การอนุรักษ์พลังงานกับการออกแบบสำนึกเรื่องพลังงาน
ปัญหาของการใช้พลังงานในอาคารจะมีการแก้ไขที่ดีที่สุดได้อย่างไร หนทางแก้ไขอันหนึ่งก็คือ การพึ่งพาเทคโนโลยี และระบบเครื่องกลในการผลิตพลังงาน โดยเชื่อว่า เทคโนโลยีจะช่วยแก้ปัญหาเหล่านี้ เทคโนโลยีและระบบเครื่องกลที่จะเข้ามาแก้ไขปัญหาเรื่องของ พลังงาน ได้แก่ การผลิตกระแสไฟฟ้าด้วยพลังงานนิวเคลียร์ การผลิตกระแสไฟฟ้าด้วยพลังงานแสงอาทิตย์โดยใช้ เซลล์แสงอาทิตย์ (Photovoltaic Cells) และการผลิตพลังงานโดยเซลล์เชื้อเพลิง (Fuel Cells) หนทางแก้ไขปัญหาการใช้พลังงานในอาคารอีกทางหนึ่งคือ การ พึ่งไปที่เทคโนโลยีการก่อสร้างอาคารให้อนุรักษ์พลังงาน เช่น การใช้ฉนวนกันความร้อน และกระจกสองชั้น (Double Glazing) เป็นต้น
 
ทั้งสองหนทางในการแก้ไขปัญหาพลังงานโดย ใช้เทคโนโลยีเป็นส่วนสำคัญในการช่วยแก้ไขปัญหา ก็ยังแก้ไขปัญหาไม่ได้ทั้งหมด ทางแก้ไขปัญหาที่ขาด ไปอีกทางหนึ่งก็คือการออกแบบ
 
ถ้าปัญหาพลังงานเข้ามาเป็นส่วนหนึ่งในประเด็น (Issues) ของการออกแบบที่แท้จริงแล้ว ผู้ออกแบบก็ต้องคิดที่จะนำเรื่องพลังงานเข้าไปในขบวนการออกแบบด้วย ดังนั้นการออกแบบสำนึกเรื่องพลังงาน (Energy Conscious Design) จึงสะท้อนถึงการตระหนักและคำนึงถึงเรื่องประสิทธิภาพพลังงานที่มีผลกระทบและถูกกระทบโดยลำดับขั้นตอนในการตัดสินใจตลอดขบวนการออกแบบ ซึ่งจะแตกต่างจากแนวทางอนุรักษ์พลังงานซึ่งอยู่บน รากฐานของการออกแบบธรรมดาและมีการดัดแปลง ตามความ จำเป็น และยิ่งไปกว่านั้น การออกแบบอาคารต้องใช้องค์ประกอบสภาพแวดล้อมด้านภูมิประเทศ และภูมิอากาศเข้ามาเป็นส่วนร่วมในการเสนอแนวทางแก้ไขการออกแบบเพื่อทำให้อาคารสอดคล้องกับ ธรรมชาติและใช้ระบบ ธรรมชาติมากที่สุดเพื่อใช้ พลังงานที่มีอยู่อย่างจำกัด (Nonrenewable Energy) เท่าที่จำเป็น นอกจากนั้นการออกแบบสำนึกเรื่องพลังงานยังรวมถึงการผนวกการพิจารณา เรื่องพลังงานเข้ากับการตัดสินใจในการออกแบบ โดยคำนึงถึงโปรแกรม สถานที่ตั้ง และรูปทรง พึ่งพาแหล่งพลังงานที่ได้มาฟรี ซึ่งมาจากสภาพแวดล้อมภายนอกและภายในอาคาร วิธีการนี้ มักเรียกว่าการออกแบบโดยไม่ใช้เครื่องกล (Passive Design) และการผนวกการออกแบบงานระบบให้มีประสิทธิภาพสูงสุด
 
พลังงานและกระบวนการออกแบบอาคาร
ถ้าจะทำให้อาคารเป็นอาคารที่การใช้พลังงานอย่างประหยัดและมีประสิทธิภาพ ผู้ออกแบบต้องขยาย ขอบเขตของการออกแบบ โดยรวมการพิจารณาเรื่องพลังงานเข้าไปด้วย พลังงานสามารถจะถูกมองเป็นหัวข้อหลักของการพิจารณาการออกแบบ ขั้นตอนพื้นฐานของการออกแบบที่สำนึกเรื่องพลังงาน (energy conscious design) มีดังนี้
1. ลดภาระพลังงานที่ใช้ในอาคาร
2. เลือกใช้แหล่งพลังงานหมุนเวียน (Renewable Resources) ก่อนอย่างใช้การได้ดี
3. ใช้พลังงานที่มีอยู่อย่างจำกัด (Nonrenewable Resources) ตามที่จำเป็นอย่างมีประสิทธิภาพ สูงสุด
 
สิ่งสำคัญอีกอันหนึ่งคือ การพิจารณาทบทวนเรื่องการใช้พลังงาน (energy performance) ที่ได้ออกแบบไปในแต่ละขั้นตอนของขบวนการ ออกแบบ จากประสบการณ์ที่ได้ปฏิบัติผ่านๆ มา ระดับของความ เป็นไปได้ในการประหยัดพลังงานในแต่ละขั้นตอนของขบวนการออกแบบ พอจะสรุปได้ว่า ในช่วงต้นของการออกแบบอาคารมีความเป็นไปได้ของ การประหยัดพลังงานมากถึงร้อยละ 40-50 แต่เมื่ออาคารก่อสร้างแล้วเสร็จการดำเนินการเพื่อประหยัดพลังงานนั้นมีเพียงร้อยละ 10-20 เท่านั้น
 
หลักการในการลดภาระพลังงานในอาคาร
ในหลักการของการออกแบบสำนึกเรื่องพลังงาน (Energy Conscious Design) นั้น อาคารควรพึ่งพาระบบธรรมชาติให้มากที่สุดก่อนเพื่อทำให้สภาพแวดล้อมภายในอาคารที่ออกแบบนั้นอยู่ในสภาวะน่าสบายมากที่สุด การออกแบบอาคารที่สอดคล้องและเข้ากับสภาพภูมิประเทศ และภูมิอากาศเป็นสิ่งสำคัญ นอกจากนั้นผู้ออกแบบอาคารควรพึ่งพาการออกแบบระบบที่ไม่ใช้เครื่องกล (Passive System) และใช้พลังงาน หมุนเวียน (renewable energy) ให้มากที่สุดก่อนเท่าที่จะทำได้ สำหรับการออกแบบอาคารขนาดเล็ก และขนาดกลาง การใช้ระบบ Passive และการใช้พลังงานหมุนเวียนสามารถกระทำได้มากกว่าอาคารขนาดใหญ่และอาคารสูง
 
การประหยัดพลังงานในอาคารนั้น โดยหลักใหญ่จะมุ่งเน้นไปที่พลังงานที่ใช้ในการดำเนินการใช้ (Operating) อาคาร พลังงานที่ใช้ในอาคารที่ออกแบบจะต้องให้ความสำคัญ คือ พลังงานที่ใช้ในระบบทำความเย็น (Cooling Load) และพลังงานที่ใช้ในระบบแสงสว่าง (Lighting Load) การออกแบบอาคารให้ประหยัดพลังงานโดยมุ่งเน้นเฉพาะการออกแบบ ระบบทำความเย็นและระบบแสงสว่างให้มีประสิทธิภาพสูงสุด โดยที่ ตัวอาคารเองไม่มีประสิทธิภาพในการลดภาระการทำความเย็น และภาระการทำแสงสว่างแล้ว การประหยัดพลังงานก็ไม่สามารถบรรลุเป้าหมายได้ ในทางกลับกันก็เช่นเดียวกัน ถ้าตัวอาคารเองมีการออกแบบที่คำนึงถึงพลังงานอย่างมีประสิทธิภาพที่ดีแล้ว แต่ระบบทำความเย็น และระบบ แสงสว่างมีประสิทธิภาพต่ำ และไม่สอดคล้องกับอาคารทีได้ออกแบบไว้แล้ว การประหยัดพลังงานก็จะไม่บรรลุประสิทธิผลดังที่ได้ตั้งใจไว้ การทำงาน ร่วมกันระหว่างสถาปนิกและวิศวกรนั้นจึงมีความสำคัญมาก ดังนั้นการ ออกแบบอาคารให้ประหยัดพลังงานต้องเริ่มต้นที่ตัวอาคารเองให้มีภาระ การทำความเย็นและภาระการให้แสงสว่างน้อยที่สุดเท่าที่จะทำได้ จากนั้นจึงออกแบบเลือกระบบทีสอดคล้องกับการใช้งานและมีประสิทธิภาพสูง ผลลัพธ์ที่ได้คือ อาคารประหยัดพลังงานอย่างแท้จริง
 
การที่จะออกแบบลดภาระการทำความเย็น (Cooling Load) ให้กับอาคารนั้น ผู้ออกแบบจะต้องใช้ยุทธวิธีในการออกแบบที่จะลดความร้อนที่จะเกิดขึ้นในอาคาร (Heat Gain) ความร้อนที่จะเกิดขึ้นในอาคารนั้น มาจากแหล่งหลักๆ ดังนี้
1. การนำความร้อนจากภายนอกผ่านผนัง หลังคา และกระจก (Conduction Heat Gain)
2. ความร้อนจากรังสีอาทิตย์ (Solar Heat Gain) ผ่านช่องทางเปิด (fenestration)
3. ความร้อนจากการระบายอากาศ (Ventilation Heat Gain)
4. ความร้อนจากการรั่วซึมอากาศ (Infiltration Heat Gain)
5. ความร้อนจากแสงประดิษฐ์ (Lighting Heat Gain)
6. ความร้อนจากผู้ใช้อาคาร (Occupant Heat Gain)
7. ความร้อนจากอุปกรณ์ในอาคาร (Equipment Heat Gain)
 
อาคารแต่ละประเภทการใช้งาน ขนาดอาคาร รูปทรงของอาคาร ตำแหน่งที่ตั้ง ภูมิอากาศ เป็นต้น ปัจจัยเหล่านี้มีผลทำให้ความร้อนที่เกิดขึ้นในอาคาร (Heat Gain) แต่ละอาคารแตกต่างกันออกไป ผู้ออกแบบจะต้องมีความสามารถในการประเมินผล และการวิเคราะห์ว่าอาคาร ที่ได้ออกแบบไปนั้นความร้อนที่เกิดขึ้นในอาคาร (Heat Gain) มาจาก แหล่งไหนที่เป็นผลกระทบหลักต่อภาระการทำความเย็น (Cooling Load) และจะเลือกวิธีการออกแบบใดบ้างที่สามารถลดความร้อน (Heat Gain) เหล่านั้นได้อย่างมีประสิทธิภาพ
 
การออกแบบลดภาระแสงสว่าง (Lighting Load) ในอาคารนั้น มีข้อดีที่ส่งผลถึงภาระการทำความเย็น (Cooling Load) ด้วย หลักการ ที่สำคัญในการลดภาระการทำแสงสว่างก็คือ การนำแสงธรรมชาติ (Daylighting) เข้ามาทดแทนแสงประดิษฐ์ (Artificial Lighting) และการออกแบบระบบแสดงประดิษฐ์ให้เหมาะสมแก่การใช้งานและมีประสิทธิภาพสูงสุด
 
เนื่องจากแสงสว่างธรรมชาติภายนอกมีปริมาณมากเกินพอเกือบตลอดทั้งวัน การออกแบบอาคารที่มีการใช้งานในช่วงกลางวัน โดยการนำแสงสว่างธรรมชาติมาใช้ส่องสว่างแก่พื้นที่ภายในอาคารให้มากที่สุดจะเป็นแนวทางที่จะลดภาระการทำแสงสว่าง ลงได้อย่างมีประสิทธิผล เมื่อพื้นที่ภายในอาคารมีแสงสว่างธรรมชาติอย่างเพียงพอ การใช้แสงประดิษฐ์ก็หมดความจำเป็น การที่ไม่เปิดใช้ระบบแสงประดิษฐ์นั้น นอกจากจะลดการใช้พลังงานไฟฟ้าที่ใช้สำหรับการสอ่งสว่างแล้วยังสามารถช่วยลดภาระการทำความเย็นและภาระสูงสุด (Peak Load) ของระบบทำความเย็นอีกด้วย เนื่องจากกระแสไฟฟ้าที่ป้อนเข้าไปสู่ดวงโคมนั้น นอกจากพลังงานไฟฟ้า จะถูกเปลี่ยนเป็นแสงสว่างแล้วยังเปลี่ยนมาเป็นความร้อนด้วย ดังนั้นถ้ามีการใช้แสงประดิษฐ์เป็นจำนวนมากความร้อนที่ออกมาจากดวงโคมก็จะเป็นภาระต่อระบบ ปรับอากาศ เครื่องปรับอากาศก็ต้องมีขนาดใหญ่ขึ้น และทำงานมากขึ้นเพื่อดึงความร้อนที่เกิดขึ้นในอาคาร ออกไปทิ้งข้างนอก เพื่อคงระดับสภาวะน่าสบายภายในอาคารนั้นไว้ ท้ายสุดความต้องการการใช้พลังงานไฟฟ้าสำหรับแสงประดิษฐ์ และระบบทำความเย็นก็จะสูงขึ้นด้วย
 
มาตรฐานการอนุรักษ์พลังงาน
เมื่อได้ดำเนินการออกแบบอาคารเป็นรูปร่างแล้ว การที่จะบอกว่าอาคารนั้นประหยัดพลังงานจริงหรือไม่ จะต้องมีการตรวจสอบประเมินผลการใช้พลังงานและ เปรียบเทียบกับข้อกำหนดหรือมาตรฐาน เพื่อให้แน่ใจว่าอาคารนั้นประหยัดพลังงานจริง การที่ผู้ออกแบบได้ ออกแบบอาคารโดยนำแนวทางการออกแบบประหยัดพลังงานมาใช้แต่ปราศจากการตรวจสอบประเมินผล ทางด้านพลังงานว่าอาคารนั้นๆ มีการใช้พลังงานมากน้อยแค่ไหน หรือมีสมรรถนะ (Performance) การใช้พลังงานดีเลยอย่างไร ก็คงจะเป็นการยากที่จะตอบได้ว่าอาคาร ที่ได้รับการออกแบบนั้น ประหยัดพลังงานจริง
 
มีข้อเสนอหลายประการที่ใช้กำหนดการจำกัด การใช้พลังงานของอาคารในการดำเนินการใช้งาน รูปแบบที่สลับซับซ้อนน้อยที่สุดแต่ยากต่อการปฏิบัติ ควบคุม คือข้อกำหนดที่กำหนดพลังงานที่อนุญาตให้ใช้พลังงานได้สูงสุดต่อหน่วยพื้นที่ของอาคารต่อปี (Building Energy Performance Standard, BEPS) ในรูป ของ บีทียู/ตารางฟุต/ปี (Btr/sq.ft. yr.) หรือเมกะจูล/ตารางเมตร/ปี (MJ/sq.m. yr.) หรือกิโลวัตต์/ตารางเมตร/ปี (KW/sq.m. yr.) อีกข้อกำหนดหนึ่งเป็นข้อกำหนด ที่สลับซับซ้อนสำหรับการกำหนดแต่ค่อนข้างง่ายในการนำมาใช้ในการออกแบบ ผนัง หลังคา และส่วนต่างๆ คือ ข้อ กำหนดที่เป็นค่าสูงสุดของค่าความร้อนที่ถ่ายเทผ่าน เปลือกอาคาร (Maximum Orerall Thermal Transfer Value) หรือที่ตามกฎหมายที่ออกใช้บังคับในบ้านเราอีก OTTV (Overall Thermal Transfer Value) และ RTTV (Roof Overall Thermal Transfer Value) ข้อกำหนด ละเอียดย่อยอื่นๆ ลงไปก็ได้แก่ ประสิทธิภาพของเครื่องกล พลังงานไฟฟ้าสำหรับแสงสว่าง การควบคุมอัตราการระบายอากาศ การควบคุมความชื้นและการใส่ฉนวน ในท่อลม เป็นต้น
 
สำหรับข้อกำหนดที่ใช้ในประเทศไทย เป็นข้อกำหนดค่าความร้อนที่ถ่ายเทผ่านเปลือกอาคาร หรือที่เรียกว่า OTTV & RTTV ข้อกำหนดประสิทธิภาพของเครื่องกล และข้อกำหนดการให้แสงสว่าง ข้อกำหนด ดังกล่าวที่บังคับใช้อาจจะไม่สามารถทำให้อาคารประหยัดพลังงานจริงก็เป็นได้ เพราะ OTTV และ RTTV ควบคุมเฉพาะการนำความร้อน (Conduction Heat Gain) และรับสีอาทิตย์ (Solar Heat Gain) เท่านั้น ต่างกับ BEPS ซึ่งกำหนดเป็นผลลัพธ์ของการใช้พลังงานรวมของอาคาร แต่ละประเภท แต่ละขนาด ณ ภูมิอากาศหนึ่ง ๆ
 
ค่า BBPS สำหรับอาคารในประเทศไทย ยังไม่มีหน่วยงานไหนกำหนดขึ้นมาเป็นมาตรฐานใช้อ้างอิง เพื่อตรวจสอบว่าอาคารที่ออกแบบนั้นเข้าข่ายประหยัดพลังงานหรือไม่ แนวทางอีกแนวทางหนึ่งที่ผู้ออกแบบสามารถใช้วิเคราะห์ประเมินผลพลังงานของอาคารที่ได้ออกแบบไปก็คือ การตรวจสอบการใช้พลังงานของอาคารที่ออกแบบให้ประหยัดพลังงาน เปรียบเทียบกับการใช้พลังงานของอาคารที่ออกแบบได้ประหยัดพลังงานหรือ ลดการใช้พลังงานได้เท่าไรเมื่อเทียบกับอาคารทั่วๆ ไป ชนิดเดียวกัน
 
บทสรุป
ในสภาพการณ์ปัจจุบัน ที่ปัญหาพลังงานและปัญหาสิ่งแวดล้อมทวีความรุนแรงเพิ่มขึ้นทุกขณะ และ เป็นปัญหาหลักที่ทั่วโลกต่างให้ความสนใจและร่วมมือกัน แก้ปัญหานี้ ผู้ออกแบบอาคารก็มีส่วนช่วยบรรเทาปัญหาดังกล่าวได้โดยการออกแบบอาคารอย่างมีจิตสำนึกเรื่องพลังงาน และออกแบบอาคารให้ใช้พลังงานอย่างประหยัดและมีประสิทธิภาพ ภาระหน้าที่ของผู้ออกแบบคงจะต้องเพิ่มขึ้น แต่ผลลัพธ์ที่ได้กลับมาจะทำให้สิ่งแวดล้อมของโลกดีขึ้น
 
การออกแบบให้อาคารประหยัดพลังงานจะต้องพิจารณาตั้งแต่ วัสดุและขบวนการก่อสร้าง การดำเนินการใช้งานตลอดจนอายุไขอาคาร ที่สิ้นสุดลง และต้องอาศัยการทำงานเป็นทีมระหว่างเจ้าของอาคาร สถาปนิก และวิศวกร โดยเฉพาะขั้นตอนระหว่างช่วงต้นการออกแบบ (Schematic Design and Design Development) ซึ่งมีผลต่อความเป็นไปได้ในการประหยัดพลังงานที่สูงกว่าในขั้นตอนอื่นๆ ในกระบวนการออกแบบและ ก่อสร้าง ประเด็นของพลังงานจะต้องเข้ามามีส่วนในขบวนการตัดสินใจ การวิเคราะห์ตรวจสอบการใช้พลังงานทุกขั้นตอนของการออกแบบเป็นสิ่งจำเป็นเพื่อจะได้แน่ใจว่าอาคารที่ได้ออกแบบไว้นั้นสัมฤทธิผลอย่างแท้จริง
 
ที่มา วารสาร Engineering Today ฉบับปีที่ 1 ฉบับที่ 03 มีนาคม 2546 “การประหยัดพลังงานในอาคาร” เขียนโดย ธนิต จินดาวณิค จาก www.technologymedia.co.th