Nowoczesny budynek mieszkalny staje się coraz bardziej zaawansowany w systemy automatyki i zarządzania.

Współczesny apartamentowiec nie jest już prostym odbiorcą energii elektrycznej.

W jednym obiekcie pracują jednocześnie windy, pompy, wentylatory, centrale HVAC, klimatyzacja, pompy ciepła, oświetlenie LED, systemy automatyki budynkowej BMS, monitoring, systemy bezpieczeństwa, urządzenia IT, UPS-y, ładowarki samochodów elektrycznych czy instalacje fotowoltaiczne.

Do tego dochodzi ogromna liczba urządzeń elektronicznych znajdujących się w poszczególnych lokalach.

profil obciążenia współczesnego budynku jest zdecydowanie bardziej złożony niż jeszcze kilkanaście lat temu.

A wraz z nim rośnie znaczenie jakości energii elektrycznej.

Moc czynna to nie wszystko

W praktyce eksploatacyjnej często koncentrujemy się na jednym parametrze – ilości zużytej energii.

Tymczasem dla prawidłowej pracy instalacji znaczenie mają również m.in.:

• moc bierna,
• współczynnik mocy,
• odkształcenia harmoniczne,
• asymetria napięć i prądów,
• wahania napięcia,
• zapady i wzrosty napięcia,
• przeciążenia przewodu neutralnego,
• przepięcia i inne zaburzenia jakości energii.

Norma PN-EN 50160:2023-10 odnosi się do parametrów napięcia zasilającego, w tym jego wartości, częstotliwości, kształtu przebiegu i symetrii napięć. Dokument wskazuje również, że parametry napięcia mogą zmieniać się m.in. pod wpływem zmian obciążenia oraz zaburzeń powodowanych przez niektóre urządzenia.

Dlatego w przypadku dużych i nowoczesnych obiektów sama kontrola zużycia energii może być niewystarczająca.

Skąd bierze się moc bierna?

Moc bierna jest naturalnym elementem pracy wielu urządzeń elektrycznych.

W przypadku odbiorników indukcyjnych, takich jak:

• silniki,
• pompy,
• wentylatory,
• transformatory,
• urządzenia HVAC,

część energii jest związana z wytwarzaniem i podtrzymywaniem pola elektromagnetycznego.

Nie wykonuje ona bezpośrednio pracy użytecznej w taki sposób jak moc czynna, ale powoduje przepływ dodatkowego prądu w instalacji.

A większy prąd oznacza między innymi:

większe obciążenie przewodów i transformatorów oraz większe straty I²R.

W określonych warunkach może to oznaczać konieczność przewymiarowania infrastruktury albo ograniczenie dostępnej mocy dla nowych odbiorników.

Drugim problemem są harmoniczne

To właśnie tutaj nowoczesne budynki znacząco różnią się od obiektów sprzed kilkunastu czy kilkudziesięciu lat.

Coraz więcej urządzeń posiada zasilacze impulsowe, prostowniki, przekształtniki lub układy energoelektroniczne.

Przykłady?

LED-y.
UPS-y.
Falowniki.
Ładowarki EV.
Zasilacze komputerowe.
Pompy ciepła.
Napędy wind.
Urządzenia automatyki.
Falowniki instalacji PV.

Odbiorniki nieliniowe mogą pobierać prąd, którego przebieg nie jest sinusoidalny.

W efekcie powstają harmoniczne prądu.

A ponieważ rzeczywista sieć elektryczna posiada impedancję, przepływ takich prądów może powodować powstawanie odkształceń napięcia.

To ważne rozróżnienie:

harmoniczne prądu są często źródłem problemu, natomiast odkształcone napięcie jest jego skutkiem w całym układzie zasilania.

Dlaczego harmoniczne są niebezpieczne?

Harmoniczne nie są wyłącznie problemem „jakościowym” widocznym na ekranie analizatora.

Mogą powodować realne skutki eksploatacyjne.

1. Dodatkowe nagrzewanie przewodów

Szczególnie istotne są harmoniczne kolejności zerowej, np. trzecia harmoniczna i jej wielokrotności.

W instalacjach trójfazowych mogą one sumować się w przewodzie neutralnym, powodując przepływ znacznych prądów również wtedy, gdy obciążenie faz wydaje się stosunkowo dobrze zbilansowane.

2. Przegrzewanie transformatorów i aparatury

Odkształcony prąd zwiększa straty i może prowadzić do dodatkowego obciążenia cieplnego elementów infrastruktury.

3. Problemy z zabezpieczeniami

Nieprawidłowe warunki pracy mogą prowadzić do niepożądanych zadziałań zabezpieczeń i wyłączeń obwodów.

4. Zakłócenia urządzeń elektronicznych

Problemy z jakością energii mogą wpływać na automatykę, sterowanie, elektronikę oraz systemy komunikacyjne.

5. Skrócenie żywotności urządzeń

Elementy pracujące stale w niekorzystnych warunkach elektrycznych i cieplnych mogą ulegać szybszemu zużyciu.

6. Ryzyko związane z przegrzewaniem

W przypadku nadmiernego obciążenia przewodów i urządzeń wzrasta temperatura elementów instalacji. Nie jest to już wyłącznie kwestia efektywności energetycznej, ale również bezpieczeństwa pożarowego i niezawodności infrastruktury.

Szczególnie ważny problem: źle dobrana kompensacja

Częstym błędem jest traktowanie kompensacji mocy biernej jako prostego zadania:

„Mamy moc bierną – zamontujmy baterię kondensatorów.”

W nowoczesnym obiekcie takie podejście może być niewystarczające.

Jeżeli w instalacji występują harmoniczne, kondensatory mogą wejść w niekorzystne interakcje z indukcyjnością sieci.

Może wtedy dojść do rezonansu, który zwiększy przepływ prądów harmonicznych i pogorszy warunki pracy instalacji.

Dlatego dobór urządzeń powinien być poprzedzony analizą rzeczywistych parametrów sieci.

Najpierw pomiar. Potem rozwiązanie.

Profesjonalna diagnostyka powinna odpowiedzieć na kilka podstawowych pytań:

Jaki jest poziom mocy biernej?

Jaki jest współczynnik mocy?

Jak wygląda THD prądu i napięcia?

Które harmoniczne mają największy udział?

Jak zachowuje się instalacja przy zmiennym obciążeniu?

Czy występuje asymetria?

Czy przewód neutralny jest dodatkowo obciążony?

Czy występuje ryzyko rezonansu?

Jakie odbiorniki są źródłem problemu?

Dopiero na podstawie takich danych można właściwie dobrać rozwiązanie.

Jakie rozwiązania można zastosować?

W zależności od charakterystyki obiektu stosuje się m.in.:

Baterie kondensatorów

Rozwiązanie stosowane przede wszystkim do kompensacji mocy biernej, przy odpowiednim doborze i uwzględnieniu warunków pracy sieci.

Baterie z dławikami odstrajającymi

Stosowane tam, gdzie występuje ryzyko oddziaływania harmonicznych. Dławiki pozwalają ograniczyć ryzyko niepożądanych rezonansów i chronić elementy układu kompensacji.

Aktywne filtry harmonicznych

Rozwiązania energoelektroniczne, które mogą dynamicznie kompensować harmoniczne, a w zależności od zastosowania również moc bierną i niezrównoważenie obciążenia. Są szczególnie interesujące w obiektach o szybko zmieniającym się obciążeniu.

Elektroniczna kompensacja mocy biernej

Może być stosowana tam, gdzie wymagana jest szybka reakcja na zmieniające się obciążenie i wysoka dynamika regulacji.

Rozwiązania hybrydowe

Połączenie kilku metod – odpowiednio do charakterystyki konkretnej instalacji.

Nie każde urządzenie jest jednak równie dobre

W przypadku infrastruktury technicznej apartamentowca cena zakupu urządzenia nie powinna być jedynym kryterium.

Urządzenie poprawiające jakość energii pracuje często 24 godziny na dobę, 365 dni w roku.

Dlatego znaczenie mają:

jakość komponentów,

algorytmy sterowania,

odporność na warunki pracy,

sposób chłodzenia,

możliwość monitorowania,

dostępność części zamiennych,

dokumentacja,

wsparcie techniczne,

serwis,

a przede wszystkim doświadczenie zespołu, który dobiera i uruchamia rozwiązanie.

Samo zainstalowanie szafy elektrycznej nie oznacza jeszcze rozwiązania problemu.

Administrator powinien patrzeć szerzej niż na rachunek za energię

Dla zarządcy lub administratora obiektu koszt energii elektrycznej jest oczywiście istotny.

Ale koszt awarii może być zdecydowanie większy.

Awaria pompy.

Wyłączenie windy.

Problemy z wentylacją.

Przerwa w pracy systemu BMS.

Uszkodzenie automatyki.

Awaria urządzeń IT.

Wyłączenie systemów bezpieczeństwa.

Interwencja serwisu.

Reklamacje użytkowników.

Przestój części infrastruktury budynku.

To wszystko może kosztować znacznie więcej niż sama energia bierna.

Dlatego jakość energii należy traktować jako element zarządzania ryzykiem technicznym obiektu, a nie tylko jako sposób na obniżenie rachunku.

Nowoczesna instalacja elektryczna wymaga dziś czegoś więcej niż odpowiednio dobranych przewodów i zabezpieczeń. Przy rosnącej liczbie odbiorników energoelektronicznych konieczne staje się świadome zarządzanie mocą bierną i jakością energii.

Jakość energii zaczyna się od wiedzy

Nie ma jednego uniwersalnego urządzenia, które można zastosować w każdym apartamentowcu.

Najpierw trzeba zmierzyć.
Następnie przeanalizować.
Potem dobrać rozwiązanie.
Na końcu – prawidłowo je wykonać i serwisować.

Takie podejście pozwala połączyć trzy cele:

BEZPIECZEŃSTWO + NIEZAWODNOŚĆ + EFEKTYWNOŚĆ

I właśnie dlatego kompensacja mocy biernej oraz poprawa jakości energii powinny być coraz częściej traktowane nie jako opcjonalny dodatek, lecz jako element świadomie zaprojektowanej infrastruktury nowoczesnego apartamentowca.