ปรับปรุงAHUเพื่อการควบคุมความชื้น
การควบคุมความชื้นในห้องปรับอากาศมีหลายวืธี ทุกวิธีสามารถใช้ในการควบคุมความชื้นได้ตามความต้องการ แต่มีข้อดีข้อด้อยต่างกัน การปรับปรุงเครื่องเป่าลมเย็นAHU(Air-Handling Unit)) เพื่อให้ควบคุมความชื้นได้อย่างต่อเนื่อง โดยใช้อุปกรณ์เพิ่มเติมซึ่งต่อไปนี้จะเรียกว่าPHU(Packaged Humidity Control Unit) ช่วยให้ระบบปรับอากาศทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพและประหยัดพลังงาน สามารถสรุปข้อดีของการควบคุมความชื้นของการปรับปรุงAHUด้วยPHUได้ดังต่อไปนี้
1. PHUสามารถติดตั้งเข้ากับAHU ของระบบน้ำเย็นที่ติดตั้งใหม่และ AHUที่ติดตั้งแล้วไม่สามารถควบคุมความชื้นได้
2. สามารถคุมความชื้นสัมพัทธ์และจุดน้ำค้างต่ำกว่าระบบควบคุมความชื้นที่ใช้ระบบน้ำเย็น
3. สามารถปรับการทำงานได้อย่างต่อเนื่อง ควบคุมอุณหภูมิและความชื้นได้สม่ำเสมอ
4. สามารถยกเลิกการใช้เครื่องส่งอากาศภายนอก OAU(Outdoor Air Unit) หรือFAU(Fresh Air Unit) ทำให้ประหยัดค่าเครื่องส่งอากาศภายนอก และฉนวนท่อลมของอากาศภายนอก
5. เป็นระบบที่ใช้อัตราการไหลอากาศคงที่ ประหยัดพลังงานไฟฟ้าของพัดลมเพราะใช้อัตราการไหลอากาศน้อยที่สุด
6. ช่วยการประหยัดพลังงานของเครื่องทำน้ำเย็น ใช้อุณหภูมิน้ำเย็นสูงขึ้นได้ ลดภาระความร้อนของคอยล์เย็น
7. ประสิทธิภาพสูง ใช้พลังงานน้อย ไม่ใช้ฮีตเตอร์ไฟฟ้าและไม่ทำให้เกิดความร้อนเพิ่มให้กับห้อง
8. สามารถปรับการทำงานของคอยล์น้ำเย็นและคอยล์ PHU ตามภาระความร้อนของห้อง
9. ลดปัญหาอุณหภูมิน้ำเย็นแตกต่างต่ำLTDS(Low Temperature Differential Syndrome) ทำให้เครื่องทำน้ำเย็นไม่มีปัญหาการทำงาน Part load
ลักษณะการสร้าง PHU
PHU(Packaged Humidity Control Unit) ออกแบบเป็นหน่วยสำเร็จใข้ติดตั้งและทำงานร่วมกับเครื่องเป่าลมเย็นAHU เพื่อใช้ควบคุมความชื้น PHUประกอบด้วยต้วถัง ที่กรองอากาศ คอยล์น้ำเย็น พัดลม ฮีทปั๊ม และระบบควบคุม ตัวถังมีทั้งแบบแนวดิ่งและแบบแนวนอนเพื่อให้สามารถติดตั้งเข้ากับAHUแบบตั้งพื้นในแนวดิ่งและแบบที่วางในแนวราบได้
รูปที่ 1. ลักษณะการสร้าง PHU แสดงอุปกรณ์หลักและการจัดวางสำหรับแบบแนวดิ่งและแบบแนวนอน
รายละเอียดอุปกรณ์หลักและการทำงานของ PHU มีดังต่อไปนี้
1. การทำงานฮีทปั๊ม เป็นแบบ Variable Refrigerant Flow ซึ่งใช้คอมเพรสเซอร์แบบ Scroll type ปรับความเร็วรอบได้ ทำให้สามารถปรับเปลี่ยนการทำงานตามภาระความร้อนแฝงเพื่อควบคุมความชื้นของห้อง
2. คอยล์เย็น EV เป็นคอยล์น้ำยาแบบ Plate-fin type มีอุณหภูมิคอยล์ต่ำกว่าอุณหภูมิคอยล์น้ำเย็นจึงดึงน้ำได้มากกว่า
3. คอยล์ร้อนหรือคอนเดนเซอร์เป็นแบบPHE(Plate Heat Exchanger Soldering Type) ระบายความร้อนด้วยน้ำเย็นที่ออกจากคอยล์น้ำเย็น ทำให้อุณหภูมิคอยล์ร้อนต่ำและสามารถทำSub-cooledได้มาก ฮีทปั๊มจึงมีประสิทธิภาพความเย็นของสูงกว่าทั่วไป
4. Expansion valveเป็นแบบEEV(Electronic expansion valve สามารถควบคุมการไหลของสารทำความเย็นได้อัตโนมัติ
5. คอยล์เย็นCC-1 เป็นคอยล์น้ำเย็นแบบPlate-fin type ช่วยลดขนาดของฮีทปั๊มที่ใช้ในPHU
6. วาวล์ควบคุมน้ำเย็นสำหรับคอยล์เย็นCC-1 และCC-E เป็นแบบ 3-way mixing valve ใช้เพื่อควบคุมอัตราการไหลของน้ำเย็นผ่านคอยล์เย็นแต่ละชุด
7. ปั๊มหมุนเวียนCP(Circulating Pump) ใช้ส่งน้ำเย็นผ่านคอยล์เย็น CC-1, CC-E และ PHE
8. วาวล์ปรับสมดุลย์ (Balancing valve) ใช้เพื่อปรับอัตราการไหลของน้ำเย็นผ่านชุด PHU และ AHU ไม่ให้เกินอัตราการไหลสูงสุดเพื่อการประหยัดพลังงานของระบบน้ำเย็น
9. พัดลมเป็นอุปกรณ์เผื่อเลือกเพื่อใช้เมื่อต้องนำอากาศภายนอกไกลจากลมกลับของห้องปรับอากาศ และสามารถใช้ปรับรอบได้อัตโนมัติเพื่อปรับอัตราการส่งอากาศภายนอก FA ให้คงที่หรือให้เปลี่ยนตามความต้องการ
10. ที่กรองอากาศสามารถติดตั้งได้เที่ยบเท่ากับที่กรองอากาศของ AHU
11. ระบบควบคุมแบบไมโครโปรเซสเซอร์ใช้ควบคุมพัดลม EEV ตอมเพรสเซอร์และ 3-way mixing valve
12. สามารถเพิ่มระบบควบคุมพัดลมของ AHU และเซนเซอร์เพื่อปรับการทำงานของระบบให้ส่งลมเย็นให้ห้องในอัตราคงที่
การติดตั้ง
ขุด PHU จะนำมาวางประกบด้านหลังของ AHU สำหรับ AHU แนวดิ่ง และวางด้านบนสำหรับ AHU แนวนอน เจาะช่องลมให้อากาศถ่ายเทเข้าออกระหว่าง PHU และ AHU ได้ตามรูปที่ 2 ทำให้สามารถติดตั้งเข้ากับ AHU ของระบบน้ำเย็นที่ติดตั้งใหม่และ AHU ที่ติดตั้งแล้วมีปัญหาการควบคุมความชื้น
รูปที่ 2. การติดตั้ง PHU เข้ากับ AHU ทั้งแบบตั้งพื้นในแนวดิ่งและแบบที่วางในแนวราบ
ท่อน้ำยาสำหรับฮีทปั๊ม ปั๊มหมุนเวียน วาวล์ปรับสมดุล วาวล์ควบคุมน้ำเย็นของCC-1 และ PHE ติดตั้งสำเร็จรูปจากโรงงาน จะต้องเปลี่ยนวาวล์ควบคุมน้ำเย็นของ AHU และแก้ไขท่อน้ำเย็นของ AHU ตามขอบเขตรูปที่ 3.
รูปที่ 3. การติดตั้ง PHU เข้ากับ AHU แสดง piping diagram ระบบน้ำเย็น และฮีทปั๊ม
การทำงานของ PHU ร่วมกับ AHU
PHU+AHU ส่งลมเย็นให้ห้องปรับอากาศแบบอัตราการไหลคงที่ สามารถปรับอัตราการส่งอากาศภายนอกได้ถ้าต้องการด้วยการปรับรอบของพัดลม PHU ตามระบบ DCV เพื่อควบคุมความดันในห้อง และควบคุมอัตราการไหลของอากาศให้คงที่ด้วยการปรับรอบของพัดลม AHU เพื่อควบคุมความเร็วลมที่ท่อลม
การทำงานของ PHU ร่วมกับ AHU แสดงในไซโครเมตริกตามรูปที่ 4. สามารถใช้PHUร่วมกับAHUควบคุมอุณหภูมิและความชื้นห้องลงได้ถึง 20 C, 50%RH และRSHF0.85 สามารถอธิบายขั้นตอนและเหตุผลในการคำนวณออกแบบได้ดังต่อไปนี้
1. อากาศภายนอกผ่านคอยล์เย็น CC-1 เพื่อลดอุณหภูมิและความชื้นลง ทำให้สามารถเลือกขนาดของฮีทปั๊มได้เล็กลง
2. อากาศภายนอกในบางเวลามีความชื้นสูง ถ้าลดอุณหภูมิมากไปอาจเกิดละอองน้ำ(หมอก)หลุดจากคอยล์น้ำเย็น CC-1ถึงแม้ช่วงเวลาที่เกิดละอองน้ำจะน้อยมาก แต่ในระหว่างที่เกิดจะกระทบกับการควบคุมความชื้นในช่วงเวลานั้น จึงเลือกอุณหภูมิคอยล์เย็น CC-1 เพื่อป้องกันไม่ให้เกิดละอองน้ำหรือหมอกในช่วงสภาวะอากาศภายนอกมีความชื้นสูงสุด
3. อากาศจากคอยล์เย็น CC-1 จะผสมกับลมกลับที่แบ่งจาก AHU และเข้าคอยล์ EV เพื่อลดอุณหภูมิและความชื้น เนื่องจากคอยล์ EV ของฮีทปั๊มใช้น้ำยาทำความเย็นรับความร้อนจากอากาศที่ผ่านคอยล์เย็นและกลายเป็นไอที่อุณหภูมิคงที่ จึงสามารถใช้อุณหภูมิคอยล์เย็นต่ำกว่าศูนย์ได้ เมื่ออุณหภูมิคอยล์ต่ำกว่าทำให้ควบคุมอุณหภูมิและความชื้นได้ต่ำกว่าระบบน้ำเย็นที่ใช้อยู่ในปัจจุบัน
4. ดอยล์EVทำหน้าที่ดึงความร้อนแฝงทั้งหมดของห้อง ทั้งจากอากาศภายนอกและและภาระความร้อนแฝงของห้อง และดึงความร้อนสัมผัสส่วนหนึ่งทั้งจากอากาศภายนอกและและภาระความร้อนสัมผัสของห้อง
5. คอยล์เย็นCC-E ทำหน้าที่ดึงเฉพาะความร้อนสัมผัสส่วนที่เหลือจากคอยล์EV เพื่อลดอุณหภูมิโดยไม่ดึงความร้อนแฝงด้วยการควบคุมอุณหภูมิคอยล์ CC-Eให้สูงกว่าจุดน้ำค้างของอากาศที่เข้าคอยล์
6. อากาศจากคอยล์เย็น EV ผสมกับอากาศจากคอยล์เย็น CC-E แล้วปล่อยเข้าห้องเพื่อให้รับภาระความร้อนของห้องทั้งความร้อนสัมผัสและความร้อนแฝง
7. พัดลมของPHUเป็นพัดลมทางเลือกเมื่อต้องดึงอากาศภายนอกไกลเกินกว่าที่พัดลมAHUจะทำได้ และส่งอากาศที่ออกจากคอยล์เย็น EV ส่งให้ AHUผสมกับอากาศออกจากคอยล์เย็น CC-E และใช้พัดลมของAHU
8. เมื่อสภาวะอากาศภายนอกเปลี่ยน ระบบควบคุมจะปรับอัตราการไหลของน้ำเย็นเข้าคอยล์เย็น CC-1 เพื่อรักษาอุณหภูมิอากาศที่ออกจากคอยล์ให้คงที่ทำให้สภาวะอากาศที่ผสมเข้าคอยล์เย็น EV ค่อนช้างคงที่
9. เมื่อภาระความร้อนของห้องเปลี่ยน คอยล์เย็น EV ปรับการทำงานเพื่อควบคุมความร้อนแฝงที่เปลี่ยนเพื่อควบคุมความชื้นสัมพัทธ์ของห้องให้คงที่ ซึ่งมีผลกับความร้อนสัมผัสของห้องด้วยบางส่วน
10. คอยล์เย็น CC-E จะปรับการทำงานเพื่อควบคุมความร้อนสัมผัสที่เปลี่ยนเพื่อให้อุณหภูมิของห้องคงที่
11. CP, Circulating pump ใช้สำหรับเพิ่มความดันน้ำเนื่องจากน้ำต้องผ่านคอยล์น้ำเย็นCC-1, CC-E และPHEเพื่อระบายความร้อนให้ฮีทปั๊ม
12. ระบบควบคุมจะทำงานโดยอัตโนมัติเมื่อมีการเปลี่ยนแปลงของความร้อนภายในห้องหรือการเปลี่ยนแปลงของอากาศภายนอก
รูปที่ 4. ไซโครเมตริกแสดงการทำงานของ PHU ร่วมกับ AHU
การคำนวณ
อากาศที่จ่ายเข้าห้องจะรับความร้อนและความชื้นของห้องเพื่อใช้ควบคุมอุณหภูมิและความชื้นสัมพัทธ์ของห้อง การทำงานของระบบใช้การคำนวณร่วมกับไซโครเมตริก เริ่มจากอากาศภายในให้ใช้สภาวะอากาศที่ต้องการตามเกณฑ์เพื่อคุณภาพอากาศภายในห้องปรับอากาศ ส่วนอากาศภายนอกควรใช้สภาวะอากาศมีความชื้นสูงสุด(ASHRAE’s Outdoor Design Condition, Dehumidification)
การคำนวณภาระความร้อนของห้องต้องไม่รวมภาระความร้อนเนื่องจากการอากาศภายนอก ข้อมูลสำคัญจากการคำนวณภาระความร้อนได้แก่ ความร้อนสัมผัส ความร้อนทั้งหมดและสัดส่วนความร้อนสัมผัสของห้อง(RSHF, Room sensible heat factor) คำนวณตามหลักการทำงานและการเขียนไซโครเมตริกตามรูปที่ 4. มีขั้นตอนดังต่อไปนี้
1. คอยล์CC-Eเป็นคอยล์น้ำเย็นของAHU ควบคุมเฉพาะความร้อนสัมผัส ดังนั้นเส้นการทำงานของคอยล์จึงเป็นเส้นในแนวราบ จากจุดRM ลากเส้นCC-Eในแนวราบและเส้นRSHF มาทางเส้น100%RH
2. สมมุติอัตราการผสมอากาศภายนอกเริ่มต้น อัตราการผสมสูงขึ้นทำให้ขนาดฮีทปั๊มเล็กลง
3. จากสภาวะอากาศภายนอกลากเส้นการทำงานของคอยล์น้ำเย็นCC-1 ไม่ให้ตัดผ่านเส้น100%RHเพื่อไม่ให้เกิดหมอก
4. อัตราการไหลอากาศเข้าCC-1ได้จากเกณฑ์การระบายอากาศตามความต้องการหรือจากมาตรฐานอ้างอิง
5. เขียนเส้นCM (ผสมอากาศภายนอก) จากจุดCC-1 OUT และจุดRM ซึ่งจุดผสมอากาศซึ่งเป็นจุดที่อากาศเข้าคอยล์เย็น EV หรือจุดEV-IN
6. อัตราการไหลของอากาศเข้าคอยล์เย็นEVคำนวณจากอัตราการไหลของอากาศภายนอกCC-1 และอัตราการผสมอากาศภายนอก
7. ความร้อนแฝงและความร้อนสัมผัสของอากาศภายนอกที่กลายเป็นความร้อนของห้องคำนวณได้จากไซโครเมตริกเป็นความร้อนของอากาศภายนอกจากจุดCC-1 OUT มาที่จุดRM
8. ความร้อนสัมผัสของห้อง=ภาระความร้อนทั้งหมดของห้องจากการคำนวณxRSHF: ความร้อนแฝง=ความร้อนทั้งหมด-ความร้อนสัมผัส
9. คอยล์เย็นEVทำหน้าที่ดึงความร้อนแฝงทั้งหมดออก ความร้อนแฝงทั้งหมดชองคอยล์EV=ความร้อนแฝงข้อ 7+ข้อ 8
10. ลากเส้นการทำงานคอยล์เย็นEVจากจุดEV-IN ตัดเส้น100%RH ซึ่งเป็นอุณหภูมิของคอยล์เย็น ADP จุดที่อากาศออกจากคอยล์EVหรือEV-OUT เป็นจุดที่คอยล์มีBypass factor ตามที่ต้องการ
11. ปรับจุดADP บนเส้น100%RH โดยใช้อัตราการไหลของอากาศผ่านคอยล์EVตามข้อ6 จนได้ความร้อนแฝงตามข้อ 9.
ได้ค่าความร้อนสัมผัสของคอยล์EV
12. จากEV-OUTลากเส้นตรงSMเฉียดเส้น100%RH(ไม่ให้ตัด) และตัดเส้นRSHF ที่จุดRM ENT ซึ่งเป็นจุดจ่ายลมเย็นเข้าห้อง และตัดเส้นCC-Eเป็นจุดCC-E OUT
13. อัตราการไหลของอากาศที่จ่ายคำนวณจากจุดRM ENTและจุดRMซึ่งจะต้องเท่ากับภาระความร้อนของห้องปรับอากาศ และคำนวณอัตราการไหลของอากาศผ่านคอยล์เย็นCEจากผลต่างของอัตราการไหลของลมจ่ายและอัตราการไหลอากาศเข้าEVจากข้อ 6.
14. ใช้อัตราการไหลของอากาศของคอยล์น้ำเย็นCC-E คำนวณการทำงานของคอยล์CC-E
15. สามารถปรับค่าอัตราการผสมอากาศภายนอกแล้วคำนวณตามขั้นตอนข้างต้นได้ตามความต้องการ ถ้าเลือกอัตราการผสมสูงขึ้นจะทำให้ฮีทปั๊มมีขนาดลดลงแต่ทำให้จุดADPต่ำลงซึ่งทำให้ประสิทธิภาพฮีทปั๊มลดลง
16. คำนวณภาระความร้อนทั้งหมดของน้ำเย็นจากผลรวมความร้อนที่คอยล์CC-1 ความร้อนที่คอยล์CC-E และความร้อนที่ระบายจากฮีทปั๊ม อัตราการไหลของน้ำเย็นควรทำให้อุณหภูมิน้ำเย็นเข้าและออกต่างกัน 7
17. จากการคำนวณจะสามารถเลือกขนาดPHU และทราบการทำงานของAHUเพื่อปรับปรุงการทำงานให้เหมาะกับภาระความร้อนสูงสุดของห้อง
18. เมื่อสภาวะอากาศภายนอกและภาระความร้อนของห้องเปลี่ยนแปลง PHUและAHUสามารถปรับการทำงานตามได้อัตโนมัติ ไม่จำเป็นต้องใช้ฮีตเตอร์ไฟฟ้าและเครื่องส่งอากาศภายนอก(OAU, Outdoor air unit หรือ FAU, Fresh air unit)
ท่อลมสำหรับอากาศภายนอกไม่ต้องบุฉนวนเนื่องจากมีอุณหภูมิสูงกว่าอุณหภูมิห้อง เมื่อเปลี่ยนอัตราการระบายอากาศตามระบบ DCV (Demand Control Ventilation) อัตราการไหลของอากาศภายนอกสามารถปรับตามได้เนื่องจากการทำงานของคอยล์ต่างๆทั้งระบบน้ำเย็นและฮีทปั๊มสามารถปรับการทำงานได้อัตโนมัติ
ตัวอย่างการคำนวณPHU+AHU
ฮีทปั๊มใน PHU ทำอุณหภูมิคอยล์เย็นต่ำกว่าศูนย์ได้และมีอุณหภูมิคอยล์ร้อนต่ำเนื่องจากใช้น้ำเย็นระบายความร้อนโดยใช้คอยล์ร้อนแบบ PHE ทำให้มีค่า COP ระหว่าง 5 – 7 ซึ่งคอยล์น้ำเย็นในAHUใช้เครื่องทำน้ำเย็นแบบระบายความร้อนด้วยน้ำใช้พลังงานระหว่าง 0.62 – 0.8 kW/TR เท่ากับ COP ระหว่าง 4.4 – 5.7 ขึ้นกับขนาดของเครื่องทำน้ำเย็น ในตัวอย่างต่อไปนี้จะให้ฮีทปั๊มใน PHU มีค่า COP 6 เครื่องทำน้ำเย็นมีค่า COP 5.2
ตัวอย่างที่ 1. ห้องปรับอากาศมีภาระความร้อน35 kW สัดส่วนภาระความร้อนสัมผัส0.85 ความร้อนสัมผัส 0.85x35=29.75 kW สภาวะอากาศของห้อง 20 Cdb, 50%RH สภาวะอากาศภายนอก 29.9 Cdb, 27.2 Cwb ให้อัตราอากาศภายนอก 880 CMH ให้คอยล์เย็นทั้งหมดเป็นคอยล์ 4 แถว by-pass factor 0.13 มีขั้นตอนการคำนวณดังต่อไปนี้
– เขียนตำแหน่งสภาวะอากาศของห้องและอากาศภายนอกลงในไซโครเมตริกตามรูปที่ 5.
– ลากเส้นสัดส่วนภาระความร้อนสัมผัส 0.85 จากสภาวะอากาศของห้องRMไปที่เส้น100%RH
– ลากเส้นคอยล์เย็นCC-1 จากอากาศภายนอกมาที่เส้น100%RH เพื่อไม่ให้เกิดหมอก และให้อากาศออกจากคอยล์เย็น CC-1(จุดCC-1 OUTโดยมี by-pass factor 0.13) เท่ากับอุณหภูมิห้องเพื่อไม่ให้มีความร้อนสัมผัส
– อัตราการไหลอากาศภายนอก 880 CMH เท่ากับ 0.281 kg/s CC-1ต้องใช้ความเย็น 8.191 kW
– เขียนเส้นผสมอากาศ CM เชื่อมCC-1 OUTและRM ได้ความร้อนแฝงจากอากาศภายนอกที่ผ่านคอยล์เย็นCC-1เข้าห้อง= 5.155 kW
– ให้อัตราการผสมอากาศภายนอก 20% สามารถกำหนดจุดอากาศเข้าคอยล์เย็น EV-IN และอัตราการไหลอากาศเข้าคอยล์เย็นEV=0.281/0.2=1.405 kg/s
– ความร้อนแฝงทั้งหมด=35-29.75+5.155=10.41 kW
– ลากเส้นจากจุดEV IN ไปที่เส้น100%RH ที่จุดADP บนเส้นจะมีจุดEV OUTซึ่มี by-pass factor 0.13 ให้อัตราการไหลอากาศ1.405 kg/s ขยับจุดADPจนได้ความร้อนแฝง10.41 kW อ่านค่าความร้อนทั้งหมดของคอยล์EVได้29.218 kW
– ฮีทปั๊มใช้ไฟฟ้า=29.218/6=4.87 kWe ความร้อนที่ระบายจากฮีทปั๊มที่PHE=29.218+4.87=34.088 kW
– เขียนเส้นคอยล์ CC-E จากห้องมาที่เส้นความชื้นสัมพัทธ์ 100% โดยมี ให้สัดส่วนความร้อนสัมผัสSHF=1
– จากจุดEV OUTผสมอากาศSMเฉียดเส้น100%RH(ไม่ให้ตัด) ตัดเส้นRSHFที่จุดRM ENT ซึ่งเป็นจุดจ่ายลมเย็นเข้าห้อง และตัดเส้นCC-Eที่จุดCC-E OUT
– จากจุดRM ENTถึงRMคำนวณอัตราการไหลของลมจ่ายจากภาระความร้อนของห้อง 35 kW ได้ 2.447 kg/s
– อัตราการไหลของอากาศเข้าคอยล์CC-E=2.447-1.405=1.04 kg/s ซึ่งนำไปคำนวณความเย็นของคอยล์น้ำเย็นCC-E=10.944 kW
– น้ำเย็นรับความร้อนทั้งสิ้นจากCC-1, CC-EและPHE =8.191+10.944+34.088 =53.223 kW
– เครื่องทำน้ำเย็นใช้พลังงาน=53.223/5.2=10.24 kWe กำลังไฟฟ้าทั้งหมด=4.87+10.24=15.11 kWe
– อัตราการไหลน้ำเย็น=53.223/4.18/7=1.819 kg/s อุณหภูมิน้ำเย็นจ่ายมา 7 C อุณหภูมิน้ำเย็นกลับ 14 C
รูปที่ 5. ไซโครเมตริกแสดงการทำงานของ PHU ร่วมกับ AHU ตามตัวอย่างที่ 1.
เมื่อภาระความร้อนของห้องลดลง(Part Load) คอยล์น้ำเย็นCC-Eจะลดการทำงานทำให้จุดRM ENTเคลื่อนตาม รูปที่ 5. ให้การทำงานของCC-Eลดลงเหลือ 1.05 kW ภาระความร้อนของห้อง=25.062 kWหรือภาระความร้อนลดลง=25.062 /35x100 =71.6% เท่านั้น เนื่องจากฮีทปั๊มมีขนาดใหญ่จึงทำให้ไม่สามารถลดการทำงานของPHU+AHUลงตามภาระความร้อนได้มากพอ และค่าRSHF=0.791 ถ้าPart loadมีRSHF=0.85เท่าเดิมจะทำให้ความชื้นสัมพัทธ์ของห้องลดลง
เพิ่มอัตราการผสมอากาศภายนอกเป็น50% และคำนวณพร้อมไซโครเมตริกตามแบบเดิม สำหรับตัวอย่างที่1.นี้อัตราการผสมอากาศภายนอกสูงสุดโดยไม่เกิดหมอกจากคอยล์EVอยู่ที่ 30%
- อัตราการไหลของอากาศที่คอยล์เย็นEV=0.281/0.3=0.937 kg/s
- ลากเส้นจากจุดEV IN ไปที่เส้น100%RH ที่จุดADP บนเส้นจะมีจุดEV OUTซึ่มี by-pass factor 0.13 ให้อัตราการไหลอากาศ0.937kg/s ขยับจุดADPจนได้ความร้อนแฝง10.41 kW อ่านค่าความร้อนทั้งหมดของคอยล์EVได้ 25.431 kW และSHF=0.591
- ฮีทปั๊มใช้ไฟฟ้า=25.431/6=4.24 kWe ความร้อนที่ระบายจากฮีทปั๊มที่PHE=25.431+4.24=29.67 kW
- จากจุดEV OUTผสมอากาศSMเฉียดเส้น100%RH(ไม่ให้ตัด) ตัดเส้นRSHFที่จุดRM ENT
- จากจุดRM ENTถึงRMคำนวณอัตราการไหลของลมจ่ายจากภาระความร้อนของห้อง 35 kW ได้ 2.116 kg/s
- อัตราการไหลของอากาศเข้าคอยล์CC-E=2.116-0.937=1.179 kg/s ซึ่งนำไปคำนวณความเย็นของคอยล์น้ำเย็นCC-E=11.454 kW
- น้ำเย็นรับความร้อนทั้งสิ้นจากCC-1, CC-EและPHE =8.191+11.454+29.67=49.32 kW
- เครื่องทำน้ำเย็นใช้พลังงาน=49.32/5.2=9.48 กำลังไฟฟ้าทั้งหมด=4.24+9.48=13.72 kW
- อัตราการไหลน้ำเย็น=49.32/4.18/7=1.686 kg/s อุณหภูมิน้ำเย็นจ่ายมา 7 C อุณหภูมิน้ำเย็นกลับ 14 C
เมื่อภาระความร้อนของห้องลดลง(Part Load) คอยล์น้ำเย็นCC-Eจะลดการทำงานทำให้จุดRM ENTเคลื่อนตาม ให้การทำงานของCC-Eลดลงเหลือ 1.0 kW ภาระความร้อนของห้อง=2.988 kWหรือภาระความร้อนลดลง=26.988/35x100 =77,1% cฮีทปั๊มมีขนาดเล็กลงแต่ภาระความร้อนของห้องต่ำสุดกลับสูงขึ้นเป็นเพราะอัตราการผสมอากาศจ่ายเข้าห้องคงที่และไม่สามารถปรับจุดEV OUTตามCC-E OUTได้
เปรียบเทียบการทำงานของPHU+AHUตามตารางที่ 1. สรุปได้ว่าเมื่อเพิ่มอัตราการผสมอากาศภายนอกจะทำให้ฮีทปั๊มมีขนาดเล็กลงและลดการใช้พลังงานของระบบควบคุมอุณหภูมิและความชื้นสัมพัทธ์โดยรวม ขนาดของฮีทปั๊มที่ลดลงทำให้อุณหภูมิคอยล์ต่ำลงด้วย ภาระความร้อนต่ำสุดของห้องจึงสูงขึ้น
ตารางที่ 1. สรุปการทำงานของPHU+AHUควบคุมอุณหภูมิและความชื้นตามตัวอย่างที่ 1.ที่ภาระความร้อนสูงสุด
อุณหภูมิคอยล์เย็นEVในตัวอย่างนี้ต่ำกว่าที่จะใช้คอยล์น้ำเย็นได้ เพื่อให้สามารถเปรียบเทียบกับระบบแบบใช้คอยล์น้ำเย็นและความร้อนจะปรับสภาวะอากาศที่ควบคุมให้สูงขึ้นตามตัวอย่างที่ 2.
ตัวอย่างที่ 2. ห้องปรับอากาศมีภาระความร้อน35 kW สัดส่วนภาระความร้อนสัมผัส0.9 สภาวะอากาศของห้อง 20 Cdb, 55%RH สภาวะอากาศภายนอก 29.9 Cdb, 27.2 Cwb ให้อัตราอากาศภายนอก 880 CMH ให้คอยล์เย็นทั้งหมดเป็นคอยล์ 4 แถว by-pass factor 0.13 มีขั้นตอนการคำนวณดังต่อไปนี้คำนวณการทำงานของ PHU+AHU ตามตัวอย่างที่ 1.
- เขียนไซโครเมตริกและคำนวณในลักษณะเดียวกันกับตัวอย่างที่ 1
- ความร้อนแฝงจากอากาศภายนอกที่ผ่านคอยล์เย็นCC-1=4.628 kW ความร้อนแฝงของห้อง=4.628+35x(1-0.9)=8.128 kW
- อัตราการผสมอากาศที่ไม่ทำให้เกิดหมอกที่คอยล์EV=35% อัตราการไหลอากาศผ่านคอยล์=0.281/0.35=0.803 CMH
- เขียนเส้นEV.ให้ได้ความร้อนแฝง8.128 kW ความเย็นที่คอยล์EV=18.315 kW
- ฮีทปั๊มใช้ไฟฟ้า=18.315/6=3.053 kWe ความร้อนที่ระบายจากฮีทปั๊มที่PHE=18.315+3.053=21.368 kW
- จากจุดRM ENTถึงRMคำนวณอัตราการไหลของลมจ่ายจากภาระความร้อนของห้อง 35 kW ได้ 3.135 kg/s
- อัตราการไหลของอากาศเข้าคอยล์CC-E=3.135-0.803=2.332 kg/s ซึ่งนำไปคำนวณความเย็นของคอยล์น้ำเย็นCC-E=21.315kW
- น้ำเย็นรับความร้อนทั้งสิ้นจากCC-1, CC-EและPHE =8.128+21.315+21.368=50.811 kW
- เครื่องทำน้ำเย็นใช้พลังงาน=50.811/5.2=9.77 กำลังไฟฟ้าทั้งหมด=3.053+9.77=12.823 kW
- อัตราการไหลน้ำเย็น=50.811/4.18/7=1.737 kg/s อุณหภูมิน้ำเย็นจ่ายมา 7 C อุณหภูมิน้ำเย็นกลับ 14 C
รูปที่ 6. ไซโครเมตริกแสดงการทำงานของ PHU ร่วมกับ AHU ตามตัวอย่างที่ 2.
เมื่อภาระความร้อนของห้องลดลง(Part Load) คอยล์น้ำเย็นCC-Eจะลดการทำงานทำให้จุดRM ENTเคลื่อนตาม ให้การทำงานของCC-Eลดลงเหลือ 1.0 kW RSHF=0.759 และภาระความร้อนของห้อง=14.696 kWหรือภาระความร้อนลดลง=14.696 /35x100 =41.99% ต่ำกว่าตัวอย่างที่ 1. และ เนื่องจากมีRSHFของภาระความร้อนสูงสุดมีค่ามากกว่าตัวอย่างที่ 1.
ตารางที่ 2. สรุปการทำงานของPHU+AHUของตัวอย่างที่ 2.
การควบคุมอุณหภูมิด้วยคอยล์เย็นและฮีตเตอร์ไฟฟ้า
การควบคุมอุณหภูมิด้วยคอยล์เย็นและฮีตเตอร์ไฟฟ้าเป็นวิธีการที่คำนวณออกแบบและติดตั้งง่ายจึงนิยมใช้มานาน แต่ปัจจุบันมีปัญหาในเรื่องค่าใช้จ่ายในการทำงานเนื่องจากกการใช้พลังงานและสภาวะแวดล้อมที่เกิดขึ้นจากการใช้พลังงาน เมื่อออกแบบที่ภาระความร้อนสูงสุดของห้องซึ่งถ้าทุกอย่างลงตัวตามการคำนวณจะสามารถควบคุมอุณหภูมิและความชื้นสัมพัทธ์ได้โดยไม่ต้องใช้ฮีตเตอร์ไฟฟ้า เมื่อภาระความร้อนลดลง(Part load)จึงจะใช้ต้องใช้ฮีตเตอร์ไฟฟ้าเพื่อการควบคุม
ตัวอย่างที่ 3. การควบคุมความชื้นด้วยฮีตเตอร์ไฟฟ้าโดยใช้สภาพอากาศและภาระความร้อนสูงสุดตามตัวอย่างที่ 2.
ขั้นตอนการคำนวณออกแบบการคำนวณออกแบบร่วมกับการใช้ไซโครเมตริกตามรูปที่ 7. มีดังต่อไปนี้
- ใส่จุดอากาศภายนอกODและสภาวะอากาศในห้องRM โยงเส้นผสมอากาศCM
- ความร้อนสัมผัสของห้อง=35x0.9=31.5 kW ใช้ไซโครเมตริกคำนวณภาระความร้อนเนื่องจากอากาศภายนอก880 CMHให้มีสภาวะอากาศของห้องได้ความร้อนสัมผัส 2.911 kW ความร้อนทั้งหมด 12.823 kW
- คอยล์เย็นทำหน้าที่ดึงภาระความร้อนของอากาศภายนอกรและภาระความร้อนของห้อง การทำงานของคอยล์เย็นจึงมีอัตราความร้อนสัมผัสSHF=(31.5+2.911)/(35+12.823)=0.72
- จากจุดRMลากเส้นRSHF=0.9 ไปหาเส้น100%RH
- ให้คอยล์เย็นมีBypass factor 0.13
- ลากเส้น การทำงานของคอยล์เย็นEVโดยมีSHF=0.72ให้ปลายหนึ่งอยู่บนเส้น100%RHและอีกปลายหนึ่งอยู่บนเส้นCMที่จุดEV IN และจุดEV OUTของคอยล์ที่มี Bypass factor 0.13 อยู่บนเส้นRSHF
- คำนวณอัตราการไหลอากาศจากจุดEV OUTถึงRMจากภาระความร้อนของห้อง 35kW=3.417 kg/s
- คำนวณคอยล์เย็นEVโดยใช้อัตราการไหลอากาศที่ได้ข้างต้นทำความเย็น=47.882 อัตราการไหลอากาศ 3.417 kg/s หรือ 10262 CMH
- การใช้ไฟฟ้า=47.882/5.2=9.21 kW
รูปที่ 7. ไซโครเมตริกแสดงการทำงานของคอยล์เย็นเพื่อควบคุมสภาวะอากาศที่ภาระความร้อนสูงสุดของห้อง
จากรูปที่ 7. อุณหภูมิคอยล์เย็นEV=9.5 C จึงสามารถใช้คอยล์น้ำเย็นที่มีอุณหภูมิน้ำเย็น 7 C ได้ แต่ต้องใช้อัตราการไหลของน้ำเย็นผ่านคอยล์สูง ทำให้มีอุณหภูมิน้ำเย็นแตกต่างน้อยกว่า 5 C ถ้าAHUมีจำนวณมากจะมีผลกระทบกับการทำงานของเครื่องทำน้ำเย็นซึ่งเรียกว่าLTDS, Low temperature different syndrome ซึ่งจะทำให้เครื่องทำน้ำเย็นมีประสิทธิภาพต่ำ
การใช้ฮีตเตอร์ไฟฟ้าสามารถควบคุมตามภาระความร้อนของห้องได้ต่ำกว่าPHU+AHUแต่จะต้องใช้ฮีตเตอร์ใหญ่ซึ่งสิ้นเปลืองพลังงานมาก เพื่อเปรียบเทียบการทำงานกับPHU+AHUให้ภาระความร้อนลดลงเหลือ14.7 kW สามารถปรับการทำงานของAHU+heaterโดยอัตโนมัติได้ตามรูปที่ 8. วาวล์ควบคุมน้ำเย็นจะปรับลดอัตราการไหลทำให้ADPเลื่อนขึ้นปรับระดับความชื้นด้วยสัญญาณจากเซนเซอร์ความชื้นสัมพัทธ์และฮีตเตอร์ทำงานเพื่อปรับอุณหภูมิด้วยสัญญาณจากเซนเซอร์อุณหภูมิ
รูปที่ 8. การปรับตัวอัตโนมัติAHU+ฮีตเตอร์เมื่อภาระความร้อนลดลง
การทำงานของAHU+Heaterสามารถสรุปได้ตามตารางที่ 3. จะเห็นว่าที่Part loadใช้พลังงานมากกว่าที่ภาระความร้อนสูงสุดเกือบ 3เท่าเนื่องจากการทำงานของฮีตเตอร์ และจะใช้พลังงานมากขึ้นไปอีกถ้าPart loadยังคงลดลงต่อไป แต่ถ้าเผื่อขนาดของฮีตเตอร์ไว้ก็ยังสามารถควบคุมความชื้นได้อย่างต่อเนื่อง
ตารางที่ 3. สรุปการทำงานของAHU+Heaterของตัวอย่างที่ 3.
เปรียบเทียบการควบคุมความชื้น
ภาระความร้อนของห้องเปลี่ยนแปลงตามกิจกรรม แหล่งกำเนิดความร้อนภายในห้อง การถ่ายเทความร้อนจากภายนอกผ่านวัสดุที่เป็นกรอบของห้อง และภาระความร้อนของห้องเนื่องจากอากาศภายนอกที่เปลี่ยนแปลงตามเวลาและฤดูกาล การออกแบบระบบควบคุมอุณหภูมิและความชื้นต้องออกแบบที่ภาระความร้อนสูงสุดเพื่อเลือกเครื่องใหญ่พอสำหรับระบบควบคุมที่จะปรับการลดการทำงานตามภาระความร้อนที่ลดลงได้
การออกแบบจะต้องมีขนาดเผื่อ(Margin)เพื่อความมั่นใจเนื่องจากข้อมูลในช่วงการออกแบบอาจไม่ถูกต้องตามการใช้งานจริงและไม่ครบถ้วน และเมื่อเลือกอุปกรณ์มักจะไม่สามารถเลือกตามการออกแบบได้ จำเป็นต้องเลือกให้ใหญ่กว่า ในการทำงานจริงจึงมีแต่การทำงานน้อยกว่าขนาดเครื่อง นั่นคือเครื่องจะทำงานในลักษณะPart loadของเครื่องแต่เป็นภาระความร้อนสูงสุดของห้องได้และเครื่องก็จะปรับการทำงานตามภาระความร้อนของห้องได้ตามการคำนวณที่แสดงไว้
การทำงานของPHU+AHUตามตารางที่ 2. เทียบกับการทำงานของAHU+Heaterตามตารางที่ 3. จะเห็นว่าลมจ่ายของAHUลดลงประมาณ10%ทำให้ใช้พลังงานของพัดลมน้อยลง การทำงานของระบบPHU+AHUขณะภาระความร้อนสูงสุดของห้องสูงกว่าAHU+Heaterประมาณ 40% แต่ภาระความร้อนสูงสุดของห้องจะมีระยะเวลาที่เกิดน้อยกว่า ที่Part loadต่ำสุดระบบPHU+AHUใช้พลังงานเพียง1/3ของพลังงวนที่ AHU+Heaterใช้เท่านั้น และที่ภาระความร้อนเฉลี่ยปานกลาง PHU+AHUใช้พลังงานต่ำกว่าAHU+Heaterประมาณ 60%
บทส่งท้าย
การใช้PHUติดตั้งเพื่อทำงานร่วมกับAHUเดิมช่วยให้ระบบสามารถควบคุมอุณหภูมิและความชื้นได้อย่างมีประสิทธิภาพ การใช้พลังงานลดลงเมื่อภาระความร้อนของห้องลดลงทำให้มีการใช้พลังงานต่ำกว่าระบบที่ใช้ฮีตเตอร์ซึ่งใช้พลังงานมากขึ้นเมื่อภาระความร้อนของห้องลดลง
PHUใช้ฮีทปั๊มทำหน้าที่ดึงความร้อนแฝงภายในห้องและความร้อนแฝงของอากาศภายนอกซึ่งผ่านเข้ามาในห้องออกและระบายความร้อนของฮีทปั๊มให้กับระบบนำเย็นทำให้การติดตั้งเข้ากับAHUเบ็ดเสร็จภายในห้องAHU ไม่เกี่ยวข้องกับพื้นที่อื่นๆของอาคาร และช่วยแก้ปัญหาLTDSของเครื่องทำน้ำเย็น นอกจากนี้ฮีทปั๊มยังมีประสิทธิภาพสูงเนื่องจากน้ำเย็นที่ใช้ระบายความร้อนมีอุณหภูมิต่ำ
ฮีทปั๊มช่วยให้สามารถควบคุมอุณหภูมิและความชื้นสัมพัทธ์ของห้องได้ต่ำกว่าระบบที่ใช้น้ำเย็นเนื่องจากมีอุณหภูมิคอยล์เย็นที่ต่ำกว่าคอยล์น้ำเย็น
การออกแบบการทำงานของPHU+AHU จะต้องคำนวณร่วมกับไซโครเมตริก การทำงานขึ้นอยู่กับอุณหภูมิและความชื้นสัมพัทธ์ที่ต้องการ ภาระความร้อนของห้องและสัดส่วนความร้อนสัมผัสRSHF และจะต้องตรวจสอบภาระความร้อนต่ำสุดที่ระบบนี้สามารถควบคุมได้เทียบกับภาระความร้อนต่ำสุดของห้อง ถ้าภาระความร้อนต่ำสุดของห้องน้อยกว่าภาระต่ำสุดที่ระบบจะควบคุมได้ ระบบก็จะทำงานล้มเหลว จะต้องใช้ระบบอื่นซึ่งจะนำเสนอในบทความต่อไป