พาสเจอร์ไรส์น้ำดื่มด้วยฮีทปั๊ม

เชื้อโรคที่อาศัยและเจริญเติบโตในน้ำได้แก่ ลิจีเนลล่า(Legionella) อีโคไล(e coli) และอื่นๆ ลิจีเนลล่าเป็นแบคทีเรียที่ทำให้เกิดโรคทางเดินหายใจ ผู้ป่วยจะมีอาการเหมือนปอดบวมและเสียชีวิตถ้ารักษาไม่ทัน น้ำประปาจากโรงผลิตปราศจากเชื้อเพราะมีกระบวนการฆ่าเชื้อ แต่เมื่อผ่านระบบท่อกระจายน้ำอาจเกิดการปนเปื้อน สำหรับประเทศที่มีอุณหภูมิต่ำกว่า 20oซ (จากตารางที่ 1.) อุณหภูมิน้ำไม่เอื้อต่อการเจริญเติบโตของเชื้อ เชื้อมีปริมาณไม่มากพอที่จะทำให้เกิดอันตรายต่อสุขภาพของผู้ใช้ แต่มีความเสี่ยงเฉพาะในส่วนชองท่อที่อุณหภูมิสูงกว่า20oซ ซึ่งเชื้อสามารถเพิ่มจำนวนได้แบบทวีคูณ ได้แก่บริเวณที่น้ำร้อนค้างท่อจากท่อดิ่งมาที่สุขภัณฑ์ และบริเวณจากท่อน้ำกลับมาที่เครื่องทำน้ำร้อน

ตารางที่ 1.ผลของอุณหภูมิที่มีต่อการเจริญเติบโตของเชื้อลิจีเนลล่า

กลุ่มประเทศประชาคมยุโรปจึงมีข้อแนะนำเพื่อการควบคุมเชื้อลิจีเนลล่าและเชื้ออึ่นๆเฉพาะสำหรับระบบน้ำร้อน โดยใช้อุณหภูมิระบบน้ำร้อน แต่ไม่คำนึงถึงระบบน้ำใช้ ข้อแนะนำคือให้น้ำร้อนที่ออกจากเครื่องทำน้ำร้อนมีอุณหภูมิไม่ต่ำกว่า 60oซ และต้องมีระบบท่อหมุนเวียนเพื่อให้อุณหภูมิน้ำที่กลับมาที่ถังเก็บน้ำร้อน55oซ ในทางปฏิบัติไม่ต่ำกว่า 50oซ ท่อน้ำที่จ่ายจะต้องสามารถจ่ายน้ำร้อนที่จุดใช้งานได้ 55oซ ในทางปฏิบัติไม่ต่ำกว่า 50oซ ภายในระยะเวลา 1 นาทีหลังจากที่เปิด อุณหภูมิที่ท่อน้ำร้อนออกจากถังเก็บน้ำร้อนต้องไม่ต่ำกว่า 50oซ เกิน 20 นาทีภายใน 1วัน และหลังจาก 1 นาทีอุณหภูมิน้ำร้อนต้องไม่เปลี่ยนแปลงเกิน 10oซ

สำหรับการฆ่าเชื้อลิจีเนลล่าด้วยอุณหภูมิน้ำร้อนนั้นทางประชาคมยุโรปแนะนำไว้ 2 วิธี คือการใช้น้ำร้อนอุณหภูมิ 70-80oซ เก็บในถังเก็บน้ำร้อนและหมุนเวียนน้ำนี้ผ่านระบบท่อทั้งหมดเป็นเวลา3 วัน และเปิดให้น้ำออกจากจุดใช้เป็นเวลา 5 นาที ที่อุณหภูมิไม่ต่ำกว่า 65oซ หรืออีกวิธีหนึ่งที่มักจะใช้กันทั้งโรงแรมและโรงพยาบาลคือการหมุนเวียนน้ำที่อุณหภูมิ 60oซ อุณหภูมิน้ำร้อนที่จุดใช้ไม่ต่ำกว่า 55oซ ในทางปฏิบัติไม่ต่ำกว่า 50oซ เป็นเวลา 1 นาทีที่เปิดใช้น้ำร้อน

บ้านเรามีอุณหภูมิของน้ำ20-45oซ เชื้อลิจิเนลล่าและอื่นๆจึงเจริญเติบโตได้เป็นอย่างดี การประปาใช้คลอรีนฆ่าเชื้อซึ่งคลอรีนเสื่อมสภาพตามระยะเวลาเมื่อผ่านระบบท่อกระจายน้ำประปาและอยู่ในถังเก็บ(ทุกอาคารจะใช้ถังน้ำเพื่อการสำรองน้ำอย่างน้อยสำหรับใช้ได้หนึ่งวัน) อาจมีการปนปื้อนเชื้อในถังเก็บน้ำและกระจายไปทั่วทั้งอาคารได้ ไม่ควรใช้คลอรีนฆ่าเชื้อระบบน้ำดื่มในอาคารเพราะอนุพันธ์ของคลอรีนเป็นสารก่อมะเร็ง การฆ่าเชื่อด้วยความร้อนจึงเป็นวิธีที่ปลอดภัยที่สุด ฮีตปั๊มเป็นอุปกรณ์ที่ให้ความร้อนราคาถูกที่สุดและให้ความเย็นเป็นผลพลอยได้ทำให้สามารถใช้ฆ่าเชื้อทั้งในน้ำใช้ น้ำดื่ม และระบบน้ำร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพจึงเป็นอีกทางเลือกหนึ่งที่ควรพิจารณา

การพาสเจอไรส์ (pasteurization)

พาสเจอร์ไรส์เป็นเทคนิคการฆ่าเชื้อด้วยความร้อนอุณหภูมิต่ำ ตั้งชื่อเพื่อให้เกียรติแก่ หลุยส์ ปาสเตอร์ (Louis Pasteur)นักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศสที่คิดค้นเทคนิคการฆ่าเชื้อจุลชีพในเหล้าไวน์ระหว่างปี พ.ศ. 2407-2408 ใช้อุณหภูมิ 50–60oซ เนื่องจากอุณหภูมิสูงจะทำให้รสและกลิ่นของไวน์เปลี่ยนไป ต่อมาก็นำมาใช้กับผลิตภัณฑ์อื่นๆเพื่อการเก็บรักษา

วิธีการพาสเจอร์ไรส์ที่นิยมใช้มี 2 วิธีได้แก่

1. ใช้อุณหภูมิต่ำ - เวลานาน (LTLT : Low Temperature - Long Time) วิธีนี้ใช้ความร้อน โดยให้ผลิตภัณฑ์มีอุณหภูมิ 62.8 - 65.6ซ เป็นระยะเวลา 30 นาที เมื่อผ่านความร้อนโดยใช้เวลาตามที่กำหนดแล้ว ต้องลดอุณหภูมิของผลิตภัณฑ์ลงอย่างรวดเร็ว

2. ใช้อุณหภูมิสูง - เวลาสั้น (HTST : High Temperature - Short Time) วิธีนี้ให้ความร้อน โดยใช้อุณหภูมิสูงกว่าวิธีแรก แต่ใช้เวลาน้อยกว่าคืออุณหภูมิ 71.1oซ คงไว้เป็นระยะเวลา 15 วินาที เมื่อผ่านความร้อนโดยใช้เวลาตามที่กำหนดแล้ว ต้องลดอุณหภูมิของผลิตภัณฑ์ลงอย่างรวดเร็วเช่นเดียวกันคุณภาพอากาศในอาคาร

เมื่อเทียบการพาสเจอร์ไรส์กับข้อแนะนำการควบคุมเขื้อในระบบน้ำร้อนและตารางที่ 1.จะเห็นว่าเป็นวิธีเดียวกัน แตกต่างกันที่เมื่อพาสเจอร์ไรส์แล้วก็ต้องเก็บเพื่อรอการใช้ เนื่องจากระบบน้ำของอาคารใช้น้ำเฉพาะในเวลาที่ต้องการ ไม่ต่อเนื่องและไม่สม่ำเสมอ การเก็บน้ำอุณหภูมิปกติจึงเสี่บงกับการปนเปื้อน การคุมเชื้อด้วยอุณหภูมิตามข้อแนะนำจึงเหมาะสมสำหรับงานอาคารมากกว่าเพราะเก็บน้ำที่อุณหภูมิสูง

การทำงานของฮีตปั๊ม

ฮีตปั๊มเป็นเครื่องให้ความร้อนพลังงานทดแทน ใช้พลังงานไฟฟ้าเพิ่มศักย์ให้กับพลังงานความร้อนในธรรมชาติเพื่อนำความร้อนนี้มาใช้ประโยชน์ ฮีตปั๊มมีหลักการทำงานและอุปกรณ์แบบเดียวเครื่องทำความเย็น ประกอบด้วยคอยล์เย็น คอยล์ร้อน เอ็กซ์แปนด์ชั่นวาล์ว และคอมเพรสเซอร์ สำหรับการคุมเชื้อในอาคารใช้ฮีตปั๊มได้2แบบ ได้แก่แบบอากาศสู่น้ำ(air to water heatpump)ซึ่งใช้คอยล์ร้อนเป็นSPHE(Soldering plate heat exchanger) คอยล์เย็นเป็นแบบplate-fin type และแบบน้ำสู่น้ำ(water to water heatpump) ซึ่งใช้คอยล์ร้อนและคอยล์เย็นเป็นSPHE

รูปที่ 1. ฮีตปั๊มแบบอากาศสู่น้ำ COPcooling 2.79, COPheating 3.79

รูปที่ 2. ฮีตปั๊มแบบอากาศสู่น้ำ COPcooling 3.46, COPheating 3.79

รูปที่ 1.แสดงอุปกรณ์และการทำงานของฮีตปั๊มแบบกาศสู่น้ำ อุณหภูมิคอยล์ร้อนของฮีตปั๊ม68oซ เพื่อทำน้ำร้อน65oซ เติมเข้าถังเก็บน้ำร้อนจนอุณหภูมิน้ำในถังได้60oซ จึงจะสั่งหยุดฮีตปั๊ม น้ำที่ใช้ทำน้ำร้อนมาจากการผสมของน้ำเติมกับน้ำกลับจึงให้มี SC(Sub cooled) 5oซ อุณหภูมิอากาศ 35oซ จึงให้อุณหภูมิคอยล์เย็น 12.5oซ SH(Super heat) 8o ซ ได้COP cooling(ประสิทธิภาพการทำความเย็น)=2.79 และCOP heating(ประสิทธิภาพการทำความร้อน)=3.79

รูปที่ 2.เพิ่มชุดระบายความร้อนด้วยอากาศ(Sub-cooler)เพื่อเพิ่มSC=23oซ ได้ความเย็นเพิ่มทำให้COP cooling =3.46 แต่ด้านความร้อนที่ชุอระบายความร้อนนั้นทิ้งไปจึงได้ความร้อนเท่าเดิม COP heating เท่าเดิม

รูปที่ 3. ฮีตปั๊มแบบน้ำสู่น้ำ COP cooling 2.2, COP heating 3.2

รูปที่ 4. ฮีตปั๊มแบบน้ำสู่น้ำ COPcooling 3.2, COP heating 3.2

รูปที่ 3.ใช้น้ำเย็นกลับจากระบบปรับอากาศ12oซ เป็นแหล่งความร้อนจึงเลือกอุณหภูมิคอยล์เย็น4oซ SH 5 เพื่อทำน้ำเย็น7oซ.ให้ระบบปรับอากาศ ได้COP cooling=2.2 และCOP heating=3.2

รูปที่ 4.เพิ่มชุดระบายความร้อนด้วยน้ำจากถังเก็บน้ำใช้(Sub-cooler) เพิ่มSCเป็น37oซ ได้ความเย็นเพิ่มทำให้COP cooling =3.2 แต่ด้านความร้อนที่ชุดระบายความร้อนนั้นน้อยจึงได้ความร้อนเท่าเดิม COP heating เท่าเดิม

ฮีตปั๊มให้ความร้อนได้มากกว่าไฟฟ้าที่ใช้ ต้นทุนความร้อนที่ได้จากฮีตปั๊มจึงมีราคาถูกกว่าแหล่งความร้อนอื่น ๆ ตามตารางที่ 2. เมื่อใช้พลังงานน้อยทำความร้อนได้มากฮีตปั๊มจึงช่วยลดการเกิดก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์จากความร้อนที่ใช้เชื้อเพลิงอื่นๆตามตารางที่ 3. ซึ่งเป็นการลดปัญหาโลกร้อน ไม่นับความเย็นที่ได้จากคอยล์เย็นซึ่งถ้าสามารถนำความเย็นไปใช้ได้ด้วยจะทำให้ลดได้ทั้งค่าพลังงานความร้อน ความเย็น และสภาพแวดล้อมแบบทวีคูณ

ตารางที่ 2. ต้นทุนความร้อนของแหล่งความร้อนชนิดต่างๆของอาคาร (ราคาเมื่อ14 มค.2559)

ตารางที่ 3. เปรียบเทียบการเกิดก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์จากการใช้แหล่งความ้อนต่างๆ

ตัวอย่างที่ 1.โรงเรมขนาด300ห้องใช้น้ำทั้งสิ้น150,000ลิตร/วัน ใช้น้ำสูงสุด30,000ลิตร/ชม. เป็นการใช้น้ำร้อน30,000 ลิตร/วัน ใช้น้ำร้อนสูงสุด10,000ลิตร/ชม. รูปที่ 5.เป็นแผนผังระบบท่อน้ำที่ใช้สำหรับการฆ่าเชื้อ น้ำในถังเก็บน้ำ28oซ จะถูกส่งไปใช้ทั้งอาคารโดยบูสเตอร์ปั๊ม ผ่านการฆ่าเชิอด้วยอุณหภูมิ60oซ และเก็บไว้ที่อุณหภูมิไม่ต่ำกว่า55oซ เป็นเวลา5ชม,

ถ้าแยกการคุมเชื้อในน้ำใช้จากระบบน้ำร้อนสำหรับห้องพักตามรูปที่ 5. หลังจากที่เติมน้ำเต็มระบบคุมเชื้อ เริ่มทำน้ำร้อนด้วยการใช้เครื่องสูบน้ำในฮีตปั๊มหมุนเวียนน้ำในวงจรถังน้ำร้อนเพื่อเพิ่มอุณหภูมิน้ำร้อนมาเก็บที่ถังเก็บน้ำร้อนจนกว่าจะมีอุณหภูมิ60oซ เมื่อใช้น้ำ น้ำร้อนจากถังเก็บน้ำร้อนที่มีอุณหภูมิ60oซ จะไหลผ่านอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนกับน้ำที่เติมเข้าถังน้ำร้อนที่มีอุณหภูมิ28oซ ทำให้อุณหภูมิน้ำที่นำไปใช้ลดลงเหลือ31oซ และน้ำเติมจะมีอุณหภูมิสูงขึ้นก่อนรับความร้อนจากฮีตปั๊มเป็นน้ำร้อนเก็บเข้าถังน้ำร้อนจนมีอุณหภูมิ 60oซ การคำนวณขนาดฮีตปั๊มสำหรับฆ่าเชื้อและระบบน้ำร้อนสำหรับห้องพักได้ดังนี้

รูปที่ 5. แผนผังระบบท่อน้ำโรงแรมและโรงพยาบาลที่ใช้ฮีตปั๊มทำน้ำร้อนแยกชุดกับระบบคุมเชื้อในน้ำใช้

เพื่อให้ในถังเก็บน้ำมีอุณหภูมิ55-60oซ อย่างน้อย5ชม. ขนาดถังต้องใหญ่พอสำหรับเมื่อใช้น้ำสูงสุด2ชม.ไม่ทำให้อุณหภูมิน้ำในถังต่ำกว่า 55oซ

ปริมาณน้ำใช้สูงสุด = 30,000-10,000 = 20,000 ลิตร / ชม.

ปริมาณการใช้น้ำสูงสุด = 30,000 x 2 = 60,000 ลิตร

อัตราการใช้น้ำเฉลี่ย16ชม. = 150000/16 = 9,375 ลิตร / ชม.

ปริมาณการใช้น้ำสูงสุด5ชม. = 60000+9375*(5-2) = 88,125 ลิตร

ขนาดถังเก็บน้ำ = X ลิตร

ความร้อนจากฮีตปั๊ม = HP

ความร้อนเปลี่ยนแปลงในระบบ(5ชม.) = ความร้อนออกจากระบบ-ความร้อนเข้าระบบ

4.18*X*(60-55) = 4.18*88125*31+0.1*HP-4.18*88125*28-HP Assume

0.9*HP = 4.18*(88125*3-4.18*5*X

ขนาดของฮีตปั๊ม = (4.18*(88125*3-4.18*5*X)/0.9/5/3600 kW

ตารางที่ 4.ผลการคำนวณระบบควบคุมเชื้อตามตัวอย่างข้างต้นเมื่อเปลี่ยนขนาดถังเก็บน้ำร้อน

น้ำร้อนสำหรับห้องพัก คำนวณในวิธีเดียวกันเพื่อคุมเชื้อ ให้ loss=20%

อัตราการใช้น้ำเฉลี่ย16ชม. = 30000/16 = 1,875 ลิตร / ชม.

ปริมาณการใช้น้ำสูงสุด5ชม. = 10000*2+1875*(5-2) = 25,625 ลิตร

ขนาดของฮีตปั๊ม =(4.18*(25625*(60-28)-4.18*5*X)/0.8/5/3600 kW

ตารางที่ 5.ผลการคำนวณระบบน้ำร้อนตามเมื่อเปลี่ยนขนาดถังเก็บน้ำร้อน

สรุป ฮีตปั๊มแบบอากาศสู่น้ำมีประสิทธิภาพดีกว่าแบบน้ำสู่น้ำจากการคำนวณแต่ในทางปฎิบีติสามารถใช้ความเย็นได้เนื่องจากเวลาที่ใช้ความเย็นไม่สม่ำเสมอการใช้ฮีตปั๊มแยยน้ำสู่น้ำจึงเหมาะสมกว่า จากตัวอย่างระบบคุมเชื้อใช้ฮีตปั๊ม30kW,2เครื่อง ถังเก็บน้ำร้อน8,000ลิตร ระบบน้ำร้อนใช้ฮีตปั๊มเครื่องขนาดเดียวกันกับระบบคุมเชื้อเพื่อให้สามารถทดแทนกันได้ ระบบน้ำร้อนใช้ฮีตปั๊ม30kW,4เครื่อง ถังเก็บน้ำร้อน20,000ลิตร ซึ่งจะได้น้ำเย็นรวมสูงสุด174.5kW(49.7TR)

ตัวอย่างที่ 2.จากตัวอย่างที่ 1.ให้ฮีตปั๊มเป็นระบบเดียวกัน ทำให้การบำรุงรักษาง่ายขึ้นจึงติดตั้งระบบท่อตามรูปที่ 6. น้ำร้อนจากถังเก็บจะจ่ายตรงไปที่ห้องพัก น้ำใช้จะส่งผ่านอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนเพื่อลดอุณหภูมิก่อนส่งไปใช้งาน

รูปที่ 6.แผนผังระบบท่อน้ำโรงแรมและโรงพยาบาลที่ใช้ฮีตปั๊มระบบเดียวเพื่อทำน้ำร้อนให้ห้องพักและฆ่าเชื้อในน้ำ

เช่นเดียวกับตัวอย่างที่ 1. Loss=2%

ปริมาณการใช้น้ำสูงสุด 5 ชั่วโมง = 88,125 +25,625 = 113,750 ลิตร

ขนาดของฮีตปั๊ม =(4.18*(25625*60+88125*31-113750*28)-4.18*5*X)/0.8/5/3600

ตารางที่ 6.ขนาดฮีตปั๊ม ใช้ไฟฟ้า ฮีตปั๊มให้ความเย็น ไฟฟ้าที่เครื่องทำน้ำเย็นใช้ทำความเย็นได้เท่ากันที่ขนาดถังเก็บต่างๆ

เปรียบเทียบระหว่างตัวอย่างที่ 1. และตัวอย่างที่ 2. การแยกระบบทำให้ขนาดฮีตปั๊มและถังเก็บน้ำร้อนเล็กกว่าจึงลงทุนน้อยกว่าและกินไฟน้อยกว่า

บทส่งท้าย

ได้เห็นแนวทางและวิธีการใช้ฮีตปั๊มเพื่อคุมเชื้อในน้ำทั้งหมดสำหรับอาคารโรงแรมและโรงพยาบาลโดยไม่ต้องใช้สารเคมี การแยกระบบฮีตปั๊มสำหรับคุมเชื้อจากระบบน้ำร้อนจะมีขนาดฮีตปั๊มและถังน้ำร้อนน้อยกว่าระบบฮีตปั๊มรวม และเมื่อใช้ความเย็นจากฮีตปั๊มหรับการปรับอากาศช่วยลดค่าไฟฟ้าของระบบทำความเย็น และลดค่าไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้นจากการใช้ฮีตปั๊มคุมเชื้อ การคุมเชื้อในน้ำใช้ของอาคารย่อมทำให้ต้นทุนของโครงการสูงขึ้นและทำให้ค่าซ่อมแซมบำรุงรักษาสูงขึ้นแต่จะช่วยในด้านสุขอนามัยของผู้เกี่ยวข้องกับอาคาร

เนื่องจากการใช้ฮีตปั๊มคุมเชื้อในอาคารเกี่ยวข้องกับทั้งระบบปรับอากาศและระบบท่อในอาคาร ผู้ออกแบบระบบปรับอากาศและผู้ออกแบบระบบท่อในอาคารจะต้องมีความรู้ความเข้าใจและทำงานประสานงานกันเพื่อให้ได้แบบที่ถูกต้อง ผู้ควบตุมงานก่อสร้างต้องเข้าใจวัตถุประสงค์ของแบบ ข้อกำหนดของแบบและเป้าหมายของงานเพื่อให้ได้งานที่มีคุณภาพเพื่อให้ได้ระบบที่ทำงานได้ตามวัตถุประสงค์

เอกสารอ้างอิง

1. European Guidelines for Control and Prevention of Travel Associated Legionnaire’s Disease; Produced by members of the European Surveillance Scheme for Travel Associated Legionnaire’s Disease Legionnaire’s Disease and the European Working Group and Legionella Infections: European Commission.

ใช้ฮีตปั๊มคุมเชื้อในโรงแรมและโรงพยาบาล; ปรเมธ ประเสริฐยิ่ง ; วารสาร เทคนิค เครื่องกล-ไฟฟ้า-อุตสาหการ ฉบับที่ 402 ปีที่ 34 กันยายน 2560