AHUควบคุมความชื้นแบบใหม่

เครื่องเป่าลมเย็น(AHU, Air Handling Unit)ที่นำเสนอในบทความนี้เป็นระบบที่สามารถควบคุมอุณหภูมิและความชื้นสัมพัทธ์ของห้องได้โดยมีหลักการทำงานที่ไม่ซับซ้อนและประหยัดพลังงาน ไม่ต้องใช้ความร้อนจากภายนอก สามารถปรับการทำงานตามการเปลี่ยนแปลงของภาระความร้อนของห้อง AHUใช้คอยล์น้ำยาที่สามารถปรับปลี่ยนการทำงานเพื่อรักษาต่าจุดน้ำค้างของห้องตามที่ต้องการ อากาศภายนอกควรผ่านเครื่องส่งอากาศบริสุทธ์FAU(Fresh Air Unit)เพื่อลดภาระความร้อนจากภายนอก ปรับสัดส่วนความร้อนสัมผัสของคอยล์เย็น และปรับภาระความร้อนของอากาศภายนอกให้คงที่และทำให้AHUมีขนาดเล็กลง

ลักษณะการสร้าง

              AHUประกอบด้วยตัวถังที่สำคัญ 3 ส่วน ตัวถังส่วนที่ 1. ทำหน้าที่ผสมอากาศภายนอก(OA)และลมกลับจากห้องปรับอากาศ(RA)ผ่านที่กรองอากาศAF(Air filter)เพื่อทำความสะอาดก่อนเข้าคอยล์เย็นเพื่อลดอุณหภูมิและความชื้นและเพื่อใช้ควบคุมอุณหภูมิและความชื้นสัมพัทธ์ของห้อง ตัวถังส่วนที่ 2 ทำหน้าที่ลัดลมกลับ(RA)จากห้องผ่านที่กรองอากาศและใบปรับลม เพื่อผสมกับอากาศที่มาจากตัวถังส่วนที่ 1. และส่วนที่ 3.ติดตั้งพัดลมแบบปรับความเร็วรอบอัตโนมัติ ส่งอากาศผสมอัตราการไหลคงที่ไปที่ห้องปรับอากาศ

ตัวถังบุฉนวนเพื่อป้องกันการเกิดหยดน้ำด้านนอกของตัวถังและควบคุมระดับเสียงผ่านตัวถัง คอยล์เย็นCC(Cooling coil)เป็นแบบPlate Fin Typeสามารถใช้ทั้งคอยล์น้ำเย็นหรือคอยล์น้ำยา(Direct expansion, DX)ตามอุณหภูมิคอยล์ที่ใช้เพื่อควบคุมความชื้น ที่กรองอากาศสามารถเลือกได้ตามความต้องการเพื่อความสะอาดของห้องปรับอากาศ ใบปรับลมอัตโนมัติ AD(Automatic air damper)ควบคุมด้วยขุดควบคุมใบปรับ  พัดลมส่งอากาศผสมในอัตราการไหลคงที่ไปยังห้องปรับอากาศด้วยการปรับความเร็วรอบการหมุนด้วยชุดควบคุมพัดลม

ตัวถังมีขนาดใหญ่เพื่อความสะดวกในการดูแลรักษาทำความสะอาด และติดตั้งอุปกรณือื่นๆตามความต้องการได้แก่ ส่วนควบคุมระดับเสียง ส่วนฆ่าเชื้อด้วยรังสีเหนือม่วง และอื่นๆ

รูปที่ 1. แสดงผังการสร้างเครื่องส่งลมเย็น (AHU)แสดงชุดอุปกรณ์ต่างๆ

หลักการทำงาน

AHU เป็นระบบส่งอากาศในอัตราคงที่โดยปรับความเร็วรอบพัดลมอัตโนมัติเพื่อให้ความเร็วลมในท่อลมคงที่ ที่ภาระความร้อนสูงสุดอากาศผสมOA+RAผ่านคอยล์เย็นCCไปที่พัดลมโดยไม่มีลมกลับจากส่วนที่2.ผสม เนื่องจากADจะเปิดอากาศเข้าคอยล์เย็นCCแต่ปิดไม่ให้อากาศสัดมาผสม คอยล์เย็นCCจึงทำงานเพื่อดึงความร้อนทั้งหมดของห้องออกตามที่คำนวณไว้ทำให้สามารถควบคุมอุณหภูมิและความชื้นสัมพัทธ์ของห้องได้

เมื่อภาระความร้อนลดลง ระบบควบคุมจะลดการทำงานของคอยล์เย็นCCโดยมีเป้าหมายเพื่อใช้ดึงความร้อนแฝงของห้องออกทั้งหมด เป็นการรักษาค่าความชื้นหรือจุดน้ำค้างไว้ในขณะเดียวกันตอยล์เย็นก็จะดึงความร้อนสัมผัสของห้องไปด้วยซึ่งถ้ามากกว่าความร้อนสัมผัสของห้องขณะนั้น ระบบควบคุมADจะลดอัตราการไหลของอากาศผ่านคอยล์เพื่อปรับอุณหภูมิและเปิดลัดอากาศจากตัวถังส่วนที่ 2มาผสมเพื่อรักษาอัตราการไหลของอากาศให้คงที่ร่วมกับการปรับรอบของพัดลม

การทำงานของคอยล์เย็นนั้นเมื่อลดอัตราการไหลของน้ำเย็นทำให้อุณหภูมิคอยล์เย็นสูงขึ้นและbypass factorเพิ่มขึ้น และเมื่อลดการไหลของอากาศผ่านคอยล์เย็นทำให้อุณหภูมิคอยล์เย็นลดลงและbypass factorของคอยล์ลดลง ทั้งสองอย่างมีผลหักล้างกันทำให้ค่าเปลี่ยนแปลงไม่มากจึงสามารถทำการควบคุมได้

สรุปการทำงานของAHUบนไซโครเมตริกได้ตามรูปที่ 2. อากาศภายนอกODผ่านFAUเพื่อลดภาระความร้อนและความชื้นเพื่อให้สภาวะที่ไม่เปลี่ยนแปลงมากและลดขนาดของAHU ทึ่ภาระความร้อนสูงสุดอากาศภายนอกODผสมกับลมกลับRDในตัวถังส่วนที่ 1. ได้อากาศผสมENT1แล้วผ่านคอยล์เย็นที่มีการทำงานCC1เพื่อดึงความร้อนทั้งหมดออก และออกจากคอยล์เย็นที่จุดLVGซึ่งเป็นจุดเดียวกับที่จ่ายเข้าห้องRM ENTเพื่อรับความร้อนทั้งหมดจากห้องเพื่อรักษาอุณหภูมิและความชื้น

เมื่อภาระความร้อนลดลง(Part load)ระบบควบคุมคอยล์เย็นจะลดอัตราการไหลของน้ำเย็นเข้าและระบบควบคุมADจะเปิดเพื่อลัดลมกลับผ่านตัวถังส่วนที่2.ทำให้อัตราการผสมอากาศเปลี่ยนมาที่จุดENT2 แล้วผ่านคอยล์เย็นที่มีสภาพการทำงานCC2 เพื่อดึงความร้อนแฝงออกซึ่งมีความร้อนสัมผัสถูกดึงออกมากกว่าความร้อนสัมผัสของห้อง จึงต้องปรับอัตราการไหลอากาศผ่านคอยล์เย็นเพื่อปรับความร้อนสัมผัสของคอยล์เย็นเมื่อผสมกับลมกลับจะเลื่อนจุดจ่ายอากาศมาที่RM ENTเพื่อรับความร้อนpart load

รูปที่ 2. ไซโครเมตริกอธิบายการทำงานของAHUควบคุมความชื้นแบบใหม่

การคำนวณออกแบบAHU

ข้อมูลที่สำคัญสำหรับการออกแบบAHUควบคุมความชื้นแบบใหม่ได้แก่ภาระความร้อนของห้องไม่รวมภาระความร้อนจากอากาศภายนอก สัดส่วนความร้อนสัมผัสของห้องRSHF อุณหภูมิและความชื้นสัมพัทธ์ที่ต้องการควบคุม การคำนวณออกแบบต้องทำร่วมกับไซโครเมตริก ระบบปรับอากาศจะต้องมีFAUเพื่อส่งอากาศภายนอกที่ปรับลดอุณหภูมิและความชื้นก่อนส่งให้AHUเพื่อลดขนาดชองAHUและเพื่อให้อากาศภายนอกมีสภาวะอากาศที่คงที่ทำให้การควบคุมทำได้ง่ายขึ้น

การเลือกขนาดFAUควรควบคุมอุณหภูมิอากาศภายนอกต่ำกว่าอุณหภูมิห้อง ไม่ทำให้เกิดหมอกในอากาศโดยใช้สภาวะอากาศที่มีความชื้นสูง(Dehumidification)จาก 2005 ASHRAE Handbook-Fundamental  และใช้สภาวะอากาศภายนอกที่มีพลังงานสูงสุด(Enthalpy) กรุงเทพใช้ 0.4%=89.5kJ/kg, 33MCDB เพื่อคำนวณขนาดของFAU

ตัวอย่างที่ 1. ห้องปรับอากาศมีภาระความร้อน35 kW สัดส่วนภาระความร้อนสัมผัส0.9 สภาวะอากาศของห้อง 22 Cdb, 50%RH อัตราอากาศภายนอก 880 CMH

การคำนวณออกแบบAHUทำงานที่ภาระความร้อนสูงสุดของห้องเพื่อเลือกขนาดเครื่องมีขั้นตอนดังนี้

-            เขียนตำแหน่งสภาวะอากาศของห้องRMและอากาศภายนอกODลงในไซโครเมตริกตามรูปที่ 3.

-            จุดODlvgควรเสถียรและมีอุณหภูมิต่ำกว่าอุณหภูมิห้อง

-            จากไซโครเมตริก FAUจึงควรมีขนาดคอยล์เย็น9.309kWส่งอากาศภายนอกผสมเข้าAHUได้880CMHหรือ0.278kg/sที่จุดODlvg โยงเส้นRMและODlvgซึ่งเป็นเส้นผสมอากาศCM

-            อัตราการไหลอากาศภายนอก880CMH=0.278kg/s คำนวณความร้อนสัมผัสSHodและความร้อนทั้งหมดTHodจากODมาRMได้ =-0.568kWและ3.593kWตามลำดับ

-            ลากเส้นRSHF=0.9 จากจุดRMมาตัดเส้น100%RH

-            สัดส่วนการผสมอากาศมีความสัมพันธ์กับภาระความร้อนของห้องและภาระความร้อนของอากาศภายนอกจึงต้องใช้เทคนิกtry&error

-            สำหรับตัวอย่างนี้สัดส่วนการผสมอากาศภายนอกCM=0.078หรือ7.8% เขียนจุดเข้าคอยล์ENT1

-            SHFของคอยล์เย็น=(SH+SHod)/(TH+Hod)=(35x0.9-0.568)/(35+3.593) =0.801

-            ลากเส้นคอยล์เย็นCC1ให้SHF=0.801ตัดเส้น100%RHที่จุดADP1 และตัดเส้นRSHFที่จุดLVGซึ่งเป็นจุดที่อากาศเข้าห้องRMent

-            ความร้อนจากRMentถึงRMคือภาระความร้อนของห้อง=35kW คำนวณอัตราการไหลอากาศได้3.558kg/s

-            เส้นENT1ถึงLVGคือการทำงานของคอยล์เย็นCCที่ภาระความร้อนสูงสุดของห้องCC1

-            ใช้อัตราการไหลคำนวณการทำงานของคอยล์เย็นCC=38.588kW

-            เนื่องจากคอยล์น้ำเย็นมีอุณหภูมิน้ำเข้า7Cซึ่งใกล้กับADPจึงทำให้ไม่สามารถใช้คอยล์น้ำเย็นได้ จำเป็นต้องใช้คอยล์เย็นของฮีตปั๊มแทนซึ่งสามารถใช้น้ำเย็นของระบบปรับอากาศมาระบายความร้อนถ้าไม่สามารถหาที่ตั้งของคอยล์ร้อนได้ ขนาดของคอยล์เย็น อัตราการไหลของอากาศ และสภาวะอากาศจากการคำนวณจะนำไปใช้เพื่อเลือกขนาดเครื่องAHU

รูปที่ 3. ไซโครเมตริกแสดงการคำนวณออกแบบAHUทำงานที่ภาระความร้อนสูงสุดของห้องตามตัวอย่างที่ 1.

ตัวอย่างที่ 2. เมื่อภาระความร้อนของห้องลดลงจากตัวอย่างที่ 1. อัตราการไหลของอากาศผ่านคอยล์จะลดลงตามภาระความร้อนที่ลดลงทำให้ค่าSHFของคอยล์เย็นเปลี่ยน ถ้าให้ค่าRSHFของห้องคงที่ สามารถคำนวณทำงานได้ดังนี้

-            ให้ภาระความร้อนลดลงเป็น50%อัตราการส่งอากาศยังเท่าเดิมแต่อัตราการไหลของอากาศผ่านคอยล์เย็นSAจะลดลงเหลือ=3.558x0.5=1.779kg/s

-            อัตราการไหลคำนวณสัดส่วนอากาศภายนอกCM=0.278/1.779=0.156หรือ15.6%

-            ความร้อนทั้งหมดของห้องTHr=0.5x35=17.5kW ความร้อนสัมผัสSHr=17.5x0.9=15.75kW ความร้อนแฝงLHr=17.5-15.75=1.75kW

-            ความร้อนแฝงของคอยล์เย็นเท่ากับผลรวมของความร้อนแฝงของห้องและอากาศภายนอกLHc =1.75+3.593+0.568=5.91

-            ความร้อนสัมผัสของคอยล์เย็นSHc=SHr+SHo =15.75+0.568=16.32kW

-            SHFของคอยล์เย็น=SHc/(SHc+LHc)=16.32/(16.32+5.91) =0.734

-            คำนวณในลักษณะเดียวกันที่ภาระความร้อนต่างๆตามที่แสดงในตารางที่ 1.

-            เขียนข้อมูลจากตารางที่ 1.ลงในไซโครเมตริกตามรูปที่ 4.

จะเห็นได้ว่าภาระความร้อนที่ลดลงเส้นคอยล์เย็นCCตัดเส้นRSHFใกล้เคียงกันอัตราการผสมอากาศจะลดลงและทำให้SHFของคอยล์เย็นลดลงจนสมดุลได้ AHUจึงสามารถควบคุมการทำงานเพื่อรักษาอุณหภูมิและความชื้นสัมพัทธ์ที่ภาระความร้อนลดลงถึง20ได้ แต่ที่ภาระความร้อน10%เส้นคอยล์เย็นตัดเส้น100%RHทำให้เกิดหมอกไม่สามารถควบคุมความชื้นได้

ตารางที่ 1. ผลการคำนวณการทำงานของAHUที่ภาระความร้อนของห้อง40%และ50%

รูปที่ 4. ไซโครเมตริกแสดงการทำงานของAHUแบบใหม่ที่ภาระความร้อนต่างๆตามการคำนวณจากตารางที่ 1

บทส่งท้าย

              AHUใหม่นี้ส่งอากาศเย็นอัตราการไหลคงที่ให้ห้องปรับอากาศด้วยการปรับรอบพัดลมอัตโนมัติ ควบคุมความร้อนแฝงหรือความชื้นสัมพัทธ์ของห้องให้จุดน้ำค้างคงที่ด้วยการปรับการดึงน้ำของคอยล์เย็นโดยปรับลดอุณหภูมิคอยล์เย็น และควบคุมอุณหภูมิของห้องหรือความร้อนสัมผัสด้วยการปรับลมผ่านคอยล์เย็น ซึ่งอากาศส่วนเกินจะลัดมาผสมกับอากาศที่ผ่านคอยล์เย็นทำให้ไม่ต้องใช้แหล่งความร้อนจากภายนอกเช่นฮีตเตอร์ไฟฟ้า

        การทำงานควรใช้อากาศภายนอกจาก(FAUหรือOAU)เพื่อให้สภาวะอากาศภายนอกเสถียรขึ้นและลดขนาดคอยล์เย็นของAHU ความร้อนแฝงของอากาศภายนอกมีส่วนช่วยปรับค่าSHFของคอยล์เย็น สภาวะอากาศภายในห้องที่ค้องการทำให้ต้องใช้คอยล์น้ำยาเพื่อให้อุณหภูมิคอยล์เย็นเปลี่ยนแปลงตามการเปลี่ยนแปลงภาระความร้อนของห้องได้ดี

การเลือกคอยล์เย็นให้เหมาะสมกับงานเป็นสื่งที่สำคัญที่สุดเนื่องจากคอยล์เย็นเป็นเครื่องมือสำหรับการดึงความร้อนสัมผัสและความร้อนแฝงด้วยการปรับอุณหภูมิคอยล์เย็นและอัตราการไหลของอากาศผ่านคอยล์เย็น จึงแนะนำให้ใช้ฮีตปั๊มแบบปรับรอบการทำงานของคอมเพรสเซอร์ได้เพื่อให้ปรับอุณหภูมิคอยล์เย็นได้กว้างกว่าคอยล์น้ำเย็นและระบายความร้อนของคอยล์ร้อนด้วยน้ำเย็นเพื่อการประหยัดพลังงาน

AHUแบบใหม่สามารถควบคุมอุณหภูมิและความชื้นสัมพัทธ์ของห้องปรับอากาศได้เมื่อภาระความร้อนต่ำสุดของห้องไม่ต่ำกว่า20%ของภาระความร้อนสูงสุด นอกจากจะต้องคำนวณภาระความร้อยสูงสุดเพื่อใช้เลือกอุปกรณ์แล้ว ควรประมาณภาระความร้อนต่ำสุดด้วยเพื่อความมั่นใจ