Резервное питание всего дома не должно означать одновременную работу всех нагрузок

При проектировании аккумуляторной системы для большого дома наступает знакомый момент.

Владелец хочет, чтобы во время отключения дом работал как обычно. Строитель указывает на ввод 400 ампер. Кто-то упоминает «резервное питание всего дома». Затем мы начинаем считать компрессоры кондиционирования, оборудование бассейна, горячее водоснабжение, электромобили, тёплые полы, гостевое крыло, винную комнату, паровой душ и — в зависимости от высоты — систему снеготаяния с электрическим аппетитом небольшого ресторана.

Ни одна из этих функций не является необоснованной для дома высокого класса. Просто при исчезновении электросети их нельзя считать одинаково важными.

Ответ не всегда заключается в более высокой стопке аккумуляторов. Нужна система, которая знает, какие нагрузки важны, какие могут подождать, а какие вообще не следовало приглашать к работе во время отключения.

В этом и заключается ценность управления нагрузкой.

У аккумулятора два бюджета

Каждая аккумуляторная система хранения энергии, или BESS, работает в пределах двух фундаментальных ограничений:

• Энергия, измеряемая в киловатт-часах, приблизительно определяет, как долго система может поддерживать дом.
• Мощность, измеряемая в киловаттах, определяет, сколько нагрузок система может обслуживать одновременно.

Это разные задачи.

Аккумулятор может содержать достаточно энергии для питания критически важных нагрузок всю ночь, но при этом не иметь возможности одновременно запустить несколько крупных двигателей. Система также может обладать впечатляющей мгновенной мощностью, но быстро исчерпать накопленную энергию, если необязательным нагрузкам разрешено работать без плана.

Министерство энергетики США различает энергетическую ёмкость— общий объём энергии, который может хранить система, — и мощность— объём, который она может отдать в конкретный момент времени.^[1] Это самый понятный способ объяснить, почему аккумулятор может иметь достаточно накопленной энергии на ночь, но всё же не способен одновременно питать каждую крупную нагрузку.

Исследования бытовых аккумуляторных систем Национальной лаборатории возобновляемой энергетики прямо указывают на практическое следствие: мощность инвертора может не позволить системе поддерживать нагрузки с высоким активным потреблением или большим пусковым током, включая оборудование с электродвигателями, такое как кондиционеры.^[2]

Номинал ввода показывает, что электрическая инфраструктура дома способна принять при наличии сети. Он не показывает, что конечная аккумуляторная система должна пытаться питать во время продолжительного отключения.

Физика по-прежнему упорно не интересуется размером кухонного острова.

Управление нагрузкой меняет уравнение проектирования

В простейшем виде управление нагрузкой отключает некритичное оборудование, когда дом переходит на резервное питание.

Более развитая система может реагировать на:

• уровень заряда аккумулятора;
• доступную мощность инвертора;
• солнечную выработку;
• доступность генератора;
• рабочее состояние других крупных нагрузок;
• время суток; и
• приоритеты, заданные владельцем.

Это позволяет крупной резиденции оставаться в целом подключённой к резервной системе без предположения, что все приборы должны работать одновременно.

Последовательность управления может разрешать работу одной зоны HVAC, временно блокируя зарядку электромобиля и нагрев бассейна. После отключения компрессора может стать доступна другая управляемая нагрузка. Если аккумулятор достигает заданного порога резерва, система может отключить дополнительные комфортные нагрузки, сохраняя безопасность, охлаждение продуктов, связь, защиту от замерзания, водоснабжение и выбранное освещение.

Это не просто функция нескольких бытовых продуктов. Это признанная стратегия устойчивости.

Справочник DOE по накоплению энергии описывает системы энергоменеджмента как уровень, который контролирует и оптимально управляет накопителем, используя данные системы управления аккумуляторами — уровень заряда, состояние, температуру и эксплуатационные пределы — для определения команд мощности.^[3] Руководство DOE по устойчивости идёт дальше: критические нагрузки следует определять приоритетными на раннем этапе, а системы здания можно запрограммировать на перенос или отключение нагрузок более низкого приоритета в зависимости от энергии, доступной от сети, локальной генерации или BESS.^[4]

Общий вывод прост: резервная система должна активно управлять спросом, а не просто надеяться, что спрос будет вести себя прилично.

Цель не в том, чтобы все нагрузки были доступны постоянно. Цель — обеспечить нужные нагрузки на то время, пока они важны.

Принцип планирования JLJ

Мощность вызывает отключение системы. Энергия оставляет дом без питания.

Крупные двигатели и нагрузки резистивного нагрева требуют особого внимания.

Компрессоры кондиционирования, скважинные насосы, насосы бассейнов, электрические водонагреватели, духовки, спа, системы снеготаяния и зарядные устройства электромобилей могут потреблять значительную долю доступной мощности или накопленной энергии бытовой аккумуляторной системы. Пусковой ток двигателя также может в несколько раз превышать ток полной нагрузки. В руководстве DOE по двигателям отмечается, что типичный двигатель NEMA Design B при пуске может потреблять ток в четыре-восемь раз выше номинального, хотя это событие обычно кратковременно.^[5] Поэтому нагрузка, допустимая в установившемся расчёте, всё же может превысить кратковременную способность инвертора.^[2]

Без согласованного управления две или три крупные нагрузки могут запуститься почти одновременно и перегрузить резервную систему. В зависимости от оборудования и конфигурации это может вызвать отключение инвертора или обесточить всю резервируемую шину — включая небольшие, но важные нагрузки, ради которых система и создавалась.

Хорошая стратегия управления избегает такой не слишком полезной формы равенства.

Она поэтапно включает крупные нагрузки, сохраняет запас для пуска двигателей, блокирует несовместимые комбинации и восстанавливает оборудование в заданной последовательности. Цель состоит не только в экономии энергии, но и в поддержании стабильности электрической системы.

Продолжительные отключения — это задача энергетического бюджета

Коротким отключением легко впечатлить. Достаточно большой аккумулятор способен питать почти всё в течение пятнадцати минут.

Отключение на два или три дня гораздо хуже поддаётся маркетингу.

Во время продолжительного события резиденция должна балансировать накопленную энергию, поступающую солнечную выработку, вклад генератора, если он есть, и суточное потребление. Методика устойчивости REopt от DOE оценивает размер системы и режим работы аккумулятора, рассчитывая, как долго система может поддерживать критическую нагрузку во время отключения электросети.^[6] Рекомендации DOE по устойчивым зданиям, взаимодействующим с сетью, также советуют определять критические нагрузки как приоритетные и переносить или отключать функции более низкого приоритета в зависимости от энергии, доступной от сети, локальной генерации или BESS.^[4]

Для крупной резиденции я обычно распределяю нагрузки во время отключения по трём рабочим группам.

1. Нагрузки, которые должны оставаться доступными

Обычно к ним относятся:

• системы сигнализации и контроля доступа;
• камеры, записывающее оборудование и сетевая инфраструктура;
• управление воротами и домофоны;
• холодильное оборудование;
• скважинное, дренажное, канализационное или другое оборудование для защиты объекта;
• выбранное освещение и розетки;
• отопление, необходимое для защиты от замерзания;
• медицинское оборудование или другое оборудование безопасности жизни; и
• сами BESS, генератор и оборудование управления зданием.

2. Нагрузки, которые могут работать выборочно

В зависимости от проекта к ним могут относиться:

• одна или несколько назначенных зон HVAC;
• горячее водоснабжение;
• выбранные кухонные приборы;
• гаражные ворота;
• стирка;
• ограниченные цепи гостевых зон; и
• выбранные бытовые розетки.

3. Нагрузки, которые обычно могут подождать

В эту группу часто входят:

• зарядка электромобилей;
• нагрев бассейна и спа;
• сауны и паровое оборудование;
• системы снеготаяния;
• вторичные зоны HVAC;
• декоративное электрическое отопление; и
• другие энергоёмкие удобства без непосредственной функции устойчивости.

Это не универсальное распределение. В одной установке насос бассейна может быть важен для защиты объекта. В другой электромобиль может быть единственным надёжным транспортом семьи. Винная комната может быстро подняться в списке приоритетов после просмотра содержимого.

Приоритеты следует определять совместно с владельцем, строителем и проектной командой, а не загружать из универсального контрольного списка.

Чтобы система безопасности оставалась онлайн, необходимо питать всю цепочку безопасности

«Обеспечить резервное питание системы безопасности» звучит как один пункт. На практике это редко так.

Фактическая рабочая цепочка может включать:

• панель сигнализации и её источник питания;
• сетевые коммутаторы PoE;
• камеры;
• сетевой видеорегистратор или локальное устройство хранения;
• модем, маршрутизатор, межсетевой экран и беспроводные точки доступа;
• панели контроля доступа и дверную фурнитуру;
• приводы ворот;
• домофоны; и
• сотовое или другое резервное коммуникационное оборудование.

Многие современные камеры получают и данные, и питание через коммутатор PoE, поэтому резервирование цепи камеры при отключении коммутатора мало что даёт. Та же логика зависимостей относится к регистратору, маршрутизатору, межсетевому экрану, панели контроля доступа, контроллеру ворот и каналу связи. Критической нагрузкой является не обязательно видимое устройство, а вся функция целиком.

Рекомендации DOE по устойчивости прямо относят системы охраны и безопасности, доступ в здание, сигнализацию и аварийное освещение к критическим нагрузкам, которым следует отдавать приоритет во время нарушения электроснабжения.^[4] Рекомендации CISA по устойчивому электропитанию также подчёркивают необходимость поддерживать питание критически важных средств связи и связанного оборудования и рассматривать резервное питание, кибербезопасность, физическую безопасность и связь как единую согласованную задачу устойчивости.^[8]

По сравнению с HVAC, нагревом воды или зарядкой электромобилей эти нагрузки обычно невелики. Поэтому они отлично подходят для высшего приоритета резервирования. Поддерживающие их цепи следует явно определить, задокументировать и испытать как единую систему.

Для чувствительной электроники также могут потребоваться правильно подобранные источники бесперебойного питания. Бытовая BESS способна быстро переключаться, но оборудование, которому действительно нужно непрерывное питание, не должно полагаться на предполагаемое время переключения.

Для самой системы управления также нужен план устойчивости. Критические функции по возможности должны продолжать работать локально, а не полностью зависеть от облачного сервиса или интернет-соединения, которые могут быть недоступны во время того же события. Рекомендации DOE предписывают проектировщикам учитывать нарушения связи и другие режимы отказа в общей системе, а CISA рекомендует сохранять ручное управление для автоматизированных средств устойчивого электропитания.^[4][9]

Устойчивая система управления не должна терять полезность сразу после потери WAN-соединения.

Управление нагрузкой может продлить срок службы аккумулятора, но это не волшебство

На срок службы литий-ионного аккумулятора влияют химический состав, температура, средний уровень заряда, глубина разряда, скорость заряда и разряда и режим эксплуатации системы.

Рецензируемое исследование Национальной лаборатории возобновляемой энергетики выявило существенные различия в расчётном сроке службы бытовых аккумуляторов в зависимости от сценариев использования, условий окружающей среды, химических составов, уровня заряда, глубины разряда и температуры.^[2] Иными словами, важно, как используется аккумулятор.

Управление нагрузкой может способствовать более длительному сроку службы, сокращая избыточный оборот энергии и ограничивая ненужные глубокие разряды. Это особенно важно, когда одна и та же BESS ежедневно используется не только для резервного питания, но и для собственного потребления солнечной энергии, оптимизации тарифов по времени суток или управления спросом.

Здесь важно сохранять сдержанность: управление нагрузкой не отменяет электрохимию, а отдельное отключение вряд ли определит весь срок службы правильно управляемого аккумулятора. Управление температурой, выбор продукта, настройки резерва, условия гарантии и система управления аккумуляторами производителя остаются ключевыми.

Тем не менее, требовать от аккумулятора нагревать спа при одновременном сохранении аварийного резерва — не стратегия долговечности. Это стратегия для спа.

Обоснованная инженерная позиция состоит в том, что управление нагрузкой — лишь часть более широкого плана жизненного цикла. Оно оставляет глубокие циклы и высокий спрос для моментов, когда эта энергия действительно ценна.

Более эффективное управление может быть ценнее простого добавления аккумуляторов

Дополнительная аккумуляторная ёмкость имеет очевидные преимущества, и некоторым крупным домам действительно нужно значительное хранилище. Но расчёт каждого проекта на гипотетическую одновременную работу всех электрических удобств может привести к дорогой системе, которая всё равно плохо согласована.

Хорошая стратегия управления нагрузкой может позволить проекту:

• достичь заданной продолжительности работы во время отключения при меньшем объёме хранения;
• снизить требуемую мощность инвертора для совпадающих нагрузок;
• избежать отключений из-за перегрузки;
• сохранить значимый аварийный резерв;
• эффективнее использовать солнечную выработку во время многодневных отключений;
• оставить доступными больше цепей, не включая их все одновременно; и
• адаптировать приоритеты при изменении потребностей жильцов.

Рекомендации DOE приходят к тому же системному выводу в более широком контексте зданий: сокращение нагрузки и управление ею могут уменьшить требуемую ёмкость хранения и локальной генерации для поддержания функций здания и одновременно повысить использование локальной возобновляемой энергии.^[4]

Это не означает, что управление следует использовать для маскировки недостаточно рассчитанной BESS. Требуемые ёмкость хранения и мощность по-прежнему необходимо рассчитывать по реалистичным данным нагрузок, сценариям эксплуатации, требованиям пуска двигателей, погодным условиям и вкладу солнечной системы или генератора.

Управление делает правильно рассчитанную систему более способной. Оно не превращает маленький аккумулятор в большой.

Строителям следует планировать управление нагрузкой до закрытия стен

Лучшее время обсуждать приоритеты во время отключения — не после маркировки электрических панелей и прибытия монтажника аккумуляторов.

При новом строительстве и крупной реконструкции строитель, инженер-электрик, электроподрядчик, проектировщик BESS, команда HVAC, интегратор безопасности, поставщик генератора и подрядчик домашней автоматизации должны согласовать стратегию нагрузки на раннем этапе.

Проект должен определить:

1. нагрузки, которые должны оставаться под напряжением;
2. нагрузки, которым разрешена условная работа;
3. нагрузки, исключённые во время резервирования;
4. максимальный ожидаемый совпадающий спрос;
5. требования к пуску двигателей и броскам тока;
6. пороговые значения резерва аккумулятора;
7. взаимодействие солнечной системы и генератора;
8. варианты локального и ручного управления;
9. безопасное поведение при потере связи; и
10. требования к пусконаладке и обучению владельца.

Такое планирование может привести к выделенной панели критических нагрузок, интеллектуальному управлению цепями, управлению на уровне приборов, интеграции с автоматикой здания или сочетанию всех четырёх подходов.

Универсально правильной архитектуры нет. Есть только архитектура, которая была — или не была — продумана.

Проводите пусконаладку режима отключения, а не только оборудования

Последовательность управления нагрузкой не завершена лишь потому, что на экране программирования указано «готово».

Пусконаладка должна включать реальное испытание в режиме резервного питания. Команда проекта должна проверить:

• поведение при переключении;
• непрерывность работы систем безопасности и сети;
• пуск двигателей;
• отключение и восстановление нагрузок;
• переходы между уровнями резерва аккумулятора;
• взаимодействие солнечной системы и генератора;
• локальную работу при отсутствии интернета;
• ручное управление; и
• способность владельца понимать, что делает система.

Испытание также должно подтвердить, что письменная последовательность соответствует фактическим приоритетам владельца. Система может безупречно выполнять неправильный план.

Отключение — неудачное время выяснить, что контроллер ворот, коммутатор PoE и сетевой регистратор оказались по разные стороны границы резервного питания.

Настоящая роскошь — непрерывность

Устойчивому элитному дому не нужно притворяться, что отключения нет. Он должен оставаться безопасным, пригодным для проживания и управляемым без необходимости владельцу вручную обходить электрощитовую и переключать автоматы.

Именно это обеспечивает хорошо спроектированное управление нагрузкой. Оно превращает аккумулятор из конечного запаса энергии в согласованную энергосистему. Оно защищает критические операции, увеличивает полезное время работы при отключении, сокращает ненужные циклы аккумулятора и позволяет электрической инфраструктуре большого дома разумно реагировать при отсутствии сети.

Резервное питание всего дома должно означать, что у всего дома есть план.

Это не должно означать одновременную работу всех нагрузок.

Разработка такого плана — точка пересечения электротехники, управления, требований норм, приоритетов владельца и координации специалистов — иногда буквально в одном щите. Если вашему проекту нужна помощь в определении того, какие нагрузки должны оставаться доступными, какие могут подождать и как BESS должна реагировать при исчезновении сети, свяжитесь с JLJ Energy Consulting.

Мы уже решали такие задачи — обычно с большим количеством компрессоров, систем управления и твёрдых мнений, чем кто-либо ожидал.