ระบบ HVAC (Heating Ventilation and Air Conditioning)

ระบบปรับอากาศระบายอากาศควบคุมความชื้น

Heating Ventilation and Air Conditioning (HVAC)

          HVAC ย่อมาจาก Heating Ventilation and Air Conditioning เป็นระบบที่ใช้ควบคุมสภาพอากาศภายในอาคารหรือห้องต่าง ๆ เพื่อให้เกิดประสิทธิภาพในการทำงานสูงสุด ทั้งในด้านระบบการผลิต การเก็บสารเคมีบางชนิด การวิจัยต่าง ๆ การรักษาเฉพาะทาง โดยเฉพาะอย่างยิ่งในด้านสุขภาพร่างกายของมนุษย์ ทั้งนี้ระบบจะให้ความสำคัญในการควบคุม อุณหภูมิ ความชื้น การไหลเวียนของอากาศ แรงดันอากาศและการกรองอากาศ

          การควบคุมสภาพอากาศภายในห้องที่เหมาะสม จะขึ้นอยู่กับรูปแบบของการใช้งานห้อง แต่โดยทั่วไปแล้ว อุณหภูมิและความชื้นที่ทำให้เกิดความรู้สึกสบาย (Thermal comfort) จะควบคุมอุณหภูมิอยู่ที่ 22-25 ^oC ควบคุมความชื้นสัมพัทธ์ไว้ในช่วง 30-60%RH และอัตราการระบายของอากาศประมาณ 20% ของปริมาณอากาศหมุนเวียนและการใช้งานอื่นๆ ตามมาตรฐานของห้องแต่ละรูปแบบที่ถูกกำหนดไว้

          1.การควบคุมอุณหภูมิ

          การควบคุมอุณหภูมิส่วนใหญ่จะระบบปรับอากาศโดยใช้แผงคอยล์เป็นตัวประสานระหว่างสารทำความเย็น(Refrigerator) กับอากาศซึ่งจะทำให้อากาศภายในและภายนอกเกิดการแลกเปลี่ยนกันเฉพาะความร้อนโดยใช้คอยล์เย็น (Evaporator) ในการดึงความร้อนออกจากอากาศภายในห้อง และใช้คอยล์ร้อน (Condenser) ระบายความร้อนจากสารทำความเย็นที่รับความร้อนมาจากอากาศภายในห้องมาระบายออกสู่สิ่งแวดล้อมนอกห้องโดยใช้อากาศภายนอกเป็นตัวระบายความร้อนออกจากคอยล์ร้อน ในการในการใช้งานของรูปแบบการใช้งานห้องแต่ละห้องจะใช้อุณหภูมิที่เหมาะสมแตกต่างกันออกไป โดยจำแนกได้ดังนี้

          1.1 อุณหภูมิห้องที่ใช้กับมนุษย์ โดยทั่วไปแล้วอุณหภูมิที่เหมาะสม (Comfort Zone) ไว้ตามมาตรฐาน ASHRAE Standard 55-1992 เป็นช่วงกว้าง ๆ คือ อุณหภูมิ 20ºC – 26ºC ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับประเภทการใช้งานของห้องและความพึงพอใจของผู้ใช้ห้อง

          1.2 อุณหภูมิห้องที่ใช้กับสัตว์ อุณหภูมิร่างกายของสัตว์แต่ละชนิดจะมีความแตกต่างกันไป โดยทั่วไปมักจะออกแบบไว้ที่ช่วง 18ºC – 26ºC

          1.3 อุณหภูมิห้องที่ใช้กับพืช ชนิดของพืชจะเป็นตัวกำหนดอุณหภูมิที่ใช้ สามารถออกแบบได้ตั้งแต่การปลูกพืชเมืองหนาวจะไปถึงพืชเขตร้อน ส่วนมากจะคำนึงถึงความชื้นที่เหมาะสมประกอบการออกแบบ อุณหภูมิช่วงที่ใช้ออกแบบอาจจะใช้ตั้งแต่ 18ºC จนถึง 40ºC

          1.4 อุณหภูมิห้องที่ใช้กับสารหรืออุปกรณ์ ในการเก็บสารหรืออุปกรณ์บางชนิดจำเป็นต้องใช้ช่วงของอุณหภูมิที่เหมาะสมเพื่อไม่ให้เกิดปฏิกิริยาเคมี ลดการเกิดความเสียหายในชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์

          2.การควบคุมความชื้น

          โดยปกติแล้วการทำงานของระบบปรับอากาศในการลดอุณหภูมินั้น แผงคอยล์เย็นจะทำหน้าที่ในการลดอุณหภูมิของอากาศและลดความชื้นในอากาศควบคู่ไปด้วย เมื่ออากาศกาศกระทบกับคอยล์เย็นที่อุณหภูมิควบแน่น (Dew point) ความชื้นในอากาศก็จะกลั่นตัวเป็นหยดน้ำ (คล้ายที่เราวางแก้วน้ำเย็นไว้ในห้องก็จะมีหยดน้ำเกาะบริเวณข้าง ๆ แก้ว) แต่ทว่าในการเกิดปรากฏการณ์ที่กล่าวมาข้างต้น ในแผงคอยล์เย็นประสิทธิภาพในการลดอุณหภูมิจะมีมากกว่าการลดความชื้นในอากาศ จึงต้องทำให้อุณหภูมิถึงจุดที่เรากำหนดไว้ก่อนที่ความชื้นจะลดลงถึงจุดที่กำหนด (Set point) ดังนั้นในการลดความชื้นของอากาศก็ยังจะต้องใช้การทำงานของแผงคอยล์เย็นที่ยังคงทำงานอยู่ซึ่งจะทำให้อุณหภูมิของห้องลดลงเรื่อย ๆ จึงต้องมีอุปกรณ์ที่จะเพิ่มความร้อนให้อากาศมีอุณหภูมิสูงขึ้นให้เท่ากับจุดที่เรากำหนดไว้

          ในการเพิ่มความร้อนก็มีอยู่หลายระบบ แต่ละระบบก็มีข้อดีข้อเสียแตกต่างกันไป ยกตัวอย่างของระบบที่นิยมใช้ในปัจจุบัน เช่น

          ใส่ขดลวดไฟฟ้า (Electric Heater) เข้าไปในระบบ ซึ่งระบบนี้สามารถเติมความร้อนเข้าสู่ระบบได้ทันที ควบคุมง่าย แต่ต้องแลกกับค่าพลังงานในการทำความร้อนที่เพิ่มขึ้นด้วย

          ระบบนำความร้อนที่จะระบายทิ้งกลับมาใช้ (Recovery Reheat System) ระบบนี้สามารถนำความร้อนที่จะถูกระบายทิ้งจากคอยล์ร้อน มาเติมเข้าสู่ระบบอีกครั้ง ซึ่งระบบนี้จำเป็นต้องมีโหลดความร้อนในห้อง หากโหลดความร้อนในห้องมีน้อยจะใช้ระยะเวลาในการเข้าสู่อุณหภูมิที่ตั้งค่าไว้ (Set point) ช้ากว่าระบบขดลวดไฟฟ้า เป็นระบบที่มีความซับซ้อนกว่า ค่าใช้จ่ายด้านอุปกรณ์สูงกว่า แต่ประหยัดพลังงานมากกว่า (ลดการใช้พลังงานได้สูงถึง 30%)

          นอกจากนี้ในการลดความชื้นก็ยังมีการใช้ความร้อนหมุนวนซ้ำในระบบโดยที่ไม่มีการระบายสู่ภายนอก เช่น ระบบฮีทไปป์ (Heat Pipe) และระบบฮีทปั้ม (Heat Pump) หลักการก็คือจะใช้ความร้อนที่ได้รับจากอากาศที่เข้าคอยล์เย็น ไประบายออกที่คอยล์ร้อนซึ่งอยู่ถัดจากคอยล์เย็นในซึ่งระบบเหล่านี้จะไม่ช่วยในการลดอุณหภูมิของห้อง แต่จะช่วยในการลดความชื้นจากการควบแน่นของอากาศขณะที่ผ่านคอยล์เย็น

          ความชื้นในอากาศมีผลอย่างมากต่อชิ้นส่วนของวัสดุอิเล็กทรอนิกส์ต่าง ๆ ในเครื่องใช้ไฟฟ้าซึ่งไวต่อการดูดความชื้น ความชื้นยังส่งผลต่อระบบหายใจของมนุษย์และสัตว์ รวมไปถึงการเจริญเติมโตของพืช การควบคุมความชื้นที่ดีควรอยู่ในช่วงที่ไม่เหมาะสมต่อการเจริญเติบโตของแบคทีเรีย เชื้อรา และเชื้อโรคอื่น ๆ ดังกราฟค่าที่เชื้อต่าง ๆ เจริญเติบโตในความชื้นตั้งแต่ 10%RH ถึง 100 %RH ที่แสดงต่อไปนี้

จากกราฟจะเห็นได้ว่าค่าที่เหมาะสมจะอยู่ในช่วง 40-60 %RH ซึ่งเป็นช่วงที่ไม่เหมาะต่อการเจริญเติมโตของเชื้อโรคต่าง ๆ ทั้งนี้ความชื้นในการปลูกพืชหรือในการทำอุตสาหกรรม อาจแตกต่างกันออกไป ขึ้นอยู่กับความต้องการของกระบวนการนั้น ๆ ซึ่งสามารถเพิ่มลดความชื้นในระบบปรับอากาศได้ตามต้องการ

          3.การไหลเวียนของอากาศ

          ในการออกแบบระบบปรับอากาศ การไหลเวียนของอากาศเป็นส่วนสำคัญเป็นอย่างมาก หากการกระจายอากาศไม่ทั่วถึงจะเกิดมุมอับซึ่งจะทำให้บริเวณนั้นไม่มีอากาศไหลเวียน เกิดการสะสมของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์และเชื้อโรคต่าง ๆ ทำให้คนที่อยู่ในบริเวณนั้นเกิดความไม่สบายตัว อึดอัด จนรวมไปถึงการติดเชื้อบริเวณที่เกิดการสะสมของเชื้อโรคได้ หลายปีที่ผ่านมาได้มีงานวิจัยในการหมุนเวียนของอากาศในห้องที่เหมาะสมที่ใช้ในกิจกรรมต่าง ๆ โดยคิดเป็นอัตราการไหลเวียนของอากาศในหน่วยปริมาตรของห้องต่อหนึ่งชั่วโมง (Air Chang per Hour, ACH) [สำหรับมาตรฐานของห้องแต่ละประเภทการใช้งานสามารถอ่านได้ใน “มาตรฐานระบบปรับอากาศระบายอากาศ”] ซึ่งระบบไหลเวียนอากาศทั่วไปจะออกแบบโดยอ้างอิงสัดส่วนอากาศภายในกับอากาศภายนอกโดยแบ่งเป็นระบบใหญ่ ๆ คือ

          ระบบนำอากาศจากนอกมาผ่านระบบครั้งเดียว (Single Pass Air) เป็นระบบที่ไม่นำอากาศภายในห้องกลับมาหมุนเวียนในระบบอีก เป็นการเอาอากาศภายนอกอาคารทั้งหมด (Fresh Air 100%) มาผ่านระบบปรับอากาศแล้วส่งมาใช้ปรับสภาวะอากาศภายในห้อง จากนั้นจะดูดอากาศในห้องทิ้งทั้งหมดสู่สิ่งแวดล้อมภายนอก ส่วนใหญ่จะใช้กับห้องที่มีอากาศปนเปื้อนกับเชื้อและไม่ต้องการให้เชื้อหมุนเวียนกลับมาปะปนอีกเพื่อป้องกันการกลายพันธุ์ของเชื้อ เช่นห้องแยกโรคผู้ป่วยติดเชื้อความเสี่ยงสูง หรือห้องที่มีสารอันตรายหากเกิดการสะสมในปริมาณมาก จำเป็นต้องระบายออกและเติมอากาศใหม่ในห้องเพื่อเจือจางความเข้มข้นของสาร เช่นห้องเลี้ยงสัตว์ทดลองที่มีการปล่อยก๊าซเสียจำพวกแอมโมเนียหรือคาร์บอนไดออกไซด์ ในการระบายอากาศออกอาจมีการกรองและฆ่าเชื้อก่อนปล่อยสู่สิ่งแวดล้อม ระบบนี้ต้องปรับอากาศที่มาจากภายนอกตลอดเวลา จึงจำเป็นต้องใช้เครื่องที่มีขนาดการทำความเย็นที่ใหญ่เพื่อควบคุมอุณหภูมิและความชื้นจากโหลดความร้อนและความชื้นของอากาศภายนอก ซึ่งพลังงานที่ใช้ก็สูงไปด้วยเช่นกัน

          ระบบนำอากาศบางส่วนกลับมาใช้ซ้ำ (Recirculation Air) เนื่องจากในการปรับอากาศต้องใช้พลังงานในการลดอุณหภูมิและความชื้น ยิ่งห้องที่มีขนาดใหญ่ยิ่งต้องใช้พลังงานมาก ระบบนี้จะสามารถอนุรักษ์พลังงานได้โดยการที่นำอากาศที่ผ่านการปรับอุณหภูมิและความชื้นแล้วภายในห้อง (ประมาณ 80%) หมุนเวียนนำกลับมาผสมกับอากาศที่ดูดจากภายนอกบางส่วน (ประมาณ 20%) จากนั้นก็นำมาผ่านระบบอีกครั้ง อากาศที่ว่านั้นอุณหภูมิและความชื้นจะใกล้เคียงกับค่า Set point ที่เราต้องการมากกว่าอากาศที่อยู่ภายนอก ทำให้ลดภาระการทำความเย็นลงได้ ทำให้เครื่องทำความเย็นมีขนาดที่เล็กลงด้วย ซึ่งจะประหยัดพลังงานกว่าระบบ Single pass air ประมาณ 3-4 เท่า

4.ความดันอากาศภายในห้อง

          ในการควบคุมการปนเปื้อนระหว่างภายในและภายนอกควรมีความแตกต่างของความดันอากาศ โดยทั่วไปแล้วอากาศเป็นของไหลที่สามารถยุบตัวได้ จะไหลจากความดันสูงไปหาความดันต่ำ จึงใช้ประโยชน์จากหลักการนี้ในการป้องกันการปนเปื้อนระหว่างอากาศภายในห้องและภายนอกห้องได้ ในที่นี้จะกล่าวถึงห้องที่มีความดันเป็นลบและความดันห้องเป็นบวก โดยลักษณะของการใช้งานของห้องจะแตกต่างกันตามจุดประสงค์

          ห้องความดันอากาศลบ (Negative Pressure Room) เป็นห้องที่มีความดันอากาศต่ำกว่าห้องรอบข้างหรือสิ่งแวดล้อมที่อยู่รอบห้อง ห้องประเภทนี้จะใช้สำหรับควบคุมเชื้อไม่ให้แพร่กระจายไปยังสิ่งแวดล้อม เช่นห้องสำหรับแยกโรคติดเชื้อทางอากาศ ห้องทดลองเชื้อ เป็นต้น

          ห้องความดันอากาศบวก (Positive Pressure Room) เป็นห้องที่มีความดันอากาศสูงกว่าห้องรอบข้างหรือสิ่งแวดล้อมที่อยู่รอบห้อง ห้องประเภทนี้จะใช้สำหรับป้องกันเชื้อจากภายนอกเข้ามาปะปนกับอากาศภายในห้อง เช่นห้องผลิตชิ้นส่วนปลอดฝุ่น ห้องผ่าตัด ห้องปลอดเชื้อสำหรับผู้ป่วยติดเชื้อง่าย เป็นต้น

          ในระบบ HVAC ยังสามารถออกแบบให้กับห้องที่มีความดันเท่ากับภายนอก (ไม่ควบคุมความดันห้อง) เพื่อใช้ในการเพาะปลูกพืช ซึ่งจะควบคุมอุณหภูมิ ความชื้น และอัตราการไหลของอากาศ เพื่อป้องกันไม่ให้ดินหรือพืชแห้งจนเกินไปได้

          5.การกรองอากาศ

          ในอากาศปะปนไปด้วยฝุ่นละอองและอนุภาคของเชื้อต่าง ๆ ซึ่งเป็นต้นต่อของหลาย ๆ สาเหตุที่ทำให้เกิดผลเสียต่อมนุษย์ กระบวนการผลิต และการคลาดเคลื่อนของการวิจัยต่าง ๆ โดยเฉพาะการแพร่กระจายของเชื้อ ในการที่จะแยกสิ่งแปลกปลอมเหล่านั้น จำเป็นต้องมีระบบกรองอากาศที่มีประสิทธิภาพ และสอดคล้องต่ออัตราการไหลของอากาศที่ได้มาตรฐานของห้องแต่ละประเภท กระบวนการกรองอากาศที่มีประสิทธิภาพที่เป็นที่ยอมรับตามมาตรฐานที่ทั่วโลกยอมรับจะประกอบด้วย

          5.1 การกรองหยาบ (Pre filter) เป็นกรองชั้นแรกที่ช่วยลดฝุ่นละอองขนาดใหญ่ ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพและยืดอายุการใช้งานของแผงกรองชั้นถัดไปที่มีละเอียดขึ้น

          5.2 การกรองละเอียด (Medium filter) เป็นชั้นที่กรองฝุ่นละออง ได้ถึงประมาณ 95%

          5.3 การกรองละเอียด (HEPA filter) เป็นชั้นสุดท้ายก่อนที่จะจ่ายลมไปยังห้อง ที่กรองฝุ่นละอองที่มีขนาดเล็ก 0.3 ไมครอน ได้ถึงประมาณ 99.995%