คู่มือคำนวณปริมาตรก๊าซดับเพลิงสารสะอาด (Gas Sizing Calculation) ตามเกณฑ์ NFPA 2001

แผนผังวิศวกรรมจำลอง: การวัดระยะมิติกว้าง x ยาว x สูง เพื่อหาปริมาตรห้องสุทธิประกอบการคำนวณหาน้ำหนักสารก๊าซ

ในการออกแบบระบบดับเพลิงด้วยสารสะอาด (Clean Agent Fire Suppression System) สำหรับห้องที่เปราะบาง เช่น ห้องดาต้าเซ็นเตอร์ (Data Center) หรือห้องควบคุมไฟฟ้าหลัก (MDB) ขั้นตอนที่สำคัญและเป็นตัวชี้วัดความปลอดภัยสูงสุดคือ "การคำนวณหาน้ำหนักและปริมาณสารก๊าซสำหรับฉีดดับเพลิง" (Gas Sizing Calculation)

หากวิศวกรคำนวณปริมาณสารต่ำกว่ามาตรฐาน (Under-sizing) ระบบจะไม่สามารถดับไฟได้สนิทและอาจเกิดการประทุใหม่ แต่หากคำนวณปริมาณมากเกินไป (Over-sizing) นอกจากจะทำให้ค่าใช้จ่ายสูงเกินความจำเป็นแล้ว อาจทำให้ก๊าซที่ปล่อยออกมามีความเข้มข้นสูงจนเกินขีดจำกัดความปลอดภัยต่อการหายใจของมนุษย์ หรือสร้างแรงอัดเกินขนาด (Over-pressurization) จนหน้าต่าง ประตู หรือโครงสร้างห้องพังทลายลงได้

บทความนี้จะเจาะลึกสูตรการคำนวณน้ำหนักก๊าซสารสะอาดตามเกณฑ์มาตรฐานสากล NFPA 2001 (Standard on Clean Agent Fire Extinguishing Systems) แบบทีละขั้นตอน

1. สูตรฟิสิกส์แกนหลักในการคำนวณน้ำหนักก๊าซ (Clean Agent Mass Formula)

ตามข้อกำหนดมาตรฐาน NFPA 2001 ปริมาณน้ำหนักของสารสะอาดดับเพลิงกลุ่มฮาโลคาร์บอน (Halocarbon Agents เช่น Novec 1230, FM-200) ที่ต้องใช้ในการฉีดดับเพลิงแบบท่วมห้อง (Total Flooding) คำนวณจากสมการทางเคมีและฟิสิกส์ต่อไปนี้:

โดยที่สัญลักษณ์ต่าง ๆ ในสูตรมีความหมายดังนี้:

• W (Weight of Agent): น้ำหนักรวมของสารก๊าซดับเพลิงที่ต้องการจริง มีหน่วยเป็น กิโลกรัม (kg)
• V (Net Volume of Hazard Room): ปริมาตรสุทธิของพื้นที่ห้องป้องกัน มีหน่วยเป็น ลูกบาศก์เมตร (m³) ซึ่งคิดจากปริมาตรห้องทั้งหมดหักลบโครงสร้างทึบภายใน
• C (Design Concentration): ค่าความเข้มข้นในการออกแบบเพื่อดับเพลิง มีหน่วยเป็น เปอร์เซ็นต์ (%) โดยอ้างอิงจากคลาสของไฟตามตารางมาตรฐาน
• s (Specific Volume of Agent Vapor): ปริมาตรจำเพาะของไอสารดับเพลิงที่ความดันบรรยากาศ ณ อุณหภูมิการออกแบบห้อง มีหน่วยเป็น ลูกบาศก์เมตรต่อกิโลกรัม (m³/kg)

1.1 การหาค่าปริมาตรจำเพาะ (Specific Volume, s)

เนื่องจากก๊าซจะเกิดการหดตัวหรือขยายตัวตามอุณหภูมิห้อง ดังนั้น ค่า $s$ จึงแปรผันตามสมการอุณหภูมิดังนี้:

โดยที่:

• T (Temperature): อุณหภูมิการออกแบบของห้อง มีหน่วยเป็น องศาเซลเซียส (°C) โดย NFPA 2001 บังคับให้ใช้ "อุณหภูมิต่ำสุดที่คาดว่าจะเกิดขึ้นจริงในห้อง" (Minimum Anticipated Temperature) เพราะก๊าซจะหนาแน่นขึ้นเมื่ออุณหภูมิต่ำลง ทำให้ต้องการน้ำหนักก๊าซมากขึ้นเพื่อสร้างความหนาแน่นเท่าเดิม
• k₁ และ k₂: ค่าคงที่เฉพาะตัวของสารก๊าซแต่ละชนิดตามตาราง NFPA 2001 (ตัวอย่างเช่น สาร Novec 1230 มีค่าคงที่ $k_1 = 0.0664$, $k_2 = 0.000274$ เป็นต้น)

2. ขั้นตอนการคำนวณขนาดก๊าซทีละสเต็ป (Step-by-Step Gas Sizing)

ขั้นตอนที่ 2.1: การคำนวณปริมาตรห้องสุทธิ (V)

การวัดขนาดห้องเพื่อหาปริมาตร ต้องวัดพื้นที่กว้าง x ยาว x สูง (จากพื้นคอนกรีตจริงไปจนถึงแผ่นคอนกรีตเพดานด้านบน หากพื้นที่เหนือฝ้าทีบาร์หรือใต้พื้นยกมีการเจาะรูให้อากาศเชื่อมต่อกัน ต้องนับปริมาตรส่วนนั้นรวมด้วย) และให้หักลบพื้นที่ของคานคอนกรีตหรือสิ่งปลูกสร้างถาวรที่เป็นคอนกรีตทึบออก:

ขั้นตอนที่ 2.2: กำหนดความเข้มข้นออกแบบ (C)

ความเข้มข้นของการออกแบบขึ้นอยู่กับประเภทเชื้อเพลิงหลักภายในห้อง (คลาสของไฟ):

• Class A Fire (ขยะ, ไม้, กระดาษทั่วไป): มักใช้ความเข้มข้นที่ 4.5% ถึง 5.0% สำหรับ Novec 1230
• Class C Fire (ระบบไฟฟ้าอิเล็กทรอนิกส์กำลังทำงาน): NFPA 2001 กำหนดให้ใช้ค่าความเข้มข้นของ Class A เพิ่มค่าตัวคูณเผื่อความปลอดภัย (Safety Factor 1.3 เท่า) ซึ่งทำให้ค่าความเข้มข้นออกแบบ (Design Concentration) ของห้องเซิร์ฟเวอร์มักเริ่มที่ 5.3% ถึง 5.6% สำหรับ Novec 1230 และ 38.4% สำหรับก๊าซ Nitrogen (IG-100)

ขั้นตอนที่ 2.3: นำค่าความสูงและแรงดันอากาศมาปรับแต่ง (Altitude Correction)

สำหรับอาคารที่ตั้งอยู่ในพื้นที่สูงกว่าระดับน้ำทะเลปานกลาง อากาศจะเบาบางลง ทำให้แรงดันภายในห้องเปลี่ยนแปลงไป วิศวกรจำเป็นต้องคูณปรับน้ำหนักก๊าซด้วยตัวคูณความสูง (Altitude Correction Factor, d) ดังสมการ:

3. ตัวอย่างการคำนวณจริง (Example Scenario)

สมมติว่าต้องการติดตั้งระบบดับเพลิงสารสะอาดด้วยก๊าซ Novec 1230 ในห้องเซิร์ฟเวอร์ขนาดกลาง ณ อุณหภูมิการทำงานต่ำสุดของเครื่องปรับอากาศที่ 20°C ที่ระดับความสูงกรุงเทพฯ (ระดับน้ำทะเลปานกลาง)

• ขนาดห้อง: กว้าง 6 เมตร, ยาว 8 เมตร, สูง 3 เมตร
• ปริมาตรห้องรวม (V): 6 x 8 x 3 = 144 ลูกบาศก์เมตร (ไม่มีเสาหรือสิ่งกีดขวางทึบถาวร)
• ความเข้มข้นออกแบบป้องกันไฟฟ้า Class C (C): 5.6%
• อุณหภูมิห้องต่ำสุด (T): 20°C

คำนวณหาปริมาตรจำเพาะ (s) ของก๊าซ Novec 1230:

ใช้ค่าคงที่ของ Novec 1230 ($k_1 = 0.0664$, $k_2 = 0.000274$):

คำนวณหาน้ำหนักของแก๊ส (W):

แทนค่าลงในสูตรหลัก:

ดังนั้น โครงการนี้ต้องใช้น้ำหนักแก๊ส Novec 1230 สุทธิอย่างน้อย 118.84 กิโลกรัม (ปกติโรงงานจะเลือกบรรจุเข้าถังมาตรฐานขนาด 120 กิโลกรัมขึ้นไปเพื่อความเหมาะสมในการจ่ายแก๊สจริง)

4. เกณฑ์ความปลอดภัยต่อชีวิตมนุษย์ (NOAEL & LOAEL Constraints)

ข้อบังคับที่วิศวกร NTE ยึดถือปฏิบัติอย่างเคร่งครัดคือการออกแบบไม่ให้ระดับความเข้มข้นสูงเกินกว่าเกณฑ์ความปลอดภัยของมนุษย์:

• NOAEL (No Observed Adverse Effect Level): ระดับความเข้มข้นสูงสุดของสารสะอาดที่ไม่มีผลกระทบด้านลบต่อสุขภาพมนุษย์ สำหรับ Novec 1230 อยู่ที่ 10.0% (ซึ่งสูงกว่าความเข้มข้นใช้งานจริงที่ 5.6% มาก จึงปลอดภัยสูงมากต่อการหายใจ)
• LOAEL (Lowest Observed Adverse Effect Level): ระดับความเข้มข้นต่ำสุดที่เริ่มมีรายงานผลข้างเคียงต่อระบบหัวใจหรือระบบหายใจ สำหรับ Novec 1230 อยู่ที่ >10.0% ดังนั้น การคำนวณขนาดก๊าซท่วมห้องห้ามมีค่าเกินเกณฑ์ NOAEL เด็ดขาดหากห้องนั้นเป็นห้องที่มีพนักงานนั่งทำงานอยู่ประจำ