新技术 | 智能家居如何改善电网运营，实现节能减排

该图概述了电器、由 PNNL 开发的互联家庭 (CH) 控制系统与电网之间的关系。测试表明，控制系统可以成功地将四种设备类型与电网连接并控制其电力需求。图片来源: Pacific Northwest National Laboratory

美国太平洋西北国家实验室 (PNNL)的研究人员开发了一种控制系统，可以使大多数美国家庭成为更有能力管理国家电力资源的合作伙伴。

该控制系统有效地将现有的家用加热和冷却装置以及热水器转变为智能电器，可以通过帮助电网协调供需的方式管理其电力使用。该系统可以使大约 1.2 亿户家庭受益。

“从一开始，我们的目标就是开发一种价格低廉、易于安装和使用的解决方案，并让居民负责其运行，”负责控制系统开发的 PNNL 的Michael Brambley说。“作为帮助电网的回报，家庭必须获得奖励，例如更优惠的电价。”

作为联网家庭项目的一部分，控制系统工作由美国能源部建筑技术办公室 (BTO)资助。

互联家居包含具有通信和控制功能的智能设备，这些设备使设备能够自动响应来自电力公司的信息。示例包括连接加热和冷却系统的智能连接恒温器，以及专门配备的热水器。一些较新的家庭已经拥有这些类型的电器，但大多数家庭没有。

专家认为，互联家居将在美国向脱碳的未来能源系统过渡中发挥关键作用，该系统较少依赖传统的不可再生能源，而更多地依赖清洁太阳能和风能。

因为太阳能和风能是“可变的”——也就是说，它们的电力输出随着太阳和风的上升和下降而起伏——电网有时必须迅速转向其他类型的发电或以避开电网的方式管理需求不稳定和经济地满足电力需求。目前有助于缩小差距的发电来源通常是化石燃料发电厂，它们会增加二氧化碳排放并导致全球气候变化。

互联家居可以帮助解决太阳能和风能的可变性质以及电网上的其他条件。具有智能控制的家用电器会考虑居住者的舒适度偏好，与公用事业和电网协同工作，可以快速自动地改变其电力需求，以帮助平衡变化并最终减少进入大气的温室气体量。

如果在数以千万计的家庭中实现这种“灵活的需求”能力，那么在可能无法获得清洁能源的情况下，电网将有更多的空间来协调供需。PNNL和其他人进行的分析表明，这种灵活性还可以降低账单支付者和公用事业公司的成本。

“无论是消费者需求还是更新的建筑能源法规，互联住宅正变得越来越普遍，”能源联盟政策和规划主管 Marc Costa 说。Costa 曾在 BTO 同行评审委员会任职，该委员会评估 PNNL 控制系统的进展。

“由于客户正试图节省账单、更换主要电器，或者只是对与家庭互动的便捷方式感兴趣，因此迫切需要在这一领域进行客观研究。PNNL 的工作对于了解对消费者的潜在影响和解决方案以及我们能源系统的分散化至关重要，”Costa 补充道。

家庭使用了全美国三分之一以上的电力，代表了实现灵活需求的巨大机会。

“我们相信，安装在现有房屋中的有效且廉价的控制系统不仅有利于电网运营，而且可以为家庭提供低成本的能源。我们的解决方案专为数百万可以从这种方法中受益但不喜欢或买不起智能电器的家庭而设计，”Brambley 说。“我们的可改造系统应该使他们能够利用新兴项目，为响应电网需求的家庭提供有利的电价和其他激励措施。”

PNNL 与 BTO 合作制定控制系统的开发战略，并与两家智能技术公司——ecobee 和 Shifted Energy——以及俄克拉荷马大学合作开展该项目。

研究人员专注于现有家庭中的四种电器——电阻炉、电阻热水器、热泵和空调。控制系统采用软件平台，旨在帮助将设备连接到电网并管理其需求。

在测试中，热水器和空调的结果特别有希望。

电炉测试也使需求减少了 25%。通过在电网高峰期之前让控制系统自动将房屋预热高于通常的恒温器设置三度，可以在四个小时内将减少量增加到近 46%。

2022 年，项目团队将准备控制系统部署在被占用的家庭中。“理想情况下，我们的结果将吸引行业合作伙伴，并产生可在全国范围内使用的商业产品，”Brambley 说。

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