ใช้ระบบ VAV ให้คุ้มค่า

Chakrapan Pawangkarat
Oct 27, 2024
2 min read

จักรพันธ์ ภวังคะรัตน์, วก.813

นายกสมาคมวิศวกรรมปรับอากาศแห่งประเทศไทย (2560-2561)

หัวหน้าสายงานธุรกิจบริหารอสังหาริมทรัพย์, JLL

1. ทำไมจึงเลือกใช้ระบบ VAV

ระบบจ่ายลมแปรเปลี่ยน (Variable Air Volume, VAV) เป็นระบบที่นำมาใช้ในพื้นปรับอากาศที่จ่ายลมจากเครื่องปรับอากาศขนาดใหญ่ครอบคลุมพื้นที่มากและมีภาระการทำความเย็นไม่สม่ำเสมอตลอดทั่วทั้งพื้นที่ ประเภทการใช้งานที่เข้าข่ายนี้ที่พบคือ อาคารสำนักงานขนาดใหญ่ ระบบ VAV สามารถนำมาแก้ปัญหาการควบคุมอุณหภูมิที่ไม่สม่ำเสมอโดยการแบ่งโซนการควบคุมอุณหภูมิเป็นโซนย่อยๆที่เล็กลง และปรับอุณหภูมิโดยการแปรเปลี่ยนอัตราการจ่ายลม

ผลได้ตามมาที่สำคัญ คือ การประหยัดพลังงานเนื่องจากการปรับอัตราการจ่ายลมให้ต่ำลงเมื่อภาระการทำความเย็นลดต่ำลง ซึ่งแตกต่างจากระบบดั้งเดิมที่มีจ่ายลมอัตราคงที่ (Constant Air Volume, CAV) ไม่ว่าภาระความเย็นจะมากหรือจะน้อย

รูปที่ 1 ระบบ VAV (https://www.hpac.com/iaq-ventilation/specifications-high-efficiency-vav-systems)

2. หลักการทำงานของระบบ VAV

ส่วนที่แตกต่างของระบบ VAV จากระบบ CAV คือ

มีอุปกรณ์ปรับความเร็วรอบที่พัดลม (Variable Speed Drive, VSD) เพื่อปรับอัตราการจ่ายลม
มีกล่อง VAV ปรับอัตราจ่ายลมปลายทาง

รูปที่ 2 กล่อง VAV (https://controlcostl.com/product-line/johnson-controls-vav-boxes/)

หลักการทำงานคือ เมื่อในพื้นที่ปรับอากาศมีอุณหภูมิตามที่ต้องการแล้ว กล่อง VAV จะทำการปรับลดอัตราการจ่ายลมเข้าพื้นที่ปรับอากาศ โดยการหรี่แดมเปอร์ที่อยู่ภายในกล่อง VAV

เมื่อมีการปรับลดอัตราการจ่ายลมที่ปลายทาง ก็จะเกิดการอั้นลมในท่อลมส่งผลให้ความดันในท่อลมสูงขึ้น ตัววัดค่าความดันในท่อลมก็จะส่งสัญญาณไปสั่งให้พัดลมจ่ายลมน้อยลง โดยการปรับลดความเร็วรอบของพัดลม การปรับลดความเร็วรอบของพัดลมนอกจากจะลดอัตราการจ่ายลมแล้ว ยังช่วยให้เกิดการประหยัดพลังงานอย่างมากตามกฎของพัดลม คือ เมื่อต้องการอัตราการจ่ายลม 50% จะลดความเร็วรอบเหลือ 50% แต่จะใช้พลังงานเพียง 12.5% เท่านั้น (หมายเหตุ : ในสภาพการทำงานจริงที่มีการกำหนดค่าความดันขั้นต่ำไว้ จะลดความเร็วรอบเหลือมากกว่า 50% และใช้พลังงานมากกว่า 12.5% อยู่บ้าง)

3. ใช้ VAV ให้เกิดความคุ้มค่าที่สุด

3.1 เตรียมการบำรุงรักษา

ระบบ VAV มีกล่อง VAV เป็นหัวใจสำคัญในการทำงาน ภายในกล่อง VAV ประกอบด้วยตัวตรวจวัด (Sensor), ระบบประมวลผล (ซึ่งก็เหมือนคอมพิวเตอร์เครื่องหนึ่ง), ตัวขับ (Actuator) แดมเปอร์เพื่อปรับปริมาณลม จะเห็นได้ว่า มีทั้งอุปกรณ์อิเลคทรอนิคส์และอุปกรณ์เครื่องกล ซึ่งทั้งสองอย่างนี้ต้องการการบำรุงรักษาอย่างต่อเนื่อง หากตัวตรวจวัดวัดค่าผิด ระบบประมวลผลทำงานผิดพลาด หรือ ตัวขับไม่ทำงาน เพียงอย่างใดอย่างหนึ่ง ก็จะทำให้การควบคุมอุณหภูมิและอัตราการจ่ายลมผิดพลาดไปหมด ดังนั้นกล่อง VAV จึงต้องได้รับการบำรุงรักษาอย่างสม่ำเสมอ แต่หลายอาคารที่ติดตั้งไปแล้ว เจ้าของอาคารและส่วนงานวิศวกรรมบริหารอาคารไม่ทราบความสำคัญและจัดสรรงบประมาณ ทำให้กล่อง VAV ถูกใช้งานโดยไม่มีการตรวจสอบและบำรุงรักษาเป็นประจำ ส่งผลให้ไม่สามารถควบคุมอุณหภูมิและอัตราการจ่ายลมได้ตามต้องการ ทำให้เกิดความล้มเหลวในวัตถุประสงค์สำคัญของระบบ VAV คือ ทั้งการควบคุมอุณหภูมิและการประหยัดพลังงาน

ผู้ออกแบบ ผู้ติดตั้ง และผู้ผลิต ควรมีข้อแนะนำที่ชัดเจนว่ากล่อง VAV ต้องได้รับการตรวจสอบและบำรุงรักษาเป็นประจำอย่างไรบ้าง พร้อมคำนวณค่าใช้จ่ายในการบำรุงรักษานี้ให้เจ้าของอาคารตั้งแต่ในขั้นเสนอแนวคิดในการนำระบบ VAV มาใช้ เพื่อให้ทุกฝ่ายรับทราบและจัดเตรียมงบประมาณอย่างถูกต้อง นอกจากนี้ ในการส่งมอบงานให้เจ้าของงานควรมีเอกสารแนะนำจากผู้ผลิตในเรื่องการตรวจสอบและบำรุงรักษาที่ชัดเจน และในระหว่างระยะเวลารับประกันผู้ผลิตควรเข้ามาตรวจสอบและบำรุงรักษาตามที่แนะนำ เพื่อเป็นตัวอย่างแนวทางในการตรวจสอบและบำรุงรักษาภายหลังระยะเวลารับประกันต่อไป

3.2 เตรียมช่องเปิดบริการ

ถ้าไม่มีช่องเปิดบริการก็ไม่สามารถบำรุงรักษาได้ ช่างต้องเข้าถึงกล่อง VAV เพื่อตรวจสอบและบำรุงรักษาอย่างสม่ำเสมอ หากเข้าถึงไม่ได้ กล่อง VAV ก็จะไม่ได้รับการตรวจสอบและบำรุงรักษา มีการติดตั้งกล่อง VAV จำนวนมากที่เข้าถึงไม่ได้ จึงก่อให้เกิดปัญหาตามมามากมาย เช่น ติดตั้งอยู่เหนือฝ้าเพดานที่สูงมาก (ต้องตั้งบันไดสูงหรือต้องตั้งนั่งร้าน), ติดตั้งอยู่ชิดกับท่อลมหรืออุปกรณ์อื่นทำให้เข้าถึงส่วนสำคัญไม่ได้, ติดตั้งอยู่เหนือฝ้าเพดานฉาบเรียบและไม่มีช่องเปิดบริการในตำแหน่งที่เปิดแล้วเข้าถึงได้ ข้อหลังนี้พบมากที่สุดเพราะงานตกแต่งภายในทำไปโดยไม่ทราบความจำเป็นและความสำคัญของช่องเปิดบริการ เราจึงพบปัญหาเรื่องช่องเปิดบริการมาก เช่น ช่องเปิดเล็กเกินไป, ช่องเปิดอยู่ห่างจากกล่อง VAV มากเกินไป, ช่องเปิดอยู่คนละด้านกับแผงวงจรควบคุมและ Actuator, ช่องเปิดอยู่ต่ำกว่ากล่อง VAV มาก (เช่น กล่อง VAV ติดตั้งชิดกับท้องพื้นแต่ระดับฝ้าเพดานต่ำกว่าระดับท้องพื้นมาก) และไม่มี Catwalk เข้าไปหากล่อง VAV

ผู้ออกแบบควรระบุในแบบว่ากล่อง VAV ทุกกล่องต้องมีช่องเปิดบริการที่มีขนาดเพียงพอและเข้าถึงส่วนสำคัญของกล่องได้เพื่อให้ทุกฝ่ายที่เกี่ยวข้องตระหนักถึงความสำคัญ วิศวกรติดตั้งระบบปรับอากาศหรือวิศวกรบริหารอาคารต้องตรวจสอบแบบตกแต่งอาคารและกำหนดให้มีช่องเปิดบริการที่เหมาะสมและเพียงพอ และต้องยืนยันไม่อนุญาตให้มีฝ้าฉาบเรียบโดยไม่มีช่องเปิดบริการ

3.3. ป้องกันปัญหาอากาศนิ่งและรู้สึกอึดอัด

ปัญหาที่ผู้ใช้อาคารที่ใช้ VAV ร้องเรียนบ่อยครั้งคือ รู้สึกอึดอัด อากาศนิ่ง โดยมักจะเกิดกับห้องที่อยู่ภายในอาคาร ไม่ติดกับผนังกระจกด้านนอก ซึ่งเป็นห้องที่มีภาระการทำความเย็นน้อย เมื่อทำอุณหภูมิได้แล้ว กล่อง VAV จึงปรับลดอัตราการจ่ายลมลงจนสุด ซึ่งวิศวกรออกแบบมักกำหนดไว้ 10-30% ของอัตราการจ่ายลมสูงสุด ทำให้มีอาการไหลเวียนน้อย มีความเร็วกระแสลมในห้องต่ำ ระบายกลิ่นได้ช้า อากาศนิ่ง ทำให้คนในห้องรู้สึกอึดอัด

ผู้ออกแบบควรเลือกใช้หัวจ่ายลมที่สามารถเหนี่ยวนำกระแสลมได้สูง (ทั้งๆที่จ่ายลมน้อย) หรือใช้กล่อง VAV ชนิดมีพัดลมในตัว (Fan-Powered VAV) ซึ่งจะมีพัดลมในตัวเพื่อช่วยเพิ่มอัตราการหมุนเวียนในห้อง สำหรับระบบที่ติดตั้งไปแล้วการแก้ปัญหาเฉพาะหน้าคือการปรับ Minimum Airflow ให้สูงขึ้น แต่การใช้วิธีนี้จะทำให้ในห้องมีอุณหภูมิต่ำเกินไปหรือหนาวเกินไป และถ้าใช้กับกล่องจำนวนมากก็จะทำให้สูญเสียพลังงานโดยไม่จำเป็นอย่างมาก

3.4 ปรับจูนระบบให้ประหยัดพลังงาน

ระบบ VAV จะประหยัดพลังงานได้ก็เมื่อมีการปรับลดการจ่ายลมที่พัดลม ปัญหาที่พบบ่อยคือ (1) มีการไปตั้งค่าความเร็วรอบ VSD ของพัดลมคงที่เอาไว้ ไม่ปล่อยให้ทำงานอัตโนมัติ ทำให้ VSD ไม่ปรับลดรอบ ก็จะไม่เกิดการประหยัดพลังงาน (2) มีการตั้งค่าความดันในท่อลมไว้สูงเกินจำเป็น

แนวทางป้องกัน คือ (1) อย่าตั้งค่าความเร็วรอบคงที่ ต้องปล่อยให้ระบบทำงานอัตโนมัติ เมื่อต้องการลมจ่ายน้อยลง กล่อง VAV จะหรี่ลม จะเกิดการอั้นลมในระบบท่อ ความดันในท่อลมจะสูงขึ้น VSD ก็จะทำหน้าที่ปรับลดความเร็วรอบพัดลมลงเพื่อให้ได้ความดันตามที่ตั้งไว้ (2) อย่าตั้งค่าความดัน (Set point) ในท่อลมสูงเกินไป ปกติแล้วตั้งค่าให้มีความดันเพียงพอจากตำแหน่งที่ติดตั้ง Pressure Sensor ไปจนถึงหัวจ่ายลมที่ไกลที่สุด ซึ่งควรมีค่าประมาณ 0.5 นิ้วน้ำเท่านั้น

3.5 ตรวจสอบเข้มงวดในงานเดินสายสัญญาณควบคุมและสายสื่อสาร

หากติดตั้งสายสัญญาณควบคุมและสายสื่อสารขอบระบบควบคุมไม่ดีตั้งแต่แรก จะทำให้ไม่ได้รับสัญญาณจาก Sensor อย่างถูกต้อง ทำให้การควบคุมความดันในท่อลมผิดพลาด และนำไปสู่การตั้งความเร็วรอบของพัดลมคงที นอกจากสายสัญญาณแล้วสายสื่อสารระหว่างกล่อง VAV กับห้องควบคุมอาคารก็มักมีปัญหา ทำให้ไม่สามารถสั่งตั้งอุณหภูมิหรืออ่านค่าการทำงานของกล่อง VAV ได้

การควบคุมการติดตั้งอย่างเข้มงวดก่อนการปิดงานฝ้าเพดานจึงมีความจำเป็นอย่างมาก หากเกิดความผิดพลาดแล้วการแก้ไขภายหลังทำได้ยุ่งยากและมีค่าใช้จ่ายสูงกว่ามาก

3.6 เลือกใช้ Sensor ที่มี Range ที่เหมาะสม

Sensor วัดความดันในระบบท่อลม ซึ่งมีการวัดความดันจริงประมาณ 0.5 นิ้วน้ำ แต่ไปเลือกติดตั้ง Sensor ที่มี Range ใช้งานกว้างกว่ามาก เช่น ไปเลือกใช้ Sensor ที่มี Range 0-10 นิ้วน้ำ เวลาใช้งานจริงก็จะวัดค่าได้ไม่แม่นยำ ทำให้การควบคุมความดันลมในระบบท่อลมทำได้ไม่ได้ ในทางใช้งานจริงจึงอาจเกิดการบายพาสการควบคุมโดยการไปกำหนดความเร็วรอบของพัดลมให้คงทีเสียเลย ส่งผลให้ระบบไม่เกิดการประหยัดพลังงานอย่างที่ต้องการ

3.7 ติดตั้ง Pressure Sensor ในตำแหน่งที่ถูกต้อง

ตำแหน่งติดตั้ง Pressure Sensor มีความสำคัญมากในการวัดค่าให้ได้ถูกต้อง คำแนะนำโดยทั่วไปคือ ติดตั้งที่ระยะ 75% ของความยาวท่อทั้งหมด จุดติดตั้งควรเป็นจุดที่เข้าถึงได้ มีช่องเปิดบริการ เพราะต้องมีการตรวจสอบบำรุงรักษาอย่างสม่ำเสมอ นอกจากนี้แล้วควรติดตั้งในจุดที่ไม่มีกระแสลมปั่นป่วน เช่น ใกล้กับจุดท่อหักเลี้ยว จุดแยกท่อลม จุดที่ใกล้กับแดมเปอร์ เป็นต้น

3.8 ตั้งค่าควบคุมคุมของ Control Loop อย่างเหมาะสม

ความดันในระบบท่อลมมีค่าแกว่งตัวมากโดยธรรมชาติ ดังนั้นจึงไม่มีความจำเป็นต้องควบคุมให้มีความแม่นยำมากนัก เช่น ถ้าเราต้องการตั้งค่าความดันในระบบท่อลม 0.5 นิ้วน้ำ ความดันแกว่งไปมาระหว่าง 0.4-0.6 นิ้วน้ำเป็นเรื่องปกติเพราะธรรมชาติของกระแสลมในท่อลม ดังนั้นจึงไม่มีความจำเป็นต้องพยายามตั้งค่าการควบคุมให้มีความละเอียดกว่านั้น เช่น การพยายามตั้งค่าให้การควบคุมอยู่ในช่วง 0.5 +/-0.001 (0.499-0.5001) ซึ่งไม่เกิดประโยชน์อะไร

การตั้งค่าควบคุมของ Control Loop สำหรับวงจรควบคุมความดันนั้น อาจใช้เพียง PI ก็ได้ ไม่จำเป็นต้องเป็น PID เพราะไม่มีความจำเป็นมากนัก (ความดันจะแกว่งไปมาบ้างก็ไม่เป็นไร ไม่ต้องเข้าสู่ Set point เป๊ะๆ) และการตั้งค่า P (Proportional Band) ในช่วง 0.1-0.2 นิ้วน้ำก็เพียงพอ ไม่จำเป็นต้องต่ำกว่านั้น เพราะอาจเกิดการ Hunting หรือแกว่งค่าออกนอกช่วง Proportional Band ไปแบบไม่สามารถควบคุมได้

3.9 ติดตั้งกล่อง VAV แยกตามโซนที่มีโหลดต่างกัน

กล่อง VAV หนึ่งกล่องถือเป็นหนึ่งโซนในการควบคุมอุณหภูมิ โหลดในโซนเดียวกันควรมีลักษณะเหมือนกัน เช่น อยู่ในทิศรับแสงอาทิตย์เดียวกัน มีความหนาแน่นคนแบบเดียวกัน มิฉะนั้นแล้วจะเกิดปัญหาในการควบคุมอุณหภูมิ เช่น หากใช้กล่อง VAV เดียว จ่ายลมห้องประชุมกับห้องผู้บริหาร โดยติดเทอร์โมสตัทไว้ที่ห้องผู้บริหาร เมื่อจำนวนคนใช้งานห้องประชุมเปลี่ยนแปลงมากๆก็จะร้อนหรือหนาวในห้องประชุม เพราะในห้องประชุมลักษณะโหลดไม่เหมือนห้องผู้บริหารและไม่มีเทอร์โมสตัทวัดค่าอุณหภูมิ หรือใช้กล่อง VAV เดียวจ่ายห้องที่ติดกับผนังกระจกรับแสงแดด กับห้องภายในอาคารที่ไม่มีกระจกรับแสงแดดเลย โดยติดเทอร์โมสตัทไว้ที่ห้องติดกระจก เมื่อโหลดจากแสงแดดเปลี่ยนแปลงก็จะมีการปรับอัตราการจ่ายลม ห้องที่อยู่ภายในอาคารซึ่งโหลดไม่มีการเปลี่ยนแปลงเลยก็จะได้รับผลกระทบไปด้วยทำให้อุณหภูมิร้อนหนาวตามโหลดแสงแดด

ดังนั้นจึงควรแบ่งโซนติดตั้งกล่อง VAV อย่างน้อยแบ่งเป็นโซนริมกระจกกับโซนภายในอาคาร และควรแบ่งโซนย่อยๆไม่เกินโซนละประมาณ 50 ตารางเมตร หากมีห้องที่มีลักษณะการใช้งานต่างกันชัดเจนไม่ควรใช้กล่อง VAV ร่วมกัน

3.10 เลือกมอเตอร์พัดลมที่ลดความเร็วรอบแบบไม่จำกัด

ระบบ VAV จะประหยัดพลังงานได้เมื่อมีการลดอัตราการจ่ายลมที่พัดลม มอเตอร์พัดลมแบบปกติอาจจะสามารถลดความเร็วลมลงเหลือต่ำสุด 50-70% เพราะไม่ได้ถูกออกแบบมาให้ใช้แบบลดความเร็วรอบอย่างต่อเนื่อง ดังนั้นถึงแม้ว่าโหลดจริงจะน้อยมาก เช่น ลดต่ำกว่า 50% ระบบควบคุมก็ไม่สามารถปรับลดความเร็วลงไปได้

เพื่อให้ลดความเร็วลงไปได้ตามต้องการ จึงควรติดตั้งมอเตอร์พัดลมชนิดที่สามารถใช้กับการปรับลดความเร็วรอบได้ ซึ่งจะทำให้ประหยัดพลังงานเพิ่มได้อีกมาก ในอาคารสร้างใหม่ควรพิจารณาใช้พัดลมที่ใช้เทคโนโลยีใหม่ เช่น EC Fan เป็นต้น

4. สรุป

สำหรับพื้นที่ปรับอากาศขนาดใหญ่ที่ต้องการเป็นระบบ All-Air หรือเป็นระบบที่ไม่มีท่อน้ำในพื้นที่ปรับอากาศเลย การใช้ระบบ VAV เป็นสิ่งที่น่าสนใจกว่า CAV มาก เพราะ ควบคุมอุณหภูมิได้เป็นโซนเล็กๆและสามารถประหยัดพลังงานในการส่งลมได้มาก

อาคารสมรรถนะสูง (High Performance Building) และอาคารเขียว (Green Building) จึงมีเกณฑ์พื้นฐานเป็นระบบ VAV อาคารที่ต้องการได้รับรางวัลหรือการรับรองต้องออกแบบให้ประหยัดกว่าเกณฑ์ ดังนั้นการออกแบบอาคารสำนักงานขนาดใหญ่จึงนิยมใช้ระบบ VAV เพื่อเป็นแนวทางในการควบคุมการใช้พลังงาน

เมื่อตัดสินใจใช้ระบบ VAV แล้ว ก็ควรใช้ให้เกิดความคุ้มค่าสูงที่สุด มีอาคารจำนวนมากที่ติดตั้งระบบ VAV แต่ไม่ได้ผลลัพธ์ตามต้องการ คือ ควบคุมอุณหภูมิไม่ดีและประหยัดพลังงานไม่ดี จากประสบการณ์พบว่ามักมีสาเหตุตามที่ได้กล่าวมาข้างต้น ซึ่งเป็นสาเหตุที่ป้องกันได้ทั้งสิ้น เราจึงควรเรียนรู้และช่วยกันป้องกันปัญหาต่างๆ เพื่อให้การลงทุนใช้ VAV เกิดความคุ้มค่ามากที่สุด

ข้อมูลเพิ่มเติม