การคำนวณโหลดไฟฟ้า เป็นหัวใจของการออกแบบไฟฟ้ากำลังของระบบแรงต่ำของโครงการ
การคำนวณโหลดไฟฟ้า
หัวใจของการออกแบบไฟฟ้ากำลังของระบบแรงต่ำของโครงการ
ขวัญชัย กุลสันติธำรงค์
kwanchai2002@hotmail.com
การคำนวณโหลดไฟฟ้า เป็นหัวใจของการออกแบบไฟฟ้ากำลังของระบบแรงต่ำของโครงการ ในปัจจุบันอาคารสมัยใหม่มีอุปกรณ์ไฟฟ้าติดตั้งอยู่ภายในอาคารจำนวนมาก ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีทำให้ความต้องการกำลังไฟฟ้าที่จ่ายให้กับอุปกรณ์ไฟฟ้าซึ่งกลายเป็นส่วนหนึ่งในการใช้ชีวิตและดำเนินธุรกิจของผู้คนต่าง ๆ เพิ่มสูงขึ้นอย่างต่อเนื่อง
ในบทความฉบับนี้ต้องการนำเสนอข้อควรพิจารณาในการคำนวณโหลดไฟฟ้าสำหรับอาคารเพื่อการพาณิชย์ต่าง ๆ (Commercial Building) การคำนวณโหลดไฟฟ้าต้องคำนึงถึงการทำงานของโหลดไฟฟ้าต่าง ๆ ที่เป็นไปได้จริงเพื่อทำให้ระบบจ่ายพลังงานไฟฟ้าทำงานได้อย่างถูกต้องและเหมาะสม ดังนั้นการคำนวณโหลดไฟฟ้าจึงต้องการวิศวกรไฟฟ้าออกแบบที่มีประสบการณ์และต้องมีข้อมูลการทำงานของโหลดไฟฟ้าของโครงการประเภทเดียวกันอย่างเพียงพอเป็นข้อมูลอ้างอิง
คำศัพท์ต่าง ๆ ที่เกี่ยวข้อง
Active Power หรือกำลังไฟฟ้าแท้จริง (Real Power) เป็นกำลังไฟฟ้าเฉลี่ยในขณะใดขณะหนึ่งของช่วงเวลาในหนึ่งรูปคลื่นไฟฟ้ากระแสสลับ หน่วยกำลังไฟฟ้าแท้จริงมีหน่วยเป็นวัตต์ (Watt)
กำลังไฟฟ้าแท้จริงเมื่อแรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้าเป็นคลื่นรูปไซน์ (Sinusoidal Waveform) สามารถคำนวณได้จากสมการข้างล่างดังต่อไปนี้
กำลังไฟฟ้าข้างต้นเป็นค่าพิกัดพื้นฐานของอุปกรณ์ไฟฟ้า โดยนิยามทั้งสองข้างต้นอ้างอิงจากคลื่นรูปไซน์ สำหรับรูปคลื่นที่ไม่ใช่คลื่นรูปไซน์ (Non–sinusoidal Waveform) คุณลักษณะของแรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้าจะมีค่าแตกต่างออกไป จึงเป็นสิ่งจำเป็นที่จะต้องพิจารณาในการกำหนดพิกัดของอุปกรณ์ไฟฟ้า เช่น แรงดันไฟฟ้าสูงสุด (Peak Voltage Level) และกระแสไฟฟ้าสูงสุด (Peak Current Level) ของรูปคลื่นที่ไม่ใช่คลื่นรูปไซน์ จะมีค่าสูงกว่าค่าดังกล่าวทั้งสองของคลื่นรูปไซน์ที่ค่า RMS เดียวกัน แรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้าดังกล่าวมีผลทำให้ฉนวนไฟฟ้าเกิดความร้อนเกินขึ้นได้
โหลดติดตั้ง (Connected Load) ผลรวมของโหลดทั้งหมดที่ติดตั้งในระบบไฟฟ้าของโครงการ ปกติมีหน่วยเป็นกิโลวัตต์ หรือกิโลโวลต์–แอมแปร์
ดีมานด์แฟกเตอร์ (Demand Factor) ค่านี้เป็นตัวคูณลดกับค่าโหลดติดตั้งของระบบไฟฟ้าเพื่อคำนวณหาค่าความต้องการกำลังไฟฟ้าสูงสุด (Maximum Demand) โดยคำนึงถึงความจริงที่ว่าอุปกรณ์ไฟฟ้าทั้งหมดที่ติดตั้งในระบบไฟฟ้าไม่ได้ทำงานที่โหลดเต็มพิกัดหรือทำงานตลอดเวลา ปกติแล้วดีมานด์แฟกเตอร์จะมีค่าน้อยกว่าหนึ่งหรือเท่ากับหนึ่งเสมอ คำนวณได้จากสมการข้างล่าง
โหลดแฟกเตอร์ (Load Factor) คืออัตราส่วนระหว่างค่าความต้องการกำลังไฟฟ้าเฉลี่ย (Average Demand) กับค่าความต้องการกำลังไฟฟ้าสูงสุด (Maximum Demand) ในช่วงเวลาหนึ่ง ๆ เช่นอาคารสำนักงานในช่วงเวลา 09:00–17:00 ค่าโหลดแฟกเตอร์จะมีค่าใกล้เคียงกับหนึ่ง รูปแบบของโหลดไฟฟ้า (Electrical Load Profile) ของอาคารสำนักงานจะเป็นไปตามตัวอย่างของกราฟในรูปที่ 1
รูปที่ 1 ตัวอย่างรูปแบบของโหลดไฟฟ้าของอาคารสำนักงานทั่วไป
ความต้องการกำลังไฟฟ้าสูงสุดหรือความต้องการกำลังไฟฟ้าเป็นค่ากำลังไฟฟ้าแท้จริงของโหลดไฟฟ้าในระบบขณะทำงานมีหน่วยเป็นกิโลวัตต์ ค่าความต้องการกำลังไฟฟ้าสามารถวัดได้จากวัตต์มิเตอร์ หรือคำนวณได้จากการคูณ Connected Loads ด้วยค่าดีมานด์แฟกเตอร์ ในการคำนวณค่าไฟฟ้าของการไฟฟ้าท้องถิ่น ค่าความต้องการกำลังไฟฟ้าสูงสุดจะวัดจากค่าดีมานด์โหลดสูงสุดทุก ๆ 15 นาที
ประเภทของโหลดไฟฟ้า
โหลดไฟฟ้าของอาคารเพื่อการพาณิชย์ (Commercial Building) แบ่งออกเป็นประเภทต่าง ๆ ได้แก่
-โหลดแสงสว่าง
-โหลดเต้ารับใช้งานทั่วไปและโหลดพิเศษต่าง ๆ
- โหลดระบบปรับอากาศและระบายอากาศ
- โหลดลิฟต์และบันไดเลื่อน
โหลดแสงสว่าง จากข้อมูลความส่องสว่างของโครงการประเภทอาคารสำนักงานพบว่าค่ากำลังไฟฟ้าสัมพันธ์กับค่าความส่องสว่างโดยมีค่ากำลังไฟฟ้าอยู่ระหว่าง 8–18 Watt/m2 สำหรับค่าความส่องสว่างระหว่าง 350–500 ลักซ์ ในบางพื้นที่ของอาคาร อาจจะมีระบบไฟฟ้าแสงสว่างพิเศษ (Special–purpose Lighting) ซึ่งมีค่ากำลังไฟฟ้าที่สูงกว่าระบบไฟฟ้าแสงสว่างทั่วไป ระบบไฟฟ้าแสงสว่างพิเศษ เช่น Display Lighting, Theatrical Lighting, Lighting for Medical Treatment เป็นต้น ผลของระบบไฟฟ้าแสงสว่างพิเศษที่มีต่อการคำนวณโหลดไฟฟ้าต้องพิจารณาเป็นกรณี ๆ ไป อย่างไรก็ตามสำหรับอาคารสำนักงาน พื้นที่ที่ต้องการการส่องสว่างด้วยระบบไฟแสงสว่างพิเศษอาจจะเป็นพื้นที่ส่วนน้อยของพื้นที่ทั้งหมด ดังนั้นอาจจะมีผลเพียงเล็กน้อยต่อการคำนวณโหลดไฟฟ้าทั้งหมดที่เกิดจากระบบไฟฟ้าแสงสว่าง
โหลดเต้ารับใช้งานทั่วไปและโหลดพิเศษต่าง ๆ ส่วนใหญ่เป็นเครื่องใช้ไฟฟ้าที่ใช้เต้าเสียบและอุปกรณ์ไฟฟ้าที่ติดตั้งถาวร โดยเครื่องใช้ไฟฟ้าและอุปกรณ์ไฟฟ้าเหล่านี้ถูกนำเข้ามาใช้งานโดยผู้ใช้อาคารไม่ได้ถูกกำหนดหรือออกแบบไว้โดยวิศวกรไฟฟ้าออกแบบ โหลดเต้ารับใช้งานทั่วไปมีความต้องการที่หลากหลายตามแต่ละประเภทของพื้นที่ ในบางพื้นที่แทบจะไม่มีโหลดไฟฟ้าเลยเมื่อเทียบกับบางพื้นที่เช่น ห้องคอมพิวเตอร์ หรือสำนักงาน ซึ่งมีค่ากำลังไฟฟ้าสูง
ถ้ามีพื้นที่พิเศษที่รู้จักประเภทของโหลดไฟฟ้าอยู่แล้ว ควรใช้ค่ากำลังไฟฟ้าเฉลี่ยที่มีค่าสูงในการคำนวณโหลดไฟฟ้า เช่นอาจจะใช้ค่ากำลังไฟฟ้าเฉลี่ยต่อพื้นที่ 250–500 วัตต์ต่อตารางเมตรสำหรับห้องคอมพิวเตอร์ขนาดใหญ่ เป็นต้น อย่างไรก็ตามในการคำนวณโหลดไฟฟ้าวิศวกรไฟฟ้าออกแบบมีหน้าที่ที่จะทำให้ได้มาซึ่งรายละเอียดของอุปกรณ์ไฟฟ้าหรือเครื่องใช้ไฟฟ้าทั้งหมดที่ติดตั้งในระบบไฟฟ้ารวมถึงต้องเผื่อโหลดที่ติดตั้งใช้งานเพิ่มเติมในอนาคตด้วย
โหลดระบบปรับอากาศและระบายอากาศ ในอาคารที่มีการปรับอากาศและระบายอากาศด้วยวิธีทางกล โหลดระบบปรับอากาศและระบายอากาศคิดเป็น 50–70% ของโหลดทั้งหมดของอาคารหรือโครงการ โหลดระบบปรับอากาศและระบายอากาศได้รับผลกระทบจากชนิดของเปลือกอาคาร, ปริมาณอากาศภายนอกที่เติมเข้ามาในอาคาร (Fresh Air Requirement) และความร้อนที่เกิดขึ้นจากโหลดแสงสว่าง, ผู้คนที่อยู่ในอาคารและเครื่องใช้ไฟฟ้าและอุปกรณ์ไฟฟ้า โดยทั่วไปโหลดไฟฟ้าของระบบปรับอากาศและระบายอากาศมีค่าระหว่าง 50–60 วัตต์ต่อตารางเมตร แต่อาจจะต้องมีการประเมินเป็นรายโครงการไป
โหลดลิฟต์และบันไดเลื่อน จำนวนลิฟต์, ความเร็วลิฟต์และน้ำหนักบรรทุกของลิฟต์ขึ้นอยู่กับจำนวนคนที่ใช้อาคาร (Building Population) อาคารขนาดใหญ่ อาคารขนาดใหญ่พิเศษ อาคารสูงจะมีโหลดลิฟต์หลายร้อยกิโลวัตต์ติดตั้งอยู่ในโครงการ อย่างไรก็ตามโหลดลิฟต์สูงสุด (Peak Loads) จัดเป็นโหลดชนิดที่เกิดขึ้นเป็นระยะ ๆ ในช่วงเวลาสั้น ๆ (Intermittent Loads) เมื่อเทียบกับโหลดรวมของอาคารจะมีผลไม่มากนัก แต่ก็ละเลยโหลดกลุ่มนี้ไม่ได้
สำหรับกระแสสตาร์ทของมอเตอร์ลิฟต์ขนาดใหญ่จำเป็นต้องมีการพิจารณา เพราะอาจจะส่งผลกระทบต่อแรงดันไฟฟ้าของระบบไฟฟ้าได้ ชุดควบคุมลิฟต์ชนิดโซลิดสเตต คอนโทรลเลอร์สามารถทำให้เกิดสัญญาณรบกวนทางไฟฟ้า (Electrical Disturbance) ขึ้นในระบบจ่ายพลังงานไฟฟ้าโดยเฉพาะอย่างยิ่งในกรณีที่โหลดลิฟต์เป็นสัดส่วนที่สูงเมื่อเทียบกับโหลดรวมรวมถึงในกรณีที่มีการจ่ายไฟฟ้าจากเครื่องกำเนิดไฟฟ้าให้กับโหลดลิฟต์
การคำนวณโหลดไฟฟ้า
ในการคำนวณโหลดไฟฟ้าในขั้นตอนแรกของการออกแบบ วิศวกรไฟฟ้าออกแบบสามารถใช้ตัวเลขความต้องการกำลังไฟฟ้า VA /m2 หรือ วัตต์ต่อตารางเมตรในการคำนวณโหลดไฟฟ้ารวมของโครงการได้ โดยต้องเป็นตัวเลขที่สมเหตุสมผลและสามารถตรวจสอบและวิเคราะห์ได้จากโครงการประเภทเดียวกัน ในการใช้ตัวเลขดังกล่าวนี้คูณกับพื้นที่ของโครงการ แนะนำว่าให้ใช้พื้นที่รวม หรือ Gross Area ในการคำนวณโดยหักพื้นที่ที่ไม่เกี่ยวข้องออกเช่นปล่องลิฟต์, บันไดระหว่างชั้น เป็นต้น
ตารางที่ 1 ค่าความต้องการกำลังไฟฟ้าของโหลดแสงสว่างรวมกับโหลดเต้ารับทั่วไปของโครงการหรืออาคารประเภทต่าง ๆ
|
ประเภทอาคาร |
ความต้องการกำลังไฟฟ้า |
|
สำนักงาน |
60 |
|
โรงเรียน |
30 |
|
อาคารพักอาศัย |
30 |
|
โรงพยาบาล |
25 |
|
โรงแรม |
25 |
ตารางที่ 1 แสดงค่าความต้องการกำลังไฟฟ้าของโหลดแสงสว่างรวมกับโหลดเต้ารับทั่วไปของโครงการประเภทต่าง ๆ ซึ่งตัวเลขที่แสดงอยู่นี้เป็นค่าต่ำสุด (Minimum Requirement) การคำนวณโหลดรวมของโครงการต้องรวมโหลดระบบปรับอากาศและระบายอากาศ, โหลดลิฟต์, โหลดระบบสุขาภิบาล เป็นต้นเข้าไปกับโหลดแสงสว่างและโหลดเต้ารับทั่วไปที่ได้จากการคำนวณด้วย
ตารางที่ 2 ตัวอย่างความต้องการกำลังไฟฟ้าสูงสุดของโครงการอาคารสำนักงานต่าง ๆ
|
อาคารลำดับที่ |
พื้นที่รวม (Gross Area/m2) |
ค่าความต้องการกำลังไฟฟ้าสูงสุด (Maximum Demand/MW) |
ค่าความต้องการกำลังไฟฟ้าสูงสุดต่อพื้นที่ |
|
A |
35,000 |
2.32 |
67 |
|
B |
28,000 |
2.34 |
84 |
|
C |
40,000 |
3.28 |
82 |
|
D |
46,000 |
2.42 |
53 |
|
E |
50,000 |
2.1 |
42 |
ตารางที่ 2 แสดงค่าดีมานด์โหลดสูงสุดที่วัดได้ของอาคารสำนักงานที่ทันสมัยด้วยเทคโนโลยีที่นำสมัย แต่ละอาคารเป็นอาคารปรับอากาศทั้งอาคารพร้อมสิ่งอำนวยความสะดวกสำหรับการทำธุรกิจในยุคโลกาภิวัฒน์ บางอาคารประกอบด้วยสำนักงานที่ประกอบธุรกิจด้านการเงินและหลักทรัพย์จำนวนมาก (แน่นอนต้องมีโหลดคอมพิวเตอร์จำนวนมากติดตั้งอยู่)
Diversity and Demand
โหลดไฟฟ้าที่ทำงานจริงแทบจะไม่เคย (ถ้ามี) เท่ากับโหลดทั้งหมดที่ติดตั้งในระบบไฟฟ้า ค่าดีมานด์โหลดสูงสุดจะสัมพันธ์กับโหลดทั้งหมดที่ติดตั้งในระบบไฟฟ้าหรือผลรวมของค่าดีมานด์โหลดผ่านค่าดีมานด์แฟกเตอร์หรือค่า Diversity Factor เนื่องจากโหลดทั้งหมดที่ติดตั้งในระบบไฟฟ้าสามารถแบ่งออกเป็นโหลดกลุ่มย่อย ๆ หรือกลุ่มของวงจรย่อยได้ ซึ่งจะเชื่อมต่อเข้าด้วยกันด้วยสายป้อนจำนวนมากกลายเป็นเครือข่ายของวงจรไฟฟ้า
วงจรย่อยแต่ละวงจรจะจ่ายกำลังไฟฟ้าให้กับอุปกรณ์ไฟฟ้าหรือเครื่องใช้ไฟฟ้าแต่ละชิ้น โหลดรวมของโหลดไฟฟ้าที่ทำงานจริง ณ ตำแหน่งใด ๆ ในระบบไฟฟ้า ณ เวลาใดเวลาหนึ่ง คือผลรวมของโหลดทั้งหมด ณ ตำแหน่ง Downstream ณ เวลานั้น ๆ Diversity เกิดขึ้นขณะโหลดไฟฟ้าทำงานเนื่องจากโหลดทั้งหมดที่ติดตั้งในระบบไฟฟ้าไม่ได้ทำงานทันทีทันใดพร้อมกันหรือทำงานทันทีทันใดพร้อมกันที่โหลดพิกัดสูงสุด (Maximum Rating) ตัวอย่างที่เกิดขึ้นในอาคาร ได้แก่
-ไฟแสงสว่างทำงานตอบสนองต่อแสงธรรมชาติหรือคนที่เข้ามาในพื้นที่ โดยเฉพาะอย่างยิ่งถ้าใช้ระบบควบคุมแสงสว่างอัตโนมัติ อย่างไรก็ตามเป็นเรื่องผิดปกติอย่างมากถ้าไฟแสงสว่างทั้งหมดเปิดพร้อมกัน เพราะมีบางพื้นที่ เช่นห้องเก็บของ ห้องประชุมอาจจะไม่ได้เปิดไฟเพื่อใช้งาน
- โหลดของเต้ารับใช้งานทั่วไปมักจะใช้งานในช่วงเวลาสั้น ๆ (Intermittent) เช่น เครื่องถ่ายเอกสาร หรือ Hand Drier
- มอเตอร์มักจะไม่ได้ทำงานที่โหลดพิกัด เนื่องจากโหลดทางกลที่แกนหมุนของมอเตอร์มักจะน้อยกว่าโหลดพิกัด เนื่องจากโหลดทางกลมีการเปลี่ยนแปลงตลอดเวลา เช่นในระบบปรับอากาศ มีการเปลี่ยนแปลงปริมาณลมตามระบบควบคุม เป็นต้น
-โหลดบางประเภท เช่น เครื่องสูบน้ำเพื่อระบายน้ำ, เครื่องอัดลม (Air Compressor), ลิฟต์ เป็นต้น จะทำงานเป็นรอบ ๆ (Cyclical) นั่นหมายความว่าโหลดทั้งหมดที่ติดตั้งอยู่จะไม่ทำงานพร้อมกัน
- โหลดบางประเภทที่ติดตั้งอยู่ในระบบไฟฟ้าแทบจะไม่เคยทำงานเลย ยกเว้นในกรณีฉุกเฉินหรือต้องการทดสอบงานระบบ เช่น Jockey Pumps, Fire Pump เป็นต้น
-อุปกรณ์ไฟฟ้าหรือเครื่องใช้ไฟฟ้าหลายชนิดมักจะทำงานที่โหลดน้อยกว่าพิกัด
Diversity Factor มีหลักการว่าโหลดไฟฟ้าในขณะใดขณะหนึ่งจะไม่เท่ากับผลรวมของโหลดทั้งหมดในส่วนนั้น ๆ เนื่องจากความสัมพันธ์ด้านเวลา (Time Interdependence) ค่า Diversity Factor คำนวณได้จาก
ซึ่งค่า Diversity Factor จะมีค่าอย่างน้อยเท่ากับหนึ่งหรือมากกว่า ค่า Diversity Factor เท่ากับหนึ่งหมายความว่าโหลดทั้งหมดทำงานพร้อมกัน ตามตัวอย่างที่ 1
ตัวอย่างที่ 1 ระบบสายพานลำเลียงประกอบชุดขับเคลื่อน 6 ส่วน แต่ละส่วนขับเคลื่อนด้วยมอเตอร์ขนาด 2 กิโลวัตต์ จำนวน 1 ตัว ในขณะลำเลียงวัตถุดิบระบบสายพานส่วนแรกจะทำงานส่งวัตถุดิบต่อไปยังส่วนที่อยู่ถัดไปจนถึงส่วนสุดท้าย จงหาค่า Diversity Factor และ ค่าดีมานด์แฟกเตอร์
สมมติว่า ระบบสายพานลำเลียงเพียงส่วนเดียวจะทำงานลำเลียงวัตถุดิบในขณะใดขณะหนึ่งเท่านั้น ดังนั้นมอเตอร์จำนวน 5 ตัวจะทำงานโดยมี Mechanical Loss เทียบเท่ากับค่ากำลังไฟฟ้า 0.1 กิโลวัตต์ขณะที่สายพานหมุนไปเรื่อย ๆ ขณะที่มอเตอร์ที่เหลืออีกหนึ่งตัวจะทำงานเท่ากับค่ากำลังไฟฟ้า 1 กิโลวัตต์ขณะลำเลียงวัตถุดิบ นั่นคือมอเตอร์แต่ละตัวจะมีค่าดีมานด์โหลดเท่ากับ 1 กิโลวัตต์ ดังนั้น
วิศวกรไฟฟ้าออกแบบส่วนใหญ่จะคุ้นเคยกับค่าดีมานด์แฟกเตอร์และใช้ค่าดีมานด์แฟกเตอร์ในการคำนวณดีมานด์โหลด ส่วนค่า Diversity Factor มักจะคิดเป็นร้อยละของโหลดติดตั้งรวม
เอกสารอ้างอิง
1. CIBSE Guide K: Electricity in Building
2. www.cibse.org
3. มาตรฐานการติดตั้งทางไฟฟ้าแห่งประเทศไทย
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
