ความดันอากาศในอาคาร

การรั่วไหลของอากาศภายนอกเข้าในพื้นที่ปรับอากาศโดยตรงจะทำให้เกิดภาระความร้อน ความชื้น และฝุ่นละออง เกิดปัญหาการกลั่นตัว ความเสียหายกับวัสดุตกแต่ง ความสกปรก และเชื้อราซึ่งเป็นอันตรายต่อสุขภาพ การควบคุมความดันภายในอาคารจึงเป็นสิ่งจำเป็น ต่อการทำงานของระบบปรับอากาศและการประหยัดพลังงาน

การซึมทะลุ(Infiltration) เป็นปรากฎการณ์ที่อากาศภายนอกซึมผ่านกรอบอาคารเข้าสู่อาคารเมื่อความดันอากาศภายนอกมากกว่าความดันอากาศภายใน วิธีการคำนวณการซึมทะลุศึกษาได้จาก ASHRAE Handbook – Fundamentals. สมการที่ 1.ใช้คำนวณอัตราการไหลของอากาศผ่านช่องเปิดและสมการที่ 2.ใช้คำนวณอัตราการไหลของอากาศผ่านรอยรั่ว

การควบคุมความดันภายในอาคารจะช่วยลดการซึมทะลุได้แต่มีความซับซ้อนมากเนื่องจากความดันอากาศในแต่ละห้องและแต่ละชั้นไม่เท่ากัน กระแสลมภายนอกไม่สม่ำเสมอทั้งทิศทางและปริมาณ ทำให้ความดันที่เกิดจากลมไม่สม่ำเสมอ ความดันแตกต่างของอากาศภายนอกและอากาศภายในอาคารขึ้นอยู่กับ

· ผลกระทบปล่องควัน(stack effect)

· กระแสลม

· ความดันเชิงกล

· การเข้า-ออกอาคาร

ผลกระทบปล่องควัน(stack effect) อากาศที่มีอุณหภูมิเท่ากันเรียงทับกันตามความสูงทำให้อากาศด้านล่างสุดมีความหนาแน่นมากกว่าอากาศที่อยู่ด้านบน เมื่ออากาศส่วนใดๆมีอุณหภูมิสูงขึ้นจะมีความหนาแน่นน้อยลงถูกอากาศส่วนอื่นกดดันให้ลอยขึ้นและคายความร้อนให้กับอากาศส่วนอื่นๆที่สัมผัสจนมีอุณหภูมิเท่ากันตวามหนาแน่นเท่ากัน ความดันอากาศที่แตกต่างกันตามความสูงนี้เรียกว่าผลกระทบปล่องควัน สมการที่ 3.ใช้คำนวนความดันอากาศที่ระดับความสูงต่างๆกัน

รูปที่ 1.อากาศในอาคารมีอุณหภูมิต่ำกว่าอากาศภายนอก อากาศที่ล่างสุดของอาคารมีความดันสูงกว่าภายนอกจะไหลออกผ่านช่องเปิด/รอยรั่วขอบหรือช่องใต้ประตู ทำให้ความดันในอาคารจนน้อยกว่าความดันอากาศภายนอก อากาศภายนอกจึงไหลเข้าภายในอาคารผ่านรอยรั่วที่ผนังและหน้าต่าง เมื่ออากาศภายนอกเข้ามาภายในอาคารก็จะมีอุณหภูมิลดลงและไหลลงด้านล่างผ่านช่องเปิดและรอยรั่วที่พื้นภายในอาคาร

รูปที่ 1.แสดงความดันและการเคลื่อนที่ของอากาศผ่านผนังอาคารเข้าและออกจากอาคาร

กระแสลม ความดันอากาศที่เกิดจากลมสามารถคำนวณได้ตามสมการที่ 4. แต่ทิศทางและความเร็วลมเป็นเรื่องเฉพาะที่ ตามฤดูกาลและมีผลกระทบจากสิ่งก่อสร้างภายนอก ความเร็วลมที่ระดับสูงมีมากกว่าความเร็วลมที่ระดับพื้นเนื่องจากความเสียดทานของพื้นดิน ต้นไม้ และสิ่งก่อสร้าง

สถานีวัดอากาศส่วนใหญ่อยู่ในสนามบิน มีความสูงประมาณ 10ม. การออกแบบจะใช้ข้อมูลของสถานที่ก่อสร้างซึ่งถ้าไม่มีข้อมูลก็สามารถใช้ข้อมูลจาก ASHRAE Handbook – Fundamentals ความดันอากาศด้านที่ลมปะทะอาคารจะสูงกว่าด้านข้าง และที่ด้านหลังจะมีความดันน้อยที่สุด ถ้าลมพัดทำมุมกับอาตาร ความดันที่ด้านต่างๆจะซับซ้อนมากขึ้น

ตารางที่ 1.แสดงความเร็วลมในประเทศไทยเฉลี่ย(ม./วินาที)และทิศทางลมในช่วงที่อุณหภูมิสูงสุด 0.4%(สำหรับcooling) และในช่วงอุณหภูมิสูงกว่าค่าในตาราง 99.6%(สำหรับheating) ทิศทางแสดงเป็นมุม(0=N และ 90=E) และส่วนใหญ่ไม่บันทึกทิศทางลม ความเร็วลมสูงสุดของประจวบฯ 4.0 ม./วินาที เท่ากับ ความดันสูงสุดจากลมเท่ากับ 9.06 Pa (ประจวบฯ ระดับความสูง 5 ม.) ถ้าต้องการวิเคราะห์ให้ละเอียดสำหรับการออกแบบก็สามารถทำอุโมงค์ลม CFD (computational fluid dynamics) หรือวัดข้อมูลจริง

ตารางที่ 1.ข้อมูลสภาวะอากาศแสดงความเร็วลมและทิศทางจากจาก ASHRAE Handbook – Fundamentals 2005

ความดันเชิงกล เป็นผลกระทบของความดันอากาศจากการใช้เครื่องจักรกลได้แก่การระบายอากาศ และการเติมอากาศภายนอกของห้องและอื่นๆเช่นครัวและอื่นๆ ทำให้อากาศรั่วไหลระหว่างห้องและระหว่างชั้นตามความดันแตกต่างที่รอยรั่วผนัง พื้น เพดาน ช่องท่อ ช่องลิฟท์ ประตู หน้าต่าง เป็นต้น

การเข้า-ออกอาคาร อากาศภายในอาคารมีอุณหภูมิต่ำกว่าและความดันมากกว่าอากาศภายนอก เมื่อประตูเปิดเข้า/ออกอาคารอากาศจะไหลออกภายนอกผ่านด้านล่างของประตู อากาศภายนอกจะเข้ามาทดแทนสวนกับอากาศที่ไหลออกไปผ่านด้านบนประตูบานเดียวกัน ถ้ามีลมความดันอากาศที่เกิดจากลมมากกว่าความดันภายในอาคาร อากาศภายนอกจะไหลเข้ามาในอาคารในลักษณะกลับกัน สรุปคือจะมีอากาศภายนอกไหลเข้าอาคารไม่ว่าจะเป็นกรณีใด

รูปที่ 2.การไหลของอากาศจากการเข้า/ออกของประตูอัตโนมัติจาก ASHRAE Handbook – Fundamentals 2009

การควบคุมดวามดันในอาคาร เพื่อควบคุมการซึมทะลุของอากาศภายนอก รูปที่ 3.อากาศภายนอกที่ปรับสภาวะแล้วจะส่งเข้าแต่ละชั้นเพื่อสร้างความดัน โดยพิจารณาถึงผลกระทบปล่องควันในอาคารเพื่อเอาชนะความดันภายนอกที่เกิดจากลม การออกแบบต้องเป็นการร่วมมือระหว่างผู้ออกแบบระบบปรับอากาศและผู้เชี่ยวชาญเรื่องกรอบอาคาร

รูปที่ 3.หลักการควบคุมการซึมทะลุ

การคำนวณปริมาณอากาศควบคุมความดัน การคำนวณเพื่อควบคุมการซึมทะลุ แบ่งออกเป็นแบบการตามประสบการณ์และการคำนวณตามทฤษฎี ตารางที่ 2. แสดงข้อมูลที่ต้องใช้ในการคำนวณ ข้อดีและข้อเสียของวิธีการคำนวณอัตราการส่งอากาศตามประสบการณ์ ซึ่งวิธี ACH(Air change method)ใช้ข้อมูลจากประสบการณ์ จึงเป็นวิธีที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการออกแบบระบบปรับอากาศ เพื่อเตรียมการสำหรับการปรับเปลี่ยนให้แม่นยำมากขึ้นในภายหลังด้วยวิธีอื่นๆซึ่งต้องการข้อมูลจากการทดสอบข้อมูลของอาคารจริง

ตารางที่ 2.การคำนวณตามประสบการณ์(Liddament(1986))

ตารางที่ 3. แสดงข้อมูลที่ต้องใช้ในการคำนวณ ข้อดีและข้อเสียของวิธีการคำนวณตามทฤษฎีซึ่งต้องใช้โปรแกรมคำนวณอย่างละเอียดทีละห้องวนไปทั้งอาคารและวนกลับเพื่อให้ได้ผลลัพท์ที่ขอบอาคารตรงตามสมมุติฐานและข้อมูลของอาคารต่างๆ จึงต้องใช้โปรแกรมคอมพิวเตอร์เช่น CONTAM ซึ่งพัฒนาโดบ The National Institute of Standards and Technology (NIST) เป็นต้น ถ้าสมมุติฐานและข้อมูลอาคารไม่ถูกต้องก็จะให้ผลการคำนวณที่ผิดทางจึงเหมาะสำหรับใช้ในการศึกษา จนกว่าข้อมูลต่างๆจะได้จากการทดสอบที่แม่นยำ

ตารางที่ 3.การคำนวณตามทฤษฎี(Liddament(1986))

คารางที่ 4.แสดงการซึมทะลุของอากาศตามลักษณะการก่อสร้าง(ความแน่น) เป็นค่าจากประสบการณ์ของประเทศที่มีภูมิอากาศหนาวซึ่งสามารถใช้เป็นเกณฑ์สำหรับลักษณะการก่อสร้างเพื่อใช้ในการออกแบบระบบปรับอากาศและระบายอากาศได้ อากาศภายนอกที่ต้องนำเข้าภายในอาคารคำนวณได้ตามสมการที่ 5.

ระบบควบคุมความดันในอาคาร อัตราการส่งอากาศภายนอกจากการคำนวณตามสมการที่ 5.จะใช้สร้างความดันภายในอาคารให้เป็นบวกเพื่อไม่ให้อากาศภายนอกซึมทะลุเข้ามาภายในอาคาร การควบคุมความดันคือการปรับอัตราการส่งอากาศทำได้หลายวิธีดังนี้

· ปรับด้วยมือ

· ความเร็วรอบพัดลม

· ควบคุมความดันแตกต่าง DP(differential pressure)

· อัตราการไหลชดเชย

อาคารใหม่ๆจะใช้การควบคุมแบบ DP และอัตราการไหลชดเชย ค่าความดันแตกต่าง DP ของแต่ละพื้นที่จะควบคุมด้วยเซนเซอร์ ให้ความดันแตกต่างของพื้นที่กับภายนอกอยู่ระหว่าง 0.25 –12.5 Pa ซึ่งต้องใช้อุปกรณ์วัดที่ละเอียดและแม่นยำ แต่มีปัญหาเรื่องการวางเซนเซอร์ ช่องรับความดันนอกอาคารจะต้องหลีกเลี่ยงทิศทางลมและไม่อยู่ที่ผนังแนวดิ่งป้องกันผลกระทบปล่องควันที่ด้านนอกอาคาร ตำแหน่งที่ดีที่สุดคือเหนือหลังคา 4.6 ม.

อัตราการไหลชดเชยเป็นวิธีที่ง่ายและสามารถใช้ควบคุมความดันด้านบวกในอาคารได้ดี โดยควบคุมอัตราการไหลลมจ่ายและลมกลับให้มีอัตราชดเชยพอหมาะด้วยชุดควบคุม อากาศชดเชยจะทำหน้าที่สร้างความดันโดยอากาศจะซึมทะลุออก แทนที่อากาศภายนอกจะซึมทะลุเข้าในอาคาร ระบบนี้ต้องใช้อุปกรณ์วัดอัตราการไหลจำนวนมาก จึงมีต้นทุนสูงกว่าแบบ DP

รูปที่ 4.แสดงระบบควบคุมแบบอัตราการไหลชดเชยซึ่งใช้เครื่องเป่าลมเย็นจ่ายลมเย็นให้อาคารหลายชั้นเพื่อควบคุมความดันอากาศแต่ละชั้น และติดตั้งอุปกรณ์วัดความดันแตกต่างระหว่างอากาศภายในที่ชั้นพื้นกับความดันอากาศภายนอกที่เหนือหลังคา ชุดควบคุมจะสั่งปรับลมที่ท่อลมกลับแต่ละชั้นเพื่อให้มีอากาศชดเชยเพื่อให้มีความดันในอาคารตามความดันแตกต่างที่วัดได้

รูปที่ 4.เครื่องเป่าลมเย็นจ่ายลมเย็นและควบคุมความดันแต่ละชั้น(จาก SmithGroup)

กรอบอาคาร กรอบอาคารแบบเดิมใช้การก่ออิฐฉาบปูนบนคานพื้น และติดตั้งหน้าต่างในวงกบ จะมีการซึมทะลุผ่านขอบหน้าต่าง เมื่อผ่านการใช้งานมีความสั่นสะเทือน การยืดหดตัวเนื่องจากอุณหภูมิแตกต่าง ความเสื่อมของวัสดุเนื่องจากความชื้นและความร้อน และอื่นๆ ทำให้เกิดรอยแยก/รอยร้าว ทำให้มีการซึมทะลุมากขึ้น อาคารสูงสมับใหม่จึงนิยมใช้ Curtain walls ซึ่งผนังอาจทำด้วยกระจก แผงโลหะ แผ่นหิน โครงผนังจะไม่รับแรงจากพื้น หลังคา แต่จะฝากแรงลมและน้ำหนักของผนังกับโครงสร้างของอาคาร แบ่งลักษณะตามการก่อสร้างเป็น stick systemsซึ่งเหมาะสำหรับอาคารขนาดเล็ก ประกอบหน้างานทีละชิ้น ต้องมีช่างชำนาญ มีค่าแรงการติดตั้งสูง จึงมีข้อจำกัดในเรื่องราคาและคุณภาพการติดตั้ง และ unitized (modular) systems ซึ่งเหมาะสำหรับอาตารขนาดใหญ่/อาคารสูงเพราะ stick systems

การติดตั้งทั้งสองระบบจะต้องมีรายละเอียดการระบายน้ำ การป้องกันอากาศรั่ว และการป้องกันความร้อนจากกรอบโลหะระบบกันรั่วแบ่งเป็น Face-sealed, water-managed และpressure-equalized(PE) ระบบ Face-sealedใช้วัสดุป้องกันการรั่วระหว่างชอบแผ่นผนังแต่ละแผ่นและกรอบ เมื่อมีการยืดหดตัวหรือปัญหาจากการติดตั้งจะเกิดการรั่วไหลมากจึงควรหลีกเลี่ยง

แบบ water-managedจะมีวัสดุกันรั่วเช่นเดียวกับระบบแรกและมีรูระบายน้ำซึ่งอาจรั่วผ่านเข้ามาในระหว่างผนังออกไปภายนอก และแบบ PEจะมีวัสดุกันรั่วที่ด้านในอีกชั้นหนี่งทำให้รูระบายน้ำทำหน้าที่ปรับความดันอากาศในช่องผนังและความดันภายนอกให้ใกล้เคียงกันลดแรงผลักน้ำฝนผ่านวัสดุกันรั่วด้านนอก และรูเดียวกันนี้ก็จะระบายน้ำที่อาจรั่วเข้ามาออกเมื่อความดันลดลง จึงเป็นระบบป้องกันการรั่วไหลของอากาศและน้ำฝนเข้าในอาคารได้ดีที่สุด

The National Association of Architectural Metal Manufacturers กำหนดให้การซึมทะลุผ่านกรอบอาคารสูงสุด 300 cm3/(s·m2) เมื่อมีความดันแตกต่าง 75 Pa ไม่รวมที่ผ่านหน้าต่างที่เปิดได้ แต่จากการตรวจวัดอาคารต่างๆโดยPersily/Grot(1986) พบการซึมทะลุ 1080 -5220 cm3/(s·m2) มากกว่าที่คาดไว้มากจึงแนะนำให้ใช้การซึมทะลุ/พื้นที่กรอบอาคาร 500/1500 และ 3000 cm3/(s·m2) สำหรับอาคารที่แน่น/เฉลี่ย/รั่ว ตามลำดับ

(Tamura and Shaw1976a). Grot and Persily(1986) พบว่ากรอบอาคารของอาคารสำนักงานขณะนั้น 8อาคารมีการซึมทะลุระหว่าง 0.1 -0.6 ACH เมื่อไม่เติมอากาศภายนอกขึ้นกับสภาพอากาศ ซึ่งค่าเหล่านี้ทดสอบที่ความดันแตกต่าง 75 Pa ซึ่งข้อมูลของไทยมีความดันภายนอกจากลมสูงสุดเพียง 9.06 Pa เท่านั้น การออกแบบโดยใช้การซึมทะลุ 0.2 ACH น่าจะเพียงพอสำหรับอาคารที่ใช้ Curtain walls เป็นกรอบอาคารในประเทศไทย

มาตรฐานกรอบอาคารและการทดสอบ ต่อไปนี้เป็นเอกสารอ้างอิงเพื่อใช้ศึกษาเรื่องกรอบอาคารสำหรับการออกแบบและการทดสอบเพื่อการปรับแต่งระบบเพื่อลดอากาศภายนอกที่เติมเข้าอาคาร

CURTAIN WALL DESIGN AND SELECTION

AAMA Aluminum Curtain Wall Design Guide Manual

THERMAL PERFORMANCE

AAMA 1503 Voluntary Standards for Thermal Transmittance and Performance

AAMA 501.5 Test Method for Thermal Cycling of Exterior Walls

NFRC 100 Procedure for Determining Fenestration Product U-Factors

SOLAR HEAT GAIN COEFFICIENT

NFRC 200 Procedure for Determining Fenestration Product Solar Heat Gain Coef

AIR INFILTRATION

AAMA 501 Methods of Test for Exterior Walls

ASTM E283 (https://www.astm.org/Standards/E283.htm) (laboratory)

ASTM E783 (https://www.astm.org/Standards/E783.htm) (field)

NFRC 400 Procedure for Determining Fenestration Product Air Leakage

WATER PENETRATION RESISTANCE

AAMA 501.1 Methods of Tests for Exterior Walls - Dynamic Test

AAMA 501.2 Methods of Tests for Exterior Walls - Hose Test

ASTM E331 (https://www.astm.org/Standards/E331.htm) (laboratory)

ASTM E547 (https://www.astm.org/Standards/E547.htm) (laboratory)

ASTM E1105 (https://www.astm.org/Standards/E1105.htm) (field)

ส่งท้าย

การซึมทะลุทำให้เกิดปัญหาความชื้น การกลั่นตัว ฝุ่นละออง ความสกปรกในอาคาร ระบบปรับอากาศทำงานไม่บรรลุความมุ่งหมาย การควบคุมความดันภายในอาคารจะป้องกันการซึมทะลุได้ และการปรับปรุงกรอบอาคารทำให้การใช้พลังงานสำหรับระบบปรับอากาศลดลง การออกแบบระบบปรับอากาศจึงต้องมีระบบควบคุมความดันในอาคารซึ่งต้องปรับเปลี่ยนการทำงานของระบบตลอดเพื่อให้เหมาะสมกับการใช้งานอาคาร