Article by: Natthawut Ruangtrakoon, Phd.

Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering,

King Mongkut’s Institute of Technology Ladkrabang

ระบบดังกล่าวนี้มีข้อเสีย คือ ลมเย็นที่กระจายจ่ายจากด้านบนนั้นไม่ได้จ่ายลงมาที่บริเวณที่ถูกใช้งานโดยตรง (Occupied Zone) แต่ต้องผ่านส่วนบนของห้องก่อน (Upper Zone) จึงจะมาถึงระดับที่มีผู้อยู่อาศัย โดยทั่วไปบริเวณดังกล่าวนี้จะมีความสูงจากพื้นห้องประมาณ 2 เมตรเพียงเท่านั้น ดังนั้น จึงทำให้เกิดการสูญเสียพลังงานบางส่วนที่ไม่จำเป็น เนื่องจากการที่ลมเย็นจะไหลมาถึงบริเวณที่มีผู้อยู่อาศัย จะต้องผ่านส่วนบนของห้องซึ่งเป็นส่วนที่อากาศจะมีอุณหภูมิสูง นอกจากนี้ ระบบส่องสว่างของห้องนั้น โดยส่วนมากจะติดตั้งอยู่ที่เพดานของห้อง และทำให้บริเวณดังกล่าวมีอุณหภูมิสูงที่เกิดจากความร้อนสูญเสียของระบบแสงสว่าง ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งที่ทำให้เกิดภาระการทำความเย็นเช่นกัน

ดังนั้น เพื่อให้ผู้อยู่อาศัยรู้สึกสบาย การออกแบบระบบปรับอากาศที่มีการจ่ายลมเย็นแบบ Overhead System ต้องออกแบบให้ลมเย็นที่จ่ายออกมาจากด้านบนของห้องมีอุณหภูมิที่ต่ำพอที่จะทำให้เกิด การแลกเปลี่ยนความร้อนกับอากาศภายในห้องได้ทุกระดับ (จากเพดานจนถึงส่วนล่างที่มีผู้อยู่อาศัย) จนทำให้อากาศภายในห้องมีอุณหภูมิ และความชื้นอยู่ในช่วงที่ผู้อาศัยรู้สึกสบาย (Comfort Zone) การออกแบบระบบนี้จะยึดหลักการที่ทำให้อุณหภูมิทั้งห้องมีค่าใกล้เคียงกันทั้งห้อง (Fully Mixed Air System) ซึ่งมีโอกาสที่จะทำให้อากาศที่ปนเปื้อนลอยขึ้นไปสะสมอยู่ด้านบนของห้อง และไหลวนกลับมายังบริเวณที่มีผู้อาศัยอีกด้วย ด้วยเหตุนี้ จึงก่อให้เกิดแนวคิดที่จะพัฒนาระบบการกระจายลมเย็นแบบใหม่ให้สามารถลดข้อด้อยของระบบแบบ Overhead System

ระบบกระจายลมเย็นจากพื้น (Underfloor Air Distribution System, UFADs) เป็นระบบการกระจายลมเย็นที่มีความแตกต่างออกไปจากระบบแบบเดิมที่ติดตั้งอยู่ด้านบนของห้อง รูปที่  1.1 และ 1.2  แสดงถึงความแตกต่างของ 2 ระบบนี้ รูปที่ 1.1 เป็นระบบการกระจายลมเย็นแบบ Overhead System ส่วนรูปที่ 1.2 เป็นระบบกระจายลมเย็นแบบ UFADs  สิ่งที่แตกต่างกันอย่างชัดเจน คือ การกระจายตัวของอุณหภูมิภายในห้อง ตามที่ได้กล่าวไปข้างต้น ระบบแบบ Overhead System ต้องออกแบบให้การกระจายตัวของอุณหภูมิอากาศภายในห้องมีค่าเท่าๆ กัน ซึ่งถ้าสังเกตรูปแบบการกระจายตัวของอุณหภูมิในรูปที่ 1.1 จะเป็นแบบ Uniform Space Temperature โดยจะควบคุมอุณหภูมิอุณหภูมิทั้งห้องให้มีค่าอยู่ที่ 75°F (25°C) ส่วนระบบการกระจายลมเย็นแบบ UFADs ดังแสดงในรูปที่ 1.2 จะมีการกระจายตัวของอุณหภูมิของอากาศภายในห้องเป็นแบบแบ่ง Zone

โดยบริเวณที่มีคนอยู่อาศัยก็จะควบคุมอุณหภูมิอากาศให้อยู่ในช่วง 75°F (25°C) เช่นกัน แต่จะมีการแบ่ง Zone การทำงานของระบบดังแสดงอยู่ในรูปที่ 2  จะเห็นได้ว่ามีการแบ่ง Zone การทำงานออกเป็น 4 ระดับ โดยอุณหภูมิของอากาศในแต่ละระดับจะต่างกันไปโดยจะไล่จากล่างสุดเป็นส่วนของการจ่ายอากาศเย็น (Supply Air Plenum) จะมีอุณหภูมิต่ำที่สุด และจะสูงขึ้นเรื่อยๆ ตามระดับความสูงของห้อง และอากาศที่มีอุณหภูมิสูงที่สุดจะไหลไปที่ส่วนบนสุดของห้องเพื่อนำอากาศไปปรับปรุงคุณภาพใหม่ (Return Air Plenum) ส่งผลให้มีการแบ่งระดับการปรับอุณหภูมิของอากาศภายในห้องอย่างชัดเจน(Thermal Stratification Plane)  โดยส่วนที่มีผู้อยู่อาศัย (Occupied Zone) จะควบคุมอุณหภูมิอากาศให้อยู่ในช่วง 75°F (25°C) และในส่วนด้านบนของห้อง (Upper zone) อากาศก็จะถูกปล่อยให้มีอุณหภูมิที่สูงขึ้น (77°F) ซึ่งจะแตกต่างจากระบบ Overhead System อย่างสิ้นเชิง

อีกทั้ง ถ้าเราพิจารณาในส่วนของการใช้พลังงานภายในการผลิตการผลิตลมเย็นเพื่อใช้ในการปรับอากาศภายในห้อง เราจะพบว่าการใช้พลังงานของระบบ UFADs จะต่ำกว่าระบบ  Overhead system ถึง 25-50% เลยทีเดียว เมื่อพิจารณาที่รูปที่ 1 จะพบว่าการที่เราจะควบคุมอุณหภูมิอากาศในส่วนที่มีผู้ใช้งานห้อง (Occupied Zone) ให้อยู่ที่ 25°C นั้น อุณหภูมิลมจ่ายของระบบแบบ Overhead System จะอยู่ที่ 55°F (12.78°C) ในขณะที่ระบบ UFADs นั้นสามารถส่งลมจ่ายจากพื้นที่อุณหภูมิสูงกว่าถึง 10°F หรืออยู่ที่ 65°F (18.33°C) ดังนั้นคงไม่น่าแปลกใจถ้าในอนาคตเราจะเห็นอาคารพานิชน์ที่กำลังจะก่อสร้างใหม่หันมาใช้ระบบการกระจายลมเย็นแบบ Underfloor Air Distribution System

Source:

[1] A. Bhatia, HVAC Overview of Underfloor Air Distribution (UFAD). Continuing Education and Development, Inc.

[2] Kai Zhang, Xiaosong Zhang, Shuhong Li, Xing Jin, Review of underfloor air distribution technology, Energy and buildings 85 (2014) 180-186.

Article by: Natthawut Ruangtrakoon, Phd.

Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering,

King Mongkut’s Institute of Technology Ladkrabang

               Air conditioning system (A/C system), used for large commercial buildings and shopping malls mostly has water chiller, which is used to produce cool air. This cool air will be then distributed to a conditioned space. In Thailand, the cool air distribution system is typically distributed through air duct, which is located at plenum above the ceiling. This type of air distribution system is classified as overhead system.

A disadvantage of this system is that the cool air is not directly supplied to the occupied zone which its height is around 2 feet from the floor. Before the cool air coming to the occupants in occupied zone, it must firstly pass the upper zone of the room. Therefore, there is some energy loss from the supplied cool air that must be threat the high temperature air at the upper zone. Moreover, lighting system which located at the ceiling of the room is a major heat source or cooling load of A/C system.

In case of using overhead air distribution system to produce the comfort condition for the occupants, the temperature of supplied cool must be low enough to produce the heat transfer effect in all level of a room (from ceiling to occupied zone). The temperature and humidity must be controlled to meet the comfort zone for the occupants. Therefore, for overhead system, the conceptual design is that the temperature of whole room is designed to be almost identical (fully mixed air method). Additionally, the contaminants in the air which are floated and accumulated at the upper zone of a room will be also mixed with the supplied air and then supplied to an occupant. Hence, the new idea of air distribution system is developed to fix its disadvantage.

Underfloor cool air distribution system, UFADs, is different from the above conventional system. Figure 1.1 and 1.2, referred from [1], shows the difference perspective idea between the overhead and UFAD systems. The difference of these 2 systems is the installed location of the A/C system, which results in difference scheme of temperature distribution inside the room. As mentioned before, the temperature distribution of overhead system is uniform. As in Figure 1.1, temperature distribution of the room using A/C overhead system is uniform and maintained at 75°F (25°C).

On the other hand, the temperature distribution of the room using UFADs is divided into several zones as in Figure 1.2. In response to the purpose of human comfort, occupied zone is also controlled at 75°F (25°C). The schematic diagram of the zone separation generated by UFADs which the temperature distribution is divided into 4 zones is shown in Figure 2 [2].

The temperature in each zone is different. The air with the lowest temperature is supplied form the supply air plenum and the temperature will be increased with the height of the room in occupied and upper zones. The air with the highest temperature will be returned to the top zone of the room (return air plenum) for the purpose of air treatment process. This phenomenon causes the thermal stratification. The temperature of occupied zone is controlled at 75°F (25°C), but the temperature in the upper zone can be kept at higher level at 77°F. This operation is totally different from the conventional or overhead system.

In view of energy using in air conditioning process inside a room, the energy use in UFADs is saver than the overhead system by 25-50% [2]. Returning back to the Figure 1.1 and 1.2, if the controlled temperature of occupied zone is at 75°F (25°C), the temperature of supplied air in the case of overhead system is about 55°F (12.78°C). However, the temperature of supplied air of UFADs can be set higher than that around 10°F, or it can be set at 65°F (18.33°C). Hence, it is not surprising that the new commercial buildings will turn to use the underfloor air distribution system in the future.

Source:

[1] A. Bhatia, HVAC Overview of Underfloor Air Distribution (UFAD). Continuing Education and Development, Inc.

[2] Kai Zhang, Xiaosong Zhang, Shuhong Li, Xing Jin, Review of underfloor air distribution technology, Energy and buildings 85 (2014) 180-186.

Article by: Natthawut Ruangtrakoon, Phd.

Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering,

King Mongkut’s Institute of Technology Ladkrabang

              エアコンシステム（A/Cシステム）は大型商業ビルやショッピングモールで使われておりその殆どはウオーターチラーを備えており、これによって冷たい空気を作り出している。この冷たい空気が空調必要スペースに分配されているくである。タイにおいて冷気分配システムは通常は天井の上にあるプレナムに取り付けられたダクトを介して行われる。このタイプの空気分配システムはオーバーヘッドシステムに分類される。このシステムの欠点は冷気が直接それを必要とする人々が居る床から2フィートの高さのゾーンに供給されないという事である。この人々が居るゾーンに冷気が到達する前に部屋の上の方のゾーンを通って行くのである。然るに分配される冷気は部屋の上の方のゾーンに滞留している高温によって幾らかのエネルギーロスが生じる。そして更には部屋の天井に据え付けられている熱を発する照明機器がA/Cのクーリング負荷の原因となる。

オーバーヘッドエアディストリビューションシステム（頭上配空システム）を使ってそこにいる人たちに心地よい空調を提供する場合、供給される冷たい空気は部屋の全てのレベルにおいて熱交換効果を発揮するに充分な温度でなければならない。温度と湿度はそこにいる人たちが気持ち良いと感じられるコンフォートゾーンに適するようにコントロールされなければならない。然るにオーバーヘッドシステムのコンセプトデザインは部屋全体の温度が何所でも同じ温度（フルミックスエアメソッド）になっている様にデザインされていなくてはならない。空気中でも部屋の上の方のゾーンに溜まっている汚染菌や悪臭などのコンタミも供給された空気とミックスしてそこにいる人達に一緒に供給されてしまうのである。よってこの欠点を解決すべく新しい配空システムのアイデアの開発に至ったのである。

床下冷気配分システムまたはUFADは上記で述べた既存のシステムとは別物である。［１］の図1.1と図1.2はオーバーヘッドタイプとUFADタイプとの考え方の違いを示している。これら2システムの違いはA/Cシステムの設置場所の違いであり、この違いが室内の温度の配分の違いにつながる。先にも述べたようにオーバーヘッドシステムの温度の配分は何所も同じである。図1.1にあるようにA/Cオーバーヘッドシステムを使用した部屋の温度の配分は何所も同じで華氏75°F（25℃）である。その一方、UFADを採用した室温の配分は図1.2で示すように幾つかのゾーンに分かれている。人間の心地よさという観点から見れば、人がいるゾーンの温度は75°F (25°C)にコントロールされている。UFADによって分けられているゾーンの温度配分の回路図は図2［2］で示しているように4っのゾーンに分かれている。　

個々のゾーンの温度はそれぞれである。最も温度の低い空気は空気供給プレナムから供給され部屋の高さや密集度合やゾーンによってその温度は上昇していく。最も温度の高い空気は温度調節されるために部屋の上のゾーンに戻る（空気戻りプレナム）。

人のいるゾーンの温度は75°F (25°C)にコントロールされているが、が、上の方のゾーンの温度は77°Fに保たれていても問題はない。このオペレーションは既存の物またはオーバーヘッドシステムとは全く違う。エアコンを使っている室内におけるエネルギー消費と言う観点から言えば、UFADを使った場合のエネルギーの節約はオーバーヘッドシステムのそれより25%-50%である。図1.1と1.2に話を戻すが、もしも人がいるゾーンの温度が75°F (25°C)にコントロールされていたオーバーヘッドシステムの場合、供給されている空気の温度は55°F (12.78°C)　である。しかしながら、UFADで供給された空気の温度はその10°F上もしくは65°F (18.33°C)に合わせる事が出来る。

然るに将来新しく建てられた商業ビルが床下配空システムを採用するのは当然の事であろう。

Source:

[1] A. Bhatia, HVAC Overview of Underfloor Air Distribution (UFAD). Continuing Education and Development, Inc.

[2] Kai Zhang, Xiaosong Zhang, Shuhong Li, Xing Jin, Review of underfloor air distribution technology, Energy and buildings 85 (2014) 180-186.