The Prototype of Positive Energy House

Abstract

Climate change stems from carbon dioxide released from electricity generation, transportation, and industrial sectors. If buildings can produce electricity from renewable sources such as solar energy in the amount that can cover household usage and electric vehicle (EV) charging, it will contribute to decreasing fossil fuel usage, and consequently would alleviate the problem of global warming. This research aims to investigate the possibility of the present house design to be developed as “Net Positive Energy Houses”, producing more energy than they consume, and can support one EV charging within one year. The study started from literature review of the definitions, key design factors, analysis of energy consumption and generation. Two prototype houses with different design concepts were selected. Both have similar floor area around 200 m2. The first one was the DEDE Rak Fah 2, an energy conservation house developed by the Ministry of Energy, designed based on a passive design concept. The second one was the SENA Oxy smart with prefabricated construction systems, equipped with air conditioners and PVs on the roof, located in SENA Park Ville. The estimation of energy consumption were compared among different methods. The results showed that it required the PV installation of both houses 9.50-10.26 kWP for the whole-building energy and one EV charging. The energy for one EV was 6,110 kWh/yr. The study also further investigated the reduction of PV installation cost by using LED lamps instead of fluorescent lamps, reducing total PV installation to 8.36-9.5 kWP. The maximum potential of PV installation, Sena house can be installed less PV than that of Dede house with 15.58 kWP and 21.66 kWP consecutively. Then the lean-to roof slope 15o (toward Southern) was designed instead of the hip roof, the result indicated the PV installation can increase to 29.26 kWP. In addition, the study also improved the prototype houses toward net positive house for new construction that is 23-35% energy saving with EUI 23 kWh/m2/yr. All energy consumption include 3.42 kWP PVs installed while including 1 EV charge around year is plus 4.94 kWP PVs installed to be 8.36 kWP for positive energy target. The maximum potential of PVs installation, which could be benefit from selling electricity through grid in the future. It was found that the PV installed capacity can increase 15.58-21.66 kWP to 23.56-25.08 kWP. By improving building envelope that is U-value around 0.561-0.959 W/m2·K, insulating glass U-value not exceed 0.63 W/m2·K, SHGC = 0.44, reducing southern and western WWR, hip roof with overhang eaves 1.2-1.5 m., ceiling insulation (15 cm.) R = 2.27 m2·K/W and using natural daylighting 60-75% of the total room.

สาเหตุของปัญหาการเปลี่ยนแปลงภูมิอากาศ ส่วนหนึ่งเกิดจากการปลดปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ในขบวนการผลิตไฟฟ้าเพื่อใช้ในภาคอาคาร ภาคการขนส่ง และภาคอุตสาหกรรม ดังนั้นหากสามารถออกแบบบ้านให้ผลิตไฟฟ้าจากพลังงานแสงอาทิตย์ได้เพียงพอสำหรับใช้ในอาคาร และยังมีเหลือพอสำหรับชาร์จรถยนต์ไฟฟ้า (Electric Vehicle, EV) ด้วย ก็จะช่วยให้เป็นประโยชน์มากยิ่งขึ้น ดังนั้นการศึกษานี้จึงมีวัตถุประสงค์เพื่อหาศักยภาพของบ้านเดี่ยวในปัจจุบันในการพัฒนาให้เป็น “บ้านพลังงานสุทธิเป็นบวก” (Net Positive Energy House) ที่สามารถผลิตพลังงานได้เพียงพอสำหรับกิจกรรมต่างๆ ภายในบ้านและการชาร์จรถยนต์ไฟฟ้าจำนวน 1 คัน โดยเป็นการพิจารณาความต้องการใช้และผลิตพลังงานในรอบระยะเวลาหนึ่งปี การดำเนินงานเริ่มจากการทบทวนความหมาย การศึกษาขั้นตอนและวิธีการออกแบบ จากนั้นเลือกบ้านเดี่ยวประหยัดพลังงานที่เป็นบ้านต้นแบบจำนวน 2 หลัง ซึ่งมีพื้นที่ใช้สอยใกล้เคียงกัน คือประมาณ 200 ตร.ม. ที่มีแนวคิดในการออกแบบแตกต่างกัน ได้แก่ บ้านดีดีรักษ์ฟ้า 2 ของกระทรวงพลังงาน ซึ่งออกแบบเน้นการพึ่งพาธรรมชาติ และบ้านเสนา Oxy Smart ซึ่งเป็นบ้านจัดสรรที่สร้างด้วยระบบคอนกรีตสำเร็จรูป เน้นการอยู่อาศัยแบบปรับอากาศ สร้างขายพร้อมการติดตั้งแผงเซลล์แสงอาทิตย์ (Photovoltaic, PV) บนหลังคาของหมู่บ้านเสนา พาร์ค วิลล์ นำมาจำลองหาพลังงานที่ใช้ภายในบ้านโดยใช้หลายวิธีวิเคราะห์เปรียบเทียบกัน และนำค่าที่ได้มารวมกับพลังงานในการชาร์จรถยนต์ EV ได้เป็นค่าพลังงานรวมเป้าหมายที่ต้องผลิตจากแผง PV บนหลังคาบ้าน ในการประเมินพลังงานที่ผลิตได้จากแผง PV ได้ใช้โปรแกรม PV Watts Calculator ผลการศึกษาพบว่า บ้านทั้ง 2 หลัง สามารถเป็นบ้านพลังงานสุทธิเป็นบวกได้ โดยไม่จำเป็นต้องปรับปรุงแบบ เพราะมีพื้นที่หลังคาเพียงพอต่อการติดตั้ง PV ตามขนาดที่ต้องการ อยู่ในช่วง 9.50-10.26 kWP ซึ่งรวมพลังงานการชาร์จรถยนต์ EV 1 คัน จำนวน 6,110 kWh/yr ไว้แล้ว และเมื่อศึกษาเพิ่มเติมถึงแนวทางการลดเงินลงทุนในการติดตั้ง PV โดยการเปลี่ยนจากหลอดไฟฟลูออเรสเซนต์ตามแบบเป็นหลอดไฟ LED พบว่า สามารถลดขนาดติดตั้ง PV เหลือ 8.36-9.5 kWP สำหรับค่าการผลิตพลังงานสูงสุดจากแผง PV บนหลังคาอยู่ที่ 15.58 kWP และ 21.66 kWP ตามลำดับ จึงได้ทดลองออกแบบหลังคาของบ้านเสนาจากทรงปั้นหยาเป็นทรงเพิงหมาแหงน ลาดเอียง 30o ไปทางทิศใต้ พบว่าสามารถเพิ่มให้มีการติดตั้ง PV สูงสุดได้ เป็น 29.26 kWP นอกจากนี้ยังได้ศึกษาปรับปรุงบ้านต้นแบบสร้างใหม่ที่มีพลังงานบวก ที่สามารถลดการใช้พลังงานได้ 23-35% ทำให้มีค่าความเข้มข้นการใช้พลังงาน หรือ EUI อยู่ที่ 23 kWh/m2/yr ซึ่งเพียงพอที่การติดตั้ง PVs 380 W ประสิทธิภาพ 19% ประมาณ 3.42 kWP ครอบคลุมอัตราการใช้งานทั้งหมดใน 1 ปี และเมื่อรวมพลังงานที่ต้องการสำหรับการชาร์จรถยนต์ไฟฟ้า 1 คัน ในรอบปี จะต้องติดตั้ง PVs เพิ่มอีก 4.94 kWP รวมที่ประมาณ 8.36 kWP และมีศักยภาพในผลิตไฟฟ้ารองรับประโยชน์จากการขายไฟฟ้าในอนาคตสูงสุดที่ 23.56-25.08 kWP จากเดิม 15.58-21.66 kWP โดยทำการปรับปรุงวัสดุเปลือกอาคารให้มีค่า U-value ช่วงประมาณ 0.561-0.959 W/m2·K ใช้กระจกอินฉนวน 2 ชั้น ค่า U-value ไม่เกิน 0.63 W/m2·K, SHGC = 0.44 ลด WWR ทางทิศตะวันออก-ตะวันตก ใช้หลังคาปั้นหยาระยะชายคาระหว่าง 1.2-1.5 ม. ที่ติดตั้งฉนวนกันความร้อนใต้ฝ้าเพดานหนา 15 ซม. ค่า R = 2.27 m2·K/W และการใช้แสงธรรมชาติในบ้าน 60-75% ของจำนวนห้องทั้งหมดในบ้าน