ในปัจจุบันอาคารใหม่เกือบทั้งหมดจะมีระบบควบคุมเพื่อจัดการทำงานของอุปกรณ์ภายในอาคารหลาย ๆ อย่าง รวมไปถึงระบบปรับอากาศและการระบายความร้อนหรือ HVAC
ดร.พานิช อินต๊ะ, ผศ.ดร.ณัฐวุฒิ ดุษฎี
ศูนย์วิจัยพลังงาน มหาวิทยาลัยแม่โจ้
ในบทความฉบับนี้กล่าวถึงระบบการควบคุมเพื่อการจัดการพลังงาน (Energy Management Control System) ของอุปกรณ์พลังงานในอาคาร เพื่อให้มีการใช้พลังงานอย่างประหยัด เช่น หม้อไอน้ำ (Boiler) ระบบทำความเย็นชิลเลอร์ (Chiller) และมอเตอร์ไฟฟ้า (Electric Motor) โดยจะกล่าวถึงหลักการพื้นฐานเกี่ยวกับการควบคุมระบบปรับอากาศและการระบายความร้อน (Heating Ventilating and Air Conditioning System, HVAC)
ต่อจากนั้นจะอธิบายเกี่ยวกับระบบควบคุมและระบบการจัดการพลังงาน (Energy Management and Control System, EMCS) ทั่วไป ในส่วนสุดท้ายของบทความนี้จะนำเสนอการประยุกต์ใช้งานของระบบ EMCS รวมไปถึงตัวอย่างที่แสดงถึงประโยชน์ของการใช้แผนการควบคุมประสิทธิภาพพลังงาน
ในปัจจุบันอาคารใหม่เกือบทั้งหมดจะมีระบบควบคุมเพื่อจัดการทำงานของอุปกรณ์ภายในอาคารหลาย ๆ อย่าง รวมไปถึงระบบปรับอากาศและการระบายความร้อนหรือ HVAC โดยระบบควบคุมสามารถควบคุมการทำงานของอุปกรณ์ไฟฟ้าและเครื่องจักรกลได้หลาย ๆ อย่างในเวลาเดียวกันได้
ซึ่งในทางปฏิบัติ ระบบควบคุมการทำงานเหล่านี้สามารถนำไปใช้เพื่อลดและจำกัดความต้องการการใช้พลังงานของสิ่งอำนวยความสะดวกต่าง ๆ ภายในอาคารได้อย่างมีประสิทธิภาพ ย้อนหลังไปเมื่อประมาณสิบปีที่ผ่านมา ความก้าวหน้าของอุปกรณ์ HVAC เป็นอุปกรณ์ที่ควบคุมด้วยอิเล็กทรอนิกส์ที่ทันสมัยที่ใช้งานง่ายและมีความน่าเชื่อถือสูง
ดังนั้นการพัฒนาระบบควบคุมและการจัดการพลังงานหรือ EMCS คือการนำไปสู่ระบบอัตโนมัติในอาคารที่ควบคุมด้วยเครื่องคอมพิวเตอร์ (Computerized Building Automation System) ในความเป็นจริงการจัดการพลังงานเป็นส่วนหนึ่งของระบบอัตโนมัติในอาคารแบบผสมผสาน (Integrated Building Automation System) หรือที่เรียกว่า IBAS
โดยส่วนอื่น ๆ ของ IBAS คือ ระบบป้องกันไฟไหม้ (Fire Safely) การควบคุมการขนส่งลิฟต์ (Vertical Transportation Control) และการกำหนดความปลอดภัย (Security Regulation) โดยระบบ IBAS ประกอบด้วยสัญญาณควบคุมสำหรับระบบแสงสว่าง ระบบ HVAC และระบบความปลอดภัย
ตัวอย่างเช่น ถ้าตัวเซนเซอร์ตรวจพบคนหรือสิ่งผิดปกติภายในพื้นที่เฉพาะในช่วงเวลาเลิกงาน (ในช่วงเวลากลางคืนหรือวันหยุด) ข้อมูลที่สามารถใช้เพื่อปรับอุณหภูมิภายในอาคารเพื่อความสบาย และเพื่อการบริการขนส่งลิฟต์นำกลับ (Reinstate Elevator Service) เพื่อมั่นใจว่าผู้คนสามารถออกจากอาคารหมด นอกจากนั้น EMCS ยังทำให้การทำงานสะดวกขึ้นโดยการแสดงสถานะของการบำรุงรักษา เช่น การเปลี่ยนหลอดไฟฟ้า และสัญญาณเตือนสำหรับกรณีที่อุปกรณ์เสียหาย เช่น มอเตอร์ไหม้
การใช้อุปกรณ์ประหยัดพลังงานประสิทธิภาพสูง (High Energy-efficient Equipment) ไม่ได้รับรองว่าจะประหยัดพลังงานเสมอไป ซึ่งอันที่จริงแล้วการจัดการการทำงานของอุปกรณ์ที่ดีเป็นสิ่งที่สำคัญในการลดการใช้พลังงานของอาคารทั้งหมด โดยปกติแล้ว โหลดพลังงานของอาคาร (Building Energy Load) คือการเปลี่ยนแปลงของสภาพอากาศอย่างต่อเนื่องกับเวลา และการเปลี่ยนแปลงการใช้อุปกรณ์และช่วงระยะเวลาการใช้งาน ดังนั้นการจัดการพลังงานอย่างมีประสิทธิภาพจะต้องมีความรู้เกี่ยวการจัดการโหลดทำงาน โดยการจัดการโหลดมีอยู่สองวิธีการคือ
* การติดตามโหลด (Load Tracking) โดยการทำงานของอุปกรณ์ต่าง ๆ จะถูกปรับให้ตอบสนองกับความต้องการที่แท้จริงของสิ่งอำนวยความสะดวกต่าง ๆ ตัวอย่างเช่น เครื่องอัดอากาศในระบบปรับอากาศจะปรับเปลี่ยนความเร็วให้สัมพันธ์กับความเย็นที่ต้องการ ความต้องการที่แท้จริงของสิ่งอำนวยความสะดวกต่าง ๆ ในอาคาร สามารถหาได้โดยการแสดงสถานการณ์ทำงานของอุปกรณ์นั้น ๆ อย่างต่อเนื่อง ตัวอย่างเช่น โหลดในระบบปรับอากาศแบบชิลเลอร์สามารถประมาณค่าได้ ถ้าเราทราบค่าอัตราการไหลของน้ำชิลเลอร์และปริมาณน้ำป้อนและน้ำวนกลับ
* การทำนายโหลด (Load Anticipation) ในงานบางงาน ความต้องการพลังงานของอุปกรณ์ต่าง ๆ ภายในอาคารได้มีการทำนายเพื่อเป็นข้อมูลสำหรับการปรับเปลี่ยนการทำงานของอุปกรณ์ ให้ทำงานได้อย่างเหมาะสม ตัวอย่างเช่น ในการทำความเย็นด้วยระบบกักเก็บพลังงานเชิงความร้อน (Thermal Energy Storage System) ซึ่งจะเป็นประโยชน์ต่อการทำนายโหลดการทำความเย็นในอนาคต เพื่อสามารถตัดสินใจว่าเมื่อไรควรจะทำการอัดและคายพลังงานจากถังกักเก็บพลังงาน (Storage Tank) การทำนายโหลดจะได้มาโดยการวิเคราะห์ประวัติการเปลี่ยนแปลงของโหลด
โดยระบบการควบคุมพลังงานจะทำให้ผู้ปฏิบัติงานสามารถควบคุมการทำงานของระบบ HVAC และระบบแสงสว่างได้อย่างมีประสิทธิภาพและอยู่ในระดับที่สบาย โดยการใช้ข้อมูลที่แสดงและตัวแปรอื่น ๆ ในการบ่งบอกคุณลักษณะการใช้พลังงานของอาคาร
หลักการควบคุมพื้นฐาน
* โหมดการควบคุม
ระบบการควบคุมถูกใช้เพื่อการทำงานของอุปกรณ์ให้มีความเหมาะสมกับความต้องการของโหลด โดยการเปลี่ยนตัวแปรระบบ (System Variables) โดยระบบควบคุมทั่วไปจะประกอบด้วย 4 ส่วนที่สำคัญคือ
1. ตัวแปรควบคุม (Controlled Variable) คือคุณลักษณะของระบบที่ถูกควบคุม ตัวอย่างเช่น อุณหภูมิภายในจะเป็นตัวแปรควบคุมในระบบ HVAC
2. ตัวตรวจจับ (Sensor) เป็นตัววัดตัวแปรควบคุม เช่น เทอร์โมคับเปิล (Thermocouple) สามารถใช้วัดอุณหภูมิภายในอาคารได้
3. ตัวควบคุม (Controller) เป็นตัวกำหนดการกระทำที่ต้องการให้ได้รับการปรับแต่งที่เหมาะสมกับตัวแปรควบคุม ตัวอย่างเช่น ตำแหน่งลิ้นของกล่องวาล์วสามารถปรับเพื่อเพิ่มปริมาณอากาศ ทำให้อุณหภูมิภายในอากาศเพิ่มขึ้นสำหรับบริเวณที่มีอุณหภูมิต่ำกว่าเป้าหมายการควบคุม (Set-point หรือ Reference Input)
4. ตัวกระตุ้น (Actuator) คืออุปกรณ์ควบคุมที่จำเป็นต่อการกระตุ้นต่อความต้องการให้เสร็จสิ้นการกระทำที่ตั้งไว้โดยตัวควบคุม เช่น การปรับแหล่งจ่ายอากาศโดยวาล์ว โดยตำแหน่งลิ้นของวาล์วจุถูกเปลี่ยนตำแหน่งโดยตัวกระตุ้นโดยตรงกับใบของลิ้น
ปกติแล้ว ระบบควบคุมสามารถจำแนกได้ 2 ประเภท คือ ระบบวงปิด (Closed Loop System) และระบบวงเปิด (Open Loop System) ในระบบวงปิดหรือที่เรียกว่าระบบควบคุมป้อนกลับ (Feedback Control System) ตัวตรวจจับจะถูกกระทำโดยตรงด้วยการกระทำของตัวกระตุ้น ตัวอย่างเช่น การควบคุมของขดลวดทำความร้อน (Heating Coil) ทั่วไป
อย่างไรก็ตาม ในระบบควบคุมวงเปิด ตัวตรวจจับไม่ได้ถูกกระทำโดยตรงด้วยการกระทำของตัวกระตุ้น ตัวอย่างเช่น การใช้ตัวตั้งเวลาเพื่อปรับอุณหภูมิของขดลวดทำความร้อนเนื่องจากตัวตั้งเวลาไม่มีการเชื่อมต่อโดยตรงกับโดยโหลดความร้อนบนขดลวดทำความร้อน รูปที่ 1 แสดงส่วนประกอบต่าง ๆ และไดอะแกรมการควบคุมของระบบการควบคุมวงปิดของขดลวดทำความร้อน
(ก) การควบคุมวงปิดพื้นฐานของขดลวดทำความร้อน
(ข) ไดอะแกรมการควบคุมของขดลวดทำความร้อน
รูปที่ 1 ระบบการควบคุมของขดลวดทำความร้อน
(ก) การกระทำสองตำแหน่งเมื่อไม่ใช้อนุพันธ์การควบคุม (การเปลี่ยนแปลงช่วงคลื่นอย่างรวดเร็ว)
(ข) การกระทำสองตำแหน่งกับอนุพันธ์การควบคุม
รูปที่ 2 ผลของการเปลี่ยนแปลงตามเวลาของการควบคุมสองตำแหน่งของตัวแปรควบคุม
ในแต่ละระบบควบคุมสามารถใช้โหมดการควบคุมที่แตกต่างกันเพื่อให้ได้ตามวัตถุประสงค์ของการควบคุม สำหรับในระบบ HVAC จะมีโหมดการควบคุมทั้งหมด 4 โหมดคือ
1. การควบคุมแบบสองตำแหน่ง (Two-position Control) ในโหมดการควบคุมนี้จะใช้ได้เฉพาะสองค่าคือเปิดและปิด (On-off หรือ Open-closed) สำหรับตัวแปรควบคุมและเป็นการควบคุมที่มีความเหมาะสมที่สุดสำหรับระบบที่มีการตอบสนองช้า รูปที่ 2 (ก) แสดงผลของการควบคุมสองตำแหน่งกับการเปลี่ยนแปลงตามเวลาของตัวแปรควบคุม (เช่น การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของอากาศเนื่องจากการเปิด-ปิดตำแหน่งวาล์วในขดลวดทำความร้อน) เพื่อหลีกเลี่ยงการเปลี่ยนแปลงอย่างกะทันหัน
ดังนั้น อนุพันธ์การควบคุม (Control Differential) สามารถนำมาใช้ เนื่องจากเวลาการตอบสนองของตัวตรวจจับช้าและเนื่องจากมวลความร้อนในระบบ HVAC จึงทำให้ตัวแปรควบคุมแกว่งไปแกว่งมาในช่วงของการทำงาน (Operating Range) หรือเรียกว่า อนุพันธ์การทำงาน (Operating Differential) ที่มีขนาดที่สูงกว่าอนุพันธ์การควบคุม
ดังนั้นอนุพันธ์การทำงานจะมีค่าสูงกว่าอนุพันธ์การควบคุมเสมอ ดังแสดงไว้ในรูปที่ 2 (ข) ตัวอย่างของการควบคุมสองตำแหน่ง เช่น การให้ความร้อนของระบบน้ำร้อนภายในบ้าน การควบคุมอุณหภูมิสำหรับพื้นที่อยู่อาศัย และส่วนให้ความร้อนด้วยไฟฟ้าของระบบ HVAC
2. การควบคุมแบบสมมาตร (Proportional Control) หรือเรียกว่าการควบคุมแบบพี (P Control) ในโหมดนี้มีความสัมพันธ์แบบเชิงเส้น (Linear Relationship) ระหว่างสัญญาณจากตัวตรวจจับที่เข้ามา (Sensor Signal) และเอาต์พุตของตัวควบคุม (Controller Output) โดยความสัมพันธ์จะถูกสร้างขึ้นภายในช่วงการทำงานสำหรับสัญญาณของตัวตรวจจับ เป้าหมายของการควบคุมของตัวควบคุมแบบสมมาตร คืออินพุตของตัวตรวจจับที่มีผลต่อเอาต์พุตของตัวควบคุมที่จุดกึ่งกลางของช่วงการทำงาน โดยสามารถเขียนเป็นสมการทางคณิตศาสตร์ได้ดังนี้
u = Kpe + u0………………… (1)
โดยที่ u คือเอาต์พุตของตัวควบคุมสมมาตร e คือการชดเชย (Offset) หรือความผิดพลาด (Error) เป็นความแตกต่างระหว่างเป้าหมายการควบคุมและค่าของตัวแปรควบคุม Kp คือค่าคงที่ที่สมมาตร (Proportionality Constant) หรือที่เรียกว่าค่าคงที่เกนสมมาตร (Proportional Gain Constant) และ u0 คือไบแอสตัวควบคุม (Controller Bias) เป็นค่าของเอาต์พุตองตัวควบคุมเมื่อไม่เกิดความผิดพลาดขึ้น ดังแสดงไว้ในสมการที่ (1)
การควบคุมสมมาตรไม่สามารถลดความผิดพลาดที่เกิดขึ้นเนื่องจากความผิดพลาดที่ถูกร้องขอเพื่อสร้างการกระทำใดของตัวควบคุมได้ ดังนั้น ตัวแปรควบคุมจะแกว่งไปแกว่งมาในช่วงบีบคั้น (Throttling Range) ดังแสดงไว้ในรูปที่ 3
รูปที่ 3 ผลการควบคุมแบบสมมาตรกับการเปลี่ยนแปลงตามเวลาของตัวแปรควบคุม
ข้อควรจำเมื่อค่าคงที่เกน (Gain Constant) มีค่าสูงมาก ๆ จะมีผลทำให้ระบบไม่มีเสถียรภาพ โดยทั่วไป ตัวควบคุมสมมาตรถูกใช้กับระบบที่มีเสถียรภาพช้าที่มีการชดเชยน้อย ตัวอย่างที่ 1 แสดงวิธีการหาค่าคงที่เกนสมมาตร
ตัวอย่างที่ 1 ขดลวดทำความร้อนน้ำร้อนมีเป้าหมายการควบคุมที่ 35 องศาเซลเซียส กับช่วงบีบคั้นเท่ากับ 10 องศาเซลเซียส เอาต์พุตความร้อนของขดลวดความร้อนเปลี่ยนแปลงจาก 0 ถึง 50 กิโลวัตต์ สมมุติให้ตัวควบคุมสมมาตรถูกใช้เพื่อรักษาเป้าหมายการควบคุมอุณหภูมิของอากาศ จงหาเกนสมมาตรสำหรับตัวควบคุมและความสัมพันธ์ระหว่างอุณหภูมิอากาศเอาต์พุตและอัตราค่าความร้อนที่ได้จากขดลวดทำความร้อน สมมุติให้ทำงานที่สภาวะคงตัว (Steady-state Operation)
วิธีทำ ใช้สมการที่ (1) โดยความสัมพันธ์ระหว่างอัตราความร้อน Q, และความผิดพลาดของอุณหภูมิอากาศที่ทางออกของขดลวดสามารถเขียนได้ดังนี้
เนื่องจาก
(ก) เมื่ออัตราความร้อน Q = Qmin = 0 kW โดยอุณหภูมิอากาศที่ทางออกของขดลวดทำความร้อนคือ Tair = Tmin = 35oC – 5oC = 30oC และ
(ข) เมื่ออัตราความร้อน Q = Qmax = 50 kW โดยอุณหภูมิอากาศที่ทางออกของขดลวดทำความร้อนคือ Tair = Tmax = 35oC + 5oC = 35oC
เกนสมมาตร Kp สามารถหาได้จาก
หรือ
Kp = [Qmax-Qmin] / [Tmin-Tmax] = -50 kW/10oC = -5 kW/oC
ในทำนองเดียวกัน Qo คงที่สามารถหาได้จาก
หรือ
Qo = Qmin - Kp(Tsetpoint-Tmin) = 0 + 5 kW/oC * (35oC-30oC) = 25 kW
ดังนั้น ความสัมพันธ์ระหว่างเอาต์พุตอัตราความร้อนและอุณหภูมิอากาศสำหรับขดลวดทำความร้อนคือ
ด้วยเหตุนี้ ถ้าอัตราความร้อนแตกต่างจาก Qo = 25 kW จะทำให้จำนวน (Tsetpoint - Tair) เป็นความผิดพลาดที่เกิดขึ้นในสมการการควบคุมสมมาตรไม่สามารถเท่ากับศูนย์ได้
3. การควบคุมแบบอินติเกรต (Integral Control) ในโหมดการควบคุมนี้เป็นการผสมผสานกันกับโหมดการควบคุมแบบสมมาตร เพื่อให้เป็นวิธีการแบบอัตโนมัติสำหรับการกำหนดเป้าหมายการควบคุมเพื่อให้สามารถประมาณค่าการชดเชยได้ การผสมกันของการกระทำแบบอินติเกรตและสมมาตรเรียกว่า Proportional-plus-integral หรือ การควบคุมแบบ PI อย่างง่าย โดยการควบคุม PI สามารถเขียนเป็นสมการทางคณิตศาสตร์ได้ดังนี้
....................... (2)
โดยที่ Ki คือค่าคงที่เกนอินติเกรต (Integral Gain Constant) หรือเรียกว่าอัตราการปรับใหม่และมีผลของการบวกเพิ่มค่าความถูกต้องให้กับเอาต์พุตของตัวควบคุมเมื่อมีข้อผิดพลาดเกิดขึ้น สำหรับในระบบ HVAC ปกติแล้วอัตราส่วนของ Kp/Ki จะน้อยกว่า 60 วินาที
โดยการควบคุมแบบ PI นี้สามารถประยุกต์ใช้กับระบบที่มีการกระทำด้วยความเร็วสูง (Fast-Acting Systems) ที่ต้องการแบนด์สมมาตร (Proportional Bands) หรือ PB สูงสำหรับเสถียรภาพ การประยุกต์ใช้งานโดยทั่วไป เช่น การควบคุมการผสมอากาศ (Mixed-air controls) การควบคุมขดลวดทำความเย็นหรือทำความร้อน (Heating or Cooling Coil Controls) และการควบคุมปล่อยซิลเลอร์ (Chiller-discharge Controls)
4. การควบคุมแบบอนุพันธ์ (Derivative Control) ในโหมดการควบคุมนี้จะใช้ความเร็วสูงขึ้นเพื่อตอบสนองระบบในกรณีที่มีการเปลี่ยนอย่างทันทีทันใด
โหมดการควบคุมอนุพันธ์ถูกบรรจุไว้ในการรวมกันของโหมดการควบคุมแบบพีไอดี (Proportional-plus-integral-plus Derivative, PID) สำหรับระบบที่มีการตอบสนองสูง เช่น การควบคุมความดันสถิตของช่องลม (Duct static-pressure Controls) โดยแบบจำลองทางคณิตศาสตร์สำหรับการควบคุมแบบ PID สามารถหาได้จากสมการที่ (3)
………………….. (3)
โดยที่ Kd คือค่าคงที่เกนอนุพันธ์ (Derivative Gain Constant) ในเทอมของอนุพันธ์ (Derivative Term) จะสร้างความสมมาตรที่กระทำอย่างถูกต้องกับการเปลี่ยนของอัตราเวลาของข้อผิดพลาด สำหรับในระบบ HVAC ส่วนใหญ่ ค่าอัตราส่วนของ Kd/Kp โดยปกติจะมีค่าน้อยกว่า 15 นาที ถ้าระบบมีการชดเชยอย่างสม่ำเสมอ (Uniform Offset) เทอมของอนุพันธ์จะมีผลน้อยมาก
การใช้การควบคุมแบบพีไอดีปกติจะมีค่าความผิดพลาดน้อยกว่าการควบคุมแบบพีไอสำหรับระบบ HVAC เนื่องจากไม่ต้องการการตอบสนองการควบคุมเร็ว เพื่อแสดงถึงลักษณะการควบคุมในโหมดต่าง ๆ ที่ได้อธิบายมาในข้างต้น รูปที่ 4 แสดงการเปรียบเทียบการตอบสนองของระบบต่อการเปลี่ยนแปลงขั้นอินพุต
ดังที่คาดไว้ก็คือการควบคุมแบบสมมาตรมีผลกับการชดเชยและตัวแปรควบคุมไม่ไปสู่เป้าหมายของการควบคุม (รูปที่ 4ก) ในส่วนของการควบคุมพีไอการกระทำกับตัวแปรควบคุมเพื่อไปสู่ค่าเป้าหมายของการควบคุมค่อนข้างช้า (รูปที่ 4ข) และในการควบคุมพีไอดีการกระทำกับตัวแปรควบคุมบรรลุสู่เป้าหมายของการควบคุมได้รวดเร็วกว่า (รูปที่ 4ค)
(ก) การควบคุมแบบพี
(ข) การควบคุมแบบพีไอ
(ค) การควบคุมแบบพีไอดี
รูปที่ 4 การเปรียบเทียบการตอบสนองของการเปลี่ยนขั้นอินพุตของโหมดการควบคุมทั้งสามโหมด
สงวนลิขสิทธิ์ ตามพระราชบัญญัติลิขสิทธิ์ พ.ศ. 2539 www.thailandindustry.com
Copyright (C) 2009 www.thailandindustry.com All rights reserved.
ขอสงวนสิทธิ์ ข้อมูล เนื้อหา บทความ และรูปภาพ (ในส่วนที่ทำขึ้นเอง) ทั้งหมดที่ปรากฎอยู่ในเว็บไซต์ www.thailandindustry.com ห้ามมิให้บุคคลใด คัดลอก หรือ ทำสำเนา หรือ ดัดแปลง ข้อความหรือบทความใดๆ ของเว็บไซต์ หากผู้ใดละเมิด ไม่ว่าการลอกเลียน หรือนำส่วนหนึ่งส่วนใดของบทความนี้ไปใช้ ดัดแปลง โดยไม่ได้รับอนุญาตเป็นลายลักษณ์อักษร จะถูกดำเนินคดี ตามที่กฏหมายบัญญัติไว้สูงสุด
Thailandindustrycom_official
