แก้ปัญหาน้ำเกาะท่อจาก Thermal Bridge งานห้องเย็น

ห้องเย็นมีผนังและหลังคาทำด้วย Sandwich Panel ซึ่งเป็นแผ่นเหล็กทำหน้าที่ป้องกันความชื้นซึมผ่านทั้งจากด้านในและด้านนอกประกบแผ่นฉนวนซึ่งอยู่กลางและมีความหนาเพียงพอสำหรับลดการถ่ายเทความร้อนซึ่งเป็นภาระของระบบทำความเย็นและเพื่อไม่ให้เกิดปัญหาน้ำเกาะที่ผนังและหลังคา  เมื่อต้องมีท่อเหล็กผ่านหลังคาเช่นท่อสปริงเกอร์แบบท่อแห้ง อุณหภูมิแตกต่างของห้องและอากาศภายนอกทำให้เกิด Thermal Bridge ผิวของท่อด้านนอกห้องเย็นส่วนที่ติดหลังคาจะเกิดน้ำเกาะเนื่องจากผิวท่อมีอุณหภูมิต่ำกว่าจุดน้ำค้างของอากาศภายนอกและไหลทำให้เกิดความเสียหายกับวัสดุหลังคาได้

รูปที่ 1. น้ำเกาะท่อแห้ง(ท่อสปริงเกอร์)ติดหลังคาของห้องเย็น

บทความนี้จะอธิบายหลักการและวิธีการคำนวณเพื่อเลือกความหนาและความยาวของฉนวนที่ใช้หุ้มท่อเพื่อป้องกันไม่ให้เกิดปัญหาน้ำเกาะผิวท่อ

หลักการ

อุณหภูมิท่อเหล็กที่อยู่ห่างจากเพดานมีอุณหภูมิเท่ากับอุณหภูมิอากาศภายนอก ส่วนที่ใกล้เพดานความร้อนในท่อจะถ่ายเทไปที่เพดานซึ่งต่ำกว่าทำให้อุณหภูมิท่อลดลงจนถึงขอบผนัง ภายในเพดานความร้อนจะถ่ายเทจากด้านร้อนนอกห้องเย็นมาด้านในห้องเย็นอุณหภูมิท่อเหล็กจึงลดลงตามการไหล แต่ท่อเหล็กนำความร้อนได้ดีเนื่องจากเป็นโลหะทำให้อุณหภูมิท่อทั้งสองด้านใกล้เคียงกันมาก เพื่อความสะดวกในการคำนวณจึงให้อุณหภูมิท่อในเพดานทั้งสองด้านเท่ากัน สปริงเกอร์เป็นโลหะจึงให้อุณหภูมิสปริงเกอร์เท่ากันและใกล้เคียงกับอุณหภูมิของห้องเย็น

รูปที่ 2. อุณหภูมิท่อเหล็กและสปริงเกอร์ทะลุผ่านเพดาน

จากรูปที่ 2. ความร้อนจากท่อภายนอกถ่ายเทเข้ามาภายในห้องเย็นโดยผ่านสปริงเกอร์ ให้อุณหภูมิท่อในเพดานเท่ากันเพื่อความสดวกในการคำนวณค่าความร้อน อุณหภูมิท่อในเพดานมีค่าสูงกว่าอุณหภูมิสปริงเกอร์ทำให้เกิดการถ่ายเทความร้อนผ่านสปริงเกอร์ ท่อด้านนอกจะถ่ายเทความร้อนในปริมาณเท่ากันทำให้อุณหภูมิของท่อลดลงเมื่อเข้าใกล้เพดาน ส่วนของท่อที่มีอุณหภูมิลดต่ำกว่าจุดน้ำค้างก็จะมีหยดน้ำเกาะ วิธีการแก้ไขปัญหาหยดน้ำคือการใส่ฉนวนหุ้มท่อไม่ให้ท่อสัมผัสอากาศและเลือกขนาดและความยาวของฉนวนให้มากพอโคยที่อุณหภูมิผิวของฉนวนต้องสูงกว่าจุดน้ำค้างเพื่อไม่ให้เกิดหยดน้ำที่ฉนวน

ท่อที่ไม่มีฉนวนทำให้อุณหภูมิท่อในช่วงเพดานมีค่าสูง ความร้อนจากท่อจึงถ่ายเทเข้าห้องเย็นผ่านสปริงเกอร์ได้มากเป็นภาระของเครื่องทำความเย็น และความร้อนนี้ทำให้อุณหภูมิท่อลดลงมากและมีโอกาสที่จะเกิดหยดน้ำเกาะท่อได้มาก ในขณะที่ท่อหุ้มฉรวนจะทำให้อุณหภูมิท่อในเพดานจะมีค่าลดลงจึงทำให้ความร้อนถ่ายเทผ่านสปริงเกอร์เข้าห้องเย็นลดลงทำให้อุณหภูมิท่อและฉนวนสูงขึ้นโอกาสที่จะ เกิดหยดน้ำเกาะท่อลดลงด้วยถ้าเลือกความหนาและความยาวถูกต้องจะไม่มีหยดน้ำเกิดขึ้น สรุปได้ว่าการใส่ฉนวนนอกจากจะป้องกันหยดน้ำแล้วยังช่วยลดการถ่าทความร้อนเข้าห้องเย็นผ่านสปริงเกอร์อีกด้วย

การคำนวณ

              สมการที่ 1. และ 2. ใช้คำนวณความร้อนถ่ายเทความร้อนผ่านท่อฉนวน และของไหลในท่อและอากาศนอกฉนวน เมื่อเป็นท่อแห้งตัวหารเทอมที่ 1 และเทอมที่ 2  ของสมการที่ 2.เป็นศูนย์ และเมื่อคำนวณอุณหภูมิผิวฉนวนเทอมที่ 3 เป็นศูนย์

  Q = U A dT…………………………………………………………………………………………….……………….(1)

เมื่อ        Q = ความร้อนที่ถ่ายเทผ่านท่อและฉนวน (w)

              U = สัมประสิทธิการถ่ายเทความร้อนตามสมการที่ 2. (w/m2.c)

              A = พื้นที่ผิวของการถ่ายเทความร้อน (m)

              dT = อุณหภูมิแตกต่าง (c )

รูปที่ 3. อธิบายตัวแปรในสมการที่ 2

พื้นที่ผิวสปริงเกอร์มีความซับซ้อน เพื่อให้คำนวณพื้นที่ผิวได้ง่ายจึงเป็นทรงกระบอกและสามารถคำนวณสัมประสืทธิการพาความร้อนของฟิลม์อากาศได้ด้วยสมการที่ 3 การคำนวณจะสมมุติค่าอุณหภูมิท่อภายในเพดานใกล้เคียงอุณหภูมิห้องเย็นเพื่อให้มีการถ่ายเทความร้อนน้อย แล้วจึงกระจายความร้อนที่คำนวณได้จากสปริงเกอร์เป็นช่วงๆ เลือกความหนาฉนวนสูงสุดที่ท่อติดเพดานฉนวนแล้วจึงลดความหนาฉนวนลงตามระยะท่อจากเพดานเป็นช่วงๆ คำนวณความยาวชองฉนวนในแต่ละช่วง และอุฌหภูมิผิวของฉนวนแก้ไขอุณหภูมิท่อในเพดานและความหนาฉนวนให้ได้อุณหภูมิผิวฉนวนทุกช่วงสูงกว่าจุดน้ำค้างของอากาศ

              อุณหภูมิและความชื้นในอากาศเปลี่ยนแปลงไปตามเวลาและฤดูกาล ควรใช้อุณหภูมิและความชื้นสำหรับการออกแบบจาก ASHRAE Standard ตามตารางที่ 1. เพื่อเปรียบเทียบความหนาและความยาวฉนวนที่เหมาะสม

ตารางที่ 1. สภาวะอากาศสำหรับการออกแบบ ASHRAE Fundamental 2005

ตัวอย่าง การคำนวณฉนวนหุ้มท่อสปริงเกอร์ระบบท่อแห้งผ่านเพดานห้องเย็น

ขั้นตอนการคำนวณ

-            คำนวณความร้อนจากภายนอกผ่านสปริงเกอร์เข้าห้องเย็นด้วยการสมมุติอุณหภูมิท่อในแผ่นเพดาน

-            แบ่งท่อออกเป็น 40ส่วนหรือมากกว่า

-            คำนวณอุณหภูมิเริ่มจากท่อจากติดเพดานเท่าอุณหภูมิที่สมมุติจนท่อสุดท้ายมีอุณหภูมิเท่ากับอุณหภูมิภายนอก

-            แบ่งความร้อนเป็นส่วนเท่าๆกันเป็นความร้อนที่จะต้องถ่ายเทผ่านฉนวนเข้าหาท่อแต่ละส่วน

-            เลือกความหนาของฉนวน ฉนวนจะหนาที่สุดที่จุดซึ่งท่อชนเพดานตาม คำนวณความหนาฉนวนที่ส่วนต่างๆของท่อปลายท่อส่วนสุดท้ายมีความหนาเป็นศูนย์

-            คำนวณเส้นผ่านศูนย์กลางของท่อพร้อมฉนวนที่แต่ละส่วนของท่อ

-            คำนวณสัมประสิทธิการถ่ายเทความร้อนของท่อแต่ละส่วน

-            คำนวณความยาวของฉนวนแต่ละส่วนของท่อ จากความร้อน ความหนา และสัมประสิทธิการถ่ายเทความร้อน

-            คำนวณอุณหภูมิผิวของฉนวนเพื่อเปรียบเทียบกับจุดน้ำค้างของอากาศภายนอก

-            เปลี่ยนอุณหภูมิสมมุติเพื่อลดหรือเพิ่มความยาวของฉนวน

-            ความยาวของฉนวนทั้งหมดเท่ากับผลรวมของความยาวฉนวนแต่ละส่วนแก้ความหนาฉนวนเมื่ออุณหภูมิผิวฉนวนต่ำกว่าจุดน้ำค้าง

-            ฉนวนไม่จำเป็นต้องคลุมทั้งหมดของทุกส่วนของท่อ ในตัวอย่างได้ให้ท่อส่วนหนึ่งไม่หุ้มฉนวนท่อส่วนนั้นมีอุฌหภูมิลดลงแต่ไม่เกิดหยดน้ำเนื่องจากมีอุณหภูมิผิวสูงกว่าจุดน้ำค้าง

-            คำนวณที่สภาวะอากาศอื่นๆด้วยความยาวฉนวนที่เลือก

จากการคำนวณสภาพอากาศ Cooling ของตารางที่ 1. ใช้ฉนวนท่อ ครึ่งนิ้ว ความหนา 5 – 2 mm. ยาว 0.9 m.