), and solar photovoltaic panel (Solar PV). The study found that, the average Energy Efficiency Ratio (EER) of the heat pump was equal to 2.95 kWth/kWe, the average efficiency of the glazed Solar PV/T panel and Solar PV panel was 54.13%, and 15.10%, respectively. The second part was a simulation of the mathematical model to determine the suitable size, and number of solar PV/T boosted heat pump system. The results showed that the suitable system consisted of a 17.8 kWth heat pump which a refrigerant is R134a, using the glazed Solar PV/T which peak power is 295 Wp with 4 panels, and 370 Wp Solar PV of 14 panels to produce hot water stored in a 3,000 L hot water tank.

The third part was to determine the suitable flow rate of water through the Solar PV/T panels. The experiment found that the suitable flow rate was 8.2 LPM which the maximum of EER was equal to 4.74 kWth/kWe, and the average value was equal to 3.38 kWth/kWe, respectively. The fourth part is to study the electricity consumption of the Solar PV/T Boosted Heat Pump system when it is actually used of the production round. The system started working from 12 a.m. and stop working at 5 p.m. which the hot water temperature was 55.2 °C. The system resumed working in the next day from 8 a.m. to 10.40 a.m. generating 2,500 liters of hot water at 65 °C. Therefore, the hot water production time was equal to 7 hours 40 minutes. The maximum EER of the heat pump was 3.99 kWth/kWe and the average was 2.97 kWth/kWe. The performance ratio (PR) of Solar PV and Solar PV/T systems was 70.17 % and 78.41%, respectively. The Solar PV/T Boosted Heat Pump system consumed a total electric power of 40.32 kWh/round. It derived from the Solar PV/T system and the Solar PV system was equal to 20.10 kWh/round and uses from the utility grid line of 20.22 kWh/round. The Solar PV/T Boosted Heat Pump system had an overall efficiency of 59.28%.

In the final part was an economic analysis by using a mathematical model to simulate the electric power consumption all year round. The study found that Solar PV/T Boosted Heat Pump system could decrease the electric power from the utility grid line by 27,512.69 kWh/year which an equivalent a saving was 125,457.87 Baht/year or approximately 75% compared with using the electrical heaters. The Specific Energy Consumption (SEC) could be reduced from the original value of 7.33 kWh/pig or 33.41 Baht/pig to 1.83 kWh/pig or 8.36 Baht/pig. The investment in this system was equal to 708,060 Baht, representing a payback period of 6.07 years and the internal rate of return (IRR) was equal to 14.24%, respectively.

งานวิจัยนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อศึกษาการลดต้นทุนทางด้านพลังงานของโรงฆ่าสัตว์เทศบาลตำบลไชยปราการ จังหวัดเชียงใหม่ ด้วยการผลิตน้ำร้อนจากปั๊มความร้อนเสริมด้วยการผลิตไฟฟ้าและน้ำร้อนพลังงานแสงอาทิตย์ (Solar PV/T Boosted Heat Pump) โดยการศึกษาแบ่งออกเป็น 5 ส่วน ส่วนแรกเป็นการทดสอบสมรรถนะของปั๊มความร้อน แผงผลิตไฟฟ้าและน้ำร้อนพลังงานแสงอาทิตย์ (Solar PV/T) และแผงผลิตไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์ (Solar PV) จากศึกษาพบว่า ปั๊มความร้อนมีค่าเฉลี่ย EER เท่ากับ 2.95 kWth/kWe แผง Solar PV/T แบบมีกระจกครอบและแผง Solar PV มีประสิทธิภาพเฉลี่ยเท่ากับ 54.13% และ 15.10% ตามลำดับ ส่วนที่สองเป็นการใช้แบบจำลองทางคณิตศาสตร์ในการออกแบบขนาดและจำนวนของระบบปั๊มความร้อนเสริมด้วยการผลิตไฟฟ้าและน้ำร้อนพลังงานแสงอาทิตย์ที่เหมาะสมกับการใช้งานในโรงฆ่าสัตว์ ซึ่งพบว่า ระบบที่เหมาะสมประกอบไปด้วยปั๊มความร้อนขนาด 17.8 kWth ใช้สารทำงาน R134a ใช้แผง Solar PV/T แบบมีกระจกครอบ ขนาดกำลังไฟฟ้า 295 Wp จำนวน 4 แผง และแผงเซลล์แสงอาทิตย์ขนาดกำลังไฟฟ้า 370 Wp จำนวน 14 แผง เพื่อผลิตน้ำร้อนเก็บในถังเก็บน้ำร้อนขนาด 3,000 L

สำหรับส่วนที่สามของการศึกษาเป็นการหาอัตราการไหลของน้ำผ่านแผง Solar PV/T ในการใช้งานจริง จากการทดสอบพบว่า ที่อัตราการไหล 8.2 LPM เหมาะสมในการใช้งานมากที่สุด โดยมีค่าสูงสุดของอัตราส่วนประสิทธิภาพพลังงาน (EER) ของปั๊มความร้อนเท่ากับ 4.74 kWth/kWe และมีค่าเฉลี่ยเท่ากับ 3.38 kWth/kWe ตามลำดับ ในส่วนที่สี่เป็นการศึกษาการใช้พลังงานไฟฟ้าของระบบ Solar PV/T Boosted Heat Pump เมื่อใช้งานจริงใน 1 รอบการผลิต โดยระบบเริ่มทำงานตั้งแต่เวลา 12:00 น. และจะหยุดทำงาน ณ เวลา 17:00 น. สามารถผลิตน้ำร้อนได้ 55.2 °C จากนั้นระบบจะกลับมาเริ่มทำงานใหม่ในวันถัดไปตั้งแต่ 08:00 ถึง 10:40 น. ซึ่งทำให้ได้น้ำร้อนอุณหภูมิ 65 °C ปริมาณ 2,500 ลิตร ดังนั้นเวลาที่ใช้ในการผลิตน้ำร้อนต่อรอบการผลิตเท่ากับ 7 h 40 min สำหรับค่าสูงสุดของ EER ของปั๊มความร้อนเท่ากับ 3.99 kWth/kWe และมีค่าเฉลี่ย 2.97 kWth/kWe ค่าสมรรถนะทางไฟฟ้า (PR) ของระบบ Solar PV และระบบ Solar PV/T มีค่าเฉลี่ยเท่ากับ 70.17% และ 78.41% ตามลำดับ ระบบ Solar PV/T Boosted Heat Pump มีการใช้พลังงานไฟฟ้าทั้งหมด 40.32 kWh/รอบ โดยได้จากระบบ Solar PV/T และระบบ Solar PV เท่ากับ 20.10 kWh/รอบ และใช้พลังงานไฟฟ้าจากระบบไฟฟ้าพื้นฐานมาเพิ่มอีก 20.22 kWh/รอบ ระบบ Solar PV/T Boosted Heat Pump มีประสิทธิภาพโดยรวมเท่ากับ 59.28%

สำหรับส่วนสุดท้ายเป็นการวิเคราะห์ทางด้านเศรษฐศาสตร์จากแบบจำลองทางคณิตศาสตร์เพื่อทำนายการใช้พลังงานไฟฟ้าตลอดทั้งปีของระบบ จากการศึกษาพบว่า ระบบ Solar PV/T Boosted Heat Pump สามารถลดการใช้พลังงานไฟฟ้าลงได้ 27,512.69 kWh/year คิดเป็นเงินที่ประหยัดได้ 125,457.87 Baht/year หรือลดลง 75% เมื่อเทียบกับระบบผลิตน้ำร้อนเดิมที่ใช้ขดลวดไฟฟ้า ค่าดัชนีการใช้พลังงานจำเพาะ (SEC) ลดลงได้จากเดิมที่มีค่าเท่ากับ 7.33 kWh/ตัว หรือ 33.41 Baht/ตัว ให้เหลือเพียง 1.83 kWh/ตัว หรือ 8.36 Baht/ตัว โดยระบบ Solar PV/T Boosted Heat Pump ใช้เงินลงทุนเท่ากับ 708,060 Baht คิดเป็นระยะคืนทุน 6.07 year และมีอัตราผลตอบแทน (IRR) เท่ากับ 14.24% ตามลำดับ