В своем доме многие системы жизнеобеспечения, от отопления и водоснабжения до вентиляции и кондиционирования, нуждаются в электропитании. Отключение от централизованной электросети на долгий период может стать настоящей катастрофой, особенно в зимний период. Причины могут быть самые разные, от аварийной ситуации до урагана или ледяного дождя. А результат один – дом остается без электроснабжения.
Неудивительно, что многие люди хотели бы чувствовать себя защищенными от подобных неприятностей. Согласно действующему законодательству, подача электроэнергии населению относится к третьей категории надежности. Это значит, что электроэнергия может быть отключена не более чем на 24 часа за один раз при аварийной ситуации или ремонтных работах и не более чем на 72 часа суммарно за весь год.
Далеко не всегда энергетики успевают справиться с проблемами в течение суток. Тем не менее, для определения необходимой мощности источника резервного электропитания мы можем исходить именно из этих цифр. И для начала нам необходимо понять, какое оборудование у нас должно работать.
Отопительный котел
В частном доме чаще всего устанавливается газовый котел. Большинство типов газовых котлов требуют для работы электропитания. Если электричество пропадает, они просто отключаются. Это связано с тем, что при отключившемся циркуляционном насосе теплоноситель обычно не может идти по трубам самотекам. Если котел продолжит работу, он просто закипит, что может привести к его повреждению. Поэтому при отключении электропитания он отключается, подача газа автоматически перекрывается.
Для функционирования автоматики котла и насоса необходима мощность порядка 150 Вт. Умножая 150 Вт на 24 часа, получаем 3600 Вт•ч. Также следует учесть, что во многих домах отопление осуществляется от электрического котла. В среднем для обогрева дома на 100 м2 требуется котел мощностью порядка 10 кВт. Но пока оставим этот момент за скобками и предположим, что котел у нас газовый, так как это самый распространенный вариант.
Холодильник
Как и газовый котел, относится к важнейшим энергопотребляющим устройствам. Без подачи электроэнергии он может простоять не больше нескольких часов, точное время зависит от качества его теплоизоляции. Энергопотребление холодильника зависит от его класса энергоэффективности. Это показатель у разных моделей может отличаться в 2-3 раза, поэтому точное потребление энергии необходимо смотреть по паспорту холодильника. Для простоты расчетов возьмем среднюю цифру – 100 ватт в час. Итого, в сутки нам необходима мощность 2400 Вт•ч.
Следует учитывать, что компрессор холодильника работает только периодически, включаясь при повышении температуры в холодильных камерах. При его включении потребляемая мощность может составлять до 1,5 кВт за счет необходимости обеспечения пускового тока. Это длится считанные мгновения, но может оказаться критичным при недостатке мощности источника резервного электропитания. То есть ‒ мощность нашего устройства, в первую очередь – инвертора, не должна быть ниже. А учитывая наличие и других потребителей энергии, должна быть еще выше. Полную необходимую мощность мы подсчитаем позднее.
Электроплита, микроволновая печь
Есть у нас электроэнергия, или нет ее, но человеку периодически хочется есть. Далеко не все удовлетворятся бутербродом – значит, необходимо будет что-то приготовить. Хорошо, если есть газовая плита. А если ее нет? Значит, остается электроплита или микроволновка. Предположим, что мы используем микроволновую печь для того, чтобы что-то разогреть. Среднее время приготовления в такой печи составляет примерно 20 минут. За день, при трехразовом питании, получим 1 час. Энергопотребление составит примерно 1000 Вт•ч.
Энергопотребление обычной маломощной электрической плиты составляет примерно те же 1000 Вт•ч. При использовании микроволновки следует учесть, что в момент включения потребляемая мощность может достигать 1,5-2 кВт. Вероятность того, что включение печи совпадет по времени с моментом включением холодильника, минимальна и можно ее не учитывать. Но если такое все-таки случится, защита недостаточно мощного инвертора его отключит.
Насос для подачи воды
Водоснабжение частного дома может быть централизованным или автономным. Во втором случае вода подается из колодца или скважины. Из колодца, как правило, при отключении электроэнергии ее можно просто набрать ведром, хотя это и не слишком удобно. Со скважинным насосом все иначе ‒ здесь уже необходимо электропитание.
Мощность такого насоса составляет порядка 1-1,5 кВт. Однако и здесь большое значение имеет пусковая мощность, которая может превышать рабочую в 3-5 и более раз. Чем глубже опущен насос, тем она выше, при этом напрямую зависит от глубины погружения.
Электродвигатель насоса выходит на рабочий режим за пару секунд. ИБП должен в течение этого времени выдерживать нагрузку от насоса и других источников энергопотребления. Если мы примем мощность насоса за 1000 Вт, то при пятикратной нагрузке в момент включения цифра возрастет уже до 5000 Вт. Значит, наш ИБП должен выдерживать эту нагрузку плюс нагрузку от другого оборудования в доме.
Рассчитаем энергопотребление. Насос потребляет 1000 Вт, среднее суточное время работы можно принять примерно за 30 минут. Итого, в сутки он потребляет 500 Вт•ч. Учитывая, что многие домовладения имеют централизованное водоснабжение, в таких ситуациях этот параметр может не учитываться.
Освещение
Освещение в доме – это не только вопрос комфорта, но и одно из условий безопасности. В большинстве случаев сейчас используются экономичные светодиодные источники света мощностью 5-10 Вт. Возьмем расход с запасом: предположим, что у нас в доме в 4 комнатах будут включены по 2 лампы мощностью по 10 Вт. Итого, мы имеем нагрузку в 80 Вт. Вряд ли свет нужен круглосуточно. Расчеты показывают, что это время можно принять равным 4 часам. Итого, у нас получится 320 Вт•ч. Но для надежности увеличим его в 2 раза, до 640 Вт•ч. Это связано с тем, что в зимнее время расход может быть больше, чем летом из-за короткой продолжительности дня.
Телевизор и компьютер
Если из-за аварийного отключения внешнего электропитания пропал свет, это не значит, что жизнь замирает. У нас может появиться желание посмотреть телевизор, включить компьютер. Возможности грамотно спроектированной системы резервного электроснабжения позволяют не лишать себя привычного уровня комфорта. Мы сможем посмотреть кино, зайти в интернет, послушать музыку.
Предположим, что мы привыкли активно смотреть телевизор, и он у нас включен почти постоянно – то есть 16 часов в сутки (исключено только время сна). ЖК-телевизор потребляет примерно 50 Вт, как и ноутбук. У компьютера потребление выше, порядка 150 Вт. Но мы не сидим за ПК круглосуточно, не будем, скорее всего, включать ТВ и ПК одновременно. Поэтому можно принять энергопотребление за 50 Вт. Умножаем на 16 часов, получаем 800 Вт•ч.
Теперь оценим общее энергопотребление:
Разделив полученное общее значение 8940 Вт*ч на 24 часа, получим 373 ватта в час. Теперь, зная нагрузку, мы можем приступить к подбору инвертора. Сразу скажем, что здесь не подойдут компьютерные ИБП. Их главные недостатки – малая емкость и ограниченный срок службы из-за неспособности длительное время переносить большие пусковые токи. При включении скважинного насоса потребляемая мощность может в течение нескольких секунд доходить до 6880 Вт. Она складывается из мощности всех электроприборов плюс пусковая мощность насоса.
Попробуем подобрать, с учетом проведенных расчетов, оптимальный по параметрам инвертор. Для примера возьмем оборудование отечественного производства МИКРОАРТ. Модель МАП Pro на 6 киловатт отлично поможет решить поставленную задачу.
Данный МАП способен бесперебойно питать все указанные выше электроприборы однофазным напряжением 220 В мощностью:
· До 8 кВт ‒ в течение 5 секунд. После этого защита от перегрузок отключит его;
· До 6 кВт ‒ на период до 30 минут. Далее его отключит защита от перегрева;
· До 4 кВт ‒ будет работать, пока защита аккумуляторов от глубокого разряда не отключит его.
Как быть, если какое-то используемое в доме оборудование вызывает более высокие пусковые токи? В этом случае можно рекомендовать МАП HYBRID или добавить функцию Hybrid к модели «PRO». Гибридная функция обеспечивает возможность на короткое время выдавать в сеть дополнительную мощность от АКБ. Это дает возможность запускать мощные электроприборы без срабатывания защиты. Такую возможность имеют и топовые модели МАП DOMINATOR и МАП TITANATOR за счет встроенного функционала Hybrid.
Подбираем аккумуляторы
Чтобы резервная система электропитания работала долго и надежно, необходимо правильно подобрать аккумуляторные батареи. Есть несколько типов АКБ, подходящих для решения этой задачи:
Автомобильные свинцово-кислотные (стартерные). Самые простые и доступные. Главный недостаток ‒ легко выходят из строя при глубоком разряде. Автомобилисты знают – стоит несколько раз забыть выключить фары, и можно покупать новую АКБ. На маленький срок службы и нестойкость к глубоким разрядам в первую очередь влияет использование тонких пластин.
Герметичные свинцово-кислотные типа AGM. Главное достоинство – эти батареи адаптированы для эксплуатации при не слишком большой разрядке. Хороший вариант для ситуаций, когда чаще всего электроснабжение есть, но иногда случаются перебои.
Герметичные гелевые свинцово-кислотные. По своим характеристикам лишь ненамного превосходят AGM, при этом и немного дороже их. Заряд энергии, который в них можно запасти и потом получить, аналогичен АКБ типа AGM. Поэтому особого смысла в их покупке нет.
Герметичные карбоновые свинцово-кислотные. Это специализированные батареи, имеющие очень большой ресурс даже при постоянной эксплуатации с глубоким разрядом. Обеспечивают в 7 раз большее количество циклов заряда и разряда, чем модели типа AGM, при этом стоят всего вдвое дороже. Выгода их использования очевидна.
Тяговые панцирные свинцово-кислотные. Обеспечивают длительную работу при постоянной эксплуатации, при этом по цене примерно аналогичны батареям AGM. Основной недостаток – негерметичность. Они выделяют вредные для здоровья людей газы, поэтому требуют для установки специализированного нежилого отапливаемого помещения и более тщательного обслуживания. Выход вредных веществ можно устранить, установив пробки рекуперации. Но стоимость при этом возрастет.
Литий-железо-фосфатные (LiFePO4). Одни из лучших – очень надежны, исключительно долговечны. При этом отличаются маленьким весом и небольшими габаритами, быстро заряжаются. Выдерживают большое количество циклов заряда-разряда, примерно на уровне карбоновых. Такие батареи используются там, где важна большая емкость при небольшой массе и малых размерах.
Щелочные модели. Основное преимущество ‒ минимальный уровень саморазряда, ведут себя лучше свинцово-кислотных моделей при низких температурах. Главный недостаток, препятствующие их использованию в системах резервного электроснабжения ‒ наличие эффекта памяти (запоминает уровень предыдущей зарядки, что может привести к уменьшению емкости). Кроме того, они сложнее в зарядке. По количеству циклов заряд-разряд лучше обычных свинцово-кислотных АКБ, но примерно вдвое уступают карбоновым. К недостаткам можно отнести и очень низкий КПД, что критично для автономных систем.
Итак, какие батареи мы можем выбрать? Хорошим вариантом станет 12-вольтовый аккумулятор типа AGM на 200 А·ч. Если есть финансовые возможности, можно купить и более долговечную карбоновую или литий-железо-фосфатную батарею. Почему используются АКБ такой большой емкости? Это обеспечивает сокращение количества соединений на пути от АКБ до инвертора, что повышает долговечность нашего ИБП. При использовании нескольких батарей большая емкость каждого обеспечит их более равномерную зарядку.
Общее правило: чем меньше в системе используется АКБ (при одной и той же полной емкости), тем дольше они будут служить. Это связано с тем, что одна банка АКБ, вне зависимости от емкости и типа, выдает напряжение 2 В. Чем больше в системе таких банок, тем выше будет со временем ее разбалансировка из-за их старения.
Примеры использования АКБ
Сравним, как ведут себя системы на основе компьютерного ИБП и на основе инвертора. В первом случае применяется множество небольших батарей, чаще всего 12-вольтовых на 9 А•ч. Схема их соединения обеспечивает напряжение 192 В, что снижает стоимость ИБП. Батареи надежно укрыты в корпусе, что устраняет опасность высокого напряжения. При этом срок службы такого оборудования составляет максимум 3-5 лет.
Почему? Давайте считать. В каждом 12-вольтовом аккумуляторе на 9 А•ч есть шесть 2-вольтовых ячеек, соединенных последовательно. И таких АКБ в ИБП – 16 штук. Всего получаем 96 ячеек. Вероятность их разбалансировки при этом очень высока. Проблема в том, что если хотя бы в одной ячейке вырастет внутреннее сопротивление, то деструктивные процессы в цепочке будут только нарастать. На одних ячейках напряжение будет увеличиваться, на других падать, результат ‒ быстрый выход из строя всей сборки (потеря емкости). При этом на клеммах батареи все еще будут заявленные 192 В.
Теперь сравним эти показатели с системой на основе инвертора МАП. Чаще всего используется четыре 12-вольтовые батареи на 200 А•ч, соединенных последовательно на 48 В. В итоге мы имеем 4 АКБ по 6 ячеек = 24 низковольтные ячейки. Это обеспечивает не только высокий уровень безопасности, но и отличную надежность. При увеличении емкости путем параллельного включения АКБ снижения надежности также нет. Отметим, что напряжение системы выбирается с учетом нагрузки. Например, если потребляемая мощность не выше 6 кВт, можно выбрать 24 В, а если 3 кВт и ниже ‒ достаточно даже 12 В.
Чтобы определить необходимое нам количество АКБ, надо понять, сколько энергии может сохранить одна батарея. Вспомним школьный курс физики – мощность определяется как произведение тока на напряжение. Подсчитываем количество энергии в одной батарее:
200 А•ч×12 В = 2400 Вт•ч.
Правда, использовать всю эту энергию из АКБ мы не можем. Чем глубже разряжается батарея, тем быстрее она выходит из строя. Поэтому допустимо разряжать ее не более чем на 70%. Этот уровень по умолчанию установлен в настройках инвертора – как только разряд батарей достигнет этого уровня, он отключит выработку 220 В для защиты АКБ от более сильного разряда. Итого, мы можем взять только 70% имеющейся энергии:
200 А•ч×12 В×70% = 1680 Вт•ч.
Вспомним наши расчеты выше – нам необходима мощность 8940 Вт•ч.
Считаем:
8940 Вт•ч / 1680 Вт•ч = 5,32 шт.
Округляем – получаем 6 батарей по 200 А•ч. С учетом параметров системы, мы можем выбрать сборку АКБ на 24 В и инвертор на это же напряжение. Соединять наши батареи мы будем следующим образом: по две последовательно (получаем 24 В), и три такие сборки параллельно. В итоге получаем массив на 24 В при емкости 600 А•ч.
Подсчитаем запас энергии, которым можно воспользоваться при разрядке батарей на 70%:
600 А•ч × 24 В = 14 400 Вт•ч.
14 400 Вт•ч × 70% = 10 080 Вт•ч.
Вспомним – наша расчетная величина составляет 8940 Вт•ч. Значит, мы даже имеем некоторый запас по мощности. Это даст нам возможность немного дольше продержаться без внешнего электропитания или чаще и продолжительнее использовать наши электроприборы.
Установка и подключение аккумуляторов
Вес каждой используемой нами батареи превышает 50 кг. Поэтому необходим какой-то стеллаж для их расположения. Он должен быть крепким, чтобы выдержать их вес. Всего у нас 6 батарей, на одну полку мы сможем установить две. Итого, нужны три полки. Кроме того, потребуется еще одна для инвертора.
Соединение батарей осуществляется специализированными перемычками. Для последовательного соединения двух АКБ на одной полке необходимы 3 штуки размером 30 см×35 мм2. Пары аккумуляторов на разных полках соединяются гибкими перемычками 70 см×35 мм2. Нам потребуется четыре штуки.
Чтобы батареи заряжались и разряжались равномерно, инвертор подключается к их массиву диагонально. Например, если минусовой провод инвертора мы подключаем к первой батарее массива аккумуляторов, то плюсовой соединяем с последней батареей.
Итак, мы определились с комплектом необходимого нам оборудования и можем сразу подсчитать его массу, объем, а также предстоящие затраты:
Собранная нами система позволит обеспечить дом бесперебойным электропитанием однофазным напряжением 220 В. Время работы зависит от потребляемой мощности. Выше мы уже отмечали эти параметры, повторим их еще раз для наглядности:
· До 8 кВт ‒ в течение 5 секунд. После этого защита от перегрузок отключит инвертор;
· До 6 кВт ‒ на период до 30 минут. Далее защита от перегрева отключит его;
· До 4 кВт ‒ будет работать, пока защита аккумуляторов от глубокого разряда не отключит его.
Способность выдерживать нагрузку до 8 кВт в течение 5 секунд обеспечит беспроблемное включение скважинного насоса и других потребителей энергии с большими пусковыми токами. Работа до 30 минут при нагрузке до 6 кВт позволит без проблем включать, например, пылесос при включенной микроволновке. С рассчитанными параметрами энергопотребления запаса энергии в АКБ будет достаточно для резервного электропитания в течение 27 часов. Общее количество энергии, которое будет накоплено в батареях для использования, составляет 10 кВт•ч.
В какую сумму нам обойдется данная система? В соответствии с действующими нормативами подачу электроэнергии у нас не должны отключать в год на срок более 72 часов суммарно. Поэтому батареи чаще всего будут работать в буферном режиме – когда электроэнергия обычно есть, но изредка пропадает. Ориентировочный срок службы созданной системы при таком режиме работы составляет порядка 12 лет и в целом зависит от срока эксплуатации АКБ. Считаем:
431 600 рублей / (12 месяцев×12 лет) = 2997 р. в месяц.
Согласитесь – достаточно небольшая сумма за бесперебойное электроснабжение. Но эта сумма может быть еще ниже, если нет необходимости использовать скважинный насос. Если повторить наши расчеты системы ИБП без него, у нас будет совсем другой состав и цифры энергопотребления:
При отсутствии скважинного насоса пусковая мощность наших электроприборов будет не более 2380 Вт на короткий промежуток времени до 5 секунд. Холодильник не учитываем, так как вероятность того, что у нас включение холодильника совпадет, например, с моментом включения микроволновки, минимальна. В этом случае нам будет вполне достаточно МАП модели PRO на 2 кВт 12 В или 3 кВт 24 В. Второй вариант дает небольшой излишек по мощности, что существенно повышает надежность. Следует учесть и то, что на эту и последующие модели ставятся удобные разводочные коробки.
Посчитаем, сколько нам понадобится батарей:
8440 Вт•ч / 1680 Вт•ч = 5,02 шт.
Здесь мы можем выполнить округление в меньшую сторону, до 5 штук. Мы используем 12-вольтовый инвертор, поэтому батареи подключаем параллельно.
Общая емкость при этом: 5×200 А•ч = 1000 А•ч.
Запас энергии: 1000 А•ч×12 В = 12 000 Вт•ч.
Так как мы можем взять только 70%: 12 000 Вт•ч × 70% = 8400 Вт•ч.
Наша расчетная цифра ‒ 8440 Вт•ч. У нас вышло чуть меньше, поэтому мы сможем обойтись без света не сутки, а на 7 минут меньше. Но вряд ли это настолько критично, чтобы оказать какое-то реальное влияние на эксплуатацию системы. Оборудование будет размещено на том же стеллаже с тремя полками для АКБ и одной полкой для инвертора МАП.
Так как две батареи будут располагаться на полке рядом, мы вроде бы можем взять для их подключения более короткие перемычки. Но мы не будем этого делать и используем все перемычки одной длины. Это обеспечит равномерность заряда и разряда всех батарей в массиве и немного увеличит срок их службы. Как и в прошлом варианте, подключение инвертора осуществляется «по диагонали» ‒ если минусовой вывод инвертора идет на первую батарею массива, то плюсовой – на последнюю.
Подсчитаем наши итоговые затраты в данном варианте:
Инвертор на 2 кВт сможет обеспечить нам бесперебойное однофазное электропитание 220 В мощностью:
· До 2,8 кВт ‒ до 5 секунд. После этого защита от перегрузок отключит инвертор;
· До 2 кВт ‒ до 30 минут. Далее сработает защита от перегрева и отключит его;
· До 1,4 кВт ‒ будет работать, пока защита аккумуляторов от глубокого разряда не отключит его.
Электроэнергии хватит на время до 24 часов. Общее количество доступной для потребления электроэнергии ‒ 8,4 кВт•ч.
Посчитаем, во сколько обойдется надежное электроснабжение в этом случае:
309 400 рублей / (12 месяцев×12 лет) = 2148 р. в месяц.
С инвертором SIN Pro 6кВт 24В и шестью АКБ наши ежемесячные расходы составляли 2997 рубля. С моделью на 2 кВт и пятью АКБ – 2148 рублей или, округленно, 72% от прежней суммы. Вы можете сами оценить и решить, насколько существенно различие в цене и какой вариант системы бесперебойного питания наиболее целесообразен в вашем случае.
Здесь мы рассмотрели основные принципы выбора оборудования для резервной системы бесперебойного питания и выполнения необходимых расчетов. Хочется верить, что она была вам полезной. Отметим, что такая система может быть укомплектована солнечными панелями для подачи энергии во внутреннюю сеть. Но это уже отдельная тема, поэтому все особенности создания полностью автономной системы электроснабжения мы обсудим в других статьях.