ดร.พานิช อินต๊ะ, ผศ.ดร.ณัฐวุฒิ ดุษฎี
panich_intra@yahoo.com
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

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 = K_pe + u₀………………… (1)

โดยที่ u คือเอาต์พุตของตัวควบคุมสมมาตร e คือการชดเชย (Offset) หรือความผิดพลาด (Error) เป็นความแตกต่างระหว่างเป้าหมายการควบคุมและค่าของตัวแปรควบคุม K_p 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

(ก) เมื่ออัตราความร้อน Q = Q_min = 0 kW โดยอุณหภูมิอากาศที่ทางออกของขดลวดทำความร้อนคือ T_air = T_min = 35^oC – 5^oC = 30^oC และ

(ข) เมื่ออัตราความร้อน Q = Q_max = 50 kW โดยอุณหภูมิอากาศที่ทางออกของขดลวดทำความร้อนคือ T_air = T_max = 35^oC + 5^oC = 35^oC
 เกนสมมาตร K_p สามารถหาได้จาก

ด้วยเหตุนี้ ถ้าอัตราความร้อนแตกต่างจาก Q_o = 25 kW จะทำให้จำนวน (T_setpoint - T_air) เป็นความผิดพลาดที่เกิดขึ้นในสมการการควบคุมสมมาตรไม่สามารถเท่ากับศูนย์ได้

3. การควบคุมแบบอินติเกรต (Integral Control) ในโหมดการควบคุมนี้เป็นการผสมผสานกันกับโหมดการควบคุมแบบสมมาตร เพื่อให้เป็นวิธีการแบบอัตโนมัติสำหรับการกำหนดเป้าหมายการควบคุมเพื่อให้สามารถประมาณค่าการชดเชยได้ การผสมกันของการกระทำแบบอินติเกรตและสมมาตรเรียกว่า Proportional-plus-integral หรือ การควบคุมแบบ PI อย่างง่าย โดยการควบคุม PI สามารถเขียนเป็นสมการทางคณิตศาสตร์ได้ดังนี้

โดยที่ K_i คือค่าคงที่เกนอินติเกรต (Integral Gain Constant) หรือเรียกว่าอัตราการปรับใหม่และมีผลของการบวกเพิ่มค่าความถูกต้องให้กับเอาต์พุตของตัวควบคุมเมื่อมีข้อผิดพลาดเกิดขึ้น สำหรับในระบบ HVAC ปกติแล้วอัตราส่วนของ K_p/K_i 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)

โดยที่ K_d คือค่าคงที่เกนอนุพันธ์ (Derivative Gain Constant) ในเทอมของอนุพันธ์ (Derivative Term) จะสร้างความสมมาตรที่กระทำอย่างถูกต้องกับการเปลี่ยนของอัตราเวลาของข้อผิดพลาด สำหรับในระบบ HVAC ส่วนใหญ่ ค่าอัตราส่วนของ K_d/K_p 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