ทำไม ! ต้องมีการจัดเตรียมข้อมูลพื้นฐาน เพื่อการคำนวณพลังงาน

คำว่า ข้อมูล ในที่นี้หมายถึงข้อมูลทางอุตุนิยมวิทยา และข้อมูลที่ไม่ใช่ข้อมูลทางอุตุนิยมวิทยา ข้อมูลทางอุตุนิยมวิทยา ประกอบไปด้วยข้อมูลของอุณหภูมิกระเปาะแห้ง อุณหภูมิกระเปาะเปียก พลังงานแสงอาทิตย์ ความเร็วลม ทิศทางลม ความดัน บรรยากาศ ปริมาณเมฆในท้องฟ้า และอัตราการระเหยของน้ำ เป็นต้น ข้อมูลที่ไม่ใช่ข้อมูลทางอุตุนิยมวิทยา ก็เช่นจำนวนคนและปริมาณแสงสว่างในอาคารประเภทต่าง ๆ เป็นต้น ข้อมูลเหล่านี้ ต้องเป็นข้อมูลทางสถิติที่มีความแม่นยำ ครบถ้วนและมีการรายงานเป็นรายชั่วโมงตลอดทั้งปี (8,760 ชั่วโมง) ก่อนที่จะได้มาซึ่งข้อมูลดังกล่าวจะต้องมีการเก็บข้อมูลดิบอย่างต่อเนื่องเป็นระยะเวลาหลายปี เช่น 10 ปี หรือ 20 ปี หลังจากมีข้อมูลดิบจำนวนหลายปีต่อเนื่องนี้อยู่ในมือแล้ว จึงจะนำเอาข้อมูลเหล่านี้มาวิเคราะห์และสรุปเพื่อให้ได้มาซึ่งข้อมูลที่มีความยาวเพียง 1 ปี แต่สามารถใช้เป็นตัวแทนข้อมูลจำนวนหลาย ๆ ปีได้
เท่าที่ทราบในปัจจุบันมีผู้ที่ได้ทำการวิจัยและรวบรวมข้อมูลเหล่านี้อยู่บ้างแล้วในมหาวิทยาลัยของรัฐ และหน่วยงานต่าง ๆ ของรัฐหลายแห่ง ทางกรมพัฒนาและส่งเสริมพลังงาน น่าที่จะได้รวบรวมข้อมูลต่าง ๆ เหล่านี้เข้าด้วยกันและจัดให้เป็นชุดข้อมูลมาตรฐาน เพื่อให้ใครก็ได้ สามารถนำเอาข้อมูลชุดนี้ไปใช้วิเคราะห์หาวิธีการประหยัดพลังงานในอาคาร การทำเช่นที่กล่าวนี้จะเป็นหนทางหนึ่งที่จะช่วยให้นโยบายการอนุรักษ์พลังงานของประเทศสัมฤทธิ์ผลต่อไป
การสร้างข้อมูลชุดนี้ขึ้นมาเพื่อการคำนวณพลังงานที่ต้องใช้ในการปรับอากาศ สำหรับสถานที่แต่ละแห่ง เช่น กรุงเทพมหานครมิใช่เรื่องง่าย ๆ จำเป็นต้องใช้เวลา และทรัพยากรในด้านต่าง ๆ เป็นจำนวนมาก ท่านอาจสงสัยว่าทำไมเราจึงต้องการข้อมูลชุดนี้ และข้อมูลชุดนี้นำไปใช้ประโยชน์ได้อย่างไร ลองมาพิจารณาดูองค์ประกอบของพลังงานที่ต้องใช้ในการปรับอากาศกันดูก่อน จากนั้นจึงค่อยไปดูว่า ทำไมเราจึงต้องการข้อมูลชุดนี้
องค์ประกอบของพลังงานที่ต้องใช้ในการปรับอากาศ
ภาพด้านล่างแสดงถึงภาวะความร้อนของอาคารหลังหนึ่งในวันที่ร้อนเกือบที่สุดในหนึ่งปี แกนนอนเป็นเวลาจากตีหนึ่ง (1 นาฬิกา) จนถึงเที่ยงคืน (24 นาฬิกา) แกนตั้งเป็นภาระความร้อนที่เวลาใด ๆ ตัวเลขบนแกนตั้งเป็นเพียงขนาดสมมุติของภาระความร้อน แสดงไว้เพื่อใช้ในการเปรียบเทียบเท่านั้น จากรูปจะเห็นได้ว่าภาระความร้อนแบ่งออกได้เป็น 3 ส่วนใหญ่ ๆ คือ
1. ภาระความร้อนจากแสงอาทิตย์และการนำความร้อน (SOLAR และ CONDUCTION)
2. ภาระความร้อนที่เกิดขึ้นภายในอาคาร เช่น ภาวะความร้อนจากคนและไฟฟ้าแสงสว่าง (INTERNAL) และ
3. ภาระความร้อนเนื่องจากการระบายอากาศ (VENTILATION)
ภาระความร้อนเนื่องจากการสูญเสียต่าง ๆ (LOSSES) จะไม่นำมากล่าวถึง เพราะระบบที่ดีควรจะมีความสูญเสียน้อยจากรูปภาพนั้นอาจไม่ใช่ตัวแทนที่ดีของ LOAD CURVE ของอาคารทุกหลัง อาคารแต่ละหลังมีรูปร่างของ LOAD CURVE แตกต่างกันไปตามรูปทรงทางสถาปัตยกรรม วัสดุที่ใช้ และลักษณะการใช้งาน LOAD CURVE ในรูปภาพ ถูกเตรียมขึ้นมาเพื่อใช้ประกอบการอธิบายเท่านั้น
รูปร่างของ LOAD CURVE ของอาคารหลังนี้จะมีรูปร่างดังที่เห็นเพียงวันเดียวเท่านั้นในรอบหนึ่งปี ในวันอื่น LOAD CURVE จะมีรูปร่างและขนาดที่เปลี่ยนแปลงไปตามสภาวะของอากาศภายนอก, ลักษณะของการใช้งานและจำนวนคนในอาคารในวันนั้น ๆ พลังงานที่ต้องใช้ในการปรับอากาศ ตามทฤษฎีแล้วก็คือพื้นที่ภายใต้ LOAD CURVE นั่นเอง ทุก ๆ วัน LOAD CURVE จะมีรูปร่างเปลี่ยนแปลงไป และพลังงานที่ต้องใช้ก็จะเปลี่ยนแปลงไปด้วย ปัญหามีอยู่ว่าเราทราบหรือไม่ว่า LOAD CURVE ในแต่ละวันมีหน้าตาอย่างไร และถ้าไม่ทราบเราจะรู้ได้อย่างไร ในหนึ่งปีระบบปรับอากาศของอาคารหลังนี้ จะกินไฟจำนวนเท่าไหร่ คำตอบของคำถามนี้ก็คือถ้าเรามีข้อมูลทางอุตุนิยมวิทยาและข้อมูลทางสถิติของจำนวนคนของอาคารหลังนี้ เป็นรายชั่วโมง เราสามารถคำนวณค่าไฟฟ้าได้
ในปัจจุบันมีคอมพิวเตอร์โปรแกรมหลายตัว สามารถนำมาใช้คำนวณพลังงานที่ต้องใช้ในการปรับอากาศได้ทันทีแต่ปัญหาสำคัญก็คือ เราไม่มีข้อมูลดิบที่สมบูรณ์ที่จะป้อนให้แก่คอมพิวเตอร์ ถ้าข้อมูลที่ป้อนเข้าไปไม่ถูกต้องไม่ว่าคอมพิวเตอร์โปรแกรมจะดีเพียงไร ผลลัพธ์ที่ออกมาก็ไม่มีวันที่จะถูกต้องและไม่สามารถนำเอาไปใช้ประโยชน์ได้
ทำไมเราจึงต้องคำนวณรายละเอียดขนาดนั้น
คำตอบก็คือเพื่อนำไปสู่การอนุรักษ์พลังงานที่แท้จริงนั่นเอง (อนุรักษ์ในที่นี้มิได้แปลว่าห้ามไม่ให้ใช้ แต่แปลว่าให้มีการจัดการใช้พลังงานอย่างมีประสิทธิภาพ) ปริมาณการใช้พลังงานสำหรับระบบปรับอากาศในอาคารขนาดใหญ่นั้นมีค่าสูงถึงประมาณ 50 ถึง 70% ของปริมาณการใช้พลังงานของอาคารทั้งหลัง การจัดการให้มีการใช้พลังงานอย่างมีประสิทธิภาพ ต้องมีพื้นฐานมาจากการคำนวณปริมาณพลังงานที่ต้องการได้แม่นยำ การคำนวณที่แม่นยำนี้ จะนำไปสู่การเลือกใช้เครื่องปรับอากาศที่มีขนาดเหมาะสม ระบบที่เหมาะสมและอุปกรณ์ควบคุมการใช้พลังงานที่มีประสิทธิภาพ จุดเริ่มต้นของทุกสิ่งทุกอย่างอยู่ที่ข้อมูลพื้นฐานชุดนี้เท่านั้นเอง
จำเป็นต้องรู้สถิติจำนวนคนในอาคารเป็นรายชั่วโมงด้วยหรือไม่
คำตอบคือต้องรู้ เราต้องรู้สถิติจำนวนคนที่อยู่ในอาคารเป็นรายชั่วโมงตลอดปี (365วัน, 24 ชั่วโมง) สาเหตุที่ต้องรู้ก็เพราะจำนวนคนเกี่ยวพันโดยตรงกับจำนวนปริมาณการระบายอากาศที่ต้องการ ใครก็ตามที่อยู่ในวงการเครื่องปรับอากาศย่อมจะต้องทราบดีว่า คนหนึ่งคนจะคายความร้อนออกมาประมาณ 400-600 BTUH และคนหนึ่งคนต้องการการระบายอากาศอีกประมาณ 10 CFM แต่ละ CFM มีภาระความร้อนประมาณ 70 BTUH ดังนั้นรวมแล้ว คน 1 คน มีภาระความร้อนประมาณ 500+700 = 1200 BTUH ต่อคน เชื่อหรือไม่ว่าภาระความร้อนในส่วนนี้บางครั้งสูงถึง 65% ของภาระความร้อนรวมของทั้งอาคาร (จากรูปภาพ จะเห็นได้ว่า INTERNAL กับ VENTILATION รวมกันอาจมีค่าสูงถึง 2 ใน 3 ของภาระรวม) ดังนั้นระบบควบคุมการใช้พลังงานในอาคารที่มีประสิทธิภาพ ต้องสามารถปรับปริมาณการระบายอากาศให้เหมาะสมกับจำนวนคนในแต่ละเวลาได้ แต่ถ้าเราไม่ทราบจำนวนคนในชั่วโมงใด ๆ เราก็ต้องหยุดคิดเรื่องนี้ที่ตรงนี้ และคงไม่สามารถอนุรักษ์พลังงานจำนวนมากนี้ได้ (บางคนอาจเถียงว่าเดาเอาก็คงได้ เราก็คงไม่รู้จะตอบได้ว่าอย่างไร เพียงแต่จะฝากข้อคิดไว้แต่เพียงว่าการเดามักจะนำไปสู่การถกเถียงที่ไม่มีวันสิ้นสุด) สาเหตุสำคัญที่ผู้เขียนต้องยกเอาประเด็นเรื่องจำนวนคนเป็นรายชั่วโมงนี้มากล่าวถึง ก็เพราะคนทั่วไปมักจะนึกเสมอว่าภาระความร้อนในอาคารส่วนมากแล้ว มาจากแสงแดดและการถ่ายเทความร้อนผ่านผนังอาคาร แต่จริง ๆ แล้ว ไม่ใช่เช่นนั้นเสมอไป ภาระความร้อนเนื่องจากคนและการระบายอากาศก็มีค่ามากเช่นกันและในหลาย ๆ กรณีมีค่ามากกว่าเสียอีก สรุปอีกทีหนึ่งก็คือข้อมูลทางสถิติของจำนวนคนที่อยู่ในอาคารแต่ละประเภทเป็นรายชั่วโมง มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการอนุรักษ์พลังงานในอาคาร
มาตรา 17 ในพรบ.การส่งเสริมการอนุรักษ์พลังงาน
การที่จะผลักดันให้การอนุรักษ์พลังงานในอาคารเป็นไปอย่างได้ผล ต้องมีความสามารถในการวิเคราะห์แบบจำลองทางคณิตศาสตร์ของการใช้พลังงานในอาคารให้ได้เสียก่อน ยกตัวอย่างเช่น ในมาตรา 17 ข้อ (3) ที่กล่าวถึงวัสดุก่อสร้างที่จะช่วยอนุรักษ์พลังงาน คำถามง่าย ๆ ที่ตอบยากคือ ถ้าเราเลือกใช้วัสดุ B แทนวัสดุ A ในการก่อกำแพงด้านทิศตะวันตก จะลดค่าไฟฟ้าต่อปีลงเท่าไหร การจะตอบคำถามแบบนี้ให้ได้ใกล้เคียงที่สุด อย่างน้อยต้องมี 3 สิ่งคือ
1. ข้อมูลรายชั่วโมงเพื่อการวิเคราะห์แบบจำลองทางคณิตศาสตร์ของการใช้พลังงานในการปรับอากาศในอาคาร
2. คอมพิวเตอร์โปรแกรมเพื่อการวิเคราะห์นี้
3. ค่าการถ่ายเทความร้อนของวัสดุ A และ B
หลังจากการวิเคราะห์ เราจึงจะทราบว่าค่าไฟฟ้าต่อปีจะลดลงเท่าไร จากนั้นต้องนำเอาต้นทุนในการใช้วัสดุ A และ B พิจารณาประกอบ จึงจะสามารถตัดสินใจได้ว่าวัสดุไหนดีกว่ากัน และคุ้มค่าต่อการลงทุนหรือไม่
ทำไมเราจึงต้องมานั่งพิจารณาดูว่าอะไรคุ้มหรือไม่คุ้มค่าต่อการลงทุน สาเหตุก็เพราะการพิจารณาความคุ้ม ทำให้สิ่งที่เรากำลังจะทำนี้ ตั้งอยู่บนพื้นฐานของความเป็นจริงที่เป็นไปได้ในทางปฏิบัติกลไลทางธรรมชาติจะผลักดันให้สิ่งที่เราต้องการทำ เกิดขึ้นได้จริง
สรุปประเด็น
1. เราต้องการข้อมูลพื้นฐาน เพื่อการวิเคราะห์แบบจำลองทางคณิตศาสตร์ของการใช้พลังงานในอาคาร ในสถานที่ต่าง ๆ ทั่วประเทศไทย อาจจะเริ่มที่กรุงเทพฯ ก่อน หน่วยงานของรัฐต้องเป็นผู้จัดเตรียม ต้องอยู่ในรูปแบบที่สามารถนำเอาไปใช้ได้สะดวก และต้องเผยแพร่ออกไปอย่างกว้างขวาง ข้อมูลที่ต้องการรวมถึงข้อมูลทางอุตุนิยมวิทยา และข้อมูลที่ไม่ใช่ข้อมูลทางอุตุนิยมวิทยา ต้องเป็นข้อมูลทางสถิติรายชั่วโมง และมีความยาว 1 ปี (แต่สามารถใช้เป็นตัวแทนข้อมูลจำนวนหลาย ๆ ปี ได้ปี)
2. ข้อมูลชุดนี้ จะเป็นพื้นฐานที่สำคัญในอันที่จะช่วยส่งเสริมให้นโยบายการอนุรักษ์พลังงานของประเทศสัมฤทธิ์ผลต่อไป
3. การสร้างข้อมูลชุดนี้กินเวลาและทรัพยากรในด้านต่าง ๆ เป็นจำนวนมาก ควรรีบดำเนินการจัดทำเสียแต่เนิ่น ๆ
4. ต้องเริ่มเก็บสถิติจำนวนคนในอาคารประเภทต่าง ๆเป็นรายชั่วโมง
5. จัดทำคู่มือเพื่อการคำนวณภาระความร้อนในกรุงเทพมหานคร และจังหวัดสำคัญอื่น ๆ โดยทำการแก้ไขข้อมูลใน ASHRAE (1) ให้สอดคล้องกับข้อมูลที่วัดได้ในประเทศ
6. กฎกระทรวงทั้ง 2 ฉบับ ที่กำลังจะออกมา จะต้องตั้งอยู่บนพื้นฐานของความเป็นจริงที่เป็นได้ในทางปฏิบัติ มีแหล่งที่มาที่มีเหตุมีผล มีการพิสูจน์ได้และมีความคุ้มค่าต่อการลงทุน
7. มาตรฐานวิธีของการอนุรักษ์พลังงาน น่าที่จะมีการนำเสนอในรูปแบบเดียวกันกับการนำเสนอของระบบ การประกันคุณภาพ (QUALITY ASSURANCE) แต่ในที่นี้จะเป็นการประกันว่าจะมีการใช้พลังงานอย่างมีประสิทธิภาพแทน
เอกสารอ้างอิง
(1) ASHRAE HANDBOOK 1981 FUNDAMENTALS
คัดลอกจาก : ดร.ตุลย์ มณีวัฒนา
อาจารย์ประจำภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล คณะวิศวกรรมศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย