Model-based predictive control of automatic solar shading system for energy optimization in buildings

โครงการมีเป้าประสงค์ที่จะพัฒนาเทคโนโลยีกรอบอาคารแบบก้าวหน้าสำหรับอาคารที่ใช้พลังงานน้อย ภายใต้บริบทของการเปลี่ยนผ่านไปสู่ระบบพลังงานคาร์บอนต่ำ

ในอนาคต รูปแบบของการผลิตไฟฟ้าจากแหล่งพลังงานหมุนเวียนโดยเฉพาะรังสีอาทิตย์จะมีมากขึ้นส่งผลให้โครงสร้างการผลิตไฟฟ้าจากเดิมที่เป็นแบบแนวดิ่ง กล่าวคือ โรงไฟฟ้าขนาดใหญ่ทำหน้าที่ผลิตและส่งจ่ายไฟฟ้าไปยังผู้ใช้ เปลี่ยนเป็นแบบแนวราบที่ผู้ใช้ไฟฟ้าเป็นผู้ผลิตไฟฟ้าด้วย ไฟฟ้าที่ผลิตจากพลังงานหมุนเวียนนี้เปลี่ยนแปลงตลอดเวลาตามสภาวะอากาศ การบริหารจัดการด้านไฟฟ้าจึงซับซ้อนมากขึ้นทั้งด้านผู้ผลิตและผู้ใช้ไฟฟ้า ระบบไฟฟ้าจะต้องมีความชาญฉลาดมากขึ้น

อาคารและการก่อสร้างเป็นภาคธุรกิจที่มีการใช้พลังงานขั้นสุดท้าย (Final energy consumption) คิดเป็นร้อยละ 36 และมีการปลดปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (Carbon dioxide emission) คิดเป็นร้อยละ 39 ที่ผ่านมา IEA รายงานว่าประสิทธิภาพพลังงานของอาคารต้องเพิ่มสูงขึ้นอีกมากเพื่อให้บรรลุเป้าหมายของความเป็นกลางทางคาร์บอน (Carbon neutrality) ภายในปี ค.ศ. 2050

อาคารหนึ่งๆ บูรณาการระบบที่ใช้พลังงานต่างๆ เข้าด้วยกันทั้งระบบปรับอากาศ ระบบไฟฟ้าส่องสว่าง กรอบอาคาร อุปกรณ์ไฟฟ้า ทั้งนี้ IEA ได้เผยแพร่รายงานว่ามีเพียงประสิทธิภาพของระบบไฟฟ้าส่องสว่างเท่านั้นที่เป็นไปตามคาดการณ์จากการพัฒนาอย่างก้าวกระโดดของเทคโนโลยีหลอดแอลอีดี (LED) ขณะที่ประสิทธิภาพของระบบปรับอากาศยังล่าช้ากว่าที่ควร แม้เทคโนโลยีอินเวอร์เตอร์จะเข้ามาประยุกต์ใช้กับอุปกรณ์ในระบบมากขึ้น

ปัจจุบัน กรอบอาคารเป็นระบบที่ยังมีสมรรถนะต่ำ และเพื่อยกระดับสมรรถนะให้สูงขึ้น การพัฒนาเทคโนโลยีกรอบอาคารในขณะนี้มุ่งไปที่ระบบผนัง/หน้าต่างสำเร็จรูปผลิตจากโรงงานและนำมาติดตั้งกับอาคาร (Prefabricated façades) วิธีดังกล่าวทำให้สามารถบูรณาการเทคโนโลยีการควบคุมให้ผนัง/หน้าต่างสามารถสนองต่อภาวะแวดล้อมภายนอกที่เปลี่ยนแปลง (Reactive façade system) ปรับค่าสมบัติเพื่อลดการใช้พลังงาน อีกทั้งสร้างความสบายให้กับผู้ที่อาศัยในอาคาร ตัวอย่างเทคโนโลยีกลุ่มนี้ ได้แก่ หน้าต่างกระจกอิเล็กโตรโครมิกส์ หน้าต่างผลิตไฟฟ้า อุปกรณ์บังแดดอัตโนมัติ เพดาน/พื้นทำความเย็นแบบแผ่รังสี ฯลฯ ระบบเหล่านี้ยังมีคุณลักษณะที่เป็นแบบโมดูล่า (Modular) ซึ่งเอื้อต่อการประยุกต์ใช้กับทั้งอาคารเก่าและอาคารใหม่

การเปลี่ยนแปลงของระบบไฟฟ้าที่มีสัดส่วนการผลิตจากแหล่งพลังงานหมุนเวียนมากขึ้น ความซับซ้อนสูงขึ้น ระบบกรอบอาคารที่ใช้เทคโนโลยีควบคุมแบบตอบสนอง (Reactive control) อาจไม่เพียงพอ กรอบอาคารที่มีความล้ำหน้าต้องบูรณาการกับระบบปรับอากาศและไฟฟ้าส่องสว่าง ปรับค่าสมบัติโดยอาศัยข้อมูลคาดการณ์สภาพอากาศ สนับสนุนมาตรการสนองต่อโหลด และต้องรักษาภาวะแวดล้อมในอาคารให้เป็นไปตามมาตรฐาน ในภาพดังกล่าว การควบคุมเชิงทำนายแบบจำลอง (Model predictive control) จะเข้ามามีบทบาทมากขึ้นในระบบกรอบอาคารสำหรับอาคารที่ใช้พลังงานต่ำมาก (Ultra-low energy buildings)

สำหรับประเทศไทย อาคารพาณิชย์ใช้ไฟฟ้าในสัดส่วนร้อยละ 25 ของการใช้ทั้งหมดในประเทศ ทั้งนี้ การปรับอากาศและการส่องสว่างในอาคารมีการใช้พลังงานร้อยละ 50-60 และร้อยละ 15-20 ตามลำดับ กรอบอาคารนับว่ามีอิทธิพลและบทบาทสำคัญต่อการใช้พลังงานในอาคาร ภาระการปรับอากาศกว่าร้อยละ 60 เป็นผลจากความร้อนผ่านกรอบอาคารโดยมีรังสีอาทิตย์ที่สูงและภาวะอากาศแบบร้อนชื้นเป็นปัจจัยขับเคลื่อน

แม้เป็นที่ทราบดีว่ากรอบอาคารก่อภาระการใช้ไฟฟ้าสูง ผนังทึบของอาคารปรับอากาศในประเทศไทยไม่มีการใช้ฉนวน หน้าต่างกระจกสามารถก่อภาระความร้อนสูงยิ่งกว่าเมื่อเทียบกับผนังทึบจากปริมาณรังสีอาทิตย์ที่ผ่านหน้าต่างเข้าสู่พื้นที่ปรับอากาศ แต่ในทางกลับกัน แสงธรรมชาติก็มีศักยภาพที่จะลดการใช้ไฟฟ้าของระบบส่องสว่างและระบบปรับอากาศด้วย ปัจจุบัน กรอบอาคารของอาคารในประเทศไทยยังขาดสมรรถนะพลังงาน โดยเฉพาะอย่างยิ่งหากเปรียบเทียบกับระบบปรับอากาศ ระบบไฟฟ้าส่องสว่าง

ที่ผ่านมา การวิจัยเทคโนโลยีระบบกรอบอาคารในประเทศไทยมุ่งเน้นด้านการออกแบบ ทิศทาง สัดส่วนพื้นที่หน้าต่าง รูปทรงของอาคารเพื่อให้ภาระความร้อนที่เกิดขึ้นต่ำ อีกทั้งครอบคลุมเทคโนโลยีด้านวัสดุ เช่น สีสะท้อนความร้อน การใช้ฉนวน ฟิล์มป้องกันความร้อน โดยบางส่วนศึกษาการใช้ระบบควบคุมอัตโนมัติกับแผงบังแดด ซึ่งผลส่วนหนึ่งแสดงให้เห็นว่าอุปกรณ์บังแดดชนิดติดตั้งภายนอกอาคารมีสมรรถนะสูงกว่าชนิดติดตั้งภายในอาคารสำหรับกรณีที่อาคารนั้นๆ ปรับอากาศด้วยการทำความเย็น อย่างไรก็ตาม ยังไม่มีการศึกษาการประยุกต์เทคโนโลยีการควบคุมเชิงทำนายแบบจำลองกับระบบบังเงา โดยการควบคุมคำนึงถึงสภาพอากาศในอนาคต