FAUเพื่อช่วยการควบคุมความชื้นในอาคาร

อาคารขนาดใหญ่เช่นโรงแรม อาคารสำนักงาน และโรงงาน มีแฟนคอยล์(FCU, Fancoil unit) และเครื่องเป่าลมเย็น(AHU, Air Handling Unit)เป็นจำนวนมาก ทำให้ไม่สามารถติดตั้งอุปกรณ์ควบคุมได้ทั้งหมดเนื่องจากมีการลงทุนสูงและต้องใช้พลังงานมาก จึงเกิดปัญหาเรื่องความชื้นในอาคารได้แก่การเกิดน้ำหยดจากหัวจ่าย ท่อลม ฝ้าเพดาน หยดน้ำที่พื้น เกิดเชื้อรา และกลิ่นอับเป็นต้น

อาคารปัจจุบันติดตั้งFAU(Fresh Air Unit) หรือ OAU(Outdoor Air Unit) ซึ่งในบทความนี้จะเรียกว่าFAU โดยมีจุดประสงค์เพื่อนำอากาศจากภายนอกมาปรับคุณภาพได้แก่ความสะอาด อุณหภูมิและความชื้นเพื่อสร้างความดันภายในอาคารลดการรั่วไหลของอากาศภายนอกที่ไม่ได้ปรับคุณภาพเข้ามาในอาคาร และเพื่อชดเชยอากาศเสียภายในอาคารที่ต้องระบายทิ้ง ซึ่งการควบคุมความชื้นในอาคารต้องอาศัยFCUและAHUเพื่อดึงน้ำออกจากอาคารแต่ยังไม่สามารถควบคุมความชื้นในห้องได้ดีเท่าที่ควร

FAUที่แนะนำในบทความนี้จะช่วยให้FCUและAHUสามารถควบคุมความชื้นในอาคารได้ง่ายขึ้นและประหยัดพลังงานโดยรวมของระบบปร้บอากาศ ลดการลงทุนอุปกรณ์ควบคุมความชื้นและระบบปรับอากาศโดยรวม เพิ่มคุณภาพอากาศในอาคาร และป้องกันปัญหาเรื่องความชื้นในอาคาร

ลักษณะการสร้างและการทำงาน

          FAUเพื่อช่วยการควบคุมความชื้นตามรูปที่ 1. ประกอบด้วยที่กรองอากาศ คอยล์น้ำเย็น  ฮีตปั๊ม พัดลม ลดความชื้นในอากาศโดยใช้คอยล์น้ำเย็นร่วมกับฮีตปั๊ม อากาศภายนอกผ่านชุดที่กรองอากาศได้แก่Pre-filter, Air filter, Carbon filterและอื่นๆเพื่อทำความส่ะอาด กำจัดฝุ่น ก๊าซ และกลิ่นตามสภาพของอากาศภายนอก อากาศที่สะอาดจะผ่านคอยล์น้ำเย็นเพื่อลดอุณหภูมิและความชื้นออกให้มากที่สุดโดยไม่ให้เกิดหมอก แล้วจึงผสมกับอากาศแห้งส่วนหนึ่งที่แบ่งจากอากาศอากาศบริสุทธิ์ที่จ่ายให้อาคาร อากาศที่ผสมจะมีอุณหภูมิสูงขึ้นและความชื้นสัมพัทธ์ลดลงเพื่อให้เมื่อผ่านคอยล์เย็นฮีตปั๊มจะไม่ทำให้หมอก จากนั้นจึงใช้อากาศที่สะอาดและแห้งระบายความร้อนให้คอยล์ร้อนฮีตปั๊มเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพ อากาศที่จ่ายจึงเป็นอากาศที่แห้งและมีอุณหภูมิสูงขึ้น แสะสุดท้ายจะใช้พัดลมเพิ่มความดันอากาศเพื่อส่งไปให้FCUและAHUและส่งอากาศบางส่วนกลับไปผสมกับอากาศเย็นจากคอยล์น้ำเย็น

รูปที่ 1. ผังแสดงการสร้างFAU (OAU)แบบใหม่เพื่อการควบคุมความชื้นแสดงชุดอุปกรณ์ต่างๆ

พัดลมจึงมีอัตราการไหลเท่ากับอากาศที่ส่งให้FCUและAHUรวมกับอากาศที่ส่งกลับมาผสม อากาศบริสุทธิ์ที่จ่ายจากFAUมีอุณหภูมิสูงกว่าอุณหภูมิห้องและความชื้นต่ำกว่าความชื้นของห้อง อากาศเสียในอาคารที่ระบายทิ้งไปจะนำความชื้นออกไปด้วย FAUเติมอากาศที่มีความชื้นต่ำกว่าช่วยเจือจางความชื้นในอาคารมีผลให้FCUและAHUลดการดึงน้ำจึงสามารถยกอุณหภูมิน้ำเย็นที่จ่ายจากเครื่องทำน้ำเย็นเป็นการเพิ่มประสิทธิภาพของเคริองทำน้ำเย็น

              หลักการสำคัญคืออากาศบริสุทธิ์ที่มีอุณหภูมิสูงกว่าอุณหภูมิห้องและมีความชื้นต่ำกว่าอุณหภูมิห้องเเมื่อผสมกับลมกลับแล้วจุดที่อากาศเข้าคอยล์เย็นจะอยูใต้เส้นRSHFของห้องตามรูปที่ 2.ซ้าย สำหรับFCUและAHUที่ควบคุมอัตราการไหลของน้ำเย็น ที่ภาระความร้อนสูงสุดการทำงานของคอยล์ตัดเสันRSHFที่จุดLVG1ไกลจากอุณหภูมิห้องมากที่สุด เมื่อภาระความร้อนลดลงวาวล์ควบคุมจะลดอัตราการไหลของน้ำเย็นผ่านคอยล์เย็นและตัดเสันRSHFที่จุดLVG2ใกล้อุณหภูมิห้องมากขึ้นและจุดADP2สูงขึ้นตามอัตราการไหล AHUจึงมีควบคุมความชื้นไม่ให้เกินค่าควบคุมได้

              สำหรับระบบควบคุมแบบปิด-เปิดน้ำเย็น คอยล์เย็นไม่ดึงความชื้นเมื่อปิดแต่อากาศบริสุทธิ์ที่เข้ามีความชื้นต่ำจึงช่วยดึงไม่ให้ความชื้นของห้องสูงขี้นเร็วและเนื่องจากอุณหภูมิอากาศบริสุทธิ์สูงกว่าจึงทำให้คอยล์เย็นกลับมาทำงานเร็วขึ้นจึงช่วยไม่ให้ความชื้นของห้องสูงเกินไป

กรณีที่จุดที่อากาศผสมเข้าคอยล์เย็นอยู่เหนือเส้นRSHFตามรูปที่ 2.ขวา ระบบที่ปรับอัตราการไหลน้ำเย็นเมื่อภาระความร้อนลดลง จุดADP2ต้องต่ำกว่าเดิมซึ่งจะต้องเพิ่มอัตราการไหลน้ำเย็น แทนที่จะลดอัตราการไหลจึงไม่สามารถควบคุมความชื้นห้องได้ถ้าไม่ใช้ความร้อนจากภายนอกเพิ่มภาระความร้อนที่แต่ละเครื่อง จึงเป็นการสิ้นเปลืองพลังงานและต้องเพิ่มอุปกรณ์และระบบควบคุม สำหรับระบบปิด-เปิดจะไม่สามารถควบคุมความชื้นได้และมีโอกาสเกิดปัญหาความชื้นได้มาก

รูปที่ 2. หลักการใช้อากาศบริสุทธิ์จากFAUช่วยให้FCUและAHUสามารถควบคุมความชื้นได้ดีขึ้น

การคำนวณออกแบบ

เพื่อให้อากาศที่ออกจากคอยล์เย็นไม่เกิดหมอก สภาวะอากาศภายนอกที่ใช้เป็นสภาวะอากาศที่มีความชื้นสูงสุด(De-Evaporation)จาก 2005 ASHRAE Handbook-Fundamentalเพื่อเลือกอุณหภูมิการทำงานของคอยล์เย็น และใช้สภาวะอากาศภายนอกที่มีพลังงานสูงสุด(Enthalpy)เพื่อคำนวณขนาดคอยล์น้ำเย็น สำหรับกรุงเทพทั้งสองแบบมีค่าใกล้เคียงกันจึงใช้ค่ามากที่0.4%=28Cwb, 33MCDB

ตัวอย่างที่ 1. อาคารสำนักงานขนาด10000ตรม.ความสูงของชั้น3.0ม. ใช้เครื่องทำน้ำเย็นระบายความร้อนด้วยน้ำมีค่าพลังงาน=5.25(0.67/TR) ต้องการการระบายอากาศ25000CMH การรั่วไหลของอากาศผ่านกรอบ0.6ACH(ปริมาตร/ชม.)สภาวะอากาศในอาคาร24CDB, 50%RH และค่าRSHFต่ำสุด0.9 คำนวณการทำงานของระบบFAUแบบใหม่ได้ดังนี้

-            อากาศรั่วไหลผ่านกรอบอาคาร=10000x3x0.6=18000CMHอากาศรั่วผ่านกรอบอาคารจึงมีความสำคัญอย่างมาก

-            อากาศภายนอกทั้งหมด=25000+18000=43000CMH

-            เขียนข้อมูลขั้นต้นทั้งหมดลงในไซโครเมตริกตามรูปที่ 3.และคำนวณร่วมกับค่าจากไซโครเมตริก

-            คอยล์น้ำเย็นดึงความชื้นลงต่ำสุดโดยไม่ทำให้เกิดหมอก(ไม่ให้ตัดผ่านเส้น100%RH)จากสภาวะอากาศภายนอกได้ขนาดคอยล์น้ำเย็น3162CMH/kg/sและ43.123kW/kg/s

-            อัตราการไหลของอากาศภายนอก=43000/3162=13.6kg/s

-            ความเย็นที่คอยล์น้ำเย็นใช้ทั้งหมด=13.6x43.123=586.473kW

-            คอยล์น้ำเย็นใช้พลังงานของเครื่องทำน้ำเย็น=586.473/5.25=111.709kW

-            คอยล์เย็นฮีตปั๊มดึงความชื้นจากอากาศภายนอกที่ลดอุณหภูมิและความชื้นมาแล้วและใช้อากาศที่ออกจากคอยล์เย็นฮีตปั๊มมาระบายความร้อนให้คอยล์ร้อนฮีตปั๊มทำให้มีประสิทธิภาพความเย็น=7.0

-            ลัดอากาศด้านส่งกลับมาผสม10%เขียนเส้นการทำงานของฮีตปั๊มในไซโครเมตริกด้วยวิธีtry&errorโดยเลือกเส้นผสมอากาศคอยล์ร้อนฮีตปั๊มให้มีอัตราการผสมอากาศ 10%

-            ลากเส้นการทำงานของคอยล์เย็นฮีตปั๊มจากจุดผสมมาที่เส้น100%RHที่จุดADPโดยไม่ให้เกิดหมอก

-            ปรับอัตราการไหอากาศให้เป็น1.1kg/sได้ความเย็นมาใช้คำนวณงานของคอมเพรสเซอร์(ความเย็น/7.0) คำนวณความร้อนที่ต้องระบาย(ความเย็น+งานของคอมฯ

-            เขียนเส้นการทำงานของคอยล์ร้อนจากจุดอากาศออกจากคอยล์เย็นโดยมีอัตราการไหล1.1kg/sและค่าความร้อนเท่ากับที่คำนวณได้

-            ปรับให้จุดของเส้นผสมอีกค้านชนปลายของเส้นคอยล์ร้อนฮีตปั๊ม ปรับเส้นคอยล์เย็นฮีตปั๊มใหม่และคำนวณขนาดคอยล์ใหม่จนได้ความชื้นของอากาศที่ออกจากคอบล์เย็นฮีตปั๊มต่ำสุดโดยไม่เกิดหมอก

-            สรุปการทำงานของฮีตปั๊มคอยล์เย็น11.696kW/1.1kg/sคอมเพรสเซอร์ใช้ไฟฟ้า13.2-11.696=1.504kW/อากาศภายนอก1.0kg/s

-            คอมเพรสเซอร์ใช้ไฟฟ้าทั้งสิ้น=1.504x13.6=20.454kW

-            FAUจึงใช้กำลังไฟฟ้าทั้งสิ้น=111.709+20.454=132.163kW

รูปที่ 3. ไซโครเมตริกแสดงการคำนวณและการทำงานของFAU

เมื่อส่งอากาศบริสุทธิ์มาให้FCUและAHU อากาศบริสุทธิจะผสมกับลมกลับและเข้าคอยล์น้ำเย็นที่จุดENT คอยล์น้ำเย็นจะคึงความร้อนและความชื้นจากอากาศเพื่อปล่อยเข้าห้องที่จุดRM Enteringซึ่งจะอยู่บนเส้นRSHFเพื่อให้รับความร้อนและความชื้นของห้องตามเส้นRSHFจึงจะสามารถควบคุมอุณหภูมืและความชื้นได้ตามรูปที่ 4.

รูปที่ 4. ไซโครเมตริกการทำงานของFCUและAHUที่รับอากาศอากาศจากFAUแบบใหม่

จากรูปที่ 4. จุดผสมอากาศอยู่ต่ำกว่าความชื้นห้องทำให้เส้นคอยล์น้ำเย็นมีADPสูงกว่าADPของคอยล์น้ำเย็นที่จ่ายอากาศที่ความชื้นสูงกว่าห้อง คอยล์น้ำเย็นของFCUและAHUระบบFAUใหม่นี้จึงสามารถใช้น้ำเย็นเข้าคอยล์ที่มีอุณหภูมิสูงขึ้นเป็น9.0C ทำให้เครื่องทำน้ำเย็นลดกำลังไฟฟ้าได้8.0% ให้RSHFของFCUและAHUทั้งหมด=0.9และอัตราการผสมอากาศภายนอกทั้งหมด=20%

-            กำลังไฟฟ้าที่ใช้ในFCUและAHUทั้งหมด=13.6/0.2x14.476/5.25x(1-0.08)= 172.499kW

-            FAUใช้กำลังไฟฟ้า=กำลังไฟฟ้าคอยล์น้ำเย็น+กำลังไฟฟ้าของฮีตปั๊ม=111.709x(1-0.08)+20.454=123.226kW

-            รวมการใช้กำลังไฟฟ้าสำหรับFAU+AHU+FCU=123.226+172.499=295.725kW

ตัวอย่างที่ 2. FAUจ่ายอากาศความชื้นสูงกว่าความชื้นของห้อง

              FAUมีลักษณะการสร้างตามรูปที่ 5. อากาศภายนอกผ่านชุดที่กรองอากาศผ่านคอยล์น้ำเย็นแล้วจึงใช้พัดลมส่งไปให้FCUและAHU เพื่อให้คอยล์น้ำเย็นดึงน้ำได้มากที่สุดจึงมักจะใช้คอยล์ใหญ่เพิ่มแถวของท่อน้ำและเพิ่มอัตราการไหลของน้ำเย็นแต่สุดท้ายทำให้เกิดหมอกหลุดจากคอยล์เย็นซึ่งจะระเหยเป็นความชื้นทำให้ไม่สามารถลดความชื้นตามที่ต้องการ จึงควรใช้คอยล์น้ำเย็นขนาดพอดีที่ไม่ทำให้เกิดหมอกตามรูปที่ 6.

              การทำงานของคอยล์น้ำเย็นของFAUจึงเหมือนกับการทำงานของคอยล์น้ำเย็นแบบใหม่ซึ่งอากาศบริสุทธิ์จะผสมกับลมกลับก่อนเข้าคอยล์น้ำเย็นของ FCUและAHUโดยให้อัตราการผสมอากาศภายนอก0.2หรือ20%ของอากาศที่ใช้ทำความเย็นซึ่งจุดENTคือจุดที่เส้นคอยล์น้ำเย็นตัดกับเส้นRSHFของห้องจะทำให้สามารถควบคุมอุณหภูมิและความชื้นได้แต่จุดADPของคอยล์น้ำเย็น12Cทำให้ที่อุณหภูมิน้ำเย็น7Cต้องใช้อัตราการไหลของน้ำเย็นสูงกว่าปกติ

-            FAUใช้กำลังไฟฟ้า=กำลังไฟฟ้าคอยล์น้ำเย็นตามตัวอย่างที่ 1.=111.709kW

-            ที่ภาระความร้อนสูงสุดกำลังไฟฟ้ของเครื่องทำน้ำเย็นของ FCUและAHU=13.6/.2x14.548/5.25=188.431

-            รวมการใช้กำลังไฟฟ้าสำหรับFAU+AHU+FCU=111.709+188.431= 300.140kW

จะเห็นว่าFAUนี้ใช้กำลังไฟฟ้ามากกว่าFAUตามตัวอย่างที่ 1.เล็กน้อยเนื้องจากฮีตปั๊มมีประสิทธิภาพสูงกว่าเครื่องทำน้ำเย็นและไม่สามารถควบคุมความชื้นที่part loadได้เนื่องจากจุดADPจะต้องมีค่าต่ำลงจึงต้องเพิ่มอัตราการไหลของน้ำมากกว่าที่ภาระความร้อนสูงสุดซึ่งไม่สามารถทำได้ ถ้าจะควบคุมความชื้นที่part loadจำเป็นต้องใช้ฮีตเตอร์ไฟฟ้าช่วยปรับภาระความร้อน

รูปที่ 5.ผังแสดงการสร้างFAU (OAU)เพื่อการควบคุมความชื้นแสดงชุดอุปกรณ์ต่างๆ

รูปที่ 6. ไซโครเมตริกการทำงานของFAU, FCU และAHUตามตัวอย่างที่ 2.

ตัวอย่างที่ 3. ใช้FAUแบบเดิม(2คอยล์และฮีตเตอร์)จ่ายอากาศความชื้นเท่ากับFAUแบบใหม่ตามตัวอย่างที่ 1.

              FAUมีลักษณะการสร้างตามรูปที่ 7. และไซโครเมตริกแสดงการทำงานของFAUตามรูปมี่ 8. ใช้คอยล์น้ำเย็นชุดแรกเพื่อลดอุณหภูมิและความชื้นให้มากที่สุดโดยไม่ให้เกิดหมอกจากนั้นใช้ความร้อนเพื่อเพิ่มอุณหภูมิอากาศให้ห่างจากเส้น100%RHเพื่อให้เมื่อผ่านคอยล์เย็นชุดที่2 จะไม่เกิดหมอก ADPอุณหภูมิคอยล์เย็นชุดที่ 2คือ10.5Cจึงต้องคอยล์เย็นฮีตปั๊มดังนั้นความร้อนที่ใช้เพิ่มอุณหภูมิอากาศข้างต้นควรใช้จากส่วนหนึ่งของความร้อนที่ต้องระบายจากฮีตปั๊ม ความร้อนที่เหลือควรระบายด้วยน้ำเย็นเพื่อให้มีประสิทธิภาพสูง ฮีตปั๊มที่ทำงานระดับอุณหภูมิในไซโครเมตริกมีประสิทธิภาพความเย็น7.4

-            คอยล์น้ำเย็นชุดแรกทำงานเหมือนตัวอย่างที่ 1. คอยล์น้ำเย็นใช้กำลังของเครื่องทำน้ำเย็น111.709kW

-            คอยล์เย็นฮีตปั๊มทำความเย็น=13.6x17.539= 238.530kW

-            ความร้อนส่วนหนึ่งจากฮีตปั๊มที่ใช้อุ่นอากาศ=13.6x2.145=29.172kW

-            ฮีตปั๊มใช้กำลังไฟฟ้า=238.530/7.4=32.234kW

-            ความร้อนจากฮีตปั๊มทั้งหมด=238.530+32.234=270.764kW

-            ฮีตปั๊มใช้กำลังจากเครื่องทำน้ำเย็น=(270.764-29.172))/5.25=46.018kW

-            FAUใช้กำลังไฟทั้งหมด=111.709+32.234+46.018=189.961kW

รูปที่ 7. ผังแสดงการสร้างFAU (OAU)เพื่อการควบคุมความชื้นแสดงชุดอุปกรณ์ต่างๆ

รูปที่ 8. ไซโครเมตริกการทำงานของFAUเพื่อส่งอากาศที่มีความชื้นเท่ากับFAUใหม่ตามตัวอย่างที่ 3.

เมื่ออัตราการผสมอากาศภายนอกของFCUและAHU20% สามารถกำหนดจุดผสมอากาศซึ่งเป็นจุดอากาศเข้าคอยล์น้ำเย็นAHUหรือจุอENTซึ่งจะปล่อยอากาศเข้าห้องที่จุดRMentซึ่งอยู่บนเส้นRSHFทำให้สามารถคุมความชื้นได้

-            กำลังไฟฟ้าที่ใช้ในFCUและAHUทั้งหมด=13.6/0.2x9.620/5.25=124.602kW

-            รวมการใช้กำลังไฟฟ้าสำหรับFAU+AHU+FCU=189.961k +124.602=314.563kW

เนื่องจากADPของAHUในตัวอย่างนี้เท่ากับADPของAHUตัวอย่างที่ 1. สามารถใช้น้ำเย็นเข้าคอยล์ที่มีอุณหภูมิสูงขึ้นเป็น9.0C ทำให้เครื่องทำน้ำเย็นลดกำลังไฟฟ้าได้8.0% ให้RSHFของFCUและAHUทั้งหมด=0.9และอัตราการผสมอากาศภายนอกทั้งหมด=20%

-            กำลังไฟฟ้าที่ใช้ในFCUและAHUทั้งหมด=124.602x(1-0.08)=114.634kW

-            FAUใช้กำลังของเครื่องทำน้ำเย็น=(111.709+46.018)x(1-0.08)=145.109kW

-            FAUใช้กำลังไฟฟ้าทั้งหมด=145.109+32.234=177.343kW

-            รวมการใช้กำลังไฟฟ้าทั้งหมด=114.634+177.343=291.977kW

รูปที่ 9. ไซโครเมตริกการทำงานของFCUและAHUที่รับอากาศอากาศจากFAU

ที่ภาระความร้อนสูงสุดFAUในตัวอย่างนี้ใช้กำลังไฟฟ้าน้อยกว่าในตัวอย่างที่ 1.= 295.725-291.977=3.748kW

หรือประมาณ1.3%เนื่องจากฮีตปั๊มทำงานที่สภาวะอุณหภูมิที่ให้ประสิทธิภาพมากกว่า FCUและAHUสามารถควบคุมความชื้นได้ที่ภาระความร้อนสูงสุดที่ออกแบบ แต่ที่part loadจะไม่สามารถควบคุมความชื้นได้ถ้าไม่ใช้ความร้อนจากภายนอกและไม่ประหยัดพลังงาน

บทส่งท้าย

              FAUที่นำเสนอนี้ช่วยให้FCUและAHUสามารถควบคุมความชื้นของห้องได้ดีขึ้นโดยไม่ต้องเพิ่มเติมอุปกรณ์ที่FCUและAHUทำให้คุณภาพอากาศในอาคารดีขึ้น ใช้พลังงานในระบบปรับอากาศน้อยลงเนื่องจากฮีตปั๊มทำงานในช่วงอุณหภูมิที่ทำให้มีประสิทธิภาพสูงกว่าเครื่องทำน้ำเย็น และทำให้สามารถเพิ่มประสิทธิภาพของเครื่องทำน้ำเย็นด้วยการเพิ่มอุณหภูมิน้ำเย็นที่ผลิตเป็น9Cเนื่องจากFCUและAHUไม่จำเป็นต้องดึงน้ำจากอากาศมาก FAUใหม่นี้จึงช่วยให้สามารถลดการใช้พลังงานของอาคารและเพิ่มคุณภาพอากาศได้พร้อมกันเหมาะสำหรับใช้กับโครงการอาคารประหยัดพลังงาน