ออกแบบระบบท่อน้ำเย็นในอาคาร

ระบบปรับอากาศมีราคาต้นทุนและการใช้พลังงานสูงที่สุดในอาคาร ระบบท่อน้ำเย็นเป็นส่วนประกอบสำคัญของระบบปรับอากาศ ประกอบด้วย ท่อน้ำเย็น ฉนวน อุปกรณ์ประกอบ และเครื่องสูบน้ำ ระบบท่อน้ำเย็นใช้ส่งน้ำเย็นไปยีงจุดต่างๆเพื่อทำความเย็นจึงเป็นระบบที่สำคัญ วิธีการออกแบบที่ถูกต้องช่วยให้ระบบทำงานได้ตามเป้าหมาย มีมาตรฐานการติดตั้ง การใช้งานและการบำรุงรักษาทำได้ง่าย ควบคุมต้นทุนการติดตั้ง และประหยัดพลังงาน

วัสดุท่อ

ระบบท่อน้ำเย็นเป็นระบบปิดที่ใช้น้ำเย็นหมุนเวียนในระบบท่อ วัสดุท่อที่นิยมใช้คือท่อเหล็กดำ ASTM A53 หรือเทียบเท่า schedule 40 ซึ่งด้วยความหนาของท่อระดับนี้สามารถรับความดันน้ำได้มากกว่าความดันในระบบปรับอากาศมาก โดยเผื่อการผุกร่อนเนื่องจากสภาพทางไฟฟ้าเคมีระหว่างน้ำและเหล็ก และการสึกกร่อนเนื่องจากความเร็วของน้ำ

เนื่องจากเป็นระบบปิดการใช้สารเคมีเพื่อป้องกันการผุกร่อนและตะกรันจึงมีค่าใช้จ่ายน้อยกว่าระบบเปิด และเลือกขนาดท่อเพื่อลดความเร็วน้ำควบคุมการสึกกร่อน การออกแบบระบบจึงสามารถลดความหนาของท่อ ลดต้นทุนของระบบท่อ ลดความดันตกทำให้เครื่องสูบน้ำทำงานลดลง และประหยัดพลังงานได้ในระยะยาว

ตารางที่ 1.ท่อขนาด ½-2 ½ นิ้ว #40เป็นท่อบางสุด ท่อขนาด3นิ้วขึ้นไปเลือกความหนาได้หลายขนาดตามความดันที่ต้องการ ท่อขนาดใหญ่มีความดันทดสอบสูงกว่าท่อขนาดเล็กและมากกว่าความดันใช้งานของระบบน้ำเย็นอาคารสูง

ตารางที่ 1. ขนาดท่อและข้อมูลตามมาตรฐาน ASTM A-53 เฉพาะท่อ ½ - 8 นิ้ว

ตารางที่ 2.แนะนำความเร็วน้ำที่ส่วนต่างๆ ของระบบท่อน้ำเย็น และตารางที่ 3.แนะนำความเร็วสูงสุดของน้ำในท่อน้ำเย็นตามระยะเวลาที่น้ำไหลในท่อเพื่อหลีกเลี่ยงการสึกกร่อนของท่อ มาตรฐาน NFPAจึงยอมให้ใช้ท่อดับเพลิงที่บางลงแต่เคลือบด้วยพลาสติกเพื่อป้องกันการผุกร่อน ท่อน้ำเย็นก็สามารถทำได้ในลักษณะเดียวกันคือสามารถลดความหนาถ้าควบคุมคุณภาพน้ำได้

ตารางที่ 2. ความเร็วน้ำแนะนำที่ส่วนต่างๆของระบบท่อ (CARRIER HANDBOOK, PART 3, CHAPTER 2)

ตารางที่ 3. ความเร็วน้ำที่แนะนำในท่อน้ำเย็น (CARRIER HANDBOOK, PART 3, CHAPTER 2)

ข้อดีของท่อพลาสติก ได้แก่มีน้ำหนักเบา ผิวเรียบทำให้ความดันตกน้อย ทนทานต่อสารเคมี ไม่ผุกร่อนเหมือนท่อเหล็ก ท่อพลาสติกที่นิยมใช้ได้แก่ ท่อพีวีซี ท่อพีพีอาร์ และอื่นๆ ท่อพลาสติกทุกชนิดที่จะใช้ในเชิงพาณิชย์ได้จะมีสถาบันได้แก่ PPI(Plastic Piping Institute), DIN, BS และ ISO รองรับโดยมีอายุการใช้งานไม่ต่ำกว่า50ปี ความดันที่รับได้ที่อุณหภูมิใช้งานจะต้องมากกว่าความดันใช้งาน

ท่อพีวีซีเป็นท่อที่ผลิตในประเทศ จึงมีราคาถูกและมีข้อต่อมากที่สุดในบรรดาท่อพลาสติกอื่นๆ นิยมใช้ท่อพีวีซีกับระบบประปาที่มีความดัน(PVC 13.5) และท่อสุขาภิบาล(PVC 8.5) การติดตั้งใช้กาวประสาน ภายในข้อต่อมีลักษณะเบ้ใน(taper) กาวประสานจะทำให้ผิวท่อและข้อต่อละลายเข้าหากัน เมื่อกดท่อเข้ากับข้อต่อ เนื้อท่อและข้อต่อจะกลายเป็นเนื้อเดียวกันทำให้รอยต่อแข็งแรง เนื้อข้อต่อช่วยเสริมรอยต่อให้รับความดันเพิ่มขึ้นด้วย นอกจากนี้ท่อพีวีซียังมีความแข็งพอสำหรับใช้ข้อต่อแหวนยางเชิงกล(Mechanical sleeve coupling) จึงซ่อมแซมท่อที่ติดตั้งแล้วได้ง่าย

ท่อพลาศติกอื่นๆใช้การต่อด้วยการให้ความร้อนปลายท่อจนละลายด้วยแผ่นร้อน(hot plate) แล้วจึงกดปลายท่อเข้าหากันทำให้ท่อย่นเกิดรอยตะเข็บเมื่อติดตั้งเรียบร้อย จุดที่ต่อมีความแข็งแรงเท่าหรือน้อยกว่าเนื้อท่อจึงเกิดความเสียหายที่รอยต่อได้ง่าย งานอาคารมีข้อต่อมากจึงมีจุดอ่อนมาก และเนื่องจากท่อมีเนื้อนิ่มกว่าไม่สามารถใช้ข้อต่อแหวนยางเชิงกลได้ การซ่อมแซมท่อที่ติดตั้งแล้วทำได้ยากมาก ท่อจะบิดและเด้งเมื่อตัดออกไม่สามารถใช้การชนเชื่อมเช่นเมื่อติดตั้งได้ ทำให้การซ่อมแซมไม่แข็งแรงและเกิดปัญหาซ้ำหรือลามได้

ท่อพีวีซีน้ำเย็นระบบฉนวนสำเร็จ(pre-insulated) ใช้ปลอกฉนวน(Jacket)เป็นแบบแล้วฉีดฉนวนโฟมระหว่างท่อและปลอกท่อจะช่วยให้ท่อแข็งและสามารดยึดท่อลักษณะเดียวกับท่อเหล็กได้ ข้อดีของการใช้ท่อพีวีซีระบบฉนวนสำเร็จตือคุณภาพของงาน ลดงานและเวสาการติดตั้ง

ตารางที่ 4. ขนาดท่อพีวีซีสีเทาสำหรับงานอุตสาหกรรม ตาม มอก.999-2533

การคำนวณความดันตกในระบบท่อ

ความดันตกในท่อสามารถคำนวณได้โดยใช้สมการที่ 1 และสมการที่ 2

dP = f.L/D.V^2/2.p (1.)

เมื่อ dP = ความดันตกเนื่องจากแรงเสียดทานของท่อ KPa

f = สัมประสิทธิความเสียดทานของท่อ

L = ความยาวทั้งสินของท่อ ม.

D = ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางภายในของท่อ มม.

V = ความเร็วของน้ำ ม./วินาที

p = ความหนาแน่นของของเหลวที่ผ่านท่อ กก./ลบ.ม.

f = 1/{1.14+2.log(D/e)-2.log[1+9.3/(Re.e/D.f^1/2)]}^2 (2.)

เมื่อ e = ความขรุขระของผิวท่อ ม.

D = ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางภายในของท่อ ม.

Re = Reynolds number

= p.V.D/µ

µ = สัมประสิทธิความหนืด ปาสคาล-วินาที

สมการที่ 2.ใช้โปรแกรมเอ็กเซลคำนวณโดยสมมุติค่า f ก่อนแล้วจึงแทนค่าที่คำนวณได้วนกลับไปคำนวณจนได้ค่าที่ถูกต้อง จากนั้นจึงแทนค่าในสมการที่ 1. ในการออกแบบนิยมใช้ความดันตกมีค่าเป็น ม./100ม. ซึ่งสามารถคำนวณได้จากสมการที่ 3. และคำนวณกำลังเครื่องสูบน้ำได้จากสมการที่ 4.

m/100m = 10.2 x dP (3.)

kW = dP.F/ƞ (4.)

เมื่อ F = อัตราการไหล ลบม./วินาที

ƞ = ประสิทธิภาพของเครื่องสูบน้ำ

ใช้ขนาดของท่อเหล็ก#40 จากตารางที่ 1. และขนาดของท่อพีวีซี 13.5 ตามตารางที่ 4. คำนวณค่าความดันตกของน้ำในท่อน้ำเย็นที่ความเร็วของน้ำต่างๆกันทำให้ได้แผนภูมิความดันตกของท่อเหล็ก#40 ตามแผนภูมิที่ 1.และแผนภูมิความดันตกของท่อพีวีซี 13.5 ตามแผนภูมิที่ 2. ซึ่งจะใช้สำหรับการเลือกขนาดท่อน้ำเย็นต่อไป

แผนภูมิที่ 1. ความดันตกของน้ำเย็น (ม./100ม.) ที่อุณหภูมิน้ำเย็น 7ซ ในท่อเหล็กดำ #40

แผนภูมิที่ 2. ความดันตกของน้ำเย็น (ม./100ม.) ที่อุณหภูมิน้ำเย็น 7oซ ในท่อพีวีซี 13.5

ความหนาฉนวนท่อน้ำเย็น

ฉนวนท่อน้ำเย็นใช้เพื่อป้องกันการกลั่นตัวของน้ำที่ผิวนอกสุดเพื่อไม่ให้เกิดความเสียหายแก่วัสดุของอาคาร และป้องกันความร้อนจากภายนอกให้ถ่ายเทจากภายนอกมาสู่น้ำเย็นในท่อซึ่งจะทำให้สิ้นเปลืองพลังงาน พลังงานสูญเสียผ่านฉนวนเกิดขึ้นตลอดเวลา ไม่เหมือนความดันตกของท่อซึ่งเมื่อน้ำไม่ไหลก็ไม่มีความสูญเสีย

การคำนวณความร้อนถ่ายเทของท่อน้ำเย็นละฉนวนใช้สมการที่ 5.

รูปที่ 1. ภาพตัดท่อและฉนวนความร้อน

Q = (t1-t2) / R (5)

R = 1/2¶R1.h1+ln(R2/R1)/2¶.k1+ ln(R3/R2)/2¶.k2+1/2¶R3.h2 (6)

h2 = hc + hr (7)

เมื่อ Q คือความร้อนที่ถ่ายเทเข้าในท่อน้ำเย็น วัตต์/ท่อ 1m.

t1, t2 คืออุณหภูมิของน้ำร้อนและอากาศตามลำดับ (oซ)

h1, h2 คือสัมประสิทธิการพาความร้อนของน้ำและอากาศตามลำดับ วัตต์/ตร.ม. ซ

k1, k2 คือสัมประสืทธิการนำความร้อนของท่อและฉนวนตามลำดับ วัตต์/ม. ซ จากตารางที่ 8.

R1, R2, R3 คือรัศมีภายในของท่อ รัศมีภายนอกท่อ และรัศมีภายนอกของฉนวนตามลำดับ (ม.)

ค่า h1 ของน้ำเย็นและ hc อากาศนั้นสามารถคำนวณได้จากสมการที่ 5. และ 6. ตามลำดับ

h1 = (1206 + 23.9 t) V^0.8/ D^0.2 (8)

เมื่อ V คือความเร็วของน้ำในท่อ ม./วินาที

D คือเส้นผ่านศูนย์กลางภายในของท่อ ม.

t คืออุณหภูมิของน้ำเย็น (oซ)

h2 = 2.755 V^0.471/ D^0.529 (9)

เมื่อ V คือความเร็วของอากาศนอกท่อ ม./วินาที

D คือเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกของท่อรวมฉนวน ม.

hr = ε·σ·(Tsurf^4 –Tamb^4)/(Tsurf–Tamb) (10)

เมื่อ ε คือค่าแผ่รังสีของผิวปลอกหุ้มฉนวน 0.9

σ คือ Stephen-Boltzmann constant 5.67 E^-8 w.m^-2K^-4

T คืออุณหภูมิสมบูรณ์ ซ +273

ตารางที่ 5. ค่าสัมประสิทธิการนำความร้อนของวัสดุที่ใช้ในการคำนวณ(ท่อและฉนวน)

ใช้สมการที่ 5.-10.และค่าสัมประสิทธิการนำความร้อนจากตารางที่ 5. คำนวณหาความหนาของฉนวนของท่อเหล็กดำ #40 เพื่อไม่ให้น้ำกลั่นตัวที่ผิวด้านนอกสุด ได้ผลตามตารางที่ 6. คำนวนอุณหภูมิผิวนอกสุดท่อแต่ละขนาดที่ความหนาฉนวนต่างๆกัน และเลือกเฉพาะความหนาฉนวนที่ทำให้อุณหภูมิผิวสูงกว่าจุดน้ำค้างของอากาศ 2% เพื่อไม่ให้เกิดการกลั่นตัว ในตารางแสดงค่าความร้อนสูญเสียผ่านฉนวน และราคาฉนวนท่อรวมค่าติดตั้ง และเปลือกหุ้มฉนวนที่ทำจากแผ่นอลูมิเนียมความหนา 0.35 มม.ใช้สำหรับการคำนวณขนาดท่อคุ้มทุน ที่ให้มีปลอกฉนวนก็เพื่อยืดอายุของฉนวน ตารางที่ 7. เป็นค่าความหนาของฉนวนที่ใช้กับท่อพีวีซี 13,5 ในลักษณะเดียวกับตารางที่ 6.

ตารางที่ 6.ความหนาฉนวนยางดำClosed cell Elastomeric EPDM สำหรับท่อเหล็กดำ#40 อุณหภูมิน้ำเย็น 7 ซ ความเร็วน้ำเย็น 1 ม./วินาที อุณหภูมิอากาศ 32oซ ความชื้นสัมพัทธ์ 80% (จุดน้ำค้าง 28.1oซ) ความเร็วลม 0.5 ม./วินาที อุณหภูมิผิวนอกสุดไม่ต่ำกว่า 28.66 ซ เพื่อป้องกันน้ำกลั่นตัวที่ผิวด้านนอก

ตารางที่ 7. ความหนาฉนวนยางดำ Closed cell Elastomeric EPDM สำหรับท่อน้ำเย็น พีวีซี 13.5 อุณหภูมิน้ำเย็น 7oซ ความเร็วน้ำเย็น 1 ม./วินาที อุณหภูมิอากาศ 32oซ ความชื้นสัมพัทธ์ 80% (จุดน้ำค้าง 28.1oซ) ความเร็วลม 0.5 ม./วินาที อุณหภูมิผิวนอกสุดไม่ต่ำกว่า 28.66oซ เพื่อป้องกันน้ำกลั่นตัวที่ผิวด้านนอก

อาคารขนาดใหญ่ใช้ระบบปรับอากาศที่มีเครื่องทำน้ำเย็นประสิทธิภาพสูง พลังงานที่ใช้ทำน้ำเย็นไม่เกิน 0.56 กิโลวัตต์/ตันความเย็น มูลค่าพลังงานที่สูญเสียผ่านฉนวนน้อยกว่า เมื่อเพิ่มความหนาของฉนวนจึงประหยัดพลังงานเพิ่มไม่คุ้มกับราคาฉนวนที่เพิ่มขึ้น ควรใช้ความหนาฉนวนต่ำสุดที่ไม่ทำให้เกิดการกลั่นตัวเท่านั้น จึงจะใช้ความหนาฉนวนตามตารางที่ 6. และตารางที่ 7. เพื่อแสดงการคำนวณขนาดท่อคุ้มทุนของท่อน้ำเย็นต่อไป

อาคารขนาดเล็กเครื่องทำน้ำเย็นจะมีประสิทธิภาพไม่สูง พลังงานที่ใช้ของเครื่องทำน้ำเย็น 0.8 –1.0กิโลวัตต์/ตันความเย็นทำให้ต้องคำนวณความหนาฉนวนคุ้มทุนสำหรับขนาดท่อต่างๆกันก่อนแล้วจึงคำนวณขนาดท่อคุ้มทุน

ขนาดท่อคุ้มทุน

ท่อขนาดเล็กเกิดความดันตกมากกว่าท่อขนาดใหญ่ เสียค่าพลังงานของเครื่องสูบน้ำมากกว่า แต่ท่อขนาดใหญ่มีราคาสูงกว่า แผนภูมิที่ใช้เลือกขนาดท่อที่ใช้อยู่ในปัจจุบันมีที่มาจากต่างประเทศซึ่งใช้กันมานานโดยไม่ทราบข้อมูลที่ใช้ ค่าพลังงาน ต้นทุน ค่าติดตั้ง ค่าแรง อัตราดอกเบี้ย บทความนี้จึงแสดงการคำนวณเพื่อเป็นตัวอย่างการเลือกขนาดท่อคุ้มทุนของท่อน้ำเย็นสำหรับการใช้ในแต่ละกิจการ

การคำนวณขนาดท่อคุ้มทุนเริ่มจากการคำนวณท่อขนาดเล็กว่ามีการใช้พลังงานและความร้อนสูญเสียจากท่อรวมเป็นค่าใช้จ่ายเท่าไร มีต้นทุนของท่อ ฉนวน และการติดตั้งเท่าไร จากนั้นจึงคำนวณในลักษณะเดียวกันกับขนาดท่อใหญ่ขึ้นถัดมา เมื่อเปลี่ยนมาใช้ท่อขนาดใหญ่ถัดมา พลังงานที่ประหยัดได้จากการเปลี่ยนขนาดท่อเท่ากับหรือมากกว่าต้นทุนระบบท่อที่มากขึ้น ต้นทุนของท่อขนาดต่างๆจะรวมราคาฉนวนและปลอกหุ้มฉนวน พลังงานที่ใช้ในท่อแต่ละขนาดประกอบด้วยพลังงานจากความดันตกในท่อซึ่งเกิดขึ้นเมื่อมีอัตราการไหล แต่ความร้อนสูญเสียจากท่อจะเกิดขึ้นตลอดเวลาที่มีน้ำเย็น

ท่อน้ำเย็นสำหรับแฟนคอยล์และเครื่องเป่าลมเย็นจะไม่ไหลตลอดเวลา สำหรับห้องพักโรงแรมภาระความร้อนในตอนกลางคืนจะมีความร้อนจากเครื่องใช้ไฟฟ้าตู้เย็น ไฟแสงสว่าง และคน เพียงประมาณ 500–1000 วัตต์ ในขณะที่ชนาดแฟนคอยล์ 5290 วัตต์(1.5 ตันความเย็น) เพื่อดึงอุณหภูมิห้องให้ได้เร็วเมื่อเปิดเครื่องปรับอากาศในตอนกลางวัน ในเวลากลางคืนน้ำเย็นจึงไหลพียง 12 x 750 / 5290 = 1.7 ชม. ส่วนในเวลากลางวันไหลสูงสุด 70% ของเวลาโดยมีห้องที่เปิดเพียง 30% เท่ากับ 12 x 0.7 x .3 = 2.5 ชม. รวม 4.2 ชม.ค่อวัน ถ้าอัตราเข้าพักทั้งปีเฉลี่ย 35 % น้ำเย็นไหลเข้าแฟนคอยล์ห้องพัก 4.2 x 365 x 0.35 = 536.6 ชม./ปี

แฟนคอยล์และเครื่องเป่าลมเย็นของสำนักงานที่ทำงาน 8 ชม./วัน 6 วัน/สัปดาห์ ภาระความร้อนเฉลี่ยประมาณ 70% ของขนาดเครื่อง เท่ากัยระยะเวลาน้ำเย็นไหลทั้งหมด 8 x 0.7 x 6 x 4 x 12 = 1612.8 ชม./ปี ระยะเวลาการใช้ท่อน้ำเย็นจึงขึ้นอยู่กับประเภทของกิจการและลักษณะของภาระความร้อนของระบบปรับอากาศ ท่อน้ำเย็นหลักของเครื่องทำน้ำเย็นของอาคารสำนักงานหรือโรงแรมขึ้นกับภาระความร้อนโดยรวมของอาคารและระบบเครื่องสูบน้ำของเครื่องทำน้ำเย็น ถ้าภาระความร้อนรวมเฉลี่ย 50% ของภาระรวมสูงสุด และระบบน้ำเย็นทำงาน 24 ชั่วโมง ท่อน้ำเย็นทำงาน 24 x 0.5 x 365 = 4380 ชม./ปี

ตารางที่ 8. แสดงตัวอย่างการคำนวณขนาดท่อคุ้มทุนของท่อเหล็กดำ#40 หุ้มด้วยฉนวนยางดำและปลอกฉนวนอลูมิเนียม โดยใช้ราคาและค่าแรงติดตั้งปัจจุบัน อัตราดอกเบี้ย 7% ให้ระยะเวลาการไหลของน้ำ 536.6 ชม./ปี คำนวณท่อน้ำเย็นขนาด ½ และ ¾ นิ้ว โดยเพิ่มอัตราการไหลทีละน้อยจนได้อัตราการไหลที่จะเปลี่ยนขนาดท่อ ½ นิ้วมาเป็นขนาด3/4 นิ้ว เมื่อการประหยัดพลังงานได้เท่ากับหรือมากกว่าค่าระบบท่อที่เพิ่มขึ้นโดยกระจายออกเป็นราคาแต่ละปี (Annual cost) ให้อายุของระบบท่อ 25 ปี ใช้อัตราดอกเบี้ย 7% อัตราการไหลสูงสุดของท่อ ½ นิ้วคือ 3.27 แกลลอน/นาที มีความดันตก 12.13 ม./100 ม. อัตราการไหลมากกว่าจะใช้ท่อขนาด ¾ นิ้ว เมื่อคำนวณไปทุกๆขนาดก็จะสามารถเขียนลงในแผนภูมิความดันตกของท่อซึ่งสามารถจะใช้สำหรับเลือกขนาดท่อน้ำเย็นได้เร็วขึ้นตามแผนภูมิที่ 3. และแผนภูมิที่ 4.

ตารางที่ 8. ตัวอย่างการคำนวณขนาดท่อคุ้มทุนของท่อเหล็กดำ #40 ที่อัตราการไหลของน้ำเย็นที่เหมาะสม

แผนภมิที่ 3. แสดงอัตราการไหลของน้ำเย็นสูงสุด(ขนาดแนะนำ)สำหรับการเลือกขนาดท่อน้ำเย็นเหล็กดำ#40แบบคุ้มทุน

แผนภูมิที่ 4.แสดงอัตราการไหลของน้ำเย็นสูงสุด(ขนาดแนะนำ)สำหรับการเลือกขนาดท่อน้ำเย็นพีวีซี 13.5 แบบคุ้มทุน

จะเห็นได้ว่าเมื่อชั่วโมงการทำงานต่อปีน้อยสามารถใช้ท่อรับอัตราการไหลได้มากกว่าเมื่อชั่วโมงการทำงานต่อปีมาก เพราะเมื่อชั่วโมงการทำงานน้อยการใช้พลังงานต่อปีน้อย การใช้ท่อใหญ่จึงประหยัดพลังงานได้น้อย เมื่ออัตราการไหลของน้ำเย็นมากพอจึงจะทำให้การประหยัดพลังงานจากการใช้ท่อที่มีขนาดใหญ่กว่าคุ้มกับการลงทุนเปลี่ยนมาใช้ท่อที่มีขนาดใหญ่ขึ้น ในการเลือกขนาดท่อจึงควรพิจารณาระยะเวลาที่ท่อแต่ละส่วนทำงานเพื่อช่วยเลือกขนาดท่อ และสามารถใช้ระยะเวลานี้เลือกขนาดท่อที่ใหญ่กว่าหรือเล็กกว่าจากเส้นที่แนะนำนี้ได้

แผนภูมิที่สร้างขึ้นนี้ต่างไปจากแผนภูมิที่ใช้อยู่ในปัจจุบันเนื่องจากราคาพลังงานและประสิทธิภาพของเครื่องทำน้ำเย็นต่ำกว่าในปัจจุบันและราคาระบบท่อและอุปกรณ์ที่จัดทำเปลี่ยนไปจากเดิม ถ้าใช้แผนภูมิใหม่นี้จะทำให้สามารถประหยัดพลังงานจากการลดความดันตกได้มากขึ้นกว่าที่ออกแบบอยู่ในปัจจุบัน แผนภูมิที่ 4. แสดงความดันตกของท่อซึ่งสามารถใช้เลือกขนาดท่อน้ำเย็นที่ทำด้วยท่อพีวีซี 13.5 ใช้ฉนวนแบบเดียวกับท่อเหล็กดำตามแผนภูมิที่ 3ความเร็วของน้ำเย็นในท่อต่ำกว่าความเร็วที่แนะนำในตารางที่ 2 ทำให้สามารถใช้ท่อน้ำเย็นที่เลือกได้ในทุกๆส่วนของระบบท่อโดยไม่เกิดปัญหาเรื่องการสึกกร่อน ลดปัญหาจากเรื่องน้ำกระแทก (hydraulic ram) และต่ำกว่าในตารางที่ 3.

การคำนวณภาระความร้อนของอาคารนอกจากจะใช้เลือกขนาดแฟนคอยล์และเครื่องเป่าลมซึ่งรวมเรียกว่าด้านอากาศ (air-side) และยังสามารถคำนวณภาระความร้อนรวมในช่วงเวลาต่างๆเพื่อใช้เลือกขนาดเครื่องทำน้ำเย็น และใช้คำนวณระยะเวลาการใช้ท่อน้ำเย็นเพื่อการเลือกขนาดท่อให้เหมาะสมและคุ้มค่าอีกด้วย การคำนวณภาระความร้อนจึงมีความสำคัญสำหรับการออกแบบระบบท่อน้ำเย็นด้วย

วงจรท่อกระจายน้ำเย็น

เครื่องสูบน้ำจะส่งน้ำเย็นจากเครื่องทำน้ำเย็นไปที่แฟนคอยล์และเครื่องเป่าลมเย็นเพื่อทำความเย็น น้ำเย็นที่อุณหภูมิสูงขึ้นจะไหลกลับมาที่เครื่องทำน้ำเย็น เมื่อใช้ระบบท่อกระจายน้ำเย็นให้แฟนคอยล์และเครื่องเป่าลมเย็นในแนวราบ ลักษณะการเดินท่อแบ่งออกได้เป็น 3 แบบ รุป 2ก.เป็นการวางแนวท่อแบบทั่วไป เดินท่อส่งและท่อกลับไปต้นทางทันที ซึ่งมีข้อเสียคือเครื่องเป่าลมเย็นที่อยู่ไกลที่สุดจะมีความดันตกมากที่สุดทำให้น้ำเย็นเข้าน้อย สามารถแก้ไขได้โดยจัดให้มีวาล์วสมดุล (balancing valve) ปรับตั้งที่เครื่องเป่าลมเย็นแต่ละเครื่องให้มีความดันตกเท่ากัน ซึ่งเป็นงานที่เพิ่มขึ้นและใช้เวลามากทำให้มักจะละเลยในงานติดตั้งจริง ปัจจุบันใช้วาวล์ควบคุมPICV(Pressure Independent control Valve)แทนชุดวาวส์ควบคุมและวาวล์ปรับสมดุลเดิมซึ่งทำให้ตรวจวัดและตั้งได้ง่ายขึ้น

รูปที่ 2ข. เป็นการวางท่อแบบท่อกลับย้อน (reverse return)ท่อกลับจากเครื่องฯแรกจะย้อนต่อไปในแนวเดียวกันกับท่อส่งรวมกับท่อกลับจากเครื่องฯอื่นๆจนถึงเครื่องสุดท้ายจึงย้อนกลับมาที่ต้นทาง การต่อวิธีนี้ทำให้ความดันตกที่แต่ละเครื่องฯใกล้เคียงกันการปรับสมดุลจึงทำได้ง่ายและรวดเร็ว แต่มีความยาวท่อเพิ่มขึ้นครึ่งหนึ่งทำให้ราคาระบบท่อสูงขึ้น ความดันตกมากขึ้น เครื่องสูบน้ำใช้พลังงานมากขึ้นและมีความร้อนสูญเสียมากกว่าในรูป 2 ก.

และรูปที่ 2 ค. เดินท่อกลับย้อนเช่นเดียวกันแต่กลับในอีกทางหนึ่งทำให้มีท่อเพิ่มขึ้นจากรูปที่ 2 ก.เล็กน้อยแต่ปรับสมดุลได้ง่าย ใช้ท่อน้อยกว่า ความดันตกน้อยกว่า และความร้อนสูญเสียน้อยกว่ารูปที่ 2 ข.มาก

รูปที่ 2.การต่อท่อกระจายน้ำเย็นไปยังเครื่องเป่าลมเย็นต่างๆในแนวราบ

รูปที่ 3. การต่อท่อกระจายน้ำเย็นไปยังแฟนคอยล์ต่างๆในแนวดิ่งผ่านช่องท่อ

สำหรับโรงแรมที่เป็นอาคารสูงห้องพักจะมีห้องน้ำที่มีช่องท่ออยู่ตรงกันในแนวดิ่งเพื่อให้ท่อน้ำเสียและท่อน้ำทิ้งซึ่งไหลด้วยแรงโน้มถ่วงลงในช่องท่อได้สะดวก และช่องท่อนี้ควรใหญ่พอให้ท่อน้ำเย็นท่อน้ำร้อนและท่ออื่นๆ ท่อน้ำเย็นที่เดินในช่องท่อแนวดิ่งสามารถวางแนวได้ตามรูปที่ 3. ซึ่งสามารถวางได้ 3 แบบเช่นเดียวกัน รูปที่ 3 ก.เป็นแนวท่อแบบทั่วไปซึ่งมีข้อเสียเรื่องความดันตกไม่เท่ากันและมีปัญหาในการปรับสมดุลมากกว่าเพราะแต่ละแฟนคอยล์อยู่คนละชั้น

รูปที่ 3 ข. เป็นการวางท่อแบบท่อกลับย้อน (reverse return)ท่อกลับจากเครื่องฯแรกจะย้อนขึ้นตามชิองท่อต่อไปจนถึงเครื่องฯสุดท้ายจึงย้อนกลับมาที่ต้นทาง การต่อวิธีนี้ทำให้ความดันตกที่แต่ละเครื่องฯใกล้เคียงกันการปรับสมดุลจึงทำง่ายและรวดเร็ว แต่ต้องการขนาดช่องท่อใหญ่ขึ้น มีความยาวท่อเพิ่มขึ้นครึ่งหนึ่งในแต่ละช่องท่อทำให้ราคาระบบท่อสูงขึ้น ความดันตกมากขึ้น เครื่องสูบน้ำใช้พลังงานมากขึ้นและมีความร้อนสูญเสียมากกว่าในรูป 3 ก.

รูปที่ 3 ค. เดินท่อกลับย้อนเช่นเดียวกันแต่รวบในชั้นบนสุดแล้วกลับในอีกช่องท่อหนึ่งทำให้มีท่อเพิ่มขึ้นจากรูปที่ 3 ก. เล็กน้อยแต่ปรับสมดุลได้ง่ายทั้งในแนวดิ่งและแนวราบ ใช้ท่อน้อยกว่า ความดันตกน้อยกว่า ความร้อนสูญเสียน้อยกว่ารูปที่ 3 ข. มาก นอกจากนี้ยังช่วยลดการติดตั้งวาล์วไล่ลมได้อีกด้วย แต่ต้องมีช่องท่อเพิ่มขึ้นสำหรับท่อกลับหลัก

ถ้าช่องท่อเล็กทำให้ไม่สามารถเดินท่อน้ำเย็นในแนวดิ่งได้ ต้องเดินท่อในแนวราบของแต่ละชั้นจะต้องมีความยาวท่อมากกว่า ถ้าให้ระยะระหว่างช่องท่อ 4 ม.ความสูงของขั้น 3.5 ม. รูปที่ 3 ก. จะมีความยาวท่อทั้งหมด (5 x 3.5 x 2) x 3 +16 = 121 ม. รูปที่ 3 ข. มีความยาวท่อทั้งสิ้น 121+(4 x 3.5) x 3 = 163 ม. และรูปที่ 3 ค. มีความยาวทั้งหมด (5 x 3.5) x 3+(4 x 3.5) x 3 +8+12 x 2+5 x 3.5 = 144 ม. สำหรับท่อในแนวราบแบบปกติแต่ละชั้นรวม 12 x 2 x 5 = 120 ม. ท่อหลักในแนวดิ่งและท่อหลักแนวราบ 5 x 3.5 x 2+12 x 2 = 59 ม. รวม 179 ม. จากตัวอย่างนี้ถ้าเป็นอาคารสูง 20 ชั้น ความยาวท่อตามรูป 3 ก. 3 ข. 3 ค. และแนวราบ = 436, 635.5, 511.5 และ 644 ม.ตามลำดับ ซึ่งมีความยาวท่อในลักษณะเดียวกัน จึงควรวางท่อน้ำเย็นตามในรูปที่ 3 ค.

วงจรท่อเครื่องสูบน้ำเย็น

ในปัจจุบันเทคโนโลยี VFD(variable speed drive) มีราคาถูกลง จึงสามารถใช้ควบคุมรอบของเครื่องสูบน้ำเย็นเพื่อประหยัดพลังงานได้คุ้มค่า ระบบควบคุมอุณหภูมิของแฟนคอยล์และเครื่องเป่าลมเย็นจึงสามารถใช้แบบวาล์ควบคุมสองท่อ(Two-way control valve) หรือ PICV ได้ทั้งหมดตามรูปที่ 4.อัตราการส่งน้ำเย็นเท่ากับอัตราการไหลของน้ำเย็นที่ต้องการสำหรับภาระความร้อนทั้งหมด โดยใช้ความดันแตกต่างระหว่างท่อส่งและท่อกลับ (DP,differential pressure) ที่อยู่ไกลสุดในระบบท่อกระจายน้ำมาควบคุมรอบของเครื่องสูบน้ำทุติยภูมิ (Secondary pump)

เพื่อให้เครื่องทำน้ำเย็นทำงานได้ปลอด เครื่องสูบน้ำปฐมภูมิ(Primary pump) ทำงานด้วยความเร็วคงที่ ส่วนเครื่องสูบน้ำทุติยภูมิเปลี่ยนแปลงอัตราการไหลตามภาระความร้อน จึงต้องมีท่อเชื่อมท่อจ่ายจากด้านจ่ายของเครื่องทำน้ำเย็นกับท่อดูดของเครื่องสูบน้ำปฐมภูมิ(decouple pipe) เมื่อภาระความร้อนน้อยอัตราการไหลในวงจรทุติยภูมิน้อยกว่าอัตราการไหลในวงจรปฐมภูมิ น้ำที่จ่ายในวงจรปฐมภูมิส่วนเกินจะผสมกับน้ำกลับ เครื่องทำน้ำเย็นจะควบคุมณหภูมิน้ำเย็นที่จ่ายโดยอัตโนมัติ น้ำในวงจรปฐมภูมิจึงมากกว่าน้ำในวงจรทุติยภูมิอยู่เสมอ เมื่อน้ำในวงจรทุติยภูมิมากกว่าน้ำในวงจรปฐมภูมิ น้ำที่เกินจะไหลย้อนไปเข้าเครื่องสูบน้ำทุติยภูมิได้ ทำให้อุณหภูมิน้ำเย็นส่งไปที่แฟนคอยล์สูงขึ้น ซึ่งก็ต้องรีบแก้ไขด้วยการเปิดเครื่องทำน้ำเย็นเพิ่ม

รูปที่ 4. วงจรท่อเครื่องสูบน้ำเย็นแบบปฐมภูมิ (Primary pump) และทุติยภูมิ (Secondary pump) มีอัตราการไหลเปลี่ยนแปลงตามภาระความร้อน

ข้อเสียของวงจรท่อเครื่องสูบน้ำเย็นตามรูปที่ 4. คืออัตราการไหลต่ำสุดด้านปฐมภูมิเท่ากับอัตราการไหลของเครื่องทำน้ำเย็น การประหยัดพลังงานจึงถูกจำกัดและต้องติดตั้งเครื่องสูบน้ำทุติยภูมิทำให้ราคาของวงจรท่อเครื่องสูบน้ำเย็นสูงขึ้น ในปัจจุบันจึงเปลี่ยนมาใช้วงจรท่อเครื่องสูบน้ำตามรูปที่ 5.ซึ่งมีแต่เครื่องสูบน้ำปฐมภูมิและยอมให้เปลี่ยนแปลงอัตราการไหลชองน้ำเย็นตามภาระความร้อน

รูปที่ 5.วงจรท่อจ่ายน้ำเย็นแบบปฐมภูมิ (Primary pump)

เครื่องทำน้ำเย็นปัจจุบันยอมให้มีอัตราการไหลของน้ำผ่านเครื่องฯต่ำสุดและสูงสุดตามการออกแบบคูลเลอร์แต่ละยี่ห้อ บางรุ่นอาจลงไปถึง 20% ของอัตราการไหลปกติที่อุณหภูมิน้ำแตกต่าง 7 ซ ดังนั้นเมื่อใช้วงจรท่อจ่ายน้ำเย็นแบบปฐมภูมิ (Primary pump) ตามรูปที่ 5. จึงสามารถประหยัดพลังงานเครื่องสูบน้ำลงได้มากกว่ารูปที่ 4. และมีต้นทุนถูกกว่าเพราะไม่ต้องมีเครื่องสูบน้ำทุติยภูมิ

การออกแบบวงจรท่อจ่ายน้ำเย็นแบบปฐมภูมิควรมีข้อมูลภาระความร้อนของอาคารอย่างละเอียดเพื่อให้ทราบอัตราการไหลของน้ำเย็นต่ำสุดและสูงสุดของระบบท่อเพื่อการเลือกขนาดเครื่องทำน้ำเย็นและเครื่องสูบน้ำปฐมภูมิได้ถูกต้อง ในขณะที่ภาระความร้อนน้อยสามารถเลือกเครื่องทำน้ำเย็นชุดเล็กเพื่อให้ทำงานพร้อมเครื่องฯสำหรับใช้ทดแทน และเครื่องทำน้ำเย็นขนาดใหญ่และเตรื่องสำหรับทดแทนเพื่อทำงานร่วมกันสำหรับเมื่อภาระความร้อนสูงขึ้น

ข้อควรระวังสำหรับวงจรท่อจ่ายน้ำเย็นแบบปฐมภูมิคือ อุณหภูมิน้ำกลับต่ำเกินไป(Low Delta T Syndrome) เนื่องจากอัตราการไหลของน้ำกลับเข้าเครื่องทำน้ำเย็นน้อยขณะที่ภาระความร้อนน้อย อาจเกิดน้ำแข็งทำให้เครื่องทำน้ำเย็นเสียหาย การออกแบบจึงต้องป้องกันโดยใช้อุณหภูมิน้ำกลับสูงด้วยการเลือกแฟนคอยล์และเครื่องเป่าลมเย็นที่มีคอยล์หนาและอัตราการไหลน้อย

บทส่งท้าย

การประหยัดพลังงานและควบคุมค้นทุนเริ่มจากการออกแบบวงจรท่อ การกำหนดเครื่องสูบน้ำสำหรับเครื่องทำน้ำเย็นและระบบท่อกระจายน้ำเย็น พื้นที่ช่องท่อต้องอยู่ในแบบงานโครงสร้างและสถาปนิก ผู้ออกแบบควรพิจารณาเรื่องการเลือกวัสดุท่อให้เหมาะสม เพื่อควบคุมต้นทุนโครงการ ราคาท่อและอุปกรณ์ ค่าแรง ระยะเวลาการติดตั้ง อายุการใช้งาน ความสดวกในการซ่อมแซมและบำรุงรักษา เลือกขนาดท่อและความหนาฉนวนเพื่อควบคุมต้นทุนและการประหยัดพลังงาน หรือสำหรับการเปลี่ยนแปลงการใช้งาน การเพิ่มขนาดและอื่นๆ

ท่อเหล็กขนาดใหญ่สามารถลดความหนาตามความดันที่ใช้งานได้ ท่อพีวีซี 13.5 สามารถใช้เป็นท่อน้ำเย็นได้ หรือท่อฉนวนสำเร็จช่วยลดเวลาการติดตั้ง ค่าแรงติดตั้ง และช่วยให้งานติดตั้งมีคุณภาพ อายุการใช้งานของท่อพลาสติกมาตรฐาน 50ปี ท่อพลาสติกสำหรับงานอาคารควรเป็นท่อแข็งเพื่อให้ซ่อมแซมขั้นต้นด้วยข้อต่อแหวนยางเชิงกลได้ ท่อพลาสติกที่ใช้จะต้องมีข้อต่อมาตรฐานสำหรับติดตั้งไม่ใช้ข้อต่อจากการประกอบขึ้นเพื่อให้รอยต่อมีความแข็งแรง

ขนาดท่อและความหนาของฉนวนช่วยการประหยัดพลังงานของเครื่องสูบน้ำเย็นและลดการทำงานของเครื่องทำน้ำเย็น ความหนาของฉนวนจำกัดอุณหภูมิผิวท่อให้สูงกว่าจุดน้ำค้างของอากาศรอบท่อและช่วยไม่ให้เกิดปัญหาการกลั่นตัวที่ผิวท่อซึ่งจะทำให้เกิดความเสียหายต่อฝ้าเพดานและอื่นๆ สามารถใช้แผนภูมิที่ 3.และ 4.สำหรับการเลือกขนาดท่อและตารางที่ 6.และ 7.สำหรับเลือกความหนาของฉนวน ซึ่งสามารถคำนวณใหม่ได้ถ้าข้อมูลต่างๆผิดจากที่ใช้