ในช่วงเวลาหลายปีที่ผ่านมา การออกแบบอาคารได้มุ่งเน้นออกแบบให้เป็นอาคารเขียว (Green Building) ประหยัดพลังงาน และดูแลรักษาสิ่งแวดล้อมเป็นหลัก ปัจจุบันนอกจาก 2 ประเด็นหลักดังกล่าวแล้ว ยังมีประเด็นของการแพร่ระบาดของเชื้อ COVID-19 และปริมาณฝุ่นละอองขนาดเล็ก PM2.5 การออกแบบ อาคารจึงต้องคำนึงถึงการลดการปนเปื้อนของ PM2.5 เพื่อสุขภาพของผู้อาศัยให้ได้รับอากาศที่บริสุทธิ์ รวมทั้งการออกแบบอาคารให้สอดรับกับวิถีชีวิต (Next Normal) อีกด้วย
จากแผนอนุรักษ์พลังงาน 20 ปีของประเทศไทย กำหนดให้มีการออกแบบอาคารทั่วไปให้เป็นอาคารใช้พลังงานเป็นศูนย์ (Net-Zero Energy Building) ภายในปี พ.ศ. 2579 โดยที่ประเทศไทยมีอาคารต้นแบบที่ใช้พลังงานสุทธิเป็นศูนย์แห่งแรกที่มหาวิทยาลัยขอนแก่น เพื่อให้อาคารอื่นๆ ทั่วทั้งประเทศต่อยอดการออกแบบก่อสร้างอาคารให้การใช้พลังงานเกิดประโยชน์สูงสุด แต่ถึงแม้ปัจจุบันอาคารใช้พลังงานสุทธิเป็นศูนย์ในไทยยังมีเพียงไม่กี่แห่ง ส่วนใหญ่ยังเป็นอาคารขนาดเล็ก ซึ่งไม่มีความซับซ้อนเทียบกับอาคารขนาดกลางและขนาดใหญ่
อาคารในยุโรป-US ขยายสู่ระดับชุมชนที่ใช้พลังงานเป็นศูนย์
จากบทความเรื่อง “ชุมชนที่ใช้พลังงานสุทธิเป็นศูนย์ (Net-Zero Energy Settlement)” โดย รศ. ดร.พิพัฒน์ ชัยวิวัฒน์วรกุล บัณฑิตวิทยาลัยร่วมด้านพลังงานและสิ่งแวดล้อม (JGSEE) มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี (มจธ.) ได้ระบุว่า ในกลุ่มประเทศสมาชิกสหภาพยุโรป ภาคอาคารมีการใช้พลังงาน 40% ของพลังงานทั้งหมด ซึ่งคิดเป็น 36% ของการปล่อยก๊าซเรือนกระจกในเขตภูมิภาคนี้ ดังนั้นคณะมนตรีสหภาพยุโรปจึงเห็นชอบที่จะบังคับใช้ Energy Performance of Buildings Directive (EPBD) เพื่อเป็นเครื่องมือเชิงกฎหมายที่จะปรับปรุงเกณฑ์ประสิทธิภาพพลังงานอาคารในแต่ละประเทศสมาชิกให้เข้มงวดขึ้น โดยมีเป้าหมายให้อาคารที่จะก่อสร้างใหม่ในปีค.ศ. 2020 เป็นอาคารที่ใช้พลังงานสุทธิใกล้ศูนย์
ในสหรัฐอเมริกา อาคารธุรกิจและบ้านที่อยู่อาศัยใช้ไฟฟ้าประมาณร้อยละ 70 ของการใช้ทั้งหมดในประเทศ ซึ่งสัดส่วนดังกล่าวคาดว่าจะเพิ่มเป็นร้อยละ 75 ในปี ค.ศ. 2025 หน่วยงานภาครัฐ Environmental Protection Agency (EPA) จึงได้ประกาศใช้ Executive Order 13693 กำหนดให้อาคารก่อสร้างใหม่ของภาครัฐต้องเป็นอาคารที่ใช้พลังงานสุทธิเป็นศูนย์ในปี ค.ศ. 2020 โดยในปี ค.ศ. 2025 อาคารภาครัฐที่มีอยู่ 1% จะเป็นอาคารที่ใช้พลังงานสุทธิเป็นศูนย์ ภายใต้การกำหนดนโยบายที่ชัดเจนดังกล่าว กอปรกับงบประมาณสนับสนุนจากภาครัฐที่ต่อเนื่อง การพัฒนาอาคารที่ใช้พลังงานสุทธิเป็นศูนย์ทั้งในยุโรปและสหรัฐอเมริกา จึงมีความก้าวหน้าโดยลำดับ จากเดิมที่ขอบเขตของโครงการที่เป็นอาคารหลังหนึ่งๆได้ขยายสู่ระดับชุมชน หรือเมืองที่ใช้พลังงานสุทธิเป็นศูนย์ (Net-Zero Energy Settlement) หลายแห่ง ซึ่งการพัฒนาในลักษณะนี้ส่งผลกระทบที่ชัดเจนทั้งด้านอนุรักษ์พลังงานและลดการปล่อยก๊าซเรือนกระจก การดำเนินโครงการเหล่านี้เริ่มที่จะขับเคลื่อนโดยกลไกตลาด (Market Driven Mechanism) เกิดเป็นธุรกิจใหม่ตลอดห่วงโซ่อุปทานของอุตสาหกรรมก่อสร้าง เกิดผลิตภัณฑ์อาคารสำเร็จรูปใหม่ กระบวนการก่อสร้างใหม่ เทคโนโลยีการออกแบบอาคาร การตรวจวัดและพิสูจน์เพื่อประกันสมรรถนะของอาคาร รวมไปถึงธุรกิจบำรุงรักษางานระบบ ฯลฯ
อาคารสำนักงานกองสื่อสารองค์กร มข. ต้นแบบอาคารใช้พลังงานเป็นศูนย์แห่งแรกของไทย
สำหรับประเทศไทย มีโครงการอาคารต้นแบบที่ใช้พลังงานสุทธิเป็นศูนย์ (Net Zero Energy Building) ซึ่งเป็นความร่วมมือระหว่าง มหาวิทยาลัยขอนแก่น กับกองทุนเพื่อส่งเสริมการอนุรักษ์พลังงาน สำนักงานนโยบายและแผนพลังงาน (สนพ.) กระทรวงพลังงาน สนับสนุนงบประมาณ 18 ล้านบาท เพื่อศึกษาพัฒนาเทคโนโลยีพลังงานที่เหมาะสมสำหรับอาคารในประเทศไทย ถือเป็นอาคารแรกและอาคารเดียวในประเทศไทยที่ใช้พลังงานเป็นศูนย์ ตามหลักการอาคารใช้พลังงานสุทธิเป็นศูนย์ คือ ปริมาณพลังงานไฟฟ้าที่นำเข้าจากภายนอกสู่อาคาร เมื่อหักลบกับปริมาณพลังงานไฟฟ้าที่ผลิตได้เองจากอาคารคิดคำนวณในแต่ละรอบปีต้องมีค่าเท่ากับศูนย์ ซึ่งเป็นการประหยัดพลังงานไฟฟ้าภายในอาคารได้สูงสุด โดยที่อาคารสามารถผลิตไฟฟ้าใช้เองได้เพียงพอต่อความต้องการภายในอาคาร
มข. ระดมนักวิจัยพัฒนาปรับปรุงอาคารเก่าให้เป็นต้นแบบอาคารที่ใช้พลังงานไฟฟ้าสุทธิเป็นศูนย์
โครงการวิจัยฯ นี้มีเป้าหมายในการใช้พลังงานไฟฟ้าสุทธิภายในอาคารเป็นศูนย์ (Net Zero Energy Building) นำทีมวิจัยโดย ผศ. ดร.เด่นพงษ์ สุดภักดี รองอธิการบดีฝ่ายวิชาการและเทคโนโลยีสารสนเทศ มหาวิทยาลัยขอนแก่น ซึ่งได้รวบรวมนักวิจัยที่เกี่ยวข้องหลายสาขาภายในมหาวิทยาลัยขอนแก่น ประกอบด้วยอาจารย์ประจำภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล คณะวิศวกรรมศาสตร์ นักวิจัยจากคณะสถาปัตยกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยขอนแก่น พร้อมกับการสนับสนุนผู้เชี่ยวชาญจากภายนอกทั้งภาครัฐและเอกชนต่างๆ เช่น สำนักงานคณะกรรมการกำกับกิจการพลังงานและบริษัท เอ็นโซล จำกัด โดยได้พัฒนาปรับปรุง “อาคารสำนักงานของกองสื่อสารองค์กร มหาวิทยาลัยขอนแก่น” ให้เป็นอาคารสำนักงานต้นแบบที่สามารถใช้พลังงานไฟฟ้าสุทธิภายในอาคารเป็นศูนย์
ชู 2 องค์ประกอบสำคัญ สู่เป้าหมายการใช้พลังงานไฟฟ้าในอาคารสุทธิเป็นศูนย์
เดิมอาคารสำนักงานกองสื่อสารองค์กร มหาวิทยาลัยขอนแก่น เป็นอาคารเก่า 2 ชั้น มีพื้นที่ใช้งาน 315 ตารางเมตร มีการใช้ไฟฟ้าประมาณ 35,000 หน่วยต่อปี ทีมวิจัยได้ออกแบบอาคารเน้นให้ใช้พลังงานเกิดประสิทธิภาพสูงสุด ลดการใช้พลังงานจากฟอสซิล โดยติดตั้งแผงโซลาร์เซลล์ผลิตเป็นพลังงานไฟฟ้าใช้ในอาคาร ในช่วงกลางวันที่สามารถผลิตพลังงานได้เกินความต้องการ จะจ่ายพลังงานไปยังอาคารอื่นๆ ด้วย ขณะเดียวกัน ช่วงกลางคืนหรือไม่มีแสงอาทิตย์ ก็จำเป็นต้องใช้พลังงานจากภายนอก แต่เมื่อใช้พลังงานภายนอกลบกับพลังงานที่ผลิตได้ในอาคารแล้วจะมีค่าเท่ากับศูนย์ สิ่งที่ช่วยให้แนวคิดดังกล่าวสำเร็จขึ้นอยู่กับองค์ประกอบสำคัญ 2 ส่วน ส่วนแรก คือ เทคโนโลยีการประหยัดพลังงานที่นำมาใช้ในอาคาร เช่น เครื่องใช้ไฟฟ้าต่างๆ ที่มีประสิทธิภาพสูง การออกแบบอาคารและการจัดการพลังงาน เป็นต้น ส่วนที่ 2 คือ เทคโนโลยีการผลิตพลังงานที่ใช้ในอาคาร อาทิ การผลิตไฟฟ้าหรือความร้อนด้วยพลังงานแสงอาทิตย์ ซึ่งถือเป็นแนวทางการประหยัดพลังงานไฟฟ้าภายในอาคารได้สูงสุด โดยเบื้องต้นอาคารจะสามารถผลิตไฟฟ้าใช้เองได้ประมาณ 28,000 หน่วย/ปี เฉลี่ย 80 หน่วย/วัน หรือมีการผลิตไฟฟ้าได้มากกว่าปริมาณการใช้งานประมาณ 8%อาคารต้นแบบ มข. ถ่ายทอดความรู้อาคารใช้พลังงานสุทธิเป็นศูนย์ให้อาคารอื่นๆ ทั่วทั้งประเทศ
อาคารต้นแบบฯ แห่งนี้ ได้ลดการใช้พลังงานในอาคารโดยใช้เทคนิคดังนี้ คือ ปรับเปลี่ยนอุปกรณ์สำนักงานเป็นอุปกรณ์ประหยัดพลังงาน ปรับปรุงผนังอาคารโดยการติดตั้งฉนวนในผนัง ปรับปรุงหลังคาอาคารโดยเปลี่ยนวัสดุมุงเป็นสีอ่อนและติดตั้งฉนวนใยแก้วหนา 4 นิ้ว ลดพื้นที่กระจกและติดตั้งฟิล์มกรองแสงที่กระจกเพื่อลดความร้อนโดยอาคารมีค่าการถ่ายเทความร้อนรวม (Thermal Transfer Value : OTTV) เท่ากับ 18.95 วัตต์ต่อตารางเมตร และมีค่าสัดส่วนพื้นที่หน้าต่างกระจกต่อพื้นที่ผนังทั้งหมด (Window to Wall Ratio : WWR) เท่ากับ 0.21 ติดตั้งอุปกรณ์นำแสงธรรมชาติเข้ามาใช้ในอาคารการปรับปรุงระบบปรับอากาศ โดยใช้ระบบ Variable Refrigerant Volume (VRF) มีคอมเพรสเซอร์ DC มอเตอร์ที่ใช้พลังงานไฟฟ้าจากระบบ ผลิตไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์โดยตรง และมีอินเวอร์เตอร์ควบคุมความเร็วรอบให้สัมพันธ์กับภาระการทำความเย็น ติดตั้งแผงรังผึ้งระบายความร้อน (Cooling Pad) เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการระบายความร้อนของระบบปรับอากาศ ใช้หลอด LED โดยมีค่าพลังไฟฟ้าแสงสว่างต่อพื้นที่ (Lighting Power Density : LPD) เท่ากับ 3.36 วัตต์ต่อตารางเมตร โดยที่ยังมีแสงสว่างที่เพียงพอ และการรณรงค์จิตสำนึกการอนุรักษ์พลังงาน สุดท้ายคือ ปรับปรุงหลังคาให้มีความลาดเอียงไปทางทิศใต้และติดตั้งระบบผลิตไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์ขนาด 20 กิโลวัตต์ สามารถผลิตไฟฟ้าได้ประมาณ 26,000 หน่วยต่อปี ภายหลังการปรับปรุงโครงสร้างอาคารและปรับเปลี่ยนอุปกรณ์ดังกล่าวแล้ว อาคารใช้พลังงานลดลงถึง 40% รวมทั้งพลังงานที่ใช้จริงประมาณ 60% ยังได้มาจากระบบการผลิตไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์ โดยอาคารของมหาวิทยาลัยขอนแก่นจะเป็นอาคารต้นแบบและสถานที่ถ่ายทอดความรู้อาคารต้นแบบด้านการใช้พลังงานสุทธิเป็นศูนย์อีกด้วย เพื่อให้อาคารอื่นๆ ทั่วทั้งประเทศต่อยอดการออกแบบก่อสร้างอาคารให้การใช้พลังงานเกิดประโยชน์สูงสุด ลดการพึ่งพาพลังงานจากฟอสซิล โดยมหาวิทยาลัยขอนแก่นจะเป็นศูนย์กลางในการกระจายความรู้ออกไปในวงกว้างกฟผ. ปรับปรุงอาคารสถานีไฟฟ้าแรงสูงอุบลราชธานี สู่การใช้พลังงานสุทธิเป็นศูนย์
ล่าสุด การไฟฟ้าฝ่ายผลิตแห่งประเทศไทย (กฟผ.) ได้มีโครงการวิจัยเพื่อศึกษาการปรับปรุงอาคารที่ทำการสถานีไฟฟ้าแรงสูง อุบลราชธานี สู่การใช้พลังงานสุทธิเป็นศูนย์ โดยอาคารนี้เป็นอาคารก่อสร้างใหม่ ความสูง 4 ชั้น ประกอบด้วยพื้นที่สำนักงานห้องประชุม และห้องน้ำ มีพื้นที่ใช้สอยทั้งหมด 2,273.81 ตารางเมตร มีพื้นที่ปรับอากาศ 1,027.17 ตารางเมตร ผลการจำลองค่าพลังงานสำหรับอาคารต้นแบบผ่านโปรแกรม Building Energy Code (BEC) มีค่าพลังงานรวมที่ใช้ตลอดปีเท่ากับ 93,709.72 kWh/Year เป้าหมายหลักของการศึกษาในครั้งนี้ คือ กำหนดแนวทางการปรับปรุงอาคารเพื่อลดการใช้พลังงาน รวมกับพลังงานที่จัดหาได้จากเซลล์แสงอาทิตย์ต้องมีค่ามากกว่าค่าพลังงานรวมที่ใช้ตลอดปีของอาคารต้นแบบ จากผลการศึกษาพบว่า ทางเลือกที่เหมาะสมที่สุดในการปรับปรุงอาคาร คือ เปลี่ยนวัสดุกระจกเป็นชนิด Clear Color Single Silver Low-E coat on Ocean Green 6 mm (6-6-6) ลดขนาดหน้าต่างชนิด น 1 ประมาณร้อยละ 25 ใช้แสงธรรมชาติภายในอาคารและจัดหาพลังงานด้วยเซลล์แสงอาทิตย์จากมาตรการทั้งหมดทำให้มีค่าพลังงานรวมที่ใช้ตลอดปี 82,195.43 kWh/Year ค่าพลังงานรวมที่จัดหาได้ 82,555.55 kWh/Year ส่งผลให้การใช้พลังงานเป็นบวก คือ สามารถจัดหาพลังงานไฟฟ้าได้มากกว่าที่ใช้เท่ากับ 360.12 kWh/Year โดยใช้งบประมาณลงทุน 7,701,066.15 บาท คิดเป็นระยะเวลาคืนทุน 28 ปี
เผยอาคารใช้พลังงานเป็นศูนย์ในไทยยังเป็นอาคารขนาดเล็ก-มีจำนวนน้อย
จะเห็นได้ว่าอาคารใช้พลังงานเป็นศูนย์เริ่มมีการออกแบบก่อสร้างและใช้งานในประเทศไทยแล้ว แต่ยังเป็นอาคารขนาดเล็กและมีจำนวนค่อนข้างน้อย ขณะที่การออกแบบก่อสร้างอาคารใช้พลังงานเป็นศูนย์ขนาดกลางและขนาดใหญ่นั้น มีความซับซ้อนมากกว่า เนื่องจากระบบประกอบอาคารที่เพิ่มขึ้นทำให้มีการใช้พลังงานมากขึ้น การลดการใช้พลังงานในอาคารต้องการการทำงานประสานกันแบบบูรณาการของผู้ที่เกี่ยวข้อง รวมทั้งออกแบบบูรณาการแนวทางการประหยัดพลังงานด้วย ซึ่งส่วนใหญ่จะต้องมีการใช้โปรแกรมจำลองพลังงานในอาคาร เพื่อให้มีข้อมูลสนับสนุนทางเลือกการออกแบบต่างๆ ตามแนวทางการออกแบบที่นำเสนอรวมทั้งต้องมีการออกแบบเตรียมพื้นที่เพื่อติดตั้งระบบผลิตไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์ ดังนั้นผู้ที่มีบทบาทสำคัญที่สุดที่จะทำให้การออกแบบอาคารใช้พลังงานเป็นศูนย์ประสบความสำเร็จ ได้แก่ เจ้าของอาคารเนื่องจากกระบวนการดังกล่าวเป็นกระบวนการที่ต่อเนื่องตั้งแต่ออกแบบก่อสร้างไปจนถึงการใช้งานและวัดผลความสำเร็จของอาคาร ปัจจุบันเริ่มมีอาคารขนาดกลางและขนาดใหญ่ที่ประสบความสำเร็จในการเป็นอาคารใช้พลังงานเป็นศูนย์แล้วในต่างประเทศ เช่น อาคาร School of Design and Environment 4 ความสูง 6 ชั้น ของมหาวิทยาลัย National University of Singapore ซึ่งถือเป็นอาคารที่มีพลังงานสุทธิเป็นศูนย์แห่งแรกของประเทศสิงคโปร์ พื้นที่ 8,500 ตารางเมตร เป็นต้นจากแผนอนุรักษ์พลังงาน 20 ปีของประเทศไทย กำหนดให้มีการออกแบบอาคารทั่วไปให้เป็นอาคารใช้พลังงานเป็นศูนย์ภายในปี พ.ศ. 2579 แต่ยังไม่มีแนวทางที่ชัดเจนในการสนับสนุนการออกแบบอาคารใช้พลังงานเป็นศูนย์ในประเทศไทย ซึ่งเรื่องนี้น่าจะเป็นโจทย์ท้าทายความสามารถของกระทรวงพลังงานรวมทั้งสถาปนิกและวิศวกรไทยที่จะช่วยกันพัฒนาอาคารขนาดกลางและขนาดใหญ่ของไทยให้สามารถใช้พลังงานเป็นศูนย์ได้อย่างแท้จริง
Source: นิตยสาร Green Network ฉบับที่ 107 กันยายน-ตุลาคม 2564 คอลัมน์ Cover Story โดย กองบรรณาธิการ