การพัฒนาแบบจำลองพลังงานเพื่อประเมินการใช้พลังงานและการลดการปลดปล่อยคาร์บอนไดออกไซด์ กรณีศึกษาอาคารที่พักอาศัยขนาดใหญ่
คำสำคัญ:
การจำลองพลังงานในอาคาร, อาคารใช้พลังงานเป็นศูนย์, หลังคาเขียว, ลดการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์บทคัดย่อ
งานวิจัยนี้มุ่งเน้นการพัฒนาแบบจำลองพลังงานสามมิติสำหรับอาคารที่พักอาศัยขนาดใหญ่ โดยมีวัตถุประสงค์เพื่อประเมินการใช้พลังงานและลดการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) ผ่านการปรับปรุงมาตรการพลังงานต่าง ๆ ที่เกี่ยวข้องกัน ซึ่งมีความสำคัญเป็นอย่างยิ่งในการส่งเสริมและสนับสนุนเป้าหมายในการลดผลกระทบด้านสิ่งแวดล้อมในภาคอาคารและการบรรลุเป้าหมายในการพัฒนาที่ยั่งยืน งานวิจัยนี้ใช้ข้อมูลจากอาคารที่พักอาศัยต้นแบบ 5 ประเภทในประเทศไทยที่มีพื้นที่ใช้สอยมากกว่า 300 m2 นำมาสร้างแบบจำลองพลังงานสามมิติด้วยโปรแกรม SketchUp และ OpenStudio พร้อมวิเคราะห์การใช้พลังงานด้วย EnergyPlus และนำมาตรการพลังงานพลังงานจำนวน 25 รูปแบบ ครอบคลุมทั้งการออกแบบทางกายภาพ เช่น การเลือกใช้กระจกผนังและวัสดุฉนวนกันความร้อน และการจัดการพื้นที่สีเขียวโดยการติดตั้งหลังคาเขียว (Green Roof) ผลการศึกษาแสดงให้เห็นว่า มาตรการพลังงานที่มีประสิทธิภาพสูงสุด ได้แก่ มาตรการ กระจก Double IGU with Low-E (4W4) + ผนังอิฐมวลเบา AAC (8F3) + ฉนวนกันความร้อน PU Foam (13I3) + หลังคาไวนิล (17R2) + Green Roof 50 cm (25P5) สามารถลดการใช้พลังงานและลดการปล่อย CO2 ได้เฉลี่ยสูงสุดถึงร้อยละ 58 เมื่อเทียบกับอาคารต้นแบบก่อนการปรับปรุง ในเชิงเศรษฐศาสตร์ การลดการใช้พลังงานและลดการปล่อย CO2 ส่งผลให้ค่าใช้จ่ายด้านพลังงานในระยะยาวลดลงอย่างมีนัยสำคัญ โดยเฉพาะในกรณีการปรับใช้มาตรการที่เหมาะสมกับบริบทของอาคาร เช่น การเลือกวัสดุและเทคโนโลยีที่มีต้นทุนเริ่มต้นไม่สูงแต่มีประสิทธิภาพยาวนานในระยะเวลาใช้งาน นอกจากนี้ มาตรการดังกล่าวยังช่วยเพิ่มความสะดวกสบายในอาคาร ลดภาระค่าใช้จ่ายในครัวเรือน และส่งเสริมคุณภาพชีวิตของผู้อยู่อาศัย อย่างไรก็ตาม งานวิจัยนี้มีข้อจำกัดบางประการ เช่น การสร้างแบบจำลองพลังงานอาจขึ้นอยู่กับสมมติฐานด้านพฤติกรรมการใช้งานและลักษณะอาคารที่เก็บข้อมูลมาจากอาคารในประเทศไทย ซึ่งอาจไม่ครอบคลุมถึงอาคารประเภทอื่น ๆ หรืออาคารในภูมิภาคอื่นที่มีสภาพภูมิอากาศที่แตกต่างกัน ผลการวิจัยนี้สามารถช่วยผู้มีส่วนได้ส่วนเสีย ผู้กำหนดนโยบายด้านพลังงาน และภาคเอกชนที่สนใจเรื่องอาคารประหยัดพลังงาน ในการนำข้อมูลไปใช้สนับสนุนในการตัดสินใจเพื่อออกแบบและปรับปรุงอาคารให้สอดคล้องกับมาตรฐานการใช้พลังงานขั้นสูง (HEPS) และก้าวสู่เป้าหมายการสร้างอาคารพลังงานสุทธิเป็นศูนย์ (Net Zero Energy Building) ซึ่งเป็นแนวทางสำคัญในการส่งเสริมความยั่งยืนของภาคอาคารในอนาคตได้ต่อไป
เอกสารอ้างอิง
Ahmed, O., Sezer, N., Ouf, M., Wang, L. (Leon), & Hassan, I. G. (2023). State-of-the-art review of occupant behavior modeling and implementation in building performance simulation. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 185, 113558. https://doi.org/10.1016/j.rser.2023.113558
Al Rashdi, S. A., Sudhir, C. V., Basha, J. S., Saleel, C. A., Soudagar, M. E. M., Yusuf, A. A., & Afzal, A. (2022). A case study on the electrical energy auditing and saving techniques in an educational institution (IMCO, Sohar, Oman). Case Studies in Thermal Engineering, 31, 101820. https://doi.org/10.1016/j.csite.2022.101820
Altan, H., Hajibandeh, M., Tabet Aoul, K. A., & Deep, A. (2016). Passive design. In M. Noguchi, (Eds.), ZEMCH: Toward the delivery of zero energy mass custom homes. Springer Tracts in Civil Engineering (pp. 209–236). Cham: Springer.
Amin Mirjalili, S. M., Aslani, A., & Zahedi, R. (2023). Towards sustainable commercial-office buildings: Harnessing the power of solar panels, electric vehicles, and smart charging for enhanced energy efficiency and environmental responsibility. Case Studies in Thermal Engineering, 52, 103696. https://doi.org/10.1016/j.csite.2023.103696
Behzadi, A., Holmberg, S., Duwig, C., Haghighat, F., Ooka, R., & Sadrizadeh, S. (2022). Smart design and control of thermal energy storage in low-temperature heating and high-temperature cooling systems: A comprehensive review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 166, 112625. https://doi.org/10.1016/j.rser.2022.112625
Bland, A., Khzouz, M., Statheros, T., & Gkanas, E. (2017). PCMs for residential building applications: A short review focused on disadvantages and proposals for future development. Buildings, 7(3), 78. https://doi.org/10.3390/buildings7030078
Bunnag, N. (2022). Sustainable urbanization. Retrieved from https://www.sdgmove.com/2021/07/22/sdg-vocab-37-sustainable-urbanization/
Chen, J., Wang, H., & Xie, P. (2019). Pavement temperature prediction: Theoretical models and critical affecting factors. Applied Thermal Engineering, 158, 113755. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2019.113755
Chi, F., Gao, K., Zhang, S., & He, L. (2023). Thermal performance regulation and optimization for rooms of residential buildings via using radiative cooling and solar heating system. Journal of Cleaner Production, 430, 139605. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2023.139605
Ferahtia, S., Houari, A., Cioara, T., Bouznit, M., Rezk, H., & Djerioui, A. (2024). Recent advances on energy management and control of direct current microgrid for smart cities and industry: A Survey. Applied Energy, 368, 123501. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2024.123501
Hussain, S., Sharma, S. K., & Lal, S. (2024). Feasible synergy between hybrid solar PV and wind system for energy supply of a green building in Kota (India): A case study using iHOGA. Energy Conversion and Management, 315, 118783. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2024.118783
Kampelis, N., Papayiannis, G. I., Kolokotsa, D., Galanis, G. N., Isidori, D., Cristalli, C., & Yannacopoulos, A. N. (2020). An Integrated Energy Simulation Model for Buildings. Energies, 13(5), 1170. https://doi.org/10.3390/en13051170
Kishore, P., Selvam, N., Didwania, S., & Augenbroe, G. (2022). Understanding BIPV performance with respect to WWR for energy efficient buildings. Energy Reports, 8, 1073–1083. https://doi.org/10.1016/j.egyr.2022.10.371
Lapisa, R. (2019). The effect of building geometric shape and orientation on its energy performance in various climate regions. International Journal of GEOMATE, 16(53), 113-119. https://doi.org/10.21660/2019.53.94984
Lee, K., & Lim, H. (2024). Correlation analysis of building parameters according to ASHRAE Standard 90.1. Journal of Building Engineering, 82, 108130. https://doi.org/10.1016/j.jobe.2023.108130
Lee, R., Choi, M., Yoon, J., & Kim, D. (2023). Impacts of lighting and plug load variations on residential building energy consumption targeting zero energy building goals. Journal of Building Engineering, 75, 106962. https://doi.org/10.1016/j.jobe.2023.106962
Mandel, T., & Pató, Z. (2024). Towards effective implementation of the energy efficiency first principle: a theory-based classification and analysis of policy instruments. Energy Research & Social Science, 115, 103613. https://doi.org/10.1016/j.erss.2024.103613
Ministry of Energy. (2018). BESM building energy simulation program manual. Bangkok: Ministry of Energy (in Thai)
Ministry of Energy. (2020). Energy efficiency plan. Bangkok: Ministry of Energy. (in Thai)
Nguyen, A. T., Pham, D. H., Oo, B. L., Santamouris, M., Ahn, Y., & Lim, B. T. H. (2024). Modelling building HVAC control strategies using a deep reinforcement learning approach. Energy and Buildings, 310, 114065. https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2024.114065
Nur-E-Alam, M., Vasiliev, M., Yap, B. K., Islam, M. A., Fouad, Y., & Kiong, T. S. (2024). Design, fabrication, and physical properties analysis of laminated Low-E coated glass for retrofit window solutions. Energy and Buildings, 318, 114427. https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2024.114427
Ono, E., Tekler, Z. D., Lam, K. P., Jin, Y., Yan, D., & Chong, A. (2024). Evaluating the sensitivity and robustness of occupancy models for building energy simulation during design. Building and Environment, 261, 111739. https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2024.111739
Polkhuntod, A., & Chamsa-ard, W. (2021). Design of a prototype for zero net energy smart office building. Phitsanulok: Naresuan University. (in Thai)
Qian, H., Tang, M., Wang, D., & Fang, J. (2017). Effect of insulation ground on anti-condensation in rural residence. Procedia Engineering, 180, 91–98. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2017.04.168
Ramirez, J. P. D., Nagarsheth, S. H., Ramirez, C. E. D., Henao, N., & Agbossou, K. (2024). Synthetic dataset generation of energy consumption for residential apartment building in cold weather considering the building’s aging. Data in Brief, 54, 110445. https://doi.org/10.1016/j.dib.2024.110445
Raof, B. (2017). The correlation between building shape and building energy performance. International Journal of Advanced Research, 5(5), 552–561. https://doi.org/10.21474/IJAR01/4145
Sani, S. B., Celvakumaran, P., Ramachandaramurthy, V. K., Walker, S., Alrazi, B., Ying, Y. J., & Rahman, M. H. A. (2020). Energy storage system policies: Way forward and opportunities for emerging economies. Journal of Energy Storage, 32, 101902. https://doi.org/10.1016/j.est.2020.101902
Sarmento, E. M. de M., Ribeiro, I. F., Marciano, P. R. N., Neris, Y. G., Rocha, H. R. de O., Mota, V. F. S., & Villaça, R. da S. (2024). Forecasting energy power consumption using federated learning in edge computing devices. Internet of Things, 25, 101050. https://doi.org/10.1016/j.iot.2023.101050
Shabunko, V., Lim, C. M., & Mathew, S. (2018). EnergyPlus models for the benchmarking of residential buildings in Brunei Darussalam. Energy and Buildings, 169, 507–516. https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2016.03.039
Sun, Y. (2024). The impact of green buildings on CO2 emissions: Evidence from commercial and residential buildings. Journal of Cleaner Production, 469, 143168. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2024.143168
TGO. (2024). Emission factors. Retrieved from https://www.tgo.or.th/2023/index.php/th/ (in Thai)
U.S. Department of Energy’s (DOE). (2023). Weather data. Retrieved from https://energyplus.net/weather
U.S. Department of Energy’s (DOE). (2024). EnergyPlus. Retrieved from https://energyplus.net/
Uddin, M. N., Wei, H. H., Chi, H. L., & Ni, M. (2019). An inquisition of envelope fabric for building energy performance using prominent BIM-BPS tools—A case study in sub-tropical climate. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 354(1), 012129. https://doi.org/10.1088/1755-1315/354/1/012129
United Nations Climate Change. (2023). Summary of global climate action at COP28. Global Climate Action, 1–16. Retrieved from https://unfccc.int/sites/default/files/resource/GCA_COP27_Summary_o
Wang, J., Lu, X., Adetola, V., & Louie, E. (2024). Modeling Variable Refrigerant Flow (VRF) systems in building applications: A comprehensive review. Energy and Buildings, 311, 114128. https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2024.114128
Wang, M., & Lu, Z. (2022). Thermal and moisture coupling performances of poplar fiber inorganic humidity control brick. Construction and Building Materials, 348, 128656. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2022.128656
Wolday, F., & Böcker, L. (2023). Exploring changes in residential preference during COVID-19: Implications to contemporary urban planning. Environment and Planning B: Urban Analytics and City Science, 50(5), 1280–1297. https://doi.org/10.1177/23998083231164398
Yangtianzheng, Z., & Ying, G. (2024). Spatial patterns and trends of inter-city population mobility in China—Based on Baidu migration big data. Cities, 151, 105124. https://doi.org/10.1016/j.cities.2024.105124
Yu, C.-R., Guo, H.-S., Wang, Q.-C., & Chang, R.-D. (2020). Revealing the Impacts of Passive Cooling Techniques on Building Energy Performance: A Residential Case in Hong Kong. Applied Sciences, 10(12), 4188. https://doi.org/10.3390/app10124188
Zhong, W., Schröder, T., & Bekkering, J. (2024). Implementing biophilic design in architecture through three-dimensional green spaces: Guidelines for building technologies, plant selection, and maintenance. Journal of Building Engineering, 92, 109648. https://doi.org/10.1016/j.jobe.2024.109648
Ziaeemehr, B., Jandaghian, Z., Ge, H., Lacasse, M., & Moore, T. (2023). Increasing solar reflectivity of building envelope materials to mitigate urban heat islands: State-of-the-art review. Buildings, 13(11), 2868. https://doi.org/10.3390/buildings13112868
