การคำนวณโหลดไฟฟ้า หัวใจของการออกแบบไฟฟ้ากำลังของระบบแรงต่ำของโครงการ

การคำนวณโหลดไฟฟ้า
หัวใจของการออกแบบไฟฟ้ากำลังของระบบแรงต่ำของโครงการ
ไฉน คำน้อย

การคำนวณโหลดไฟฟ้า เป็นหัวใจของการออกแบบไฟฟ้ากำลังของระบบแรงต่ำของโครงการ ในปัจจุบันอาคารสมัยใหม่มีอุปกรณ์ไฟฟ้าติดตั้งอยู่ภายในอาคารจำนวนมาก ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีทำให้ความต้องการกำลังไฟฟ้าที่จ่ายให้กับอุปกรณ์ ไฟฟ้าซึ่งกลายเป็นส่วนหนึ่งในการใช้ชีวิตและดำเนินธุรกิจของผู้คนต่าง ๆ เพิ่มสูงขึ้นอย่างต่อเนื่อง

ในบทความฉบับนี้ต้องการนำเสนอข้อควรพิจารณาในการคำนวณ โหลดไฟฟ้าสำหรับอาคารเพื่อการพาณิชย์ต่าง ๆ (Commercial Building) การคำนวณโหลดไฟฟ้าต้องคำนึงถึงการทำงานของโหลดไฟฟ้าต่าง ๆ ที่เป็นไปได้จริงเพื่อทำให้ระบบจ่ายพลังงานไฟฟ้าทำงานได้อย่างถูกต้องและ เหมาะสม ดังนั้นการคำนวณโหลดไฟฟ้าจึงต้องการวิศวกรไฟฟ้าออกแบบที่มีประสบการณ์และ ต้องมีข้อมูลการทำงานของโหลดไฟฟ้าของโครงการประเภทเดียวกันอย่างเพียงพอเป็น ข้อมูลอ้างอิง

คำศัพท์ต่าง ๆ ที่เกี่ยวข้อง
Active Power หรือกำลังไฟฟ้าแท้จริง (Real Power) เป็นกำลังไฟฟ้าเฉลี่ยในขณะใดขณะหนึ่งของช่วงเวลาในหนึ่งรูปคลื่นไฟฟ้ากระแส สลับ หน่วยกำลังไฟฟ้าแท้จริงมีหน่วยเป็นวัตต์ (Watt)

โหลดติดตั้ง (Connected Load) ผลรวมของโหลดทั้งหมดที่ติดตั้งในระบบไฟฟ้าของโครงการ ปกติมีหน่วยเป็นกิโลวัตต์ หรือกิโลโวลต์–แอมแปร์

ดีมานด์แฟกเตอร์ (Demand Factor) ค่านี้เป็นตัวคูณลดกับค่าโหลดติดตั้งของระบบไฟฟ้าเพื่อคำนวณหาค่าความต้อง การกำลังไฟฟ้าสูงสุด (Maximum Demand) โดยคำนึงถึงความจริงที่ว่าอุปกรณ์ไฟฟ้าทั้งหมดที่ติดตั้งในระบบไฟฟ้าไม่ได้ ทำงานที่โหลดเต็มพิกัดหรือทำงานตลอดเวลา ปกติแล้วดีมานด์แฟกเตอร์จะมีค่าน้อยกว่าหนึ่งหรือเท่ากับหนึ่งเสมอ คำนวณได้จากสมการข้างล่าง

โหลดแฟกเตอร์ (Load Factor) คืออัตราส่วนระหว่างค่าความต้องการกำลังไฟฟ้าเฉลี่ย (Average Demand) กับค่าความต้องการกำลังไฟฟ้าสูงสุด (Maximum Demand) ในช่วงเวลาหนึ่ง ๆ เช่นอาคารสำนักงานในช่วงเวลา 09:00–17:00 ค่าโหลดแฟกเตอร์จะมีค่าใกล้เคียงกับหนึ่ง รูปแบบของโหลดไฟฟ้า (Electrical Load Profile)

ความต้องการกำลังไฟฟ้าสูงสุดหรือความต้องการกำลังไฟฟ้าเป็นค่ากำลังไฟฟ้าแท้ จริงของโหลดไฟฟ้าในระบบขณะทำงานมีหน่วยเป็นกิโลวัตต์ ค่าความต้องการกำลังไฟฟ้าสามารถวัดได้จากวัตต์มิเตอร์ หรือคำนวณได้จากการคูณ Connected Loads ด้วยค่าดีมานด์แฟกเตอร์ ในการคำนวณค่าไฟฟ้าของการไฟฟ้าท้องถิ่น ค่าความต้องการกำลังไฟฟ้าสูงสุดจะวัดจากค่าดีมานด์โหลดสูงสุดทุก ๆ 15 นาที

ประเภทของโหลดไฟฟ้า
โหลดไฟฟ้าของอาคารเพื่อการพาณิชย์ (Commercial Building) แบ่งออกเป็นประเภทต่าง ๆ ได้แก่
-โหลดแสงสว่าง

-โหลดเต้ารับใช้งานทั่วไปและโหลดพิเศษต่าง ๆ

- โหลดระบบปรับอากาศและระบายอากาศ

- โหลดลิฟต์และบันไดเลื่อน


โหลดแสงสว่าง จากข้อมูลความส่องสว่างของโครงการประเภทอาคารสำนักงานพบว่าค่ากำลังไฟฟ้า สัมพันธ์กับค่าความส่องสว่างโดยมีค่ากำลังไฟฟ้าอยู่ระหว่าง 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 พื้นที่ที่ต้องการการส่องสว่างด้วยระบบไฟแสงสว่างพิเศษอาจจะเป็นพื้นที่ส่วน น้อยของพื้นที่ทั้งหมด ดังนั้นอาจจะมีผลเพียงเล็กน้อยต่อการคำนวณโหลดไฟฟ้าทั้งหมดที่เกิดจากระบบ ไฟฟ้าแสงสว่าง


โหลดเต้ารับใช้งานทั่วไปและโหลดพิเศษต่าง ๆ ส่วนใหญ่เป็นเครื่องใช้ไฟฟ้าที่ใช้เต้าเสียบและอุปกรณ์ไฟฟ้าที่ติดตั้งถาวร โดยเครื่องใช้ไฟฟ้าและอุปกรณ์ไฟฟ้าเหล่านี้ถูกนำเข้ามาใช้งานโดยผู้ใช้อาคาร ไม่ได้ถูกกำหนดหรือออกแบบไว้โดยวิศวกรไฟฟ้าออกแบบ โหลดเต้ารับใช้งานทั่วไปมีความต้องการที่หลากหลายตามแต่ละประเภทของพื้นที่ ในบางพื้นที่แทบจะไม่มีโหลดไฟฟ้าเลยเมื่อเทียบกับบางพื้นที่เช่น ห้องคอมพิวเตอร์ หรือสำนักงาน ซึ่งมีค่ากำลังไฟฟ้าสูง


ถ้ามีพื้นที่พิเศษที่รู้จักประเภทของโหลดไฟฟ้าอยู่แล้ว ควรใช้ค่ากำลังไฟฟ้าเฉลี่ยที่มีค่าสูงในการคำนวณโหลดไฟฟ้า เช่นอาจจะใช้ค่ากำลังไฟฟ้าเฉลี่ยต่อพื้นที่ 250–500 วัตต์ต่อตารางเมตรสำหรับห้องคอมพิวเตอร์ขนาดใหญ่ เป็นต้น อย่างไรก็ตามในการคำนวณโหลดไฟฟ้าวิศวกรไฟฟ้าออกแบบมีหน้าที่ที่จะทำให้ได้มา ซึ่งรายละเอียดของอุปกรณ์ไฟฟ้าหรือเครื่องใช้ไฟฟ้าทั้งหมดที่ติดตั้งในระบบ ไฟฟ้ารวมถึงต้องเผื่อโหลดที่ติดตั้งใช้งานเพิ่มเติมในอนาคตด้วย


โหลดระบบปรับอากาศและระบายอากาศ ใน อาคารที่มีการปรับอากาศและระบายอากาศด้วยวิธีทางกล 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) ขึ้นในระบบจ่ายพลังงานไฟฟ้าโดยเฉพาะอย่างยิ่งในกรณีที่โหลดลิฟต์เป็นสัดส่วน ที่สูงเมื่อเทียบกับโหลดรวมรวมถึงในกรณีที่มีการจ่ายไฟฟ้าจากเครื่องกำเนิด ไฟฟ้าให้กับโหลดลิฟต์

การคำนวณโหลดไฟฟ้า
ในการคำนวณโหลดไฟฟ้าในขั้นตอนแรกของการออกแบบ วิศวกรไฟฟ้าออกแบบสามารถใช้ตัวเลขความต้องการกำลังไฟฟ้า VA /m2 หรือ วัตต์ต่อตารางเมตรในการคำนวณโหลดไฟฟ้ารวมของโครงการได้ โดยต้องเป็นตัวเลขที่สมเหตุสมผลและสามารถตรวจสอบและวิเคราะห์ได้จากโครงการ ประเภทเดียวกัน 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 แสดงค่าความต้องการกำลังไฟฟ้าของโหลดแสงสว่างรวมกับโหลดเต้ารับทั่วไปของ โครงการประเภทต่าง ๆ ซึ่งตัวเลขที่แสดงอยู่นี้เป็นค่าต่ำสุด (Minimum Requirement) การคำนวณโหลดรวมของโครงการต้องรวมโหลดระบบปรับอากาศและระบายอากาศ, โหลดลิฟต์, โหลดระบบสุขาภิบาล เป็นต้นเข้าไปกับโหลดแสงสว่างและโหลดเต้ารับทั่วไปที่ได้จากการคำนวณด้วย

ตารางที่ 2 ตัวอย่างความต้องการกำลังไฟฟ้าสูงสุดของโครงการอาคารสำนักงานต่าง ๆ

อาคารลำดับที่

พื้นที่รวม

(Gross Area/m2)

ค่าความต้องการกำลังไฟฟ้าสูงสุด

(Maximum Demand/MW)

ค่าความต้องการกำลังไฟฟ้าสูงสุดต่อพื้นที่
(วัตต์ต่อตารางเมตร)

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 แสดงค่าดีมานด์โหลดสูงสุดที่วัดได้ของอาคารสำนักงานที่ทันสมัยด้วยเทคโนโลยี ที่นำสมัย แต่ละอาคารเป็นอาคารปรับอากาศทั้งอาคารพร้อมสิ่งอำนวยความสะดวกสำหรับการทำ ธุรกิจในยุคโลกาภิวัฒน์ บางอาคารประกอบด้วยสำนักงานที่ประกอบธุรกิจด้านการเงินและหลักทรัพย์จำนวน มาก (แน่นอนต้องมีโหลดคอมพิวเตอร์จำนวนมากติดตั้งอยู่)

Diversity and Demand
โหลดไฟฟ้าที่ทำงานจริงแทบจะไม่เคย (ถ้ามี) เท่ากับโหลดทั้งหมดที่ติดตั้งในระบบไฟฟ้า ค่าดีมานด์โหลดสูงสุดจะสัมพันธ์กับโหลดทั้งหมดที่ติดตั้งในระบบไฟฟ้าหรือผล รวมของค่าดีมานด์โหลดผ่านค่าดีมานด์แฟกเตอร์หรือค่า Diversity Factor เนื่องจากโหลดทั้งหมดที่ติดตั้งในระบบไฟฟ้าสามารถแบ่งออกเป็นโหลดกลุ่มย่อย ๆ หรือกลุ่มของวงจรย่อยได้ ซึ่งจะเชื่อมต่อเข้าด้วยกันด้วยสายป้อนจำนวนมากกลายเป็นเครือข่ายของวงจร ไฟฟ้า

วงจรย่อยแต่ละวงจรจะจ่ายกำลังไฟฟ้าให้กับอุปกรณ์ไฟฟ้า หรือเครื่องใช้ไฟฟ้าแต่ละชิ้น โหลดรวมของโหลดไฟฟ้าที่ทำงานจริง ณ ตำแหน่งใด ๆ ในระบบไฟฟ้า ณ เวลาใดเวลาหนึ่ง คือผลรวมของโหลดทั้งหมด ณ ตำแหน่ง Downstream ณ เวลานั้น ๆ Diversity เกิดขึ้นขณะโหลดไฟฟ้าทำงานเนื่องจากโหลดทั้งหมดที่ติดตั้งในระบบไฟฟ้าไม่ได้ ทำงานทันทีทันใดพร้อมกันหรือทำงานทันทีทันใดพร้อมกันที่โหลดพิกัดสูงสุด (Maximum Rating) ตัวอย่างที่เกิดขึ้นในอาคาร ได้แก่

-ไฟแสงสว่างทำงานตอบสนองต่อแสงธรรมชาติหรือคนที่เข้ามา ในพื้นที่ 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 มีหลักการว่าโหลดไฟฟ้าในขณะใดขณะหนึ่งจะไม่เท่ากับผลรวมของโหลดทั้งหมดใน ส่วนนั้น 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 ในขณะลำเลียงวัตถุดิบระบบสายพานส่วนแรกจะทำงานส่งวัตถุดิบต่อไปยังส่วนที่ อยู่ถัดไปจนถึงส่วนสุดท้าย จงหาค่า Diversity Factor และ ค่าดีมานด์แฟกเตอร์


สมมติว่า ระบบสายพานลำเลียงเพียงส่วนเดียวจะทำงานลำเลียงวัตถุดิบในขณะใดขณะหนึ่งเท่า นั้น ดังนั้นมอเตอร์จำนวน 5 ตัวจะทำงานโดยมี Mechanical Loss เทียบเท่ากับค่ากำลังไฟฟ้า 0.1 กิโลวัตต์ขณะที่สายพานหมุนไปเรื่อย ๆ ขณะที่มอเตอร์ที่เหลืออีกหนึ่งตัวจะทำงานเท่ากับค่ากำลังไฟฟ้า 1 กิโลวัตต์ขณะลำเลียงวัตถุดิบ นั่นคือมอเตอร์แต่ละตัวจะมีค่าดีมานด์โหลดเท่ากับ 1 กิโลวัตต์ ดังนั้น


วิศวกรไฟฟ้าออกแบบส่วนใหญ่จะคุ้นเคยกับค่าดีมานด์แฟกเตอร์และใช้ค่าดีมานด์ แฟกเตอร์ในการคำนวณดีมานด์โหลด ส่วนค่า Diversity Factor มักจะคิดเป็นร้อยละของโหลดติดตั้งรวม

เอกสารอ้างอิง
1. CIBSE Guide K: Electricity in Building
2. www.cibse.org
3. มาตรฐานการติดตั้งทางไฟฟ้าแห่งประเทศไทย


บันทึกนี้เขียนที่ GotoKnow โดย  ใน Distribution box



ความเห็น (0)