Давайте поговорим о вытяжной вентиляции в многоквартирных домах. Какая она бывает. Какие проблемы встречаются и как их решать. И основное: как управлять внутриквартирными дросселирующими заслонками (дроссель-клапанами) вентиляции в современных ЖК и обеспечивать комфортные уровни и шума, и расходования воздуха даже в условиях постоянных изменений тяги в общем канале. И конечно же, запользуем запылившуюся на полке Ардуинку.
Виды вытяжной вентиляции
Привычной и распространенной является естественная (гравитационная) вентиляция: теплый воздух в вентиляционных шахтах поднимается вверх благодаря закону Архимеда и ещё немного помогает закон Бернулли, если на крыше здания дует заметный ветер. Так устроена вентиляция во всех «хрущёвках», большинстве «панелек» и даже в новых домах не очень большой этажности.
Производительность такой вентиляции обычно низкая, зависит от погоды на улице (в мороз и ветер тянет лучше). Для качественного проветривания квартиры жильцы просто открывают несколько окон и создают сквозняк, не полагаясь на вентиляцию.
Чтобы эффективнее удалять влажность из санузлов, многие устанавливают бытовые вытяжные вентиляторы, которые включаются либо вместе с освещением, либо по отдельной клавише выключателя, либо реагируют на влажность. Эти вентиляторы забирают воздух из помещения и вталкивают его в вентиляционную шахту. Мы бы назвали такой подход как «push». Зачастую, производительность вентиляционной шахты не рассчитана на такой ход событий, поэтому возникает заброс воздуха в другие (чаще всего, вышерасположенные) квартиры – эффект обратной тяги. Думаю, многие сталкивались с запахом табака в санузлах (это когда сосед где-то снизу покурил у себя в санузле, включив свой вытяжной вентилятор). От этой беды немного помогают обратные воздушные клапаны. Их либо отдельно устанавливают в воздуховоды, либо они уже интегрированы в те самые вытяжные вентиляторы. Такие клапаны не обеспечивают полную герметичность для обратной тяги, но всё же уменьшают остроту проблемы.
На кухнях для удаления запахов еды и гари устанавливают вытяжки с подключением в вентиляционный канал. (С газовыми плитами это «не очень можно», но это отдельная история.) И здесь опять зачастую идет «борьба вентиляторов» между соседями по одной вентиляционной шахте. Так что, обратный клапан и тут полезен (часто он интегрирован в кухонные вытяжки).
Что же касается современных высотных жилых комплексов (ЖК), то в них всё чаще и чаще применяют так называемую вытяжную вентиляцию с механическим побуждением. В этом случае вентиляционные шахты на крыше дома оканчиваются производительными вытяжными агрегатами – крышными вентиляторами. Мы бы назвали такой подход как «pull».
Такой подход позволяет обеспечивать хорошую производительность вытяжной вентиляции. Но, как говорится, есть нюансы:
Шум. Особенно на последних этажах. (Ходят слухи про ЖК, где крышные вентиляторы выключают на ночь, чтобы люди на верхних этажах могли нормально спать…)
Чем ближе к крыше, тем больше тяга. Поэтому для балансировки системы в квартирах часто устанавливают дросселирующие заслонки (дроссель-клапаны), чтобы управлять тягой. Подробнее об этом – чуть ниже.
Такая система проактивно «сосёт» воздух из квартиры. Если не обеспечен достаточный приток, то начинают свистеть окна, входные двери и вообще все щели, включая межэтажную проходку труб в сантехнических шкафах (и снова здравствуй запах табака от соседей, но теперь уже через отверстия в межэтажных перекрытиях внутри сантехнических коробов).
И, как говорится, «the last but not the least»: зачастую у Управляющих Компаний не хватает квалифицированных специалистов для корректной настройки и своевременного обслуживания таких вытяжных агрегатов. В результате жители жалуются то на избыточную тягу и сильный шум, то на полное отсутствие тяги и заброс воздуха из других квартир. И ситуация может меняться несколько раз за месяц: то крышный вентилятор включили на очень больших оборотах, то что-то случилось, и он упал в тепловую защиту и так далее. То Управляющей Компании придет заявка от жителей верхних этажей, что очень шумно и очень сильно тянет, и УК убавляет обороты. То наоборот – пожалуются жители нижних этажей, что нет достаточной тяги и в ванной комнате повышенная влажность, тогда расторопная УК бежит прибавить обороты, на «радость» жителей верхних этажей, естественно. Этакое вечное Колесо Сансары. Всё, как мы любим…
Базовый минимум
Итак, что же делать, если в вашем доме вытяжная вентиляция оснащена крышными вентиляторами? Следующие рекомендации помогут избежать основных трудностей:
��о-первых, организуйте приточную вентиляцию в квартире. Это могут быть как простые приточные клапаны или бризеры, так и полноценные системы приточной вентиляции. Это обеспечит не только достаточный дебет (приток) воздуха в вашу квартиру, но и позволит очистить воздух хотя бы от крупных загрязнений, уменьшит уличный шум. Есть варианты приточных клапанов, которые устанавливаются прямо в оконные блоки (но это потребует замены стеклопакетов). Если же вам повезло и в вашем ЖК есть централизованная приточная вентиляция, то смело пропускайте этот пункт.
Во-вторых, если позволяет место и высота потолков, поставьте шумоглушители на вытяжную вентиляцию. Это особенно актуально для верхних этажей. Они бывают громоздкие и тяжелые, а бывают гибкие и легкие. Последние работают чуть хуже, но с ними значительно лучше, чем без них (проверено на собственном опыте).
В-третьих, опять обратный клапан. Куда же без него – з��щититься от обратной тяги в любом случае полезно…
И на сладкое: нужно иметь возможность управлять тягой/расходом воздуха вытяжной вентиляции. Самое простое – это поставить регулируемый диффузор. Есть даже новомодные теневые диффузоры скрытого монтажа, у которых внутри есть регулировка сечения за счет вращения внутренней заслонки.
Но если диапазон колебания тяги большой и/или проектом дома предусмотрено (предписано), то лучше установить полноценный дроссель-клапан вентиляции (дросселирующую заслонку). Примерно такого вида (в случае круглых воздуховодов):
Бесплатный совет
Если у вас такая заслонка установлена застройщиком, то не стоит её демонтировать при ремонте. Пока ещё не все прорабы, строительные бригады и прочие дизайнеры привыкли к современным реалиям, так что не осознают всю важность данного узла для правильной работы всей вытяжной системы в современных ЖК, а потому часто демонтируют и выкидывают эту непонятную им «штуковину» во время ремонтных работ. А потом жильцы мучаются и плохо спят из-за воющих окон, свистящих дверей и гула в санузлах.
Это нехитрое устройство позволяет весьма эффективно управлять тягой вытяжной вентиляции (конечно, только в том случае, когда эта самая тяга в избытке присутствует в общем вентиляционном канале).
Вообще, изменение положения заслонки нужно не только в случае заметного изменения тяги в общем вентиляционном канале. Ещё тягой приходится управлять в зависимости от уличной погоды: в морозы тягу вытяжной вентиляции лучше значительно убавлять, так как иначе приходится сильно прибавлять батареи, начинает падать влажность, и бытовые увлажнители перестают справляться. Поэтому если в морозы не убавить тягу вытяжной вентиляции, то получаем и большие расходы по отоплению, и пересушенный воздух. При этом даже с сильно убавленной вытяжной тягой при наличии приточных клапанов или бризеров уровень CO2 в квартире в морозы находится в комфортных пределах. А вот в теплую погоду всё наоборот: чем сильнее работает вытяжная вентиляция, тем лучше проветривание (при наличии притока воздуха) и тем комфортнее уровень CO2. Поэтому в теплую погоду дросселирующую заслонку лучше открыть побольше: тут уже ограничениями являются уровень шума от вентиляции и возможности притока.
Иными словами, положение заслонки в дроссель-клапане вытяжной вентиляции нужно подстраивать так, чтобы следующие показатели были в комфортных диапазонах:
уровень шума от вентиляции (сильно шумит => прикрываем заслонку, уменьшая тягу);
концентрация CO2 (если стабильно держится выше комфортных значений, надо увеличить тягу, приоткрыв заслонку);
влажность в жилых комнатах (если сильно низкая влажность во время морозов, то тягу надо заметно убавить, почти полностью прикрыв заслонку);
влажность в ванной комнате (в случае значительного повышения влажности в ванной, имеет смысл временно увеличить тягу вытяжной вентиляции, расположенной в ней).
Важное дополнение
Ещё есть такая штуковина как клапан расхода воздуха. Выглядит примерно так:
Его установка решает часть проблем с избыточностью и непостоянством тяги в общем вент. канале. Если он у вас установлен (или вы его собираетесь установить), то это может быть “good enough” решение, и дополнительные навороты не так уж и нужны. Но если вы хотите управлять тягой в зависимости от других обстоятельств (например, пункты 2-4 из списка выше), то всё же стоит посмотреть в сторону дросселирующих заслонок.
Сам себе Кулибин
Теперь к сути статьи: как управлять этой дросселирующей заслонкой?
Самое простое – это сделать лючок на потолке ровно под ручкой дросселирующей заслонки, чтобы в случае необходимости регулировки тяги, взять стул/лесенку, залезть под потолок, открыть лючок, пошевелить ручку заслонки, добиться нужного эффекта (например, снижения шума или наоборот – увеличения тяги), закрыть лючок и наслаждаться комфортными условиями проживания.
Но это же не технологично и скучно! Поэтому мы пойдем другим путём. Моторизированным и инновационным.
Электропривод
Первая мысль: «приделаем моторчик на ось дроссель‑клапана».
Быстрый поиск в Сети даёт разные варианты. Вообще, большинство таких приводов предназначены просто для полных открытия и закрытия заслонки в системах дымоудаления. Нам такое не подходит. Нам надо плавно управлять положением заслонки. Для этого подходят электроприводы с аналоговым управлением и без всяких возвратных пружин. Ещё один важный параметр – это крутящий момент. Экспериментально удалось выяснить, что момента в 2 Нм более чем достаточно для дроссель-клапана круглого сечения диаметром 100 мм (даже с учетом уплотнительных резинок и достаточно тугого полного закрытия).
Выбор таких электроприводов оказался не особо велик, так что я остановился на модели BVM TM24-SR-2 (не сочтите за рекламу).
Подключение простое:
Для самого электродвигателя нужно подать 24 В постоянного или переменного напряжения. Но сразу оговорюсь, что практика показала, что и 12 В постоянного напряжения достаточно для уверенной работы (возможно, при этом падает крутящий момент, но электропривод всё равно с лёгкостью справляется со своей задачей).
А для управления положением нужно подать на контакт GY напряжение от 0 до 10 В (0 – полное закрытие заслонки, 10 В – полное открытие заслонки).
Желающие также могут считывать информацию о текущем положении, снимая напряжение с контакта BN. Но для данной реализации этот функционал не нужен.
Макетный блок управления
Залезаем в кучу с названием «всякое ненужное, но вдруг пригодится», достаем оттуда блок питания на 22 В и пустую мыльницу, добавляем к этому немного элементной базы времён СССР (стабилитрон, пара резисторов и потенциометр), перемешиваем с припоем, приправляя канифолью по вкусу и получаем чудо-юдо-блок управления:
Данное устройство отлично справляется с задачей управления положением дросселирующей заслонки при помощи электропривода, хотя и выглядит неказисто.
На сцену выходит Arduino
Но так получилось, что в моем случае культурно и красиво расположить такой блок (или ему подобный) в санузлах не получалось: прокладка кабелей, где-то надо закрепить сам блок, чтобы был удобный и легкий доступ, но при этом не резало глаз и так далее.
Кроме того, уже были какие-то зачатки «полоумного дома» на базе SONOFF и по квартире было расположено несколько пультов дистанционного управления (ДУ), работающих на 433 МГц. И часть кнопок на них была не задействована (а это – непорядок!).
Дабы не мудрить, делаем всё на Arduino:
В моём случае это была Arduino Uno R3. Просто осталась от предыдущих поделок и экспериментов. Естественно, можно использовать любой аналог из огромной массы официальных и не совсем вариантов.
Чтобы подать на электропривод управляющее напряжение, берем ЦАП, преобразующий ШИМ (PWM) с цифрового выхода Arduino в диапазон 0-10 В. Например: PW1VA01.
Питание на электропривод имеет смысл подавать только в интервалы времени, когда нам нужно поменять положение заслонки (в противном случае заслонка имеет все шансы время от времени слегка елозить туда-сюда из-за флуктуаций напряжения, создавая совершенно ненужные шум и износ). Для этих целей добавляем одноканальное реле с питанием 5 В.
Модуль 433MHz RF receiver нужен для получения команд ДУ 433 МГц. Подойдёт например: XD-RF-5V.
Для обратной связи о получении команды ДУ добавим примитивную пассивную пищалку. Например: KY-006 или HW-508. По задумке частота «бипа» в ответ на полученную команду должна сигнализировать о текущем угле заслонки. Однако на практике выяснилось, что это не сильно-то помогает. Но и не мешает, поэтому осталось в коде прошивки.
Дабы видеть угол, если есть визуальный контакт с блоком управления, добавим 4-х символьный 7-сегментный дисплей на базе драйвера TM1637.
Запитаем всё, включая электропривод, от блока питания 12 В, 2 А.
(Это, своего рода, читерство, но работает. Если же всё делать по букве спецификаций, то надо взять блок питания на 24 В, от него запитать электропривод, а на Arduino питание подать через понижающий DC-DC преобразователь.)
Ещё в экспериментальных целях предложенное решение поддерживает следующие опциональные модули:
Bluetooth HC-05 module. Позволяет коммуницировать с устройством через Bluetooth вместо USB (через любой интерфейс для COM-порта).
Модуль часов реального времени DS3231. Может быть потенциально полезен для создания каких-то сложных сценариев управления заслонкой: менять положение в зависимости от времени суток и/или дня недели.
Всё вместе выглядит следующим образом:
Примечания
Для устойчивого приема команд от пульта 433 МГц крайне рекомендуется припаять к модулю 433MHz RF receiver проводок длиной примерно 35 см (половина длины волны) в качестве антенны.
Сам же модуль 433MHz RF receiver должен быть подключен к цифровому пину, на который можно подцепить прерывание.
Модуль преобразования ШИМ в 0-10 В должен быть подключен к цифровому пину, поддерживающему этот самый ШИМ (PWM).
В случае Arduino Uno пины 0 и 1 задействованы для UART (RX и TX соответственно). К ним же подключается модуль Bluetooth HC-05, который в итоге выглядит как обычный дефолтный SerialPort. Но чтобы коммуницировать с платой через USB (например, заливать прошивку), нужно отключать Bluetooth HC-05. Поэтому в схеме предусмотрена возможность разрыва питания на этот модуль.
Собрать всё вместе можно в любом удобном корпусе для РЭА. Например:
Примечание
Торчащий синий проводок сверху в центре крышки – это как раз та самая «антенна» для 433MHz RF receiver.
Программная часть
Скетч для Arduino IDE расположен в репозитории на github.
Зависимости:
Распиновка задается в константах:
// Выход на ЦАП. Должен поддерживать ШИМ (PWN) const int MAIN_OUTPUT_PIN = 11; // Выход для управления релюшкой const int MOTOR_RELAY_PIN = 4; // Пищалка const int SPEAKER_PIN = 7; // CLK и DIO дисплея, яркость (0 - минимальная, 7 - максимальная) const int DISP_CLK_PIN = 5; const int DISP_DIO_PIN = 6; const uint8_t DISP_BRIGHTNESS = 3; // Bluetooth const int BT_TX_PIN = 0; const int BT_RX_PIN = 1; // 433MHZ RF Receiver (номер прерывания) const int RF_RECEIVER_INT_NUMBER = 1; // 1 - это D3 для Uno // Соответствие номеров прерывания и пинов для разных плат: // INT 0 INT 1 INT 2 INT 3 INT 4 INT 5 // Nano, UNO, Mini D2 D3 - - - - // Leonardo, Micro D3 D2 D0 D1 D7 - // Mega D2 D3 D21 D20 D19 D18
Параметры, влияющие на «user experience», для простоты определены тоже в виде констант:
// Время подачи напряжения на электропривод // после последнего изменения управляющего напряжения. В мс. const int ACTIVE_PERIOD_MS = 30 * 1000; // 30 sec // Шаг изменения угла, когда угол больше ANGLE_SMALL_STEP_THRESHOLD. В градусах. const uint8_t ANGLE_STEP = 2; // degrees // Шаг изменения угла, когда угол меньше ANGLE_SMALL_STEP_THRESHOLD. В градусах. // (Для небольших углов, когда заслонка открыта совсем несильно, часто требуется тонкая подстройка положения.) const uint8_t ANGLE_STEP_SMALL = 1; // degrees // Пороговое значение угла открытия заслонки, при превышении которого используется // обычный шаг ANGLE_STEP, в противном случае - шаг тонкой подстройки ANGLE_STEP_SMALL. // В градусах. От 0 до 90. const uint8_t ANGLE_SMALL_STEP_THRESHOLD = 36; // degrees // Если угол положения заслонки больше заданного, заслонка считается закрытой. // Иначе - открытой. Используется для команды восстановления положения заслонки // после полного закрытия. В градусах. От 0 до 90. const uint8_t ANGLE_MIN_OPENED = 5; // degrees // Время показа текущего угла на дисплее. В мс. const int AUTO_DISPLAY_OFF_DELAY_MS = 3 * 1000; // 3 sec // Задержка для показа текущего угла на дисплее после последней полученной команды. // В мс. const int DISPLAY_ANGLE_DELAY_MS = 4 * 1000; // 4 sec // Защита против дребезга. Две одинаковые команды, полученные с интервалом меньше // заданного значения считаются одной командой (дребезгом). В мс. const int RC_ANTI_BOUNCE_DELAY_MS = 250;
Странная проблема
Почему-то во время показа значения на дисплее на основе драйвера TM1637 модуль 433MHz RF receiver перестает принимать команды ДУ 433 МГц.
Из-за чего именно это происходит – мне не понятно: да, библиотека TM1637 использует delayMicroseconds(), но только изнутри setSegments(), что может оказывать совсем кратковременное негативное влияние на работу прерываний, но это не объясняет, почему потом пока горит хоть один сегмент дисплея, команды ДУ 433 МГц не читаются, а стоит очистить дисплей вызовом setSegments() со всеми нулями – сразу всё налаживается.
UPDATE: Есть подозрение, что дело в пульсациях питания из-за драйвера TM1637. Надо будет попробовать поставить конденсатор между выводами VCC и GND модуля 433MHz RF receiver.
По этой причине, значение текущего угла заслонки выводится на дисплее только на короткое время, заданное в AUTO_DISPLAY_OFF_DELAY_MS, причем с задержкой DISPLAY_ANGLE_DELAY_MS после последнего изменения угла. Данная задержка нужна, чтобы можно было менять угол последовательными быстрыми нажатиями на кнопку на пульте ДУ или долгим удержанием кнопки в нажатом положении.
Надеюсь, кто-нибудь в комментариях подскажет из-за чего возникает такое пагубное влияние свечения сегментов дисплея на получение радио-команд и как это обойти, если вообще возможно.
Использование
С пульта ДУ (и через SONOFF RF Bridge в случае интеграции в «полоумный дом» на базе SONOFF) можно выполнять 4 команды:
Инкремент значения угла заслонки (шаг задается в
ANGLE_STEPиANGLE_STEP_SMALL). Используйте для увеличения тяги.Декремент значения угла заслонки. Используйте для уменьшения тяги (а вместе с ней и шума).
Полное закрытие заслонки (по сути устанавливает угол заслонки в 0). Используйте в случае сильной обратной тяги, чтобы защититься от заброса воздуха из вент.канала в квартиру.
Открытие заслонки. Восстанавливает угол заслонки, который был до полного закрытия заслонки. Если заслонка уже открыта (см.
ANGLE_MIN_OPENED), то ничего не делает.
Дополнительные возможности доступны через простенький текстовый интерфейс, работающий через COM порт (необходимо подключение через Bluetooth или USB). Основные доступные команды:
? – узнать текущее значения угла заслонки
=n – задать угол заслонки в градусах (от 0 до 90)
++ – инкремент значения угла заслонки
-- – декремент значения угла заслонки
open – открытие заслонки
close – полное закрытие заслонки
RC++? – вывести код ДУ стандарта 433 МГц, заданный для команды инкремента угла
RC++=<code> – задать код ДУ стандарта 433 МГц для команды инкремента угла
RC--? и RC--=<code> – аналогично для декремента угла
RCvv? и RCvv=<code> – аналогично для команды полного закрытия заслонки
RC^^? и RC^^=<code> – и соответственно для команды открытия
Контроллер слушает все коды, получаемые по 433 МГц. Те, которые знает - исполняет. А те, которые не знает, выводит в Serial Port в следующем виде:
Unknown RC command received: 12345678
Это позволяет задать значения для RC++, RC--, RCvv и RC^^: достаточно понажимать кнопки на пульте ДУ и посмотреть на значения в сообщениях Unknown RC command received в Serial Monitor.
Все настройки, естественно, сохраняются в EEPROM и восстанавливаются оттуда на инициализации устройства, так что достаточно всё задать один раз и забыть.
Возможные доработки и модификации
Как говорится, нет предела совершенству. Реализована только совсем базовая функциональность. Что можно было бы изменить, добавить, улучшить:
Использовать Wi-Fi модуль вместо Bluetooth. Это может быть полезно, если уже есть какие-то другие наработки по умному дому, которые управляются через Web-интерфейс или типа того.
Задействовать ИК пульт ДУ и ИК приемник вместо 433 МГц. Но нужна (почти) прямая видимость. Ещё можно вообще разместить физические кнопки прям на самом устройстве, но тогда к нему нужен удобный доступ.
Добавить сенсор температуры и влажности. Особенно актуально для ванных комнат: можно автоматически больше приоткрывать заслонку в случае сильного повышения влажности и возвращать в прежнее положение после нормализации.
Добавить микрофон и автоматически подстраивать положение заслонки, чтобы шум не превышал заданного порога громкости. При этом желаемый предельный уровень шума может зависеть от времени суток (вот тут-то модуль часов реального времени и пригодился бы).
И интереснее всего было бы интегрировать датчик скорости воздушного потока. Например: MPXV7002DP APM2.5. Это даст возможность устроить автоматическую регуляцию с удержанием заданных значений расхода воздуха.
Интеграция в полноценный умный дом (например, на базе Home Assistant). В идеале, надо скоординировано управлять вытяжной и приточной вентиляциями, отоплением, увлажнителями, кондиционерами на основе показаний разных датчиков (температуры, влажности, CO2, шума).
Руки так и чешутся попробовать пункты (4) и (5), но в моем случае это тяжело осуществимо, так как требует прокладки дополнительных кабелей за уже завершенными потолками. Поэтому в этой истории остается какая-то существенная недосказанность…
