Air Conditioning: การปรับอากาศ

1. บทนำ (INTRODUCTION)

ในชีวิตมนุษย์เราต้องเผชิญกับการแปรปรวนของสภาพภูมิอากาศมาโดยตลอด ดังนั้นการสร้างระบบที่สามารถควบคุมสภาวะของอากาศที่คงที่ (Maintain) และเหมาะสมตามความต้องการไม่ว่าจะเป็นการเพิ่มหรือลดอุณหภูมิและความชื้นของอากาศ การกรองและระบายอากาศเพื่อทำให้อากาศบริสุทธิ์ ไม่มีสิ่งเจือปน รวมถึงการกระจายอากาศให้ทั่วทั้งพื้นที่ที่ต้องการ โดยที่ความเร็วของอากาศมีค่าเหมาะสม โดยเราเรียกระบบที่สามารถควบคุมสภาวะของอากาศในพื้นที่ที่เราต้องการให้มีค่าคงที่หรือเกิดการแปรปรวนน้อยที่สุดนี้ว่า ระบบ HVAC ซึ่งย่อมาจาก Heating, Ventilation and Air Conditioning

รูปที่ 1 ภาพถ่ายแสดงสภาพภูมิอากาศจากดาวเทียม

Source : Voiceofnavy.com (2015, September 16)

โดยทั่วไปแล้วในสังคมยุคปัจจุบันนี้ มนุษย์ส่วนใหญ่กว่า 90% ใช้ชีวิตอยู่ในร่ม (Indoor) เกือบทั้งหมด จึงไม่น่าแปลกใจเลยที่คนเราหันมาใส่ใจเรื่องของการควบคุมสภาวะของอากาศ เพื่อให้มีคุณภาพอากาศภายในอาคาร (Indoor Air Quality, IAQ) ที่เหมาะสม และก่อให้เกิดภาวะสบายเชิงความร้อน (Thermal Comfort) ตามที่คนเราต้องการ

รูปที่ 2 แสดงถึงสังคมยุคปัจจุบันที่การใช้ชีวิตโดยส่วนใหญ่ของมนุษย์อาศัยอยู่ในอาคาร

Source : Facebook.com/booknu (2015, September 16)

2. ความหมายของการปรับอากาศ (MEANING OF AIR CONDITIONING)

จากพจนานุกรมศัพท์ปรับอากาศ อังกฤษ-ไทย ฉบับราชบัณฑิตยสถานซึ่งได้ให้ความหมายของการปรับอากาศไว้ว่า "การปรับอากาศ (Air Conditioning) หมายถึง กระบวนการปรับสภาวะของอากาศ เพื่อควบคุมอุณหภูมิ (Temperature) ความชื้น (Humidity) ความสะอาด (Cleanliness) และการกระจายลม (Motion) ภายในห้องให้เหมาะสมกับความต้องการ"

รูปที่ 3 แสดง 4 ปัจจัยหลักที่ต้องควบคุมเพื่อการปรับอากาศ

3. ระบบและชนิดการปรับอากาศ (SYSTEM AND TYPE OF AIR CONDITIONING)

ลักษณะของการปรับอากาศ สามารถแบ่งตามประเภทของวัตถุประสงค์การใช้งานได้เป็น 2 ประเภทดังนี้

• การปรับอากาศเพื่อการอยู่อาศัย (Residential Air Conditioning)
• การปรับอากาศเพื่อเชิงพาณิชย์และเชิงอุตสาหกรรม (Commercials and Industrials Air Conditioning)

3.1 การปรับอากาศเพื่อการอยู่อาศัย (Residential Air Conditioning)

เป็นการปรับอากาศที่มุ่งส่งเสริมความสบายเชิงความร้อน และเพิ่มประสิทธิภาพในการทำงานของผู้คนที่อาศัยหรือทำงานอยู่ในที่บริเวณนั้นๆ

รูปที่ 4 แสดงการปรับอากาศเพื่อการอยู่อาศัย

3.2 การปรับอากาศเพื่อเชิงพาณิชย์และเชิงอุตสาหกรรม (Commercials and Industrials Air Conditioning)

เป็นการปรับอากาศเพื่อควบคุมภาวะบรรยากาศในกระบวนการผลิต การทำงานวิจัย และการเก็บรักษาผลผลิตต่างๆ

รูปที่ 5 แสดงการปรับอากาศเพื่อเชิงพาณิชย์และเชิงอุตสาหกรรม

Source : Techxcite.com (2015, September 16)

เครื่องปรับอากาศในประเทศไทยสามารถแบ่งเป็นชนิดต่างๆ ได้ดังนี้

• • เครื่องปรับอากาศแบบหน้าต่าง (Window Type Air Conditioning)

• • เครื่องปรับอากาศแบบแยกส่วน (Split Type Air Conditioning)

• • เครื่องปรับอากาศแบบชุด (Package Air Conditioning)

• • ระบบปรับอากาศแบบทำความเย็นจากส่วนกลาง (Central Air Conditioning)

• เครื่องปรับอากาศแบบหน้าต่าง (Window Type Air Conditioning

เป็นเครื่องปรับอากาศที่มีอุปกรณ์ต่างๆ ไม่ว่าจะเป็น คอมเพรสเซอร์ (Compressor) คอยล์ร้อนหรือชุดควบแน่น (Condenser) วาล์วลดความดัน (Expansion Valve) และคอยล์เย็น (Evaporator) ครบถ้วนในตัว

รูปที่ 6 แสดงลักษณะและการทำงานของเครื่องปรับอากาศแบบหน้าต่าง

Source : Nared.org (2015, September 16)

• เครื่องปรับอากาศแบบแยกส่วน (Split Type Air Conditioning)

คือ เครื่องปรับอากาศประกอบสำเร็จแล้วจากโรงงานผู้ผลิต โดยแบ่งออกเป็น 2 ส่วน คือ

1. หน่วยเครื่องส่งลมเย็น (Air Handling Unit, AHU) หรือหน่วยแฟนคอยล์ (Fan Coil Unit, FCU) จะติดตั้งไว้ภายในห้อง เป็นส่วนที่ทำความเย็นให้แก่ห้อง ประกอบด้วยคอยล์เย็นและพัดลมส่งลมเย็น หรือเรียกอีกอย่างหนึ่งว่าหน่วยภายในห้อง (Indoor Unit)

2. หน่วยคอยล์ร้อน (Condenser Unit, CDU) จะติดตั้งไว้บริเวณนอกห้องหรือนอกอาคาร เป็นส่วนที่ใช้ระบายความร้อนที่รับมาจากภายในห้องออกทิ้งสู่บรรยากาศ ประกอบด้วยคอยล์ร้อน พัดลมระบายความร้อน และคอมเพรสเซอร์ หรือเรียกอีกอย่างหนึ่งว่าหน่วยภายนอกห้อง (Outdoor Unit)

โดย CDU จำนวน 1 ชุด อาจใช้ร่วมกับ AHU หรือ FCU มากกว่า 1 ชุดก็ได้

หมายเหตุ : ส่วนของวาล์วลดความดันนั้น อาจติดตั้งอยู่ที่ CDU หรือ FCU ก็ได้ ขึ้นอยู่กับผู้ออกแบบ

รูปที่ 7 แสดงลักษณะและการทำงานของเครื่องปรับอากาศแบบแยกส่วน

(อ่านเพิ่มเติม)

• เครื่องปรับอากาศแบบชุด (Package Air Conditioning)

มีลักษณะคล้ายคลึงกับเครื่องปรับอากาศแบบแยกส่วน ซึ่งประกอบไปด้วย Indoor Unit และ Outdoor Unit แต่ขนาดการทำความเย็นของเครื่องปรับอากาศแบบเป็นชุดนี้จะมีค่ามากกว่าแบบแยกส่วนและการระบายความร้อนจะมี 2 ประเภท คือ เครื่องปรับอากาศแบบชุดชนิดระบายความร้อนด้วยอากาศ (Air Cooled Package, ACP) และเครื่องปรับอากาศแบบชุดชนิดระบายความร้อนด้วยน้ำ (Water Cooled Package, WCP)

รูปที่ 8 Air Cooled Package

รูปที่ 9 Water Cooled Package

• ระบบปรับอากาศแบบทำความเย็นจากส่วนกลาง (Central Air Conditioning)

คือ ระบบปรับอากาศที่ทำความเย็นให้แก่อาคารโดยอ้อม กล่าวคือ แทนที่จะใช้สารทำความเย็นเป็นตัวกลางในการแลกเปลี่ยนความร้อนกับอากาศภายในอาคารโดยตรงเช่นเดียวกับเครื่องปรับอากาศทั้งสามแบบข้างต้น แต่กลับใช้สารทำความเย็นเป็นตัวกลางในการแลกเปลี่ยนความร้อนให้แก่น้ำที่คอยล์เย็น (Evaporator) ของเครื่องทำน้ำเย็น (Water Chiller) ทำให้น้ำกลายเป็นน้ำเย็น (Chilled Water) อุณหภูมิต่ำก่อนที่จะลำเลียงไปตามระบบท่อ (Piping System) โดยอาศัยแรงดันจากเครื่องสูบน้ำเย็น (Chilled Water Pump) ไปแลกเปลี่ยนความร้อนกับอากาศภายในห้องที่ AHU หรือ FCU ทำให้น้ำเย็นมีอุณหภูมิสูงขึ้น  และน้ำเย็นอุณหภูมิสูงนี้ก็จะถูกส่งกลับไปแลกเปลี่ยนความร้อนให้กับสารทำความเย็นที่คอยล์เย็นของเครื่องทำน้ำเย็น ทำให้กลายเป็นน้ำเย็นอุณหภูมิต่ำ และนำกลับมาแลกเปลี่ยนความร้อนกับอากาศที่ AHU หรือ FCU อีกครั้ง

ส่วนสารทำความเย็นเมื่อได้รับความร้อนจากน้ำก็จะถูกคอมเพรสเซอร์ (Compressor) ของเครื่องทำน้ำเย็นอัดทำให้สารทำความเย็นมีความดันและอุณหภูมิสูงขึ้นและส่งไประบายความร้อนที่คอยล์ร้อน (Condenser) ของเครื่องทำน้ำเย็น ทำให้สารทำความเย็นมีอุณหภูมิลดต่ำลง ก่อนจะส่งผ่านวาล์วลดความดัน (Expansion Valve) และไหลกลับเข้าสู่คอยล์เย็นเพื่อแลกเปลี่ยนความร้อนกับน้ำเย็นอุณหภูมิสูงต่อไป

การระบายความร้อนของเครื่องทำน้ำเย็นจะมี 2 ชนิดคือ เครื่องทำน้ำเย็นชนิดระบายความร้อนด้วยอากาศ (Air Cooled Water Chiller, ACWC) และเครื่องทำน้ำเย็นชนิดระบายความร้อนด้วยน้ำ (Water Cooled Water Chiller, WCWC)

รูปที่ 10 Air Cooled Water Chiller

รูปที่ 11 Water Cooled Water Chiller

4. ภาวะสบายเชิงความร้อนของมนุษย์ (HUMAN THERMAL COMFORT)

การดำรงชีวิตของมนุษย์ในปัจจุบัน มีหลักที่ช่วยให้เกิดความพึงพอใจที่มนุษย์ต้องการ นั่นคือ การมีพฤติกรรมดำเนินชีวิตควบคู่กับความสุขสบาย โดยเฉพาะการใช้ชีวิตอยู่ในพื้นที่จำกัดเป็นเวลานาน เช่น การอยู่ในห้องนั่งเล่นที่บ้าน การเรียนในห้องเรียน การทำงานที่ห้องในสำนักงาน การดูหนังในโรงภาพยนต์ เป็นต้น

สมาคมวิศวกรการทำความร้อน การทำความเย็น และการปรับภาวะอากาศแห่งประเทศอเมริกา [ American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineer (ASHRAE) ] ซึ่งเป็น ASHRAE Standard 55-1992 ได้ให้ความหมายของ ภาระความสบายเชิงความร้อน คือ "สภาวะทางจิตใจที่แสดงออกซึ่งความพึงพอใจในสภาวะแวดล้อมทางความร้อน" ดังนั้นมนุษย์จะพึงพอใจภาวะสบายเชิงความร้อนก็ต่อเมื่อร่างกายมีสมดุลความร้อน ซึ่งสอดคล้องกับคำกล่าวของ P.O Fanger ในหนังสือ Thermal Comfort : Analysis and Application in Environmental Engineering ที่ว่า "สมดุลทางความร้อนของร่างกายเป็นความต้องการข้อแรกที่จะทำให้เกิดความพึงพอใจต่อภาวะสบายเชิงความร้อน"

ความร้อนของร่างกายมนุษย์เกิดขึ้นย่างต่อเนื่อง ทั้งนี้เนื่องจากกระบวนการเผาผลาญอาหารเพื่อดึงพลังงานมาใช้หรือที่เรียกว่า กระบวนการเมตาบอริซึม (Metabolizes) โดยความร้อนที่เกิดขึ้นนี้ ส่วนหนึ่งจะถูกนำไปใช้ในกิจกรรม อีกส่วนหนึ่งจะถูกถ่ายเทให้แก่สภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิต่ำกว่า เพื่อรักษาสมดุลทางความร้อนของร่างกาย ดังนั้นปัจจัยในการพิจารณาหาความรู้สึกร้อนมาก (Hot) หรือหนาว (Cold) ของมนุษย์ จึงหมายถึงการพิจารณาค่าอัตราการสูญเสียความร้อนออกจากร่างกาย (The rate of body heat loss)

รูปที่ 12 ความรู้สึกร้อน - หนาว ของมนุษย์

Source : Board.postjung.com (2015, September 16)

กระบวนการของการสูญเสียความร้อนออกจากร่างกายสู่สิ่งแวดล้อมนั้น ประกอบไปด้วยกระบวนการดังต่อไปนี้ คือ

• • กระบวนการพาความร้อน (Heat Convection) เกิดขึ้นได้เมื่ออากาศรอบๆ กายได้รับความร้อนจากร่างกายมนุษย์โดยตรง โดยการพาความร้อนที่เกิดขึ้นนี้ จะมีด้วยกัน 2 แบบ คือ การพาความร้อนโดยวิธีทางธรรมชาติ และการพาความร้อนด้วยวิธีกล

• • กระบวนการแผ่รังสี (Heat Radiation) เกิดขึ้นได้เมื่อร่างกายอยู่ใกล้กับวัตถุหรือแหล่งกำเหนิด (Source) และรับ (Sink) ความร้อนที่มีอุณหภูมิสูงหรือต่ำกว่าร่างกายมากๆ เช่น เตาผิง กระจกหน้าต่าง เป็นต้น

• • กระบวนการระเหย (Evaporation) เกิดขึ้นเมื่อเหงื่อ (Perspiration) รอบๆ ผิวกายได้รับความร้อนที่เกิดขึ้นจากกระบวนการเมตาบอริซึม มีผลทำให้เหงื่อที่เกิดขึ้นระเหยกลายเป็นไอสู่สิ่งแวดล้อม ทำให้ร่างกายมนุษย์รู้สึกเย็น (Cooled)

ซึ่งอัตราการสูญเสียความร้อนออกจากร่างกายมนุษย์ที่มีผลต่อภาวะสบายเชิงความร้อน ประกอบด้วยตัวแปรหลัก 2 ส่วนคือ ตัวแปรบุคคล (Personal Parameter) และตัวแปรสภาวะแวดล้อม (Environmental Parameter) โดยแต่ละตัวแปรมีรายละเอียดตามตารางต่อไปนี้

ตารางที่ 1 แสดงอัตราการสูญเสียความร้อนออกจากร่างกายมนุษย์ที่มีผลต่อภาวะสบายเชิงความร้อน

รูปที่ 13 แสดงแผนภูมิความสบายของมนุษย์บน Psychrometric chart

Source : Be-komfort.myreadyweb.com (2015, September 16)

5. คุณภาพอากาศภายในห้อง (INDOOR AIR QUALITY, IAQ)

ASHRAE Standard 62-1999 Ventilation for Acceptable Indoor Air Quality ได้ให้ความหมายของคุณภาพอากาศภายในอาคารที่ยอมรับได้ (Acceptable IAQ) คือ "อากาศที่มีความเข้มข้นของสิ่งเจือปนต่างๆ อยู่ในระดับที่ไม่เป็นอันตรายต่อผู้คน และผู้คนในบริเวณนั้นจำนวน 80% หรือมากกว่ามีความรู้สึกพึงพอใจคุณภาพของอากาศในบริเวณนั้นๆ"

รูปที่ 14 แสดงความรู้สึกสบายของคุณภาพอากาศที่ดี

Source : Chanachaiair.wordpress.com (2015, September 16)

คุณภาพของอากาศจะถูกพิจารณาอ้างอิงจากระดับความบริสุทธิ์ (Purity) ของอากาศ โดยระดับของคุณภาพอากาศนั้น จะมีผลต่อทั้งภาวะสบายเชิงความร้อนและสุขภาพของมนุษย์ อากาศที่มีคุณภาพต่ำนั้นจะประกอบไปด้วยสิ่งเจือปนต่างๆ เช่น ควันบุหรี่ (Tobacco Smoke), ฝุ่นละออง (Dust Particles) และก๊าซพิษ (Toxic Gases) ดังนั้น จึงควรที่จะต้องมีการดักจับหรือเจือกจางสิ่งเจือปนต่างๆ เหล่านี้ออกจากอากาศด้วยการติดตั้งกรองอากาศ และการระบายอากาศด้วยการนำอากาศบริสุทธิ์จากภายนอกเข้ามาแทนที่

อาคารในปัจจุบันส่วนใหญ่ มุ่งออกแบบให้เกิดการประหยัดพลังงาน จึงมักนิยมออกแบบให้อาคารปิดมิดชิด (Tight Building Infiltration) เพื่อทำให้ขนาดของระบบปรับอากาศและระบายอากาศมีขนาดเล็กลง มีผลทำให้เกิดมลภาวะสะสมภายในอาคารเพิ่มสูงขึ้น

รูปที่ 15 อาคารปิดมิดชิด (Tight Building Infiltration)

Source : Travel.mthai.com (2015, September 16)

ถึงแม้ว่าจะมีความเข้มข้นของสิ่งเจือปนต่ำ แต่ถ้าอาศัยอยู่ในสภาพแวดล้อมลักษณะนี้นานวันเข้าจะเกิดอาการของโรคที่เรียกว่า โรคความเจ็บป่วยของผู้อาศัยหรือทำงานภายในอาคาร (Sick Building Syndrome, SBS) เช่น อาการแพ้ ได้แก่ โรคภูมิแพ้ (เชื้อโรคจากความสกปรกที่บริเวณคอยล์เย็นและท่อส่งลมเย็น) และโรคที่เกิดจากการหายใจเอาไฟเบอร์เข้าไป เช่น ไยหิน (อลูมิเนียมฟอยด์ที่หุ้มฉนวนที่ท่อส่งลมเย็นและห้องผสมอากาศฉีกขาด) เป็นต้น ดังนั้นแล้วผู้ที่ต้องทำงานอยู่เป็นระยะเวลานานๆ จึงควรออกมาทำกิจกรรม ออกกำลังกาย เพื่อสูดอากาศบริสุทธิ์ภายนอกบ้าง จะช่วยลดการเกิดความไม่สบายดังกล่าว

รูปที่ 16 การรับอากาศบริสุทธิ์ที่ชายทะเล

Source : Health.tonruk.com (2015, September 16)

Bibliography

1. 1. ภาควิชาวิศวกรรมเครื่องคล คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยนเรศวร. (2551). บทที่ 1 ก้าวแรกสู่การเป็นวิศวกรปรับอากาศ. โดยอาจารย์ศิษฐ์ภัณฑ์ แคนลา, วิศวกรรมการปรับอากาศและการระบายอากาศ. Thailand.
   2. Voiceofnavy.com (2015, September 16) : http://www.voiceofnavy.com/images/democontent/newsteam/Weather.jpg
   3. Facebook.com/booknu (2015, September 16) : https://www.facebook.com/booknu
   4. Techxcite.com (2015, September 16) : http://www.techxcite.com/topic/19965.html
   5. Nared.org (2015, September 16) : http://nared.org/energy-efficiency/air-conditioning/
   6. Board.postjung.com (2015, September 16) : http://board.postjung.com/867492.html
   7. Be-komfort.myreadyweb.com (2015, September 16) : http://be-komfort.myreadyweb.com/article/topic-43898.html
   8. Chanachaiair.wordpress.com (2015, September 16) : https://chanachaiair.wordpress.com/2012/12/08/
   9. Travel.mthai.com (2015, September 16) : http://travel.mthai.com/world-travel/37504.html
   10. Health.tonruk.com (2015, September 16) : http://health.tonruk.com/view/3936.html