ท่อน้ำร้อนและฉนวนสำหรับงานโรงแรม
อุณหภูมิน้ำร้อน
ข้อแนะนำของประชาคมยุโรปเพื่อใช้ควบคุมเชื้อลิจีเนลล่า กำหนดให้น้ำร้อนที่ออกจากเครื่องทำน้ำร้อนมีอุณหภูมิไม่ต่ำกว่า 60Oซ และต้องมีระบบท่อหมุนเวียนเพื่อให้อุณหภูมิน้ำที่กลับมาที่ถังเก็บน้ำร้อน 55Oซ (ในทางปฏิบัติไม่ต่ำกว่า 50Oซ) ท่อน้ำที่จ่ายจะต้องสามารถจ่ายน้ำร้อนที่จุดใช้งานได้ 55Oซ (ในทางปฏิบัติไม่ต่ำกว่า 50Oซ) ภายในเวลา 1 นาทีหลังจากที่เปิด อุณหภูมิที่ท่อน้ำร้อนออกจากถังเก็บน้ำร้อนต้องไม่ต่ำกว่า 50Oซ เกิน 20 นาทีภายใน 1วัน และหลังจาก 1 นาทีอุณหภูมิน้ำร้อนต้องไม่เปลี่ยนแปลงเกิน 10Oซ
สำหรับการฆ่าเชื้อลิจีเนลล่าด้วยอุณหภูมิน้ำร้อนนั้นทางประชาคมยุโรปแนะนำไว้ 2 วิธี คือการใช้น้ำร้อนอุณหภูมิ 70-80Oซ เก็บในถังเก็บน้ำร้อนและหมุนเวียนน้ำนี้ผ่านระบบท่อทั้งหมดเป็นเวลา 3 วัน และเปิดให้น้ำออกจากจุดใช้เป็นเวลา 5 นาที ที่อุณหภูมิไม่ต่ำกว่า 65Oซ หรืออีกวิธีหนึ่งที่มักจะใช้กันทั้งโรงแรมและโรงพยาบาลคือการหมุนเวียนน้ำที่อุณหภูมิ 60Oซ อุณหภูมิน้ำร้อนที่จุดใช้ไม่ต่ำกว่า 55Oซ ในทางปฏิบัติไม่ต่ำกว่า 50Oซ เป็นเวลา 1 นาทีที่เปิดใช้น้ำร้อน
ชนิดของท่อน้ำร้อน
วัสดุที่ใช้ทำท่อน้ำเปลี่ยนไปตามวิวัฒนาการของเทคโนโลยี่ การเปลี่ยนแปลงทางเศรษฐกิจและอื่นๆ วัสดุที่ใช้กับท่อน้ำร้อนที่ดีที่สุดคือทองแดง เนื่องจากความทนทานต่อความดันและอุณหภูมิ มีอายุการใช้งานไม่ต่ำกว่า 70 ปี ไม่มีผลต่อ สี กลิ่นและการเติบโตของเชื้อจุลชีพต่างๆ
ท่อทองแดงสำหรับงานประปา(น้ำร้อน) มี 3 ประเภท ได้แก่ K, L และ M ตาม ASTM B88 ซึ่งตารางที่ 1. แสดงขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอก(เท่ากับขนาดท่อบวก 0.125นิ้ว) ความหนาและข้อมูลที่สำคัญสำหรับการออกแบบระบบท่อ สำหรับความดันสูงสุด (Rating) ของท่อทองแดงที่ยอมให้ใช้ที่อุณหภูมิน้ำต่างๆกันแสดงไว้ในตารางที่ 2.
ตารางที่ 1. ตารางท่อทองแดง ASTM B88 แปลงหน่วยเป็นเมตริก
ตารางที่ 2. ตารางความดัน rating ของท่อทองแดง ASTM B88 ตามอุณหภูมิ แปลงหน่วยเป็นเมตริก
ท่อทองแดงมีราคาสูง จำเป็นต้องหาวัสดุทดแทนได้แก่ท่อเทอร์โมเซตติ้ง(FRP, Epoxy) ท่อเทอร์โมพลาสติก(PB, CPVC, ABS, PP-R) และอื่นๆได้แก่ท่อ Composit (Pex-al-pex) ท่อLining PEX) ท่อเทอร์โมเซตติ้งมีราคาสูงจึงใช้เฉพาะงานพิเศษ ท่อเทอร์โมพลาสติกมีข้อดีด้านราคาแต่ความดันลดลงเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น การเลือกต้องคำนึงถึงอุณหภูมิและความดันใช้งานทั้งในสภาพงานปกติและเหตุสุดวิสัยที่อาจเกิดขึ้น
การระบุประเภทของท่อ
ประเภทท่อน้ำร้อน ได้แก่ Schedule(IPS). SDR(Standard Diameter Ratio), ‘S’ Series และ PN(Metric/ Bar)
· Schedule(IPS) มีขนาดและความหนาของท่อเหล็ก IPS(Iron Pipe Size) จึงมีท่อพลาสติกผลิตตามแบบนี้น้อยความดันใช้งานลดลงเมื่อขนาดของท่อใหญ่ขึ้น ตัวเลขของ Schedule ไม่สื่อความหมายที่เข้าใจได้ง่าย
SDR(Standard Diameter Ratio)คือเส้นผ่านศูนย์กลางท่อ/ความหนา ที่SDRค่าหนึ่ง ความดันเท่ากันหมดทุกขนาด
‘S’ Series : ISO 4065 ความสัมพันธ์ของความหนากับเส้นผ่าศูนย์กลาง S = (SDR-1)/2 (1)
PN(Pressure Nominal) เป็นระบบที่ใช้ระบุนอกสหรัฐอเมริกา หน่วยเป็นระบบเมตริก (Metric/ Bar Rating)บอกค่าความดันใช้งานหน่วยเป็นบาร์ ที่อุณหภูมิ 20Oซ เมื่อระบุค่า PN อัตราส่วนเส้นผ่านศูนย์กลางต่อความหนาของท่อจะเท่ากันหมดทุกๆขนาดท่อ PN = 2.HDS/(t/d) (2)
เมื่อ PN คือ ความดันใช้งานมีหน่วยเป็น MPa
HDS คือ แรงเคร้นของวัสดุที่ยอมให้ใช้ได้ หน่วยเป็น MPa = Hydrostatic design stress = HDB * DF
t, d คือความหนาท่อ และขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกท่อ
ด้านอเมริกา HDB(Hydrostatic design basis) และ DFเป็นสัดส่วนกลับกับตัวประกอบความปลอดภัย ทั้งหมดประกาศใน PPI’s TR-4 (Plastic Piping Institute- technical report no.4) สำหรับน้ำร้อนใช้มาตรฐานแรงเคร้นที่ 82.2Oซ (180Oฟ) โดย PPI (Plastic Piping Institute)สำหรับการใช้งาน (50ปี)
ด้านยุโรปก็มีมาตรฐานของท่อและวัสดุเทอร์โมพลาสติกหลายประเภทซึ่งโดยหลักการแล้วสามารถอ้างอิงไปในทางเดียวกันได้แก่ BS, DIN และ ISO ซึ่งแปลงสมการที่ 2 เป็นสมการที่ 3. และกำหนดวิธีการทดสอบเพื่อใช้ค่าแรงเคร้นมาคำนวณความดันใช้งานของท่อที่ใช้ที่อุณหภูมิสูง PN = 20.H/(SDR-1) (3)
เมื่อ PN คือ ความดันใช้งานมีหน่วยเป็นบาร์ (1 บาร์ = 0.1 MPa )
H คือ แรงเคร้นของวัสดุที่ยอมให้ใช้ได้มีหน่วยเป็น N/mm2
SDR คือ Standard Diameter Ratio = เส้นผ่านศูนย์กลางเฉลี่ยของท่อ (mm.)/ ความหนาของท่อ (mm.)
เมื่อมีข้อมูลความดันใช้งานและอายุการใช้งานของท่อเทอร์โมพลาสติก ควรหาข้อมูลเรื่องความดันใช้งานของท่อเมื่อใช้งานที่อุณหภูมิสูงขึ้นด้วยค่าจากตารางที่ 3.เพื่อประเมินคร่าวๆ เพื่อความแน่ใจควรใช้ข้อมูลจากผู้ผลิต
ตารางที่ 3.ตัวประกอบความดันของท่อพลาสติกที่ลดลงเมื่ออุณหภูมิของท่อสูงขึ้น
ท่อเทอร์โมพลาสติก การเลือกท่อพลาสติกสำหรับน้ำร้อนเพื่อให้มีอายุการใช้งานทนนานจะต้องมีข้อมูลดังต่อไปนี้
ความดันใช้งาน ขึ้นกับลักษณะการติดตั้ง ที่สำคัญคือต้องไม่เกิดสูญญากาศ ไม่ให้ท่อเสียรูปซึ่งจะไม่คืนตัว
อุณหภูมิสูงสุดของน้ำร้อน ระบบน้ำร้อนทั่วไปมีอุณหภูมิสูงสุด 60oC หรือ 80oC เพื่อฆ่าเชื้อลิจีเนลล่าตามแต่วิธีการที่เลือก แต่ระบบน้ำร้อนแสงอาทิตย์อาจมีอุณหภูมิสูงถืง 95นC
ต้องไม่มีสารเคมีจากท่อละลายปะปนจนเป็นอันตรายต่อผู้พักได้
ความทนทานต่อสารเคมี ท่อน้ำร้อนจะต้องสามารถทนต่อสารเคมีที่อาจใช้ในระบบน้ำร้อนได้
การยืดหดตัว เป็นคุณสมบัติที่ควรรู้เพื่อให้การติดตั้งท่อไม่เกิดปัญหาทางกายภาพแก่ ท่อ ข้อต่อ และอุปกรณ์
ท่อ PB (Polybutylene) ใช้กับน้ำร้อนได้แต่ต้องตรวจสอบความดันที่ท่อรับได้ที่อุณหภูมิใช้งาน การติดตั้งมีทั้งแบบข้อต่อเกลียวและการใช้ความร้อน(การใช้ความร้อนต่อเชื่อมใช้เวลาค่อนข้างมากโดยเฉพาะท่อขนาดใหญ่) .ในอเมริกามีการฟ้องร่วม (class-action) เนื่องจากความเสียหายจากการรั่ว ซึ่งเกิดจากข้อต่อ
ท่อ CPVC(Chlorinated Poly-Vinyl Chloride) สามารถใช้กับน้ำร้อน 80Oซ แต่กลุ่มสิ่งแวดล้อมท้วงว่ามีข้อเสียทั้งในการผลิตและการทำลายเนื่องจากวัตถุดิบคือ vinyl monomer เป็นสารก่อมะเร็ง การผลิตและการเผาทำลายทำให้เกิดก๊าซพิษ
ท่อ HDPE(High Density Polyethylene) ไม่สามารถใช้กับน้ำร้อนได้ ผู้ผลิตจึงทำ PEX(Cross-linked Polyethylene) ซึ่งทนอุณหภูมิได้สูงและมีความแข็งแรง แต่ไม่สามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้ การติดตั้งต้องใช้ข้อต่อพิเศษ
ท่อ ABS(Acrylonitrile-Butadiene-Styrene)ไม่ใช้กับท่อน้ำร้อน PPFA(Plastic Pipe & Fittings Association)แนะนำให้ใช้กับท่อ DWV(Drain, waste, vent) โดย ทนความร้อนได้ถึง 80OC รับความดันได้เล็กน้อยและเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม
ท่อ PP-R (Polypropylene Random Copolymer) DIN8077, DIN8078 มีการผลิตในจีน อินเดีย และไทย ทำให้มีราคาถูกจึงนิยมใช้ในปัจจุบัน ขนาดและข้อมูลเรื่องน้ำหนักของท่อที่ในตารางที่ 4. ความดันที่ยอมให้ใช้งานสูงสุดของท่อ PP-R ที่อุณหภูมิและอายุการทำงานต่างๆกันแสดงไว้ในตารางที่ 5. ที่อุณหภูมิ 70oซ ขึ้นไปความดันที่ยอมให้ใช้และอายุการใช้งานลดลงมาก จึงควรระวังเรื่องความดันที่เกิดจากสาเหตุอื่นๆที่อาจเข้ามามีผลต่อท่อ เช่นการเกิดแรงกระแทกและอื่นๆด้วย
ตารางที่ 4. ขนาดท่อ PP-R และข้อมูลน้ำหนัก
ตารางที่ 5. ความดันใช้งานสูงสุดของท่อ PP-R ที่อุณหภูมิและอายุการทำงานต่างๆกัน (จากThai PP-R)
การเลือกขนาดท่อจ่ายน้ำร้อน
ขนาดของท่อจ่ายน้ำร้อนสำหรับโรงแรมจะเป็นการออกแบบโดยการใช้สถิติของการใช้น้ำจากจำนวนสุขภัณฑ์ตามมาตรฐาน National Plumbing Code หรือเทียบท่าเนื่องจากการใช้น้ำร้อนไม่สม่ำเสมอตามแต่ที่ผู้เข้าพักจะใช้ อัตราการใช้ไม่คงที่จึงไม่สามารถที่จะคำนวณการคุ้มทุนได้ ใช้ท่อ PP-R ตามขนาดของท่อทองแดงถึงแม้จะมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางภายในเล็กกว่าท่อทองแดงก็ตาม
การใช้ฉนวน
การใช้ฉนวนความร้อนมีจุดประสงค์ เพื่อป้องกันบุคคลจากอุณหภูมิผิวท่อ และเพื่อการประหยัดพลังงานซึ่งเป็นเรื่องหลักสำหรับท่อน้ำร้อนในอาคาร ค่าความร้อนสูญเสียของท่อต่อความยาวของท่อทำให้สามารถคำนวณความร้อนสูญเสียและอุณหภูมิของน้ำร้อนที่ลดลงได้ง่าย ความหนาของฉนวนที่ใช้จะต้องประหยัดพลังงานได้คุ้มค่าการลงทุน ในขณะที่พลังงานมีราคาสูงขึ้นเรื่อยๆ การพิจารณาเรื่องความหนาของฉนวนหุ้มท่อจึงเป็นเรื่องที่ต้องทบทวนอยู่เสมอๆ
ฉนวนที่ใช้ขึ้นอยู่กับสภาพการใช้งาน ฉนวนประเภทเส้นใยจะเสียคุณสมบัติการเป็นฉนวนเมื่อมีน้ำเข้าไปแทนที่อากาศในเส้นใย จึงไม่ควรใช้สำหรับงานภายนอกอาคารเนื่องจากประเทศเรามีฝนตกชุก ถึงจะอยู่ภายในอาคารก็ควรมีชั้นกันน้ำเช่นแผ่นฟอยล์เป็นต้น
การคำนวณความหนาของฉนวน
ความร้อนสูญเสียจากท่อน้ำร้อนเกิดจากปรากฏการณ์ 3 อย่าง ได้แก่ การนำ การพา และการแผ่รังสี การคำนวณค่าความร้อนสูญเสียของท่อใช้สมการที่ 4. ซึ่งได้รวมการถ่ายเทความร้อนจากทั้งสามปรากฏการณ์ข้างต้นไว้แล้ว รูปที่ 1.
รูปที่ 1. ภาพตัดท่อและฉนวนความร้อน
Q = (t1-t2) / R (4)
R = 1/2¶R1.h1+ln(R2/R1)/2¶.k1+ ln(R3/R2)/2¶.k2+1/2¶R3.h2 (5)
h2 = hc + hr (6)
เมื่อ Q คือความร้อนสูญเสียจากท่อน้ำร้อน วัตต์/ท่อ 1m.
t1, t2 คืออุณหภูมิของน้ำร้อนและอากาศตามลำดับ (oซ)
h1, h2 คือสัมประสิทธิการพาความร้อนของน้ำและอากาศตามลำดับ วัตต์/ตร.ม..oซ
k1, k2 คือสัมประสืทธิการนำความร้อนของท่อและฉนวนตามลำดับ วัตต์/ม.oซ จากตารางที่ 6.
R1, R2, R3 คือรัศมีภายในของท่อ รัศมีภายนอกท่อ และรัศมีภายนอกของฉนวนตามลำดับ (ม.)
ตารางที่ 6.ค่าการนำความร้อนของวัสดุท่อแบบต่างๆและฉนวน (w/m.oซ)ต่างๆ
ค่า h1 ของน้ำเย็นและ hc อากาศนั้นสามารถคำนวณได้จากสมการที่ 7. และ 8. ตามลำดับ (เอกสารอ้างอิง 7.)
h1 = (1206 + 23.9 t) V^0.8/ D^0.2 (7)
เมื่อ V คือความเร็วของน้ำในท่อ ม./วินาที
D คือเส้นผ่านศูนย์กลางภายในของท่อ ม.
t คืออุณหภูมิของน้ำร้อน (oซ)
hc = 2.755 V^ 0.471/ D^ 0.529 (8)
เมื่อ V คือความเร็วของน้ำในท่อ ม./วินาที
D คือเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกของท่อรวมฉนวน ม.
ค่าสัมประสิทธิการแผ่รังสีของฉนวนและแผ่นป้องกัน (Lagging) ตามตารางที่ 7. นั้นให้ไว้เป็นเป็นข้อมูลเท่านั้น เนื่องจากอุณหภูมิที่ผิวของฉนวนและแผ่นป้องกันของท่อน้ำร้อนเมื่อเลือกความหนาเพื่อการประหยัดพลังงานแล้ว จะมีค่าน้อยทำให้ค่าความร้อนสูญเสียจากการแผ่รังสีสามารถตัดทิ้งได้ ในสมการที่ 6. จึงให้ hr = 0
ตารางที่ 7. แสดงค่าสัมประสิทธิการแผ่รังสีของพื้นผิวชนิดต่างๆ
ความหนาของฉนวนท่อน้ำร้อนต้องสามารถลดความร้อนสูญเสียได้คุ้มกับเงินค่าหุ้มฉนวน ตารางที่ 8 แสดงผลการคำนวณท่อน้ำร้อนโรงแรม 60 oซ ความร้อนสูญเสียท่อ PPR อุณหภูมิที่ผิวนอกสุด(เมื่อท่อหุ้มด้วยยางดำ) จากตารางจะเห็นว่าเงินที่ประหยัดได้ใน 1ปี (คำนวณจากการใช้ฮีทปั๊มทำน้ำร้อน) นั้นมากกว่าราคาฉนวนทุกความหนา แนะนำให้เลือกความหนาฉนวนตามแลเงาเพื่อคุมให้ความร้อนสูญเสียของท่อต่ำกว่า 10 วัตต์/ม. จะคำนวณความร้อนสูญเสียท่อน้ำร้อนได้ง่าย
ตารางที่ 8. ความร้อนสูญเสีย อุณหภูมิผิว และการประหยัดพลังงานจากน้ำร้อนของท่อ PPR (PN 20) เมื่อหุ้มฉนวน
ตารางที่ 9. ความร้อนสูญเสีย อุณหภูมิผิว และการประหยัดพลังงานจากน้ำร้อนของท่อทองแดง (TYPE L) เมื่อหุ้มฉนวน
ท่อน้ำกลับและเครื่องสูบน้ำกลับ
ท่อน้ำร้อนกลับจะส่งน้ำค้างท่อที่มีอุณหภูมิลดลงเนื่องจากเสียความร้อนสู่บรรยากาศกลับไปทำอุณหภูมิและให้น้ำร้อนจากต้นทางที่มีอุณหภูมิสูงกว่าเข้ามาแทนที่พร้อมที่จะใช้งาน การสูญเสียความร้อนจึงมีผลให้ต้องใช้เครื่องสูบน้ำกลับทำงานอีกด้วย เมื่อหุ้มฉนวนท่อและอุปกรณ์ เมื่อเลือกขนาดฮีทปั๊มจะต้องรวมความร้อนสูญเสียเพิ่มจากการใช้น้ำ
จากข้อกำหนดเรื่องการควบคุมเชื้อลิจีเนลล่าที่อธิบายไว้ในตอนต้น น้ำจะถึงจุดที่ใช้งานที่อุณหภูมิไม่ต่ำกว่า 50oซ ดังนั้นจึงตั้งอุณหภูมิให้เครื่องสูบน้ำกลับทำงานเมื่ออุณหภูมิก่อนเข้าเครื่องสูบน้ำลดลงเหลือ 50oซ ความร้อนที่ให้กับน้ำร้อนกลับต้องเท่ากับหรือมากกว่าความร้อนสูญเสียจึงสามารถคำนวณขนาดเครื่องสูบน้ำกลับได้ตามตัวอย่าง
ตัวอย่าง โรงแรมหนึ่งมีท่อน้ำร้อนทั้งสิ้นยาว 600 ม. ความร้อนสูญเสียที่ถังน้ำร้อน 1000 w ความร้อนสูญเสียที่ระบบท่อไม่เกิน 10 w/m. หาขนาดของเครื่องสูบน้ำกลับและขนาดท่อน้ำกลับ
ความร้อนสูญเสียทั้งสิ้น = (600 x 10 + 1000)/1000 = 7 kW
ความร้อนชดเชย = อัตราการไหล x 4.18 x (60 -50) /3600 = 7
อัตราการไหลของเครื่องสูบน้ำกลับ = 7 x 3600 /4.18/10 = 602.9 ลิตร/ชม.
ท่อน้ำกลับต้องรับน้ำ = 602.9 / 3600 = 0.16 ลิตร/วินาที
ระยะทางท่อแยกจากท่อดิ่งไปสุขภัณฑ์
น้ำในท่อแยกจากท่อดิ่งไปสุขภัณฑ์จะเป็นน้ำนิ่งเมื่อไม่มีการใช้ น้ำที่ค้างท่อจะมีอุณหภูมิลดลง น้ำร้อนจากต้องมาถึงจุดที่ใช้ภายใน 1 นาที เพื่อควบคุมเชื้อลิจีเนลล่า ดังนั้นน้ำที่ค้างในท่อต้องไหลออกจนหมดภายในเวลา 1 นาที ความยาวท่อน้ำร้อนจากท่อดิ่งซึ่งมีท่อน้ำกลับมายังสุขภัณฑ์จะต้องมีความยาวไม่เกินตารางที่ 10
ตารางที่ 10.ความยาวท่อน้ำร้อนย่อยจากท่อแนวดิ่งไปยังสุขภัณฑ์ที่ยาวที่สุด(ม.) ซึ่งน้ำร้อนจะมาถึงใน 1นาที
เอกสารอ้างอิง
1. The Copper Tube Handbook; Copper Development Association.
2. Safe Hot Water Temperature; The Chartered Institute of Plumbing & Heating Engineering
3. European Guidelines for Control and Prevention of Travel Associated Legionnaires’ Disease; Produced by members of the European Surveillance Scheme for Travel Associated Legionnaires’ Disease and the European
4. Working Group for Legionella Infections; endorsed by the Committee for the Epidemiological Surveillance and Control of Communicable Diseases in the Community, instituted by Decision No 2119/98/EC of the European Parliament and the Council.
5. TR-4/2011: HDB/HDS/SDB/PDB/MRS Listed Materials PPI Listing of Hydrostatic Design Basis (HDB), Hydrostatic Design Stress (HDS), Strength Design Basis (SDB), Pressure Design Basis (PDB) and Minimum Required Strength (MRS) Ratings: For Thermoplastic Piping Materials or Pipe: Plastic Pipe Institute
6. บทความเรื่อง “การออกแบบระบบท่อน้ำให้มีประสิทธิภาพสูงสุด” วารสารเทคนิค ปีที่ 27 ฉบับที่ 320 เดือน พฤศจิกายน 2553
7. DOE FUNDAMENTALS HANDBOOK THERMODYNAMICS, HEAT TRANSFER, AND FLUID FLOW Volume 2 of 3 : U.S. Department of Energy FSC-6910 Washington, D.C. 20585