REVERSE RETURN และ PICV

การปรับสมดุลอัตราการไหลน้ำเย็น(water balance)เป็นสิ่งที่สำคัญสำหรับการทำงานของระบบปรับอากาศ การปรับสมดุลมีจุดประสงค์เพื่อทำให้แต่ละFCUและAHUมีอัตราการไหลของน้ำเย็นผ่านคอยล์เย็นอย่างเพียงพอสำหรับการทำความเย็นให้กับห้องปรับอากาศ โดยไม่ให้มีอัตราการไหลเกินจำเป็น การปรับสมดุลจึงเป็นการควบคุมการใช้พลังงานของเครื่องสูบน้ำเย็นและป้องกันปัญหาอุณหภูมิน้ำเย็นกลับเข้าเครื่องทำน้ำเย็นต่ำเกินไปLow delta T syndromeซึ่งมีผลต่อการทำงานของเครื่องทำน้ำเย็น  เดิมระบบส่งน้ำเย็นเป็นแบบอัตราการไหลคงที่ การปรับตั้งจึงใช้วาวล์ปรับสมดุลแบบมือซึ่งตั้งค่าได้ในขณะตั้งเท่านั้น เมื่อตั้งที่วาวล์อื่นๆก็จะมีผลให้ความดันเปลี่ยนทำให้ต้องย้อนมาปรับตั้งอีกรอบจนกว่าจะได้ค่าที่ต้องการสำหรับทุกๆคอยล์เย็น การปรับสมดุลจึงเป็นงานที่ยากมากโดยเฉพาะสำหรับอาคารหลายชั้น

เพื่อให้ปรับสมดุลได้สะดวกขึ้นจึงใช้วิธีออกแบบระบบท่อน้ำเย็นแบบReverse returnทำให้ความดันแตกต่างคล่อมอุปกรณ์ต่างๆได้แก่FCU, AHU แม้กระทั่งเครื่องทำน้ำเย็นมีค่าใกล้เคียงกัน ทำให้การปรับสมคุลทำได้ง่ายขึ้น และมีอุปกรณ์ควบคุมความดันแตกต่างคล่อมวาวล์เพื่อช่วยให้อัตราการไหลของน้ำเย็นไม่มากเกินค่าที่ตั้งไว้แม้ความดันภายนอกจะเปลี่ยนไป

ปัจจุบันมีวาวล์ควบคุมแบบPICV(Pressure Independent Control Valve)เป็นวาวล์ควบคุมที่ปรับอัตราการไหลได้และควบคุมอัตราการไหลสูงสุดได้โดยไม่มีผลกระทบจากความดันเปลี่ยนแปลงในระบบท่ออยู่ในตัวเดียวกันทำให้การปรับสมดุลระบบท่อน้ำเย็นง่ายขึ้นจนลืมวิธีการเดินท่อแบบReverse return บทความนี้จะอธิบายแนวคิดและข้อดีเมื่อใช้ Reverse returnร่วมกับPICV

Reverse return

              การติดตั้งท่อน้ำเย็นแบบreverse returnคือการวางแนวท่อเพื่อให้ความยาวท่อที่เข้าและออกแต่ละอุปกรณ์มีความยาวเท่ากัน รูปที่ 1.วางแนวท่อน้ำเย็นสำหรับชุดเครื่องทำน้ำเย็นและปั๊มภายในห้องเครื่อง รูปที่ 2. วางแนวท่อกระจายน้ำเย็นไปยังFCUและAHUในแนวราบ และรูปที่ 3.วางแนวท่อกระจายน้ำเย็นไปยังFCUและAHUในแนวดิ่งผ่านช่องท่อ รูปด้านซ้ายแสดงการวางแนวท่อไปและกลับจากอุปกรณ์โดยตรง ความยาวท่อไปและกลับจากอุปกรณืที่อยู่ใกล้จะสั้นกว่าอุปกรณ์ที่อยู่ไกล เมื่อเลือกขนาดท่อตามความดันตก/ความยาวท่ออุปกรณืที่อยู่ใกล้จึงมีความดันแตกต่างคล่อมอุปกรณ์มากกว่าความดันแตกต่างคล่อมอุปกรณ์ที่อยู่ไกล

              เมื่อวางแนวท่อแบบreverse returnตามรูปที่ 1-3 ขวา ตวามยาวท่อไปและกลับอุปกรณ์จะมีความยาวเท่ากันหมดทุกอุปกรณ์ ความดันแตกต่างคล่อมอุปกรณ์จึงมีค่าใกล้เคียงกันหมดทุกอปกรณ์ ค่าความดันแตกต่างคล่อมแต่ละอุปกรณ์จะแตกต่างกันเล็กน้อยเนื่องจากอัตราการไหลในท่อขนาดเดียวกันของแต่ละอุปกรณ์จะแตกต่างกันตามอัตราการไหลเข้าอุปกรณ์และเนื่องจากความดันตกที่ข้อต่อ การปรับสมดุลจึงทำได้ง่ายกว่า สำหรับท่อในแนวดิ่งการปรับสมดุลจะยากมากถ้าไม่ใช้ reverse returnเนื่องจากต้องขึ้นและลงระหว่างแต่ละชั้นขณะปรับสมดุล

รูปที่ 1. ลักษณะการเดินท่อน้ำเย็นเข้าและออกเครื่องทำน่ำเย็น

รูปที่ 2. การต่อท่อกระจายน้ำเย็นไปยังเครื่องเป่าลมเย็นต่างๆในแนวราบ

รูปที่ 3. การต่อท่อกระจายน้ำเย็นไปยังแฟนคอยล์ต่างๆในแนวดิ่งผ่านช่องท่อ

ระบบท่อreverse returnตามรูปที่ 1-3 ขวาจะเห็นว่ามีท่อกลับเพิ่มขึ้นทำให้มีความยาวท่อมากขึ้นและเมื่อเดินในแนวเดียวกันทำให้เสียพื้นที่ในช่องฝ้าและช่องท่อมากขึ้น การวางแนวท่อสามารถจัดเพื่อลดความยาวท่อและพื้นที่ในช่องฝ้าและช่องท่อได้ตามรูปที่ 4-6. แนวท่อจะมีท่อเรียงกันเพืยง2ท่อไม่ใช่3ท่อเรียงกันเหมือนในรูปที่ 1-3 และท่อที่เรียงกันจะมีท่อใหญ่1ท่อและท่อเล็ก1ท่อทำให้ใช้พื้นที่ในช่องฝ้าและช่องท่อน้อย การยึดท่อสามารถใช้ระยะการยึดของท่อใหญ่ได้ ส่วนท่อเล็กจะใช้วิธียึดกับท่อใหญ่เป็นระยะๆ

รูปที่ 4. การวางแนวท่อreverse returnในห้องเครื่องเพื่อลดพื้นที่การเดินท่อและความยาวท่อ

รูปที่ 5. การวางแนวท่อreverse returnในพื้นที่แนวราบเพื่อลดพื้นที่การเดินท่อและความยาวท่อ

รูปที่ 6. การวางแนวท่อreverse returnในแนวดิ่งเพื่อลดพื้นที่การเดินท่อและความยาวท่อ

PICV(Pressure Independent Control Valve)

วาวล์ควบคุม(2-way valve)มีทั้งแบบปิด-เปิดและปรับตำแหน่งวาวล์ตามระบบควบคุมเพื่อเปลี่ยนอัตราการไหลของน้ำเย็นผ่านคอยล์น้ำเย็น อัตราการไหลของน้ำผ่านวาวล์ที่ตำแหน่งวาวล์เดียวกันจะเปลี่ยนเมื่อความดันน้ำเย็นคล่อมวาวล์เปลี่ยน ถ้าความดันแตกต่างมากขึ้นอัตราการไหลผ่านวาวล์ควบคุมก็จะมากขึ้นตามจนเกินความจำเป็น วาวล์ควบคุมขนาดใหญ่จึงใช้ร่วมกับวาวล์ปรับความดันแตกต่างคล่อมวาวล์ เมื่อปรับความดันคล่อมวาวล์ให้คงที่โดยอัตโนมัติวาวล์ควบคุมก็จะสามารถปรับอัตราการไหลตลอดช่วงตำแหน่งวาวล์ได้โดยอัตราการไหลสูงสุดเมื่อวาวล์ควบคุมเปิดสุดจะมีค่าคงที่ตามที่ตั้งความดันแตกต่างที่ตั้งไว้

วาวล์ควบคุมร่วมกับวาวล์ปรับความดันแตกต่างทำให้การปรับสมดุลง่ายจึงมีการใช้มากขึ้น ผู้ผลิตจึงทำPICVขึ้นเพื่อใช้ทดแทน โดยPICVเป็นการรวมวาวล์ควบคุมน้ำเย็นซึ่งมีทั้งแบบปิด-เปิดและแบบปรับอัตราการไหลกับวาวล์ปรับความดันแตกต่างคล่อมวาวล์ทำให้ราคาลดลง รูปที่ 7.เป็นภาพตัดชองPICV ก้านวาวล์ที่ด้านบนใช้สำหรับติดตั้งชุดควบคุม

รูปที่ 7. ภาพตัดของPICV

รูปที่ 8.ใช้อธิบายการทำงานของPICVซึ่งประกอบด้วยวาวล์ควบคุมV1ใช้ปรับตำแหน่งวาวล์เพื่อควบคุมอัตราการไหลตามระบบควบคุม และวาวล์ปรับความดันแตกต่างV2ใช้ไดอะแฟรมและสปริงปรับความดันแตกต่างโดยปรับช่องเปิดระหว่างความดันP2และP3เพื่อรักษาความดันแตกต่างระหว่างP1และP2ซึ่งอยู่คนละด้านของแผ่นไดอะแฟรม

รูปที่ 8. แผนภาพการทำงานของPICV https://hvac-eng.com/pressure-independent-control-valves-picv

การทำงานของวาวล์ปรับความดันแตกต่างต้องการความดันแตกต่างคล่อมวาวล์ไม่ต่ำกว่าค่าต่ำสุดที่วาวล์จะทำงานได้และความดันแตกต่างต้องไม่สูงเกินค่าสูงสุดของวาวล์ที่จะสามารถควบคุมอัตราการไหลของน้ำได้ตามรูปที่ 9. การเลือกขนาดวาวล์จะต้องคำนวณตรวจสอบค่าความดันแตกต่างคล่อมวาวล์ต่ำสุดและสูงสุดของระบบท่อ

รูปที่ 9. แผนภาพการทำงานของPICVแสดงช่วงความดันแตกต่างที่สามารถควบคุมอัตราการไหลสูงสุดได้

ความดันแตกต่างคล่อมPICVจะน้อยกว่าความดันแตกต่างคล่อมFCUเท่ากับความดันตกของคอยล์น้ำเย็น การตั้งการทำงานของPICVจึงให้วาวล์ควบคุมเปิดสุดแล้วจึงตั้งความดันแตกต่างคล่อมวาวล์จะกำหนดอัตราการไหลสูงสุดผ่านวาวล์ ซึ่งอัตราการไหลของน้ำเย็นผ่านวาวล์ก็คืออัตราการไหลของน้ำเย็นผ่านคอยล์น้ำเย็น เมื่อเกิดความดันเปลี่ยนแปลงในระบบท่อเนื่องจากการปิด-เปิดหรือการปรับอัตราการไหลวาวล์ควบคุมตัวอึ่นแต่ความดันแตกต่างคล่อมวาวล์จะถูกควบคุมให้คงที่ทำให้อัตราการไหลผ่านวาวล์ถูกควบคุมตามระบบควบคุมของวาวล์ควบคุมได้และอัตราการไหลสูงสุดยังคงที่ตามค่าที่ตั้งไว้ การตั้งPICVทำด้วยการปรับตั้งสปริงตามรูปที่ 7.หรือเปลี่ยนขนาดของชุดออริฟิส

รูปที่ 10.แสดงแผนภาพของระบบท่อน้ำเย็นที่ปรับอัตราการไหลด้วยปั๊มปฐมภูมิ(Primary variable pump)ซึ่งจะปรับรอบของมอเตอร์ปั๊มน้ำเย็นเพื่อการประหยัดพลังงานของปั๊ม อัตราการส่งน้ำเย็นเปลี่ยนตามความต้องการของคอยล์น้ำเย็นโดยใช้สัญญาณของความดันแตกต่างที่น้อยที่สุดของFCU ซึ่งระบบท่อน้ำเย็นในรูปที่ 10.คอยล์น้ำเย็นFCU-51เย็นที่อยู่ไกลที่สุด จะมีความดันแตกต่างน้อยที่สุดในระบบท่อและคอยล์น้ำเย็นที่อยู่ใกล้ที่สุดFCU-13มีความดันแตกต่างมากที่สุด เมื่อปั๊มน้ำเย็นส่งอัตราการไหลสูงสุดผ่านPICVไกลที่สุดได้ก็สามารถส่งน้ำเย็นให้

รูปที่ 10. แผนภาพการติดตั้งPICVในระบบท่อน้ำเย็นที่ใช้เครื่องสูบน้ำเย็นแบบปฐมภูมิ(Primary variable pump) มีอัตราการไหลเปลี่ยนแปลงตามภาระความร้อน

เมื่อใช้ Reverse returnร่วมกับPICV

              ระบบท่อน้ำเย็นแบบreverse returnทำให้ความดันแตกต่างคล่อมFCUหรือAHUแต่ละชุดใกล้เคียงกันทำให้สามารถติดตั้งPD sensorที่FCUหรือAHUที่อยู่ใกล้ที่สุดได้จึงลดค่าใช้จ่ายสำหรับสายสัญญาณและอุปกรณ์ควบคุม การเลือกPICVคำนวณจากคอยล์น้ำเย็นที่มีความด้นตกมากที่สุดเท่านั้น การปรับสมดุลระบบท่อน้ำเย็นเมื่อใช้PICVเพียงเพื่อตรวจสอบว่าคอยล์น้ำเย็นได้รับน้ำเย็นสูงสุดตามที่ต้องการและเพื่อเลือกค่าความดันแตกต่างที่จะใช้ควบคุมการทำงานของปั๊มน้ำเย็นเพื่อการประหยัดพลังงาน

              สำหรับหอผึ่งน้ำที่เครื่องทำน้ำเย็นและหอผึ่งน้ำที่มีขนาดเท่ากันสามารถใช้ระบบท่อreverse returnสำหรับเครื่องสูบน้ำและเครื่องทำน้ำเย็นแต่ควรใช้PICVที่ท่อน้ำเข้าหอผึ่งน้ำเพื่อให้อัตราการไหลน้ำสูงสุดไม่เกินค่าสูงสุดของเพื่อให้สามารถระบายความร้อนได้เนื่องจากในหอผึ่งน้ำเป็นความดันบรรยากาศระบบท่อreverse returnจึงไม่มีผล สำหรับท่อน้ำออกจากหอผึ่งน้ำควรท่อเดินท่อเข้าเฮดเดอร์เพื่อให้ความดันตกในระบบท่อออกจากหอผึ่งน้ำใกล้เคียงกัน และควรเชื่อมถาดน้ำของหอผึ่งน้ำทั้งหมดเข้าด้วยกันเพื่อช่วยรักษาระดับน้ำภายในหอผึ่งน้ำ

ในกรณีที่เครื่องทำน้ำเย็นและหอผึ่งน้ำมีขนาดไม่เท่ากันต้องใช้PICVในแต่ละอุปกรณ์ตามรูปที่ 11.ส่วนปั๊มน้ำระบายความร้อนจะทำงานตามความดันและอัตราการไหลที่เลือกจึงไม่ต้องใช้PICVเนื่องจากอัตราการไหลถูกควบคุมด้วยPICVของเครื่องทำน้ำเย็นและหอผึ่งน้ำ

รูปที่ 11. แผนภาพแสดงการวางระบบท่อน้ำระบายความร้อนของเครื่องทำน้ำเย็นและหอผึ่งน้ำ

ส่งท้าย

              การออกแบท่อระบบreverse returnทำให้ความกว้างของช่องท่อ พื้นที่ท่อในช่องฝ้าและแนวรองท่อลดลงเนื่องจากท่อกระจายน้ำไป-กลับจะเป็นท่อใหญ่และท่อเล็กเป็นส่วนใหญ่ทำให้การติดตั้งทำได้ง่ายกว่าและใช้พื้นที่น้อยกว่า กรณีที่เครื่องทำน้ำเย็น FCU, AHU และหอผึ่งน้ำมีขนาดและต้องการอัตราการไหลของน้ำเท่ากันสามารถใช้reverse returnทำให้อัตราการไหลของน้ำเข้าแต่ละอุปกรณ์ใกล้เคียงกัน

กรณีที่เครื่องมีขนาดไม่เท่ากัน ต้องการอัตราการไหลไม่เท่ากัน เพื่อการประหยัดพลังงานของปั๊มน้ำและเพื่อให้ระบบน้ำเย็นทำงานอย่างมีประสิทธิภาพจำเป็นต้องใช้PICVซึ่งจะช่วยให้การปรับสมดุลทำได้ง่าย และเมื่อออกแบบระบบท่อแบบreverse returnร่วมกับPICVจะช่วยให้การเลือกและปรับตั้งPICV การปรับตั้งความดันปั๊มน้ำเพื่อการประหยัดพลังงานทำได้ง่าย