จัดการคุณภาพอากาศของห้องปรับอากาศ

การปรับอากาศเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับกิจกรรมในอาคาร ถ้าออกแบบระบบปรับอากาศและระบายอากาศไม่ถูกต้องจะเกิดปัญหาคุณภาพอากาศทำให้ปัญหาสุขภาพแก่ผู้อยู่อาศัย เรียกว่า SBS, Sick Building Syndrome คุณภาพอากาศในอาคาร Indoor Air Quality, IAQ ที่ต้องควบคุมได้แก่อุณหภูมิ ความชื้น ฝุ่นละอองและอื่นๆเพื่อสุขอนามัยของผู้อยู่อาศัย

สิ่งสกปรกในอากาศ

สิ่งสกปรกในห้องปรับอากาศประกอบด้วยสิ่งสกปรกที่มาจากภายนอกและสิ่งสกปรกที่เกิดขึ้นภายในห้อง สิ่งสกปรกที่เกิดในห้องได้แก่การสูบบุหรี่ การทำอหาร ก๊าซมีพิษจากวัสดุภายในห้องได้แก่ สี ทินเนอร์ ก๊าซคาร์บอนไดอ็อกไซด์และความชื้นจากการหายใจของคน เชื้อรา เชื้อโรคที่เจริญเติบโตและแพร่พันธ์อยู่ในอากาศ สิ่งสกปรกเหล่านี้จะสะสมมากขึ้นจนเป็นอันตรายต่อสุขภาพ จึงต้องระบายอากาศในห้องออกและนำอากาศภายนอกที่สะอาดกว่าถีงแม้จะมีฝุ่นละออง เกษรพืช สปอร์ และอื่นๆ เข้ามาด้วยแต่ก็มีตวามจำเป็นเพื่อเพิ่มออกซิเจนและเจือจางสิ่งสกปรกในอากาศ

กลิ่นมีส่วนทำให้เกิดความรู้สึกแตกต่าง กลิ่นเป็นความรู้สึกของคนต่อก๊าซและสปอร์ของเชื้อราภายในห้อง มีกลิ่นมากแสดงว่ามีก๊าซมากสามารถทำให้เสียสุขภาพได้ ตารางที่ 1 แสดงแหล่งที่มาและความเข้มข้นของสิ่งสกปรกที่สามารถพบในห้องปรับอากาศได้ สิ่งที่แสดงในตารางนี้เป็นเพียงบางส่วนที่มีในอากาศเท่านั้น

ตารางที่ 1 แหล่งที่มาและความเข้มข้นของสิ่งสกปรกในอากาศภายในห้อง

ตารางที่ 2 แสดงถึงสิ่งสกปรกซึ่งเกิดขึ้นจากคนที่อยู่ในห้องปรับอากาศ และในตารางที่ 3 แสดงชนิดของเชื้อแบคทีเรียที่สามารถเจริญเติบโตอยู่ภายในห้องปรับอากาศได้

ตารางที่ 2สิ่งสกปรกในอากาศจากร่างกายของคน

ตารางที่ 3 เชื้อแบคทีเรียที่สามารถเจริญเติบโตภายในห้องได้

รูปที่ 1. แสดงขนาดของสิ่งแขวนลอยในอากาศและประเภทที่กรองอากาศ 99.9%ของสิ่งแขวนลอยทั้งหมดมีขนาดไม่เกิน 1ไมครอน ตารางที่ 4.แสดงระยะเวลาที่สิ่งแขวนลอยจะตกลงพื้น สิ่งแขวนลอยขนาดเล็กกว่า 0.1ไมครอนจะเคลื่อนที่เหมือนก๊าซ ขนาด 0.1-1 ไมครอนตกพื้นได้แต่ปริมาณน้อยมาก ขนาด 1-10 ไมครอนตกลงพื้นเมื่ออากาศนิ่งแต่ถ้ามีลมก็จะลอยได้ระยะเวลาหนึ่ง ฝุ่นขนาด 5 ไมครอนลงมาสามารถหายใจได้โดยไม่รู้สึกผิดปกติ

รูปที่ 1 ขนาดสิ่งแขวนลอยในอากาศและประสิทธิภาพที่กรองอากาศ

ตารางที่ 4 ขนาดสิ่งแขวนลอยและระยะเวลาที่ตกลงพื้น

WHO air quality guidelines (AQGs)

WHOจัดทำข้อแนะนำสำหรับคุณภาพอากาศทั้งภายในและภายนอกเพื่อสุขภาพของคน ได้จากการศึกษาข้อมูลสุขภาพและสภาพสิ่งแวดล้อมในอากาศที่ผ่านมาและได้ออกข้อแนะนำครั้งแรกปีค.ศ.1987และแก้ไขตามการเปลี่ยนแปลงที่สำคัญ สรุปสิ่งที่เกี่ยวข้องกับตุณภาพอากาศได้ดังนี้

– PM 0.1 คือมวลของฝุ่นที่มีขนาดเท่ากับและเล็กกว่า1.0µm ซึ่งเป็นฝุ่นแขวนลอย (ultra-fine particulate matter) แขวนลอยในอากาศ ซึ่งมีทั้งไวรัส ควันบุหรี่และก๊าซจากการเผาไหม้

– PM 2.5 คือมวลของฝุ่นที่มีขนาดเท่ากับและเล็กกว่า2.5µm ซึ่งเป็นฝุ่นขนาดเล็ก (fine particulate matter) เกิดจากการใช้เชื้อเพลิงเผาไหม้และสันดาป มีผลต่อเนื้อเยื่อในระบบหายใจและเส้นเลือด

– PM10 คือมวลของฝุ่นที่มีขนาดเท่ากับและเล็กกว่า10µm ซึ่งประกอบด้วบฝุ่นหยาบ 2.5-10 µm (coarse particulate matter) เกิดขึ้นจากเชิงกล ได้แก่ฝุ่นจากการก่อสร้าง ฝุ่นถนน และฝุ่นที่ถูกลมพัดปลิวขึ้นมาได้ รวมทั้งฝุ่นขนาดเล็ก pm 2.5 มีผลต่อเนื้อเยื่อในระบบหายใจและเส้นเลือด

– Total Suspended Particles (TSP) คือมวลของฝุ่นที่มีขนาดฝุ่นที่มีขนาดใหญ่กว่า10µm สามารถกรองได้ในจมูกและคอจึงไม่มีผลต่อสุขภาพแต่ทำให้รำคาญ จึงไม่ระบุค่าแนะนำ

– โอโซน (Ozone)

– ในโตรเจนไดออกไซด์(NO2)

– ซัลเฟอร์ไดออกไซด์(SO2)

ตารางที่ 5.ข้อแนะนำสภาวะสิ่งแวดล้อมในอากาศWHO

WHOศึกษาข้อมูลจากPM 2.5 ซึ่งได้รวมultrafineแล้ว สำหรับประเทศกำลังพัฒนาใช้อัตราส่วนPM 2.5/PM 10=0.5 และสำหรับประเทศพัฒนาแล้วให้ใช้อัตราส่วน0.5-0.8 การใช้เชื้อเพลิงเผาไหม้และสันดาปซึ่งมีผลให้เกิดทั้งโอโซนและในโตรเจนไดออกไซด์ ในโตรเจนไดออกไซด์มีความสัมพันธ์ใกล้ชิดกับUltrafine particle เฉพาะในการใช้งานพิเศษที่เกิดตัวประกแบอื่นๆจึงจะทำการวัดและจัดการเพื่อลดปริมาณให้อยู่ในข้อแนะนำ

การระบายอากาศ

เพื่อควบคุมปริมาณความสกปรกภายในห้องปรับอากาศ จึงต้องนำอากาศสกปรกในห้องทิ้งได้วยการระบายอากาศ และนำอากาศภายนอกที่สะอาดกว่าเข้ามาแทนที่ ASHRAE(American Standard of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers) ได้ออกมาตรฐานแนะนำการควบคมคุณภาพอากาศในห้องปรับอากาศได้แก่ ASHRAE Standard 62 “Ventilation for acceptable indoor air quality” ตารางที่ 6.แสดงอัตราการระบายอากาศต่ำสุดที่กำหนดสำหรับห้องปรับอากาศตามกฎหมาย

ตารางที่ 6.อัตราการระบายอากาศต่ำสุดสำหรับห้องปรับอากาศตามพระราชบัญญัติควบคุมอาคาร

ที่กรองอากาศ

MERV(Minimum Efficiency Reporting Value)เป็นมาตรฐานที่กรองอากาศตามASHRAE 52.2 แบ่งประเภทที่กรองอากาศตามประสิทธิภาพการจับฝุ่นขนาดต่างๆตามตารางที่ 7. และตารางที่ 8.แสดงการใช้ที่กรองอากาศและประสิทธิภาพการจับฝุ่นที่ทดสอบโดยมาตรฐาน Dust Spot Efficiency Test และArrestance ขนาดของฝุ่นละออง การใช้งานและลักษณะทางกายภาพของที่กรองอากาศ

ตารางที่ 7.ASHRAE 52.2

ตารางที่ 8.MERV(Minimum Efficiency Reporting Value) RATING CHART

อาคารธุรกิจใช้ที่กรองอากาศMERV 8 แบบPleated ซึ่งมีDust Spot Efficiency 30-35% ตามตารางที่ 8. ซึ่งไม่สามารถป้องกันไวรัสเนื่องจากไวรัสมีขนาดเล็กกว่า1.0ไมครอน และมาตรฐานตามตารางที่ 7.ไม่ได้ทดสอบที่ขนาดอนุภาคเล็กขนาดนี้ รูปที่ 2.ได้จะเห๊นว่าที่กรองอากาศแบบPleatedซึ่งมีDust Spot Efficiency 40% จึงจะสามารถจับวัสได้แต่ก็มีประสิทธิภาพต่ำมาก

รูปที่ 2.ประสิทธิภาพที่กรองอากาศแบบPleated Air Filter(Extended surface)ที่ขนาดอนุภาคต่างๆ

สำหรับห้องสะอาดที่จะต้องจับไวรัสจะใช้ที่กรองอากาศMERV 17ขึ้นไป(HEPA)เท่านั้น รูปที่ 3.แสดงจำนวนเชื้อประเภทต่างๆซึ่งผ่านที่กรองอากาศแบบHEPAได้จากเชื้อจำนวนล้านตัว

รูปที่ 3 จำนวนเชื้อสูงสุดที่สามารถผ่าน HEPA FILTER ได้

เครื่องปรับอากาศและพัดลมระบายอากาศ

เครื่องปรับอากาศทำหน้าที่ให้อากาศเย็นที่ปริมาณและอุณหภูมิที่เหมาะสมเพื่อควบคุมอุณหภูมิภายในห้องปรับอากาศ และกรองฝุ่นละอองในอากาศเย็นที่หมุนเวียนภายในห้องด้วยที่กรองอากาศ เมื่อใช้พัดลมระบายอากาศในห้องออก ความดันอากาศในห้องจะลดลง อากาศภายนอกจึงเข้ามาภายในห้องผ่านรอยแตกและช่องวางขอบหน้าต่างและประตู ทำให้ฝุ่นละอองและสิ่งสกปรกต่างๆปนเข้ามาในห้องโดยตรง จึงควรต่อให้อากาศจากภายนอกเข้ามาเติมในห้องปรับอากาศผ่านทางเครื่องปรับอากาศเพื่ออาศัยคอยล์เย็นและที่กรองอากาศของเครื่องปรับอากาศควบคุมปริมาณฝุ่นและความชื้นก่อนจะเข้าสู่ห้องปรับอากาศ

ให้สภาวะความสกปรกในห้องอยู่ในสภาวะสมดุลย์ X หน่วย/ปริมาตร

ปริมาตรห้อง กว้างxยาวxสูง = Vo ลบ.ม.

อัตราการไหลของเครื่องปรับอากาศ = Va cmm

อัตราการระบายอากาศ = Ve cmm

สิ่งสกปรกนอกอาคาร = Do หน่วย/ปริมาตร

สิ่งสกปรกเกิดในอาคาร = Di หน่วย/ปริมาตร/นาที

จำนวนคน = P คน (อัตราการหายใจ 12ครั้ง/นาที ปริมาตรปอด 2.7ltr/คน)

สิ่งสกปรกเกิดคน = Dp หน่วย/คน/นาที

ที่สภาวะสมดุลย์ ความสกปรกออกจากห้อง = ความสกปรกเข้าห้อง

ความสกปรกออกจากห้อง =ความสกปรก จากการระบายอากาศ + ที่กรองอากาศ + คนหายใจเข้า

=X *(Ve + Va * filter eff. + 12 * 2.7 / 1000 * P) 1.

ความสกปรกเข้าห้อง =ความสกปรก จากอากาศภายนอก + เกิดภายใน + คนหายใจออก

=Do * Ve + Di * Vo + Dp * P 2.

ตัวอย่าง ห้องเรียน 30 คน ขนาด 8 x 10 เมตร สูง 3.5 เมตร ใช้เครื่องปรับอากาศขนาด 6 ตันความเย็น อัตราการหมุนเวียนอากาศ 2400 cfm ให้ที่กรองอากาศมีMERV 8 และใช้พัดลมระบายอากาศ 300cfm อากาศภายนอกMerv2.5=104 µg/m3 24h

ปริมาตรห้องเรียน Vo = 8 * 10 * 3.5 = 280 m3

อัตราการระบายอากาศ Ve = 300 / 35.3 = 8.50 cmm

MERV 8 ประสิทธิภาพตามตารางที่ 7. E2=20%, E3=70%

อัตราการหมุนเวียนอากาศ Va = 2400 /35.3 = 67.99 cmm

อากาศภายนอก Merv 2.5=104 µg/m3 Merv 10=208 µg/m3 (ratio=0.5)

ฝุ่น <2.5 µg/m3

X*(8.5 + 67.99 * 0.2 + 12 * 2.7 / 1000 * 30) = 104*8.5 + 0 + 0

X = 38.32 µg/m3 > WHO AQG

จะต้องแก้ไขให้อากาศภายนอกผ่านที่กรองอากาศของเครื่องปรับอากาศ X = 30.65 µg/m3 > WHO AQG

จะต้องเปลี่ยนที่กรองอากาศเป็น Merv 9 ประสิทธิภาพตามตารางที่ 7. E2=35%, E3=75%

X = 17.27 µg/m3 < WHO AQG OK

เครื่องฟอกอากาศ

จากตัวอย่างข้างต้นถ้าเพิ่มอัตราการหมุนเวียนอากาศของเครื่องปรับอากาศเพื่อใช้ที่กรองอากาศเดิมMerv 8 ให้เก็บฝุ่นมากขึ้น จะรักษาความเข้มของฝุ่นภายในห้องปรับอากาศได้ แต่ไม่สามารถเพิ่มอัตราการการหมุนเวียนอากาศของเครื่องปรับอากาศได้จึงต้องมีเครื่องฟอกอากาศทำหน้าที่หมุนเวียนอากาศภายในห้องเพื่อทำความสะอาดเพิ่มขึ้น ด้วยที่กรองอากาศของเครื่องฟอก

ให้อัตราการหมุนเวียนอากาศของเครื่องฟอกอากาศ 600 cfm = 600/35.3 = 17.0 cmm

ที่กรองอากาศ Merv 12 ประสิทธิภาพตามตารางที่ 7. E1=95%, E2=95%, E3=95%

แทนค่า X*(8.5 + 67.99 * 0.2 + 17.0 * 0.95 + 12 * 2.7 / 1000 * 30) = 104*8.5 + 0 + 0

X = 22.54 µg/m3 < WHO AQG OK

Covid 19

ถ้าเป็นเชื้อไวรัสCovid 19 ข้อมูลที่ได้รับเชื้ออยู่ในอากาศได้ 3 นาทีในอุณหภูมิ25c การไอจามจะมีเชื้อในละอองน้ำเล๊กๆนับแสนละอองซึ่งลอยอยู่ในอากาศนานถึง 10ชั่วโมง

สมมุติฐาน ถ้าละอองน้ำเล็กๆนี้ระเหยได้หมดในอากาศภายใน 5นาที เชื้อก็จะตายภายใน 8นาที

ให้ไอจามไวรัสกระจายออกมา 500,000หน่วย/คน/นาทีแทนค่า มีผู้ติดเชื้อ 1คน

X*(8.5 + 500000/8 + 12 * 2.7 / 1000 * 30) = 500000 + 0 + 0

X = 8 หน่วย/m3

คนจึงได้รับเชื้อ = 8 * 12 * 27 / 1000 / 30 = 0.9 หน่วย/นาที ซึ่งน้อยมาก

ถ้าใส่หน้ากากอนามัยก็จะได้รับน้อยลงไปอีก ยกเว้นจะได้สัมผัสโดยตรงกับผู้ป่วยหรือเชื้อที่ติดอยู่กับวัสดุ

การฆ่าเชื้อ

เมื่อใช้ที่กรองอากาศจับฝุ่นและเชื้อในห้องปลอดเชื้อแล้ว ที่กรองอากาศจึงมีเชื้อที่จับไว้ คอยล์เย็นและถาดน้ำทิ้งก็มีเชื้อที่เจริญเติบโตได้ เนื่องจากมีทั้งน้ำและอาหารสำหรับการเจริญเติบโต จึงควรมีการฆ่าเชื้อสำหรับงานพิเศษได้แก่การใช้สารเคมี การใช้จังสีUV-C และโอโซน

คอยล์ทองแดงซึ่งทำจากท่อและครีบทองแดงก็เป็นวิธีหนึ่งเพราะทองแดงไม่เอื้อต่อการเจริญเติบโตของจุลชีพ ก้อนสารเคมีสำหรับวางในถาดน้ำทิ้งจะละลายน้ำที่ระบายจากคอยล์เย็นทีละน้อยและฆ้เชื้อในถาดน้ำทิ้งได้ แต่ฆ่าเชื้อในคอยล์ไม่ได้ สำหรับโรงงานผลิตยาจะอบฆ่าเชื้อด้วยฟอร์มาลดิไฮด์เป็นระยะๆ โอโซนก็สามารถใช้อบฆ่าเชื้อได้ ทั้งฟอร์มาลดิไฮด์และโอโซนเป็นอันตรายต่อระบบหายใจของคนหลังจากการอบฆ่าเชื้อจึงต้องระบายอากาศจนแน่ใจว่าไม่มีตกค้างอยู่ในห้อง นอกจากนี้โอโซนยังทำให้ชิ้นส่วนอุปกรณ์เสียหายเนื่องจากเป็นสารอ็อกซิดชั่นอย่างแรงอีกด้วย

UV-C เท่านั้นที่สามารถใช้ในขณะที่มีคนอยู่ในห้องปรับอากาศได้ ถึงแม้จะมีอันตรายต่อสายตาแต่การใช้จะอยู่ในเครื่องเป่าลมเย็นที่ปิดมิดชิดและมีขั้นตอนการปฎิบัติงานเพื่อความปลอดภัย รังสี UV-C มีความยาวคลื่นกึ่งกลางที่ 254 นาโนเมตรตามรูป 4.รังสี UV-C จะทำลาย DNA ของเชื้อ ซึ่งจะต้องมีความเข้มของรังสีและเวลาที่เพียงพอจึงจะสามารถฆ่าเชื้อได้ รังสี UV-C มีอันตรายต่อสายตาจึงติดตั้งภายในเครื่องที่มีลมผ่านเพื่อไม่ให้รังสีกระทบตาคนที่อยู่ในห้องปรับอากาศ เหมาะสำหรับใช้แบบต่อเนื่องกับคอยล์เย็นและถาดน้ำทิ้ง ASHRAE Handbook แนะนำความเข้มข้นต่ำสุด 50-100 µW/cm2 (ไม่ใช่กำลังวัตต์ของหลอด)สำหรับคอยล์เย็น รวมทั้งกล่องลม

รูปที่ 4. ขนาดคลื่นความถี่ของรังสี UV-C และการทำงานของรังสี UV-C