top of page

ออกแบบระบบท่อน้ำเย็นในอาคาร

  • Writer: ปรเมธ ประเสริฐยิ่ง
    ปรเมธ ประเสริฐยิ่ง
  • Jun 22, 2020
  • 4 min read

Updated: Jun 28, 2024

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

ree

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

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

ree

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

ree

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

ree

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

ree

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

ree

ความหนาฉนวนท่อน้ำเย็น

ฉนวนท่อน้ำเย็นใช้เพื่อป้องกันการกลั่นตัวของน้ำที่ผิวนอกสุดเพื่อไม่ให้เกิดความเสียหายแก่วัสดุของอาคาร และป้องกันความร้อนจากภายนอกให้ถ่ายเทจากภายนอกมาสู่น้ำเย็นในท่อซึ่งจะทำให้สิ้นเปลืองพลังงาน พลังงานสูญเสียผ่านฉนวนเกิดขึ้นตลอดเวลา ไม่เหมือนความดันตกของท่อซึ่งเมื่อน้ำไม่ไหลก็ไม่มีความสูญเสีย

การคำนวณความร้อนถ่ายเทของท่อน้ำเย็นละฉนวนใช้สมการที่ 5.

รูปที่ 1. ภาพตัดท่อและฉนวนความร้อน

ree

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)

ree

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

ree

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

ree

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

ree

แผนภมิที่ 3. แสดงอัตราการไหลของน้ำเย็นสูงสุด(ขนาดแนะนำ)สำหรับการเลือกขนาดท่อน้ำเย็นเหล็กดำ#40แบบคุ้มทุน

ree

แผนภูมิที่ 4.แสดงอัตราการไหลของน้ำเย็นสูงสุด(ขนาดแนะนำ)สำหรับการเลือกขนาดท่อน้ำเย็นพีวีซี 13.5 แบบคุ้มทุน

ree

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

ree

รูปที่ 3. การต่อท่อกระจายน้ำเย็นไปยังแฟนคอยล์ต่างๆในแนวดิ่งผ่านช่องท่อ

ree

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

ree

ข้อเสียของวงจรท่อเครื่องสูบน้ำเย็นตามรูปที่ 4. คืออัตราการไหลต่ำสุดด้านปฐมภูมิเท่ากับอัตราการไหลของเครื่องทำน้ำเย็น การประหยัดพลังงานจึงถูกจำกัดและต้องติดตั้งเครื่องสูบน้ำทุติยภูมิทำให้ราคาของวงจรท่อเครื่องสูบน้ำเย็นสูงขึ้น ในปัจจุบันจึงเปลี่ยนมาใช้วงจรท่อเครื่องสูบน้ำตามรูปที่ 5.ซึ่งมีแต่เครื่องสูบน้ำปฐมภูมิและยอมให้เปลี่ยนแปลงอัตราการไหลชองน้ำเย็นตามภาระความร้อน

รูปที่ 5.วงจรท่อจ่ายน้ำเย็นแบบปฐมภูมิ (Primary pump)

ree

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

Comments


Subscribe to Parameth Prasertying newsletter

เพื่อติดตามและไม่พลาดบทความใหม่ๆ

Thanks for submitting!

  • Twitter
  • Facebook
  • Linkedin

© 2023 by BrainStorm. Proudly created with Wix.com

bottom of page