ระบบระบายอากาศพร้อมระบบกู้คืนความร้อนสามารถประหยัดพลังงานให้กับอาคารได้หรือไม่

ระบบระบายอากาศพร้อมการกู้คืนความร้อนช่วยลดการใช้พลังงานในอาคารได้อย่างไร

เข้าใจบทบาทของการกู้คืนความร้อนในการลดภาระการให้ความร้อนและการทำความเย็นโดยใช้ระบบกู้คืนพลังงาน

ระบบระบายอากาศที่ติดตั้งเทคโนโลยีการกู้คืนความร้อนสามารถลดความต้องการพลังงานได้ โดยการถ่ายโอนพลังงานความร้อนจากอากาศที่ปล่อยออกสู่ภายนอกไปยังอากาศสดใหม่ที่ไหลเข้ามา ระบบเหล่านี้เรียกว่า HRVs (Heat Recovery Ventilators) และ ERVs (Energy Recovery Ventilators) ซึ่งทำงานผ่านเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนพิเศษที่สามารถดักจับความร้อนที่สูญเสียไปได้ประมาณ 80 เปอร์เซ็นต์ จากอากาศภายในอาคาร จากนั้นความร้อนที่ถูกเก็บไว้นี้จะใช้ในการทำให้อากาศภายนอกอุ่นขึ้นหรือเย็นลง ก่อนที่จะเข้าสู่ระบบ HVAC หลัก กระทรวงพลังงานของสหรัฐอเมริกาประมาณการว่า ระบบนี้สามารถสร้างความแตกต่างได้อย่างชัดเจน โดยลดความจำเป็นในการใช้รอบการทำความร้อนหรือทำความเย็นแบบเต็มรูปแบบ ส่งผลให้อาคารโดยรวมใช้พลังงานสำหรับการทำงานของระบบ HVAC ลดลงประมาณ 30 ถึง 50 เปอร์เซ็นต์

การอนุรักษ์พลังงานผ่านการแลกเปลี่ยนอากาศอย่างต่อเนื่องโดยไม่สูญเสียความร้อน

ระบบระบายอากาศแบบดั้งเดิมเพียงแค่พัดเป่าอากาศที่ผ่านการปรับสภาพออกไปและสูญเสียพลังงานจำนวนมาก แต่ระบบการกู้คืนความร้อนในยุคใหม่สามารถรักษาความสดชื่นของอากาศภายในอาคารได้โดยไม่ปล่อยให้ความร้อนเหล่านั้นสูญหายไป เมื่อระบบทำงานอย่างถูกต้อง จะมีการปรับสมดุลระหว่างกระแสอากาศที่เข้ามาและไหลออกผ่านองค์ประกอบพิเศษที่เรียกว่าเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน โดยทั่วไปจะทำจากวัสดุเซรามิกหรือพอลิเมอร์พลาสติกบางชนิด ซึ่งในกระบวนการแลกเปลี่ยนนี้สามารถกู้คืนความร้อนได้ประมาณ 60 ถึง 90 เปอร์เซ็นต์ สิ่งนี้หมายความว่าอย่างไรในการประยุกต์ใช้งานจริง? อาคารต่างๆ จะสูญเสียพลังงานจากการระบายอากาศลดลงประมาณครึ่งหนึ่งถึงสามในสี่ต่อปี ทำให้ผู้คนสัมผัสได้อุณหภูมิที่คงที่มากขึ้นในช่วงฤดูกาลต่างๆ แทนที่จะต้องทนกับการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลันที่เราเคยชินกันจากระบบรุ่นเก่า

เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนในระบบ HRV/ERV ปรับสภาพอากาศที่เข้ามาเบื้องต้นอย่างไรเพื่อรักษาระดับความคงที่ของอุณหภูมิภายในอาคาร

ในช่วงฤดูหนาว เมื่ออุณหภูมิภายนอกลดลงจนถึงประมาณ -5 องศาเซลเซียส ระบบจะทำงานโดยดึงความร้อนจากอากาศเสียที่อุ่นกว่า (ประมาณ 20°C) สู่อากาศด้านนอกที่เย็นกว่า สิ่งที่ออกมาจึงมีอุณหภูมิอุ่นขึ้นล่วงหน้าประมาณ 11°C ก่อนที่จะเข้าสู่ตัวอาคาร กระบวนการแลกเปลี่ยนความร้อนแบบง่ายๆ นี้ช่วยลดปริมาณพลังงานที่ครัวเรือนต้องใช้ในการทำความร้อนแต่ละวัน คิดเป็นการประหยัดพลังงานได้ประมาณ 3 ถึง 5 กิโลวัตต์-ชั่วโมง ในช่วงฤดูร้อน สถานการณ์จะกลับกัน กระบวนการเดิมยังคงใช้ได้ แต่ในกรณีนี้จะช่วยลดอุณหภูมิของอากาศร้อนจัดที่พัดเข้ามาจากภายนอก โดยการถ่ายเทความร้อนส่วนเกินไปยังกระแสอากาศเสียที่กำลังระบายออก ทำให้อาคารมีสภาพแวดล้อมภายในที่สบายโดยไม่จำเป็นต้องเปิดเครื่องปรับอากาศตลอดทั้งวัน ผู้คนสังเกตเห็นว่าอุณหภูมิภายในบ้านมีความเสถียรมากขึ้น และยังช่วยลดค่าใช้จ่ายด้านระบบปรับอากาศขนาดใหญ่ในแต่ละเดือน

ข้อมูลเชิงลึก: การลดการใช้พลังงานสำหรับระบบทำความร้อนและระบายความร้อนโดยเฉลี่ยลง 50–70% ในอาคารที่อยู่อาศัย

การศึกษาโดยมูลนิธิ THESEF แสดงให้เห็นว่า อาคารที่อยู่อาศัยที่ติดตั้งระบบระบายอากาศแบบหมุนเวียนความร้อน (HRV) จะใช้พลังงานในการทำความร้อนและระบายความร้อนน้อยกว่าอาคารที่ใช้ระบบแบบเดิม 50–70% ในบ้านแบบพาสซีฟเฮาส์ ซึ่ง HRV เป็นมาตรฐาน ความต้องการพลังงานในการทำความร้อนมักจะต่ำกว่า 15 กิโลวัตต์ชั่วโมง/ตารางเมตร/ปี ซึ่งถือว่าลดลงได้ถึง 80% เมื่อเทียบกับบ้านทั่วไป

ประสิทธิภาพของระบบระบายอากาศพร้อมการกู้คืนความร้อนในสภาพภูมิอากาศที่แตกต่างกัน

ผลกระทบของระบบ HRV ต่อขนาดของระบบ HVAC และประสิทธิภาพการใช้พลังงานในเขตอากาศเย็น

เมื่ออุณหภูมิลดต่ำกว่าจุดเยือกแข็ง HRV สามารถลดความต้องการใช้พลังงานความร้อนได้ตั้งแต่ประมาณ 38% ถึงเกือบครึ่งหนึ่ง ซึ่งหมายความว่าระบบ HVAC สามารถออกแบบให้มีขนาดเล็กลงและทำงานได้มีประสิทธิภาพมากขึ้น เทคโนโลยีเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบไหลสวนทาง (counter flow heat exchanger) ทำให้อากาศสดใหม่ที่เข้ามาอุ่นขึ้นประมาณ 8 ถึง 12 องศาเซลเซียส เมื่อเทียบกับอากาศภายนอก ดังนั้วิศวกรจึงไม่จำเป็นต้องติดตั้งหน่วยทำความร้อนขนาดใหญ่อีกต่อไป อาจช่วยประหยัดอุปกรณ์ได้ 1 หรือ 2 ตัน ในขณะที่ยังคงได้ผลลัพธ์ที่ดี ฟีเจอร์ควบคุมน้ำค้างแข็งในยุคใหม่นี้ยังช่วยให้ระบบทำงานได้อย่างราบรื่นเกือบตลอดเวลา แม้ในสภาพอากาศที่หนาวจัด โดยสามารถทำงานได้ถึง 89% ของเวลาที่อุณหภูมิอยู่ที่ลบ 25 องศาเซลเซียส ส่งผลให้ HRV เป็นทางออกที่เหมาะสมสำหรับพื้นที่ที่มีสภาพอากาศหนาวจัดเช่นกัน การศึกษาที่ตีพิมพ์ในปี 2022 ในวารสาร Renewable and Sustainable Energy Reviews สนับสนุนข้อสังเกตนี้เกี่ยวกับประสิทธิภาพของ HRV ในสภาพอากาศสุดขั้ว

ประสิทธิภาพของการระบายอากาศแบบฟื้นฟูความร้อนในเขตอากาศชื้นและเขตอากาศผสม

ระบบ ERV เหมาะอย่างยิ่งสำหรับพื้นที่ที่มีอากาศร้อนชื้นและพื้นที่ที่มีสภาพอากาศหลากหลาย เพราะสามารถควบคุมอุณหภูมิและจัดการความชื้นได้พร้อมกัน หน่วยเหล่านี้สามารถลดความต้องการในการทำความเย็นเพิ่มเติมได้ประมาณ 18 ถึง 27 เปอร์เซ็นต์ เนื่องจากความสามารถในการเคลื่อนย้ายความชื้นจากด้านหนึ่งไปยังอีกด้านหนึ่งอย่างเลือกสรร ซึ่งทำให้มีประสิทธิภาพในการรักษาสภาพแวดล้อมภายในให้แห้งกว่าระบบทั่วไปมาก เมื่อพิจารณาเฉพาะภูมิอากาศแบบเมดิเตอร์เรเนียน โมเดลแบบสองแกนจะทำงานได้อย่างยอดเยี่ยมในช่วงฤดูหนาว โดยกู้คืนความร้อนได้ประมาณ 74% ของความร้อนที่มิเช่นนั้นจะสูญเสียไป ในขณะเดียวกัน ระบบเหล่านี้ยังช่วยป้องกันไม่ให้อากาศภายในอาคารมีความชื้นสูงเกินไปในช่วงฤดูร้อน สิ่งนี้มีความสำคัญเพราะระบบปรับอากาศทั่วไปมักสูญเสียพลังงานไป 20 ถึง 30 เปอร์เซ็นต์ เมื่อมีการระบายอากาศมากเกินไป ซึ่งเป็นสิ่งที่เกิดขึ้นบ่อยครั้งในบ้านและอาคารหลายแห่ง

กรณีศึกษา: การประหยัดพลังงานในบ้านแบบพาสซีฟในแคนาดาโดยใช้ระบบ HRV เป็นระยะเวลา 12 เดือน

บ้านหลังเก่าในซัสแคตเชวันได้รับการปรับปรุงใหม่ให้เป็นบ้านแบบพาสซีฟ (passive house) โดยติดตั้งระบบระบายอากาศแบบถ่ายเทความร้อนที่มีประสิทธิภาพประมาณ 92% การปรับปรุงนี้ช่วยลดค่าใช้จ่ายด้านการให้ความร้อนลงเกือบสองในสาม หรือประมาณ 1,240 ดอลลาร์ต่อปี เมื่อเทียบกับการใช้พัดลมระบายอากาศทั่วไปเท่านั้น ตามผลการวิจัยจากวารสาร Energy and Buildings พบว่า บ้านหลังนี้สามารถรักษาระดับก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ต่ำกว่า 800 ส่วนในล้านส่วน (parts per million) ขณะเดียวกันก็ลดการใช้พลังงานโดยรวมลงประมาณ 42% ซึ่งสูงกว่ามาตรฐาน ASHRAE 62.2 ที่กำหนดไว้สำหรับการระบายอากาศที่เหมาะสมอยู่ 31 คะแนน ถือเป็นผลลัพธ์ที่น่าประทับใจมากสำหรับการปรับปรุงที่สำคัญในด้านความสะดวกสบายและการประหยัดค่าใช้จ่าย

การเพิ่มประสิทธิภาพการประหยัดพลังงานผ่านการผสานเข้ากับการออกแบบอาคารตั้งแต่ระยะเริ่มต้น

การลดภาระของระบบปรับอากาศ โดยการผสานระบบระบายอากาศพร้อมการกู้คืนความร้อนในขั้นตอนการออกแบบ

เมื่อสถาปนิกออกแบบระบบระบายอากาศแบบฟื้นฟูความร้อนเข้าไปในแผนตั้งแต่เริ่มต้น การทำงานของระบบปรับอากาศโดยทั่วไปจะดีขึ้นประมาณ 30 ถึง 50 เปอร์เซ็นต์ เมื่อเทียบกับการติดตั้งระบบนี้ภายหลัง การวางแผนตั้งแต่ช่วงแรกทำให้ผู้ออกแบบสามารถวางแนวท่อลมได้อย่างเหมาะสม และเลือกขนาดของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนให้สอดคล้องกับความต้องการจริงของอาคาร แต่หากติดตั้งระบบนี้หลังจากสร้างอาคารเสร็จแล้ว มักจะสูญเสียประสิทธิภาพไปประมาณ 15 ถึง 25 เปอร์เซ็นต์ เนื่องจากระบบต่างๆ ไม่สามารถเชื่อมต่อกันได้อย่างมีประสิทธิภาพ กระทรวงพลังงานสหรัฐฯ ได้กล่าวถึงประเด็นที่คล้ายกันในเอกสารเกี่ยวกับทรัพยากรพลังงานของชนเผ่าต่างๆ ระบุว่า อาคารที่มีการติดตั้งระบบอย่างเหมาะสมจะรักษาระดับประสิทธิภาพการทำงานได้ดีตลอดฤดูกาล โดยยังคงประสิทธิภาพไว้ที่ประมาณ 80 ถึง 90 เปอร์เซ็นต์ แม้อุณหภูมิภายนอกจะเปลี่ยนแปลงอย่างมาก

การวิเคราะห์แนวโน้ม: การนำระบบระบายอากาศแบบฟื้นฟูความร้อนมาใช้ในอาคารที่เป็นกลางทางพลังงาน

ประมาณสองในสามของอาคารที่ใช้พลังงานสุทธิเป็นศูนย์ทั่วประเทศในปัจจุบันมีการติดตั้งระบบระบายอากาศแบบฟื้นฟูความร้อน ซึ่งเกิดขึ้นส่วนใหญ่จากแนวทางของกระทรวงพลังงานเกี่ยวกับการออกแบบอาคารแบบองค์รวม เมื่อผู้สร้างติดตั้งระบบนี้อย่างถูกต้อง จะสามารถลดความต้องการอุปกรณ์ทำความร้อนได้เกือบครึ่งหนึ่งในพื้นที่ที่มีอากาศหนาว และลดความต้องการระบบทำความเย็นลงประมาณหนึ่งในสามในพื้นที่ที่มีความชื้นสูง โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับอาคารที่ได้รับการรับรองมาตรฐาน Passive House การติดตั้ง HRV แต่เนิ่นๆ จะช่วยรักษาคุณภาพอากาศภายในอาคารให้ดีเยี่ยม โดยไม่กระทบต่อการปิดผนึกที่แน่นหนา ซึ่งจำเป็นต่อประสิทธิภาพการใช้พลังงาน การรักษาน้ำหนักให้สมดุลระหว่างการหมุนเวียนอากาศบริสุทธิ์และการรักษาเปลือกหุ้มที่ปิดสนิท ยังคงเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งต่อการบรรลุเป้าหมายการใช้พลังงานสุทธิเป็นศูนย์