На сколько хватит аккумулятора: шесть сценариев

Почему на этот вопрос нет одной цифры

Вопрос «на сколько хватит аккумулятора» звучит так, будто у него есть ответ вида «на восемь часов». Ответа в таком виде не существует: батарея — это запас энергии, а не запас времени. Время появляется только после того, как названа мощность, которую этот запас питает.

Батарея 10 кВт·ч, питающая газовый котёл с циркуляционным насосом, отработает около двух суток. Та же батарея, питающая электрический котёл на 6 кВт, отработает меньше полутора часов. Разница — более чем в тридцать раз, и она целиком в нагрузке, а не в аккумуляторе.

Поэтому ниже разобраны шесть типовых профилей нагрузки частного дома — от «только отопление» до «дом с электрическим нагревом». Для каждого посчитано время работы двух распространённых конфигураций: батареи на 5 и на 10 кВт·ч. Формула, из которой получены цифры, приведена целиком, чтобы её можно было пересчитать под свой дом.

Формула, из которой всё считается

Время автономной работы — это доступная энергия батареи, делённая на мощность, которую из неё вынимают. Обе величины требуют поправок, и именно в поправках теряется половина ожидаемой автономии.

В развёрнутом виде расчёт выглядит так: время в часах равно произведению номинальной ёмкости на рабочую глубину разряда, делённому на сумму двух слагаемых — мощности нагрузки, увеличенной на потери инвертора, и собственного потребления инвертора.

Каждый множитель здесь означает конкретную физическую вещь, и ни один из них не является поправочным коэффициентом «на всякий случай».

Что стоит за каждой величиной

• Номинальная ёмкость в киловатт-часах. Получается перемножением ампер-часов на напряжение батареи: 100 А·ч при 51,2 В — это 5,12 кВт·ч. Сами по себе ампер-часы энергией не являются, и сравнивать по ним батареи с разным напряжением бессмысленно.
• Рабочая глубина разряда. Нижний порог задают BMS и настройки инвертора: у литий-железо-фосфатных (LiFePO4) систем в резервном режиме рабочей обычно считают глубину около 90 %. Оставшийся запас — не жадность производителя, а защита ячеек от глубокого разряда.
• КПД инвертора. Часть энергии уходит в тепло на радиаторе. Ориентир для бытового инвертора с чистым синусом — 90–94 % при загрузке в 20–80 % от номинала. На малой нагрузке КПД заметно ниже паспортного.
• Собственное потребление инвертора. Устройство тратит энергию на себя независимо от того, что подключено: плата, дисплей, вентилятор, схема слежения за сетью. Ориентир — десятки ватт, точное значение указано в паспорте конкретной модели.
• Средняя мощность нагрузки, а не сумма шильдиков. Компрессор холодильника включён примерно четверть времени, горелка котла работает циклами, скважинный насос — считанные минуты в час. Расчёт по максимумам даёт цифру в два-четыре раза больше фактической.

Что принято в расчёте

Батарея

LiFePO4, 51,2 ВТак из 100 А·ч получается 5,12 кВт·ч. Те же 100 А·ч при 12 В дают всего 1,2 кВт·ч

Рабочая глубина разряда

90 %Ориентир. Нижний порог задают BMS и настройка инвертора, у части систем рабочая глубина меньше

КПД инвертора

92 %Ориентир для нагрузки в 20–80 % от номинала. На малой нагрузке КПД ниже

Собственное потребление инвертора

30 ВтОриентир для бытового инвертора на 3–6 кВт. Реальное значение — в паспорте, разброс заметный

Температура

+20 °CБатарея новая, помещение отапливаемое. На холоде отдача ниже

Заряд к моменту отключения

100 %Второе отключение в тот же день застанет батарею недозаряженной, и автономия будет меньше

Расчёт по шагам на одном профиле

1. Перевести ёмкость в киловатт-часы

   100 А·ч при напряжении 51,2 В дают 5,12 кВт·ч. Это номинал, написанный на корпусе.

2. Отнять то, что брать нельзя

   При рабочей глубине разряда 90 % из батареи доступно 4,61 кВт·ч.

3. Учесть потери инвертора

   Чтобы отдать в розетку 150 Вт при КПД 92 %, инвертор возьмёт из батареи около 163 Вт.

4. Добавить собственное потребление

   Инвертор тратит на себя порядка 30 Вт постоянно. Итоговый расход из батареи — около 193 Вт.

5. Поделить

   4,61 кВт·ч, делённые на 0,193 кВт, дают примерно 24 часа. Это расчётный потолок для новой батареи в тепле.

6. Заложить запас на реальность

   Холод, старение и неполный заряд съедают ещё 15–25 %. Планировать разумно по 19–20 часам, а не по 24.

Шесть профилей нагрузки и время автономии

Профиль 1. Только отопление

Самый частый сценарий в частном доме: в резерв уходит одна линия — газовый котёл и циркуляционный насос контура. Всё остальное на время отключения не работает.

Внутри этой нагрузки три потребителя. Плата управления берёт 5–20 Вт постоянно. Вентилятор турбированного котла — 30–70 Вт, но только пока горит горелка. Циркуляционный насос — от 5–45 Вт у модели с электронным управлением до 45–90 Вт у трёхскоростной, и он работает почти непрерывно.

Шильдик котла показывает сумму максимумов, поэтому комплекты под эту задачу описывают диапазоном 300–600 Вт. Среднее за час получается меньше: горелка и вентилятор работают циклами, насос в межсезонье редко стоит на верхней скорости. Для расчёта берём 120–250 Вт.

Пик приходится на момент пуска насоса и длится доли секунды — 0,3–0,6 кВт. Инвертор на 1 кВт с этим справляется.

При такой нагрузке батарея 5 кВт·ч даёт 14–28 часов, а 10 кВт·ч — 29–56 часов: сутки уверенно закрываются на десяти киловатт-часах, двое — только у нижней границы нагрузки. Это тот случай, когда аккумулятор объективно удобнее генератора: отключение проходит незаметно, дом можно оставить пустым.

Профиль 2. Отопление и минимальный быт

К отоплению добавляются холодильник, свет в жилых комнатах, роутер и охранное оборудование. Это тот набор, который в большинстве домов и называют «критическими линиями».

Холодильник обманчив. При работе компрессора он берёт 100–200 Вт, и именно эту цифру обычно подставляют в расчёт. Но компрессор включён примерно четверть времени, поэтому средняя за сутки мощность бытового холодильника — 30–60 Вт. Ошибка в расчёте по максимуму — троекратная.

Освещение на светодиодах по всему дому даёт 50–150 Вт, но при отключении обычно горит не весь дом: реально 30–80 Вт. Роутер, оптический терминал и камеры — 15–40 Вт круглосуточно, и это единственная нагрузка, которая не выключается никогда.

В сумме получается 250–450 Вт. Пик выше, чем в первом профиле: пуск компрессора холодильника накладывается на работающий насос, и мгновенная мощность доходит до 0,9–1,5 кВт.

Батарея 5 кВт·ч отработает 8,5–14 часов — то есть закроет вечернее отключение, но не ночь с запасом. Батарея 10 кВт·ч даёт 17–29 часов, и это уже сутки с уверенностью.

Профиль 3. Лето без отопления

Летом котёл либо выключен, либо работает только на горячую воду и в расчёт автономии почти не входит. Зато остаётся всё, что портится: холодильник и морозильный ларь.

Морозильный ларь в среднем за сутки берёт 25–50 Вт, холодильник — 30–60 Вт, свет летом нужен меньше, добавляются телевизор (60–120 Вт, но не круглосуточно) и зарядки. Средняя нагрузка выходит 200–350 Вт.

Батарея 5 кВт·ч даёт 11–18 часов, 10 кВт·ч — 21–36 часов. Летний профиль легче зимнего в полтора-два раза, и это стоит держать в голове: система, рассчитанная под январь, в июле отработает заметно дольше.

Практический смысл летнего профиля другой. Зимой в доме, как правило, кто-то есть, а летом дом чаще стоит пустым — и вопрос не в комфорте, а в том, разморозится ли ларь. Здесь важнее не максимальная автономия, а то, что система включается сама и не требует присутствия человека.

Профиль 4. Дом со скважиной и септиком

Здесь появляются два потребителя, которые ломают интуицию, причём в разные стороны.

Скважинный насос — 0,75–1,1 кВт, и выглядит он самой страшной нагрузкой в списке. На деле при обычном водопотреблении семьи он работает 0,5–1,5 часа в сутки, то есть даёт 0,4–1,6 кВт·ч за сутки — в пересчёте на среднюю мощность всего 20–70 Вт. Энергии он берёт немного. А вот пусковой ток у него в 3–5 раз выше номинального — точная кратность указана в паспорте насоса, — и на доли секунды система должна выдать 3–5 кВт. Это вопрос к мощности инвертора, а не к ёмкости батареи.

Аэрационный септик ведёт себя ровно наоборот. Компрессор на 60–100 Вт работает почти непрерывно и за сутки съедает 1,5–2,4 кВт·ч — больше, чем скважина. Пиков он не создаёт вовсе, и именно поэтому его чаще всего забывают учесть.

Вместе с базой из второго профиля получается 350–600 Вт: батарея 5 кВт·ч отработает 6,5–11 часов, 10 кВт·ч — 13–21 час.

Профиль 5. Дом целиком, кроме нагрева

Резервируется весь дом, из резерва выведены только приборы с нагревательным элементом: бойлер, электроплита, проточный водонагреватель, тёплый пол.

К предыдущему профилю добавляются стиральная и посудомоечная машины, микроволновая печь, кондиционер, инструмент. Ни один из этих приборов не работает постоянно, но что-нибудь включено почти всегда, и средняя нагрузка поднимается до 0,8–1,5 кВт. Пик — 3–5 кВт: чайник, наложенный на работающую стиральную машину и пуск насоса.

Батарея 5 кВт·ч в таком режиме держит 2,7–5 часов, батарея 10 кВт·ч — 5,4–10 часов. Сутки автономии здесь означают батарею на 25–45 кВт·ч, и вопрос из технического становится бюджетным.

Отсюда практический ход, который мы предлагаем чаще всего: разделить щит на две группы — критическую и остальную. По умолчанию система работает во втором профиле и держит сутки, а полный дом остаётся в резерве ровно настолько, насколько хватает запаса. Переключение делается автоматикой, а не человеком с фонариком.

Профиль 6. Дом с электрическим нагревом

Электрический котёл, электрический тёплый пол, бойлер на 2 кВт, проточный водонагреватель. В мороз такая нагрузка держится на уровне 3–8 кВт почти непрерывно.

Батарея 5 кВт·ч отработает от получаса до 1,3 часа, батарея 10 кВт·ч — от часа до 2,7 часа. И это при условии, что мощности инвертора хватает: нагрузку в 8 кВт инвертор на 3 кВт не отдаст физически, он уйдёт в защиту, и разговор о времени автономии не начнётся вовсе.

Чтобы держать электрокотёл на 3 кВт целые сутки, нужна батарея порядка 90 кВт·ч номинальной ёмкости — почти в двадцать раз больше, чем 5 кВт·ч. Такая система по стоимости несопоставима с генератором, который отработает те же сутки на топливе.

Честный вывод для этого профиля: аккумулятор здесь резервирует не отопление, а всё остальное. Отопление на время отключения либо переводят на другой источник, либо принимают, что дом остывает. Насколько быстро он остывает — вопрос утепления и мороза, и проверяется он экспериментом: выключить отопление на вечер и посмотреть на термометр.

Сколько потребляют типовые приборы

Мощность и запас — две разные величины

Что съедает автономию, кроме самой нагрузки

Между цифрой на корпусе батареи и часами работы стоят семь поправок. По отдельности каждая выглядит мелочью, вместе они дают минус 15–25 % от идеального расчёта.

• Глубина разряда. Из 10 кВт·ч номинала до инвертора доходит около 9 кВт·ч. Нижний порог задан не для перестраховки: глубокий разряд литиевой ячейки необратим.
• КПД инвертора. 6–10 % энергии превращается в тепло на радиаторе, и это неизбежная плата за преобразование постоянного тока в переменный.
• Собственное потребление инвертора. Десятки ватт независимо от нагрузки. Для нагрузки в 1 кВт это шум, для нагрузки в 120 Вт — около пятой части всего расхода.
• Температура. Отдача батареи на холоде падает, а заряжать LiFePO4 при отрицательной температуре нельзя вовсе — это свойство химии, а не ограничение производителя. Батарея в неотапливаемом помещении зимой не восстановится после отключения.
• Старение. Ёмкость снижается с годами и циклами. Система, рассчитанная впритык под новую батарею, через несколько лет перестанет закрывать ту же задачу.
• Реактивная нагрузка. Насос или компрессор берёт больше вольт-ампер, чем ватт. Инвертор, подобранный по ваттам без запаса, на такой нагрузке уходит в защиту.
• Неполный заряд к моменту отключения. После длинного отключения батарея восстанавливается не мгновенно, и повторное отключение в тот же день застаёт её частично разряженной.

Как измерить свою нагрузку за один вечер

1. Выпишите, что должно работать

   Не «весь дом», а конкретный список приборов и линий щита. Этот список и есть техническое задание на систему.

2. Снимите показания счётчика с интервалом

   Запишите показания в 23:00 и в 7:00 и разделите разницу на 8. Получите среднюю ночную мощность дома: ночью работает только фоновая нагрузка, а это близко к резервному режиму.

3. Замерьте котёл отдельно

   Розеточный ваттметр, оставленный на сутки, даёт расход в киловатт-часах. Поделите на 24 — получите среднюю мощность честнее любой документации.

4. Поймайте пик токовыми клещами

   Клещи на вводе в момент пуска скважинного насоса покажут максимальный ток. Именно он определяет мощность инвертора, а не средняя нагрузка.

5. Вычтите то, что в резерв не пойдёт

   Счётчик считает весь дом, включая бойлер, плиту и тёплый пол. Из измеренного нужно убрать всё, что при отключении будет обесточено.

6. Переведите в ёмкость

   Умножьте среднюю мощность на нужное число часов и разделите на 0,8 — поправка закрывает глубину разряда, потери и собственное потребление инвертора.

Когда аккумулятор не закрывает задачу

Аккумуляторная система дёшева в пересчёте на мощность и дорога в пересчёте на запас энергии. Из этого следует список ситуаций, в которых её покупать не надо, и мы называем их до расчёта, а не после монтажа.

• Электрическое отопление как основной источник тепла. Профиль 6 выше: сутки автономии стоят как несколько систем, и генератор здесь честнее.
• Отключения регулярно длятся дольше суток. Батарея под такой сценарий получается неадекватного объёма, нужен генератор или связка генератора с батареей.
• Нужна большая мощность надолго: сварка, стройка, деревообработка, электрокотёл. Инвертор такую мощность выдаст, батарея её не прокормит.
• Нет отапливаемого места под батарею. Заряд LiFePO4 при отрицательной температуре запрещён, а модуль с подогревом решает вопрос не бесплатно.
• Сети нет вообще. Аккумулятор энергию хранит, а не производит: заряжать его будет нечем.
• Задача — экономия на тарифе, а не переживание отключений. Это другой расчёт с другими требованиями к системе, и сводить его к автономии нельзя.

Частые заблуждения

Семь ошибок, из-за которых расчёт расходится с реальностью в разы. Первые четыре встречаются чаще остальных вместе взятых.

1. Ампер-часы принимают за энергию. 100 А·ч при 12 В — это 1,2 кВт·ч, а те же 100 А·ч при 51,2 В — 5,12 кВт·ч. Цифра на корпусе одна, разница больше чем в четыре раза.
2. Считают, что 10 кВт·ч номинала дают 10 кВт·ч работы. После глубины разряда, КПД и собственного потребления инвертора остаётся 8–8,5 кВт·ч.
3. Считают нагрузку по шильдикам. Шильдик показывает максимум. Сумма шильдиков даёт цифру в два-четыре раза больше средней фактической нагрузки, и автономия на бумаге получается втрое меньше настоящей.
4. Думают, что мощный инвертор увеличивает автономию. Наоборот: чем мощнее инвертор, тем больше он тратит на себя. Инвертор на 8 кВт, питающий котёл на 150 Вт, может расходовать на собственные нужды сопоставимую с котлом мощность.
5. Считают по площади дома. Дом 200 м² с газовым котлом даёт 250 Вт резервируемой нагрузки, дом 80 м² с электрокотлом и скважиной — 7 кВт. Площадь о потреблении не говорит ничего.
6. Читают «6000 циклов» как «навсегда». Циклы без указания глубины разряда и температуры не значат ничего, а резервная система делает 10–20 циклов в год: у неё ограничение обычно календарное, а не циклическое.
7. Берут автомобильный аккумулятор, потому что дешевле. Стартерная батарея рассчитана на короткий мощный разряд с немедленным зарядом. Циклический разряд на 50–80 % выводит её из строя за десятки циклов.

Что делать дальше

Порядок действий короткий и не требует инженера. Составьте список того, что должно работать при отключении. Снимите среднюю мощность этого списка по счётчику или ваттметром, а не по шильдикам. Решите, сколько часов нужно продержаться — по фактической статистике отключений за прошлый год, а не по ощущению.

Умножьте среднюю мощность на часы, разделите на 0,8 — получите требуемую ёмкость. Отдельно сложите пики того, что может включиться одновременно, — получите мощность инвертора. Эти две цифры и есть техническое задание на систему.

Дальше начинается работа, где расчёт превращается в конфигурацию: какое напряжение батареи, сколько модулей, какой инвертор, как разделить щит на резервируемую и обычную группы. Здесь мы считаем сами и показываем расчёт, а не только итоговую сумму.