ข้อกำหนดประสิทธิภาพของพัดลม

ระบบปรับอากาศเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับงานอาคาร เป็นระบบที่ใช้พลังงานมากที่สุด พัดลมเป็นอุปกรณ์หลักของระบบปรับอากาศและระบายอากาศซึ่งใช้พลังงานประมาณ 18% ของพลังงานที่ใช้ทั้งอาคารทางพาณิชย์และอุตสาหกรรม การกำหนดมาตรฐานประสิทธิภาพของพัดลมจึงเป็นสิ่งสำคัญ มาตรฐานนี้จะช่วยผู้ออกแบบและผู้ใช้ให้เลือกพัดลมที่ประหยัดพลังงานได้ง่าย และใช้กลไกทางการตลาดผลักดันให้ผู้ผลิตพัฒนาประสิทธิภาพพัดลม

ต่อไปนี้เป็นความเป็นมาของการดำเนินการทำมาตรฐาน ข้อกำหนดเพื่อประหยัดพลังงานของพัดลมในสหรัฐอเมริกา เพื่อให้เข้าใจแนวทางพื้นฐาน และการนำข้อกำหนดไปใช้

มาตรฐานและข้อกำหนดของประสิทธิภาพพัดลม

ANSI/ASHRAE/IES 90.1-2013, Energy Standard for Buildings Except Low-Rise Residential Buildings, เป็นมาตรฐานแรกที่ระบุเป้าประสิทธิภาพต่ำสุดของพัดลม the U.S. Department of Energy (DOE) กำหนดให้ทุกรัฐในอเมริกาใช้มาตรฐานข้างต้นใน ค.ศ. 2016 และมีการปรับปรุงจากเดิมกำหนดให้ใช้ Fan Efficiency Grade (FEG) และปัจจุบันพัฒนา เป็น Fan Efficiency Index (FEI)

Fan Efficiency Grade (FEG)

FEG ตั้งขึ้นตามAMCA 205เป็นตัวเลขแสดงความสามารถของพัดลมที่เปลี่ยนพลังงานที่ใบเป็นพลังงานลมไม่รวมชุดขับ พัดลมขับตรงคือความสามารถในการเปลี่ยนพลังงานจากใบพัดเป็นพลังงานลม FEGจึงสะท้อนค่าประสิทธิภาพพลังงานของพัดลมทำให้วิศวกรสามารถเลือกพัดลมได้

ประสิทธิภาพรวมคำนวณตามวิธีการ AMCA Standard 210 จากอัตราการไหลของอากาศ ความดัน และพลังงาน. ประสิทธิภาพสถิตย์และประสิทธิภาพรวม(static and total efficiency) สามารถคำนวณได้ตามสมการต่อไปนี้:

Static Efficiency (SE) = CFM x Ps / (6343 x BHP) (1.)

Total Efficiency (TE) = CFM x Pt / (6343 x BHP) (2.)

เมื่อ CFM = อัตราการไหล, ลบ.ฟ./นาที

Ps = ความดันสถิตย์, นิ้วน้ำ

Pt = ความดันรวม, นิ้วน้ำ

BHP = Fan power input, hp

รูปที่ 1.FEG Curve คำนวณจากสมการข้างต้น เขียนในกราฟการทำงานของพัดลม(อัตราการไหลกับความดัน)

รูปที่ 1. กราฟการทำงานของพัดลมเป็นอัตราการไหลกับความดันสถิตย์ FEGเป็นค่าประสิทธิภาพรวมของพัดลมสูงสุดในเส้นประสิทธิภาพรวมของพัดลมที่จุดทำงานต่างๆเมื่อเขียนในกราฟของพัดลม

ข้อจำกัดของ FEG

ANSI/ASHRAE/IES 90.1-2013 กำหนดให้พัดลมมี fan-efficiency grade (FEG) 67 ขึ้นไป FEG เสนอโดย AMCA 205, Energy Efficiency Classification for Fans, ค่าประสิทธิภาพสูงสุดขึ้นกับขนาดใบและเป็นจุดที่ทำงานจุดเดียว FEGจึงไม่สามารถใช้ในการเลือกพัดลมได้ ซึ่งจะเห็นในตารางที่ 1.

ตารางที่ 1.เปรียบเทียบการทำงานพัดลม3แบบ เมื่ออัตราการไหลสูง ความดันต่ำ พัดลม sidewall propeller fan มีการใช้พลังงานน้อย แต่เมื่อเทียบFEGต่ำกว่ากำหนด FEGจึงไม่เหมาะสำหรับใช้เลือกพัดลม

เนื่องจากข้อจำกัดของFEG, ANSI/ASHRAE/IES 90.1-2013 ระบุให้ประสิทธิภานรวมที่ออกแบบอยู่ภายใน 15 %จากประสิทธิภานรวมสูงสุด. ข้อจำกัดของFEG ทำให้ต้องมีข้อยกเว้นประกอบอีกมากได้แก่

– พัดลมเดี่ยวและมอเตอร์ที่มีขนาด 5แรงม้าลงมา

– พัดลมที่ต่ออนุกรมหรือขนานที่ใช้มอเตอร์ร่วมกันชุดเดียว 5แรงม้าลงมาที่ทำงานเหมือนกับพัดลมชุดเดียว

– พัดลมที่เป็นส่วนหนึ่งของเครื่องตามSection 6.4.1.1.

– พัดลมที่ติดตั้งในอุปกรณ์ที่ใช้ลูกปีนและซีลจากอากาศหรือการประหยัดพลังงาน

– พัดลมระบายอากาศติดผนัง/หลังคา

– พัดลมที่ไม่อยู่ในขอบเขตของ AMCA 205.

– พัดลมที่จะใช้ในกรณีฉุกเฉินเท่านั้น

Fan Efficiency Index (FEI)

หลังจากรัฐต่างๆกำหนดตามDOEให้พัดลมทำงานเท่ากับหรือดีกว่าANSI/ASHRAE/IES 90.1-2013 DOEได้ปรับปรุงเพิ่ม maximum fan electrical power (FEP) สำหรับจุดใช้งานของพัดลม(อัตราการไหลและความดัน) FEPใช้สำหรับทำดรรชนี fan-energy indexes (FEI)คือ เพื่อใช้เปรียบเทียบการใช้พลังงานที่จุดใช้งาน

FEI = Baseline Fan Electrical Input Power / Electrical Input Power (3.)

FEI = FEPstd / FEPact เมื่อ Baseline power คำนวณจากอัตราการไหลและความดัน (4.)

FEPstd = (Q1+Qo).(P1+Po)/(6346+ƞtarget)+motor and drive loss

เมื่อ Q1 = อัตราการไหลที่ต้องการ, ลบ.ฟ./นาที

Qo = 250 ลบ.ฟ./นาที

P1 = ความดันรวมของพัดลม, นิ้วน้ำ

Po = 4.0 นิ้วน้ำ

ƞtarget= ประสิทธิภาพเป้าหมายของDOEเพื่อการประหยัดพลังงาน

ประสิทธิภาพเป้าหมาย ƞtarget Efficiency advocates และ AMCA แนะนำให้ใช้จากการสำรวจพัดลมที่จำหน่ายในปี ค.ศ.2012 เพื่อหาประสิทธิภาพเป้าหมายโดยตั้งเป้าหมายแล้วตรวจสอบจากพัดลมที่ผลิตอยู่ว่าได้ประสิทธิภาพไม่ได้ตามเป้าหมาย weight average ไม่เกิน 25% สรุปประสิทธิภาพเป้าหมายของพัดลมปรเภทต่างๆดังนี้

– Belt-drive centrifugal-powered roof ventilators: 35% of selections

– Belt-drive axial-powered roof ventilators: 50% of selections

– Belt-drive in-line centrifugal and mixed-flow fans: 40% of selections

– Belt-drive forward-curved fans: 45% of selection

FEI คำนวณจากความดันสถิตย์เมื่อพัดลมจ่ายลมอิสระ และใช้ความดันรวมสำหรับพัดลมใช้สำหรับท่อลม ผู้ผลิตจะต้องกำหนดรุ่นพัดลมให้เป็นตามข้อกำหนด FEI ต้องเท่ากับหรือมากกว่า 1.0 (พลังงานที่ต้องการต้องเท่ากับหรือน้อยกว่าพลังงานพื้นฐาน) ผู้ผลิตจะต้องนำเสนอ FEI เพื่อให้ผู้ออกแบบระบบพัดลมสามารถเลือกพัดลมจากตารางแค็ตตาล็อกหรือซอฟท์แวร์สำหรับเลือกตามตารางที่ 2. และ 3

ตารางที่ 2.แสดงตารางการทำงานของพัดลมที่ระบุค่าfan-energy index(FEI). เพื่อใช้เลือกพัดลม ช้อกำหนดในอนาคตจะให้แสดงเฉพาะข้อมูลการทำงานตามข้อกำหนดเท่านั้น(FEI เท่ากับหรือมากกว่า 1.0).

ตารางที่ 3.แสดงผลการเลือกพัดลมเมื่อใช้ซอฟท์แวร์เลือกพัดลมขนาดต่างๆเพื่อส่งอากาศ 10,000 cfm ที่ 3.0 in. wg. The baseline (or maximum allowed) ตามที่ต้องการ 7.96 bhp. ช้อกำหนดในอนาคตจะให้แสดงเฉพาะข้อมูลการทำงานตามข้อกำหนดเท่านั้น(FEI เท่ากับหรือมากกว่า 1.0)

FEI metric/ FEI bubble

เพื่อให้อ่านการทำงานและตัดสินใจเลือกพัดลมที่มีประสิทธิภาพได้ง่ายขึ้น จึงได้จัดให้แสดงเส้น EFI =1.0, 1.1, 1.2 ในกราฟแสดงการทำงานของพัดลม เมื่อเห็นข้อมูลFEIของจุดทำงานของพัดลมได้ง่าย ผู้ออกแบบหรือผู้ใช้งานสามารถตัดสินใจเลือกพัดลมที่ราคาสูงขึ้นแลกกับการประหยัดพลังงานที่คุ้มค่าได้ ตัวอย่างเช่นที่จุดทำงานของพัดลม พัดลมที่มี FEI 1.2 จะประหยัดพลังงานกว่าพัดลมที่มี FEI 1.0 ถึง 20%

เมื่อนำเสนอการทำงานของพัดลมพร้อมด้วยเส้นFEI พัดลมที่มีประสิทธิภาพสูงตามรูปที่ 2.ซ้าย จะมีการเลือกใช้มากกว่าพัดลมประสิทธิภาพต่ำตามรูปที่ 2.ขวา พัดลมที่ดีจะมีการตลาดที่ดี ผู้ผลิตก็จะพัฒนาประสิทธิภาพพัดลมให้ดีขึ้น ในอนาคตประสิทธิภาพเป้าหมายจะเพิ่มขึ้น ถ้าเพิ่มขึ้นไม่เร็วพอก็สามารถกำหนดเพิ่ม FEI เป็น 1.1 เพื่อเพิ่มการประหยัดพลังงาน FEI เป็นข้อกำหนดใหม่ซึ่งผู้ผลิตจะต้องใช้เวลาเปลี่ยนแค็ตตาล็อก และเอกสารต่างๆตามข้อกำหนด

รูปที่ 2.แสดงการทำงานของพัดลมที่เส้นความเร็วรอบต่างๆกัน เพื่อให้เลือกพัดลมง่ายขึ้นจึงแสดงเส้นที่ FEI เท่ากัน ตามข้อกำหนดคือเท่ากับและมากกว่า 1.0

ส่งท้าย

ทุกวันนี้ผู้ออกแบบจะกำหนดจุดทำงานเพื่อการเลือกพัดลมให้ระบบทำงานได้เท่านั้น เรื่องประสิทธิภาพเป็นเรื่องรองที่ผู้รับเหมาและผู้ผลิตเป็นผู้นำเสนอซึ่งสุดท้ายคือมีราคาถูกที่สุด ถ้าไม่มีมาตรฐาน ข้อกำหนดให้ทุกฝ่ายปฏิบัติก็จะไม่สามารถประหยัดพลังงานได้

จาก FEG มาจนเปลี่ยนเป็น FEI ยังไม่เห็นดรรชนีทั้ง2ในแค็ตตาล็อกที่ใช้ในประเทศเรา อาจเป็นเพราะยังไม่มีมาตรฐานหรือข้อกำหนดของไทยอ้างถึง และผลิตภัณฑ์ที่มีจำหน่ายในประเทศมาจากสหรัฐอเมริกาน้อยมาก หลักการของ FEI metric คือการนำเสนอพัดลมที่มีการประหยัดพลังงานที่อ้างอิงได้ให้ตัดสินใจเลือกใช้ได้ง่าย ส่งเสริมผู้ผลิตให้ปรับปรุงประสิทธิภาพของพัดลมด้วยข้อบังคับและการตลาด

เอกสารอ้างอิง

– Update on U.S. Fan Energy-Efficiency Regulation, ANTHONY (TONY) ROSSI and MICHAEL WOLF, PE, Greenheck Fan Corp., Schofield, Wis. JUL 29, 2016

– Understanding the fan-efficiency rules, BY WADE W. SMITH, PE, WADE W. SMITH CONSULTING LLC, CHETEK, WIS. NOVEMBER 11, 2016, CONSULTING-SPECIFYING ENGINEER.

- A New Efficiency Metric for Fans Enables New Approaches for Regulations and Incentives, BY THE FAN REGULATION COMMITTEE. AMCA in Motion Fall 2017