Бесперебойники для котлов в системах отопления частных домов

Автономные системы отопления (далее – АСО) индивидуальных застроек, в схеме которых используются газовые, дизельные, электрические настенные или напольные двухконтурные твердотопливные котлы отопления с принудительным характером циркуляции теплоносителя, являются энергозависимыми объектами. Работа газовых горелок для котлов отопления, функционирование теплоаккумулятора твердотопливного агрегата, прямое или дистанционное управление запрограммированными на автоматический режим тэновыми двухконтурными настенными бойлерами не обходятся без электрического питания постоянного или переменного напряжения.

Блок ИБП и АКБ для котлов отопления

Но если в домах с централизованным отоплением отсутствие света в зимний сезон не сказывается на показаниях квартирного термометра, то в частном доме владельцы АСО рискуют замерзнуть из-за остановки циркуляционного насоса. Бесперебойную энергонезависимую работу оборудования автономных систем отопления в случае прекращения подачи сетевой электроэнергии или искажения ее характеристик удается организовать при помощи резервных источников электрического питания (ИБП), в обиходе называемыми бесперебойниками. На фото показан ибп для котлов отопления в соединении с аккумуляторными батареями (АКБ).

Предназначение ИБП

Оснащение своими руками бытовой техники, в том числе и отопительной аппаратуры (котел, насос, теплоаккумулятор или тэновые бойлеры косвенного нагрева и т.п.), многочисленными устройствами автоматического управления, предопределило некоторую энергетическую уязвимость АСО. Переставшие быть энергонезависимыми, системы обогрева жилища зависят не только от наличия электрического питания, но и от качества подаваемой сетевой электроэнергии, поскольку чувствительная автоматика на микропроцессорах негативно реагирует на нарушения параметров сетевого переменного тока. К числу неполадок питающей сети, влияющих на работу автоматики и оборудования АСО, в том числе термостата и термометра, относят:

• полное отключение напряжения в схеме электропитания элементов АСО;
• всплески и подсадки сетевого напряжения;
• частотные помехи и нелинейные искажения формы напряжения.

Дополнительная информация. ГОСТ 13109-97 определил следующие нормы параметров электропитающей сети:

• напряжение 220 В ± 5 %;
• частота 50 Гц ± 0,2 Гц;
• нелинейные искажения формы напряжения для длительных помех не более 8% и в кратковременных неполадках – не более 12%.

Только энергонезависимые русские печи на березовых дровишках способны выстоять перед натиском многочисленных сетевых дефектов центрального электроснабжения. Аппаратура АСО критична к соблюдению нормальных параметров сети, здесь уже не обойтись без бесперебойников. ИБП для АСО представляют собой вторичные источники электропитания заводского исполнения или собранные своими руками, которые предназначены для кратковременного энергоснабжения ее элементов (котел, насосная группа, теплоаккумулятор, автоматика с электронным термометром и термостатом) в случае полного или частичного отсутствия входного сетевого напряжения.

Массовое применение ИБП для приборов отопления перекочевало из области компьютерной техники, в которых необходимость в устройствах UPS (от англ. Uninterruptible Power Supply, дословно означающего «бесперебойный источник питания») мотивировалась корректным завершением работы и сохранением данных при аварийном обесточивании компьютера. Задачи для бесперебойников АСО частных домов ставятся несколько иные:

• обеспечение надежной работы автоматики АСО в целом и регулирующих функций в каждом отапливаемом помещении, где в комплекте с отопительными приборами (радиаторы, конвекторы, теплые полы) используются термостат с термометром, запорная арматура, точки горячего водопользования;
• обеспечение бесперебойной работы в номинальном режиме горелок и розжига для дизельных и газовых котлов;
• обеспечение бесперебойным питанием циркуляционных насосов в АСО с принудительным побуждением движения теплоносителя;
• осуществление правильного питания системы аварийного отключения газа (САОГ), контролирующей в автоматическом непрерывном режиме содержание метана в воздухе.

На рисунке показаны функциональные элементы котла отопления, нуждающиеся в подаче резервного электропитания.

Функциональные элементы котла отопления, требующие подачи резервного электропитания

Для технической реализации поставленных задач источники бесперебойного энергоснабжения должны выполнять следующие функции:

• осуществление подачи на вход котла, термоаккумулятора, насоса и другой запитываемой нагрузки переменного напряжения 220 В в пределах нормируемых  отклонений параметров;
• стабилизацию на выходе формы напряжения в чистой синусоиде;
• обеспечение автономного электроснабжения на длительный период, то есть, котлы должны быть энергонезависимыми сроком до нескольких суток;
• осуществлять переход работы на ИБП с аккумуляторными батареями в минимальный временной период;
• возобновление питания котлов при включении сетевого напряжения.

На рисунке в наглядной форме отображены вышесказанные доводы против UPS в качестве ИБП для котла АСО.

Иллюстрация технических причин против использования UPS для компьютеров в системе отопления дома

АСО с использованием ИБП

Варианты применения ИБП в случае временного обесточивания системы отопления частного дома зависят от длительности периода, в течение которого отсутствует сетевой ток. Принцип работы бесперебойников основывается на изначальном накоплении электроэнергии в АКБ и последующей отдаче энергии в качестве питающего напряжения элементам схемы АСО.

В случае кратковременных отключений сетевого тока ИБП могут обеспечить энергонезависимую работу насосов, теплоаккумулятора и автоматики управления в течение ограниченного временного периода, однако с длительным замещением  магистрального энергоснабжения бесперебойники не справятся. Общая концепция построения своими руками резервного питания для энергозависимых автономных систем отопления отводит ИБП роль вспомогательных устройств, считая их вторичными источниками электропитания. В зависимости от длительности вынужденного обесточивания резервное снабжение электрическим переменным напряжением 220 В с участием ИБП подразделяется на три варианта:

1. Для краткосрочного отсутствия сетевой электроэнергии (до 24 часов) достаточно применения ИБП с несколькими АКБ.

Функциональная схема подключения газового котла к ИБП

2. Периоды отключения света длительностью от одного до трех дней можно перекрыть резервным питанием от ИБП в комплекте с АКБ, но уже с подзарядкой от дизельных или бензиновых генераторов.

3. Отсутствие света более трех суток можно компенсировать только с помощью так называемых ИРП (источников резервного питания) жидкотопливных генераторов с инвертором. Между ИРП и автоматикой схемы управления АСО необходимо устанавливать своими руками блок ИБП в качестве стабилизатора напряжения, поскольку дизельные генераторы выдают на выходе пилообразное напряжение.

В регионах с частыми длительными перебоями с электрическим сетевым питанием владельцы частных домов предусмотрительно держат наготове дизельные генераторы с инвертором, но основным «подстраховочным» комплектом считается ИБП с аккумуляторными батареями.

Состав аппаратуры ИБП

Аппаратура ИБП состоит из следующих элементов:

1. Аккумуляторных батарей, из которых своими руками или заводским исполнением составляется блок АКБ. Предназначение АКБ – накопление заряда, чтобы при обесточивании АСО выполнять функции энергоисточника для зависящего от электрического питания оборудования топливной системы. АКБ составляется из специальных герметизированных свинцово-кислотных необслуживаемых батарей.
   

При оснащении своими руками блока АКБ для резервного питания газовых или дизельных котлов, следует учитывать следующие факторы:

• крайне нежелательно применение обслуживаемых свинцово-кислотных аккумуляторов из-за образования вредных кислотных паров;
• не рекомендуется подключение автомобильных аккумуляторов для энергообеспечения оборудования АСО, так как их предназначение заключается в быстрой передаче электротока большого ампеража для срабатывания стартера и запуска двигателя, то есть рабочий цикл отличается от ИБП для котла.

2. Зарядного устройства, предназначенного для зарядки аккумуляторных батарей от сетевого напряжения. Оно также выполняет другие функции:
   

• подачу постоянного электротока на инвертор;
• контроль наполнения батарей при зарядке;
• переключение питания котла от бесперебойника или от сети.

3. Инвертора для преобразования постоянного тока от АКБ в переменный электроток синусоидальной формы напряжением 220 В. Чаще всего в ИБП для котлов используются специальные инверторы с функцией зарядного устройства для батарей АКБ.
4. Стабилизатора напряжения, доводящего низкокачественное питание от электросети до уровня, необходимого для корректной работы схемы управляющей микропроцессорной автоматики. Стабилизаторы монтируются в общем блоке с инвертором, встречаются конструкции с отдельными устройствами.

По типу размещения аппаратуру ИБП разделяют на два типа:

• настенные приборы, укомплектованные АКБ небольшой емкости. Используются в схеме АСО с термостатом и термометром для управления оборудованием в малогабаритных помещениях;
  

На фото показан настенный бесперебойник марки ДПК-1/1-1-220-Н on-line типа (с двойным преобразованием электроэнергии).

ИБП марки ДПК-1/1-1-220-Н

• ИБП напольного исполнения, нередко блоки аккумуляторов размещаются не на полу, а на специальных стеллажах. Напольные ИБП более мощные, чем настенные аналоги, поскольку их мощность можно наращивать путем увеличения количества батарей в аккумуляторных блоках.

Принцип работы ИБП

Резервное питание от ИБП электрооборудования АСО и аппаратуры контроля, управления и регулирования рабочих параметров для котлов отопления реализуется в нескольких технических вариантах исполнения, каждый из которых имеет свои особенности:

1. Простейший вариант подключения аккумуляторов, если уменьшилось или полностью пропало сетевое напряжение, называется резервным или off-line (оффлайн) типом.

Схема резервного off-line подключения ИБП

При номинальном сетевом питании напряжение напрямую от сети (обозначено «ключ») поступает к аппаратуре АСО – на схеме обозначено «нагрузка». Параллельно от блока «выпрямитель/зарядное устройство» заряжается АКБ («батарея»). Затем постоянное напряжение 12 В от АКБ направляется к инвертору, а из него уже в форме переменного напряжения 220 В подается на нагрузку.

ИБП off-line типа для систем отопления частного дома НЕ ГОДИТСЯ! Оффлайн-бесперебойник пригоден для бытовой техники, пожарной автоматики, но для микропроцессорной автоматики и приборов АСО (термостат, электронный термометр, регуляторы расхода и давления) его использовать не рекомендуется. Причина кроется в нестабильном характере синусоидальной формы переменного напряжения, подаваемого на вход циркуляционного насоса или в схему управляющей электроники с термометром. Напряжение не откорректировано ни по частоте, ни по амплитуде.

На рисунке показаны сравнительные графики изменения напряжения от различных видов источников переменного тока:

• график (а) – так называемая «грязная» синусоида, имеющая форму меандра – результат работы резервных источников импульсивного характера. «Грязная» синусоида провоцирует перегрузки в работе насоса и кавитационные процессы в системе. Оборудование натужно гудит и быстро выходит из строя;
• график (б) – аппроксимированная (ступенчатая) синусоида на выходе из инвертора либо дизельного генератора. Используя стабилизаторы напряжения, аппроксимированную синусоиду преобразуют в правильную («чистую») синусоиду;
• график (в) – «чистая» синусоида. Работа аппаратуры системы отопления при «чистом синусе» со стабильной амплитудой без скачков и провалов проходит без паразитных шумов в штатном режиме. Бесперебойник с инвертором и стабилизатором в общей схеме способен обеспечить чистую синусоиду подачи тока на АСО.

Графики изменения напряжения переменного тока от ИБП различных типов

2. Если в схему off-line подключения ИБП дополнительно разместить трансформатор, стабилизирующий напряжение на входе зарядного устройства, то получится бесперебойник линейно-интерактивного (Line-interfctive) типа.

Схема ИБП линейно-интерактивного типа

В числе достоинств интерактивного подключения отмечают два фактора:

• стабилизацию выходного напряжения (хотя она носит примитивный, квазисинусоидальный характер), что уже позволяет его использовать для запитывания оборудования АСО;
• обеспечение более долгой «жизни» АКБ до 8-10 часов.

3. ИБП двойного преобразования (on-line типа), представляющий собой устройство резервного запитывания оборудования АСО в автономном режиме.

Схема источника бесперебойного питания on-line типа

Принцип работы ИБП онлайн типа заключается в последовательном двойном преобразовании входящего переменного тока:

• выпрямитель трансформирует переменное напряжение сети в постоянное;
• инвертор преобразует постоянное напряжение в переменное.

При двойном преобразовании электроэнергии получается чистая синусоидальная форма питающего нагрузку напряжения, что идеально подходит для оборудования АСО.

Бесперебойник для котла. Видео

О преимуществах бесперебойного электропитания газового котла рассказывает видео ниже.

Повышенный интерес владельцев частных домов к бесперебойникам различных модификаций, среди которых множество самоделок, вызван желанием организовать бесперебойное энергоснабжение бытовой техники и системы отопления.

Газовый котел с бесперебойником настенного исполнения

Кажущаяся простота конструкции ИБП может спровоцировать владельца дома на неправильный выбор аппаратуры резервного питания, что вызовет быстрый выход из строя отдельных механизмов и всей АСО в самый неподходящий холодный период. Стоимость ИБП онлайн-типа превышает цены на приборы других вариантов исполнения, но зато и надежность бесперебойников двойного преобразования намного выше.