การนำพลังงานความร้อนใต้พิภพมาใช้ประโยชน์โดยตรง

มนุษย์ได้มีการนำพลังความร้อนใต้พิภพ (geothermal)มาใช้โดยตรง โดยไม่นำไปผลิตกระแสไฟฟ้าก่อน สามารถกระทำได้ในหลายลักษณะ เช่น ใช้เป็นแหล่งความร้อน (heat source) สำหรับทำความอบอุ่นแก่ที่พักอาศัยหรืออาคารสำนักงาน การใช้เพื่อประโยชน์ทางสุขภาพการชำระล้างทำความสะอาด

การอบทรายร้อน การประกอบอาหาร ตลอดจนเป็นแหล่งความร้อนที่ใช้ในภาคเกษตร และอุตสาหกรรม โดยมีลักษณะและรูปแบบการใช้งานดังนี้

1. ปั๊มความร้อนพลังงานความร้อนใต้พิภพ (Geothermal heat pump)

 ปั๊มความร้อนพลังงานความร้อนใต้พิภพ เป็นอุปกรณ์ในการถ่ายเทความร้อนจากที่ที่มีอุณหภูมิตํ่าไปยังที่ที่มีอุณหภูมิสูง โดยอาศัยแหล่งความร้อนจากใต้พิภพที่มีอุณหภูมิไม่สูงนัก ระบบปั๊มความร้อนใช้หลักการเดียวกับระบบทำความเย็น (refrigeration) สามารถเปลี่ยนจากระบบหนึ่งไปเป็นอีกระบบหนึ่งได้ โดยใช้วาล์วเปลี่ยนทิศทาง (reversing valve) ในระบบปั๊มความร้อน นํ้าร้อนหรือไอนํ้าจากแหล่งพลังงานความร้อนใต้พิภพ (heat source) จะผ่านเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน (เครื่องระเหย) เพื่อถ่ายเทความร้อนให้กับของไหลใช้งาน (working fluid) จนมีอุณหภูมิสูงขึ้นกลายเป็นไอ และถูกส่งไปยังเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน (เครื่องควบแน่น) เพื่อถ่ายเทความร้อนให้กับแหล่งรับความร้อนภายนอก (heat sink) เช่น อากาศ และเปลี่ยนสภาพเป็นของเหลวอีกครั้ง อากาศที่รับความร้อนจากของไหลใช้งานจะมีอุณหภูมิสูงขึ้น ตัวอย่างการใช้งาน คือการทำให้อากาศภายในบ้านอบอุ่นขึ้นในฤดูหนาว

หลักการของปั๊มความร้อนจากพลังงานความร้อนใต้พิภพการติดตั้งต้นแบบความร้อนพลังงานความร้อนใต้พิภพ และการติดตั้งพาณิชย์

ภาพตัดขวางปั๊มความร้อน

2. ปั๊มความร้อนพลังงานความร้อนใต้พิภพแบบวงจรเปิด (Open-loop geothermal heat pump system)

ปั๊มความร้อนพลังงานความร้อนใต้พิภพแบบวงจรเปิดเป็นอุปกรณ์ในการถ่ายเทความร้อนจากที่ที่มีอุณหภูมิตํ่าไปยังที่ที่มีอุณหภูมิสูง โดยอาศัยแหล่งความร้อนจากใต้พิภพในรูปของนํ้าร้อนหรือไอนํ้า ระบบปั๊มความร้อนมีหลักการทำงาน คือ เมื่อนํ้าร้อนหรือไอนํ้าจากแหล่งความร้อนใต้พิภพถ่ายเทความร้อนให้กับของไหลใช้งาน (working fluid) แล้ว จะถูกส่งกลับไปยังแหล่งความร้อนต้นกำเนิดโดยไม่มีการนำมาหมุนเวียนซํ้าอีก ซึ่งต่างจากระบบปั๊มความร้อนพลังงานความร้อนใต้พิภพแบบวงจรปิด (closed-loop geothermal heat pump) ที่นํ้าร้อนหรือไอนํ้าจะหมุนเวียนอยู่ในระบบอย่างต่อเนื่อง เหมาะกับการใช้งานเมื่อแหล่งความร้อนสะอาดและมีปริมาณมากพอ ใช้ทำให้อากาศภายในบ้านอบอุ่นขึ้นในฤดูหนาว

แนวคิดการวางระบบท่อน้ำร้อน-น้ำเย็น แบบวงจรเปิดและปิด สำหรับปั๊มความร้อนพลังงานใต้พิภพ

3. การให้ความร้อนแก่ชุมชน (District heating)

การนำพลังงานความร้อนใต้พิภพมาใช้ให้ความร้อนแก่ชุมชน เช่น ในเขตหนาว โดยติดตั้งระบบปั๊มความร้อนพลังงานความร้อนใต้พิภพขนาดใหญ่ พร้อมวางระบบโครงข่ายท่อรับส่งของไหลใช้งาน (working fluid) และเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนกระจายไปยังที่อยู่อาศัยหรือหน่วยงานในชุมชน

การให้ความร้อนแก่ชุมชนจากแหล่งพลังงานความร้อนใต้พิภพ

4. การอาบนํ้าแร่ (Geothermal bathing)

การใช้นํ้าร้อนจากแหล่งพลังงานความร้อนใต้พิภพในการอาบชำระล้าง มักทำเพื่อประโยชน์ทางสุขภาพ

ทะเลสาปแมมมอธ แคลิฟอร์เนีย ประเทศสหรัฐอเมริกา
Source : http://www.tlcthai.com

น้ำพุร้อนบ้านบ่อคลึง จ.ราชบุรี
Source : http://www.indochinaexplorer.com/

5. การเพาะเลี้ยงในนํ้า (Aquaculture)

การเพาะเลี้ยงในนํ้าที่ต้องควบคุมอุณหภูมิที่อยู่อาศัยของสัตว์นํ้าให้อยู่ในระดับที่เหมาะสมแก่การเจริญเติบโต และสืบพันธุ์ โดยใช้นํ้าร้อนจากแหล่งพลังงานความร้อนใต้พิภพช่วยในการปรับระดับอุณหภูมิของน้ำ  (ในแถบประเทศที่มีอุณหภูมิต่ำ)

ฟาร์มสัตว์น้ำในแคลิฟอร์เนียร์ ที่ควบคุมอุณหภูมิ โดยใช้น้ำร้อนจากแหล่งพลังงานความร้อนใต้พิภพ

6. ระบบท่อวน (Ground loop)

การนำความร้อนจากแหล่งความร้อนใต้พิภพมาใช้งานโดยผ่านระบบท่อวน โดยท่อวนเป็นระบบท่อที่ฝังอยู่ในพื้นดินที่ทำหน้าที่แลกเปลี่ยนความร้อนระหว่างของไหลใช้งาน (working fluid) กับแหล่งความร้อนใต้พิภพของไหลใช้งานอาจเป็นนํ้าร้อน หรือไอนํ้าที่นำมาใช้ประโยชน์โดยตรง หรือเป็นสื่อนำความร้อนที่ไหลหมุนเวียนอยู่ในระบบซึ่งสามารถนำความร้อนนั้นไปใช้ประโยชน์อย่างอื่นได้

ระบบท่อวนสำหรับปั๊มความร้อนจากพลังงานความร้อนใต้พิภพ ทําจากพอลิเอทิลีน
ความหนาแน่นสูง (HDPE - high density polyethylene)

การวางระบบท่อวนสําหรับปั๊มความร้อนพลังงานความร้อนใต้พิภพ บริเวณที่พักอาศัย

ระบบท่อวนแบบต่างๆ สําหรับปั๊มความร้อนพลังงานความร้อนใต้พิภพ

6.1 ระบบท่อวนแนวราบ (Horizontal ground loop)

 ระบบท่อวนแบบแนวราบเป็นรูปแบบการวางท่อของระบบปั๊มความร้อนพลังงานความร้อนใต้พิภพแบบวงจรปิดที่อยู่ในแนวราบ ทำให้อากาศภายในบ้านอบอุ่นขึ้นในฤดูหนาว แหล่งนํ้าจากในบ้านหรืออาคารหมุนเวียนมารับความร้อนจากแหล่งความร้อนใต้พิภพ และเปลี่ยนสภาพเป็นนํ้าร้อนหรือไอนํ้ากลับเข้าสู่อาคาร ระบบท่อวนแนวราบเหมาะกับการติดตั้งในบริเวณที่มีพื้นที่กว้างและมีแหล่งความร้อนอยู่ระดับใกล้ผิวดิน

ระบบท่อวนแนวราบ

การวางระบบท่อวนแนบราบ บริเวณที่พักอาศัย

6.2 ระบบท่อวนแนวดิ่ง (Vertical ground loop)

ระบบท่อวนแนวดิ่งมีรูปแบบการวางท่อของปั๊มความร้อนพลังานความร้อนใต้ภิภพแบบวงจรปิดที่วางอยู่ในแนวดิ่งตั้งฉากกับพื้นดิน ใช้ทำให้อากาศภายในบ้าอบอุ่นขึ้นในฤดูหนาว แหล่งน้ำจากในบ้านหรืออาคารเวียนมารับความร้อนจากแหล่งความร้อนใต้พิภาพ และเปลี่ยนสภาพเป็นน้ำร้อนหรือไอน้ำกลับเข้าสู่อาคาร ระบบท่อวนแนวดิ่งเหมาะกับการติดตั้งในบริเวณที่มีพื้นที่แคบและมีแหล่งความร้อนอยู่ลึกจากผิวดินลงไป

ระบบท่อแนวดิ่ง

6.3 ระบบท่อวนแบบเป็นวง (Slinky ground loop)

 ระบบท่อวนแบบเป็นวง เป็นระบบท่อวน แนวราบอีกลักษณะหนึ่งที่ได้รับการออกแบบให้ท่อขดเป็นวง เพื่อเพิ่มพื้นที่ผิวในการแลกเปลี่ยนความร้อน ทำให้อากาศภายในบ้านอบอุ่นขึ้นในฤดูหนาว

ระบบท่อวนแบบขดเป็นวง

การวางระบบท่อวนแบบขดเป็นวง บริเวณที่พักอาศัยในรัฐไอดาโฮ ประเทศสหรัฐอเมริกา

Bibliography
กรมพัฒนาพลังงานทดแทนและอนุรักษ์พลังงาน กระทรวงพลังงาน. พลังงานความร้อนใต้พิภพ (Geothermal Energy). In สารานุกรมพลังงานทดแทน (pp. หน้า. 226, 233, 236, 239, 241, 244).