Управление вентиляцией: собираем, интегрируем, экономим
Управление вентиляцией. Электронагрев воздуха. Эссе про технику и деньги
Управление вентиляцией. Типовые алгоритмы и их реализация на wb-rules
Современный дом не может существовать без вентиляции. Только система вентиляции обеспечивает нам требуемое качество воздуха, и, как следствие, здоровье, бодрость и долгие годы жизни. А умный дом не может существовать без механической системы приточно–вытяжной вентиляции, поскольку с естественной (т. е. нерегулируемой) вентиляцией требуемого комфорта и энергоэффективности не добиться. А такой системой надо умно управлять. Об этом сегодня и поговорим.
Коробочные решения
Если вы обладатель вентустановки «из коробки», со встроенной автоматикой, то вопроса управления самой установкой у вас не стоит. Но остается вопрос ее интеграции в общую систему автоматизации дома. Зачем и как — обсудим ниже, а пока пара слов о том, чем плохи «коробочные» решения.
Ключевая фраза — пользовательский интерфейс. У каждого «коробочного» решения есть свой пульт управления, часто есть мобильное приложение. И вот у владельца «умного дома» висят рядышком на стене панели управления котельной, кондиционерами, вентустановкой, воротами, пожарной и охранной сигнализациями. Там же висит видеодомофон. В его телефоне установлен аналогичный набор приложений. У производителей всего этого разные взгляды на дизайн, зачастую не самые прогрессивные. Необходимо постоянно помнить, в каком из пунктов меню какого пульта какие функции спрятаны. И управление любимым домом превращается в квест: сгорела яичница на кухне → отключи пожарную сигнализацию на пульте АУПС → включи отключившуюся по сигналу АУПС вентустановку на ее пульте → вентустановка встанет в аварию по защите от замерзания, поскольку газовый котел при резком снижении нагрузки (вентустановка то резко отключилась) заблокируется по перегреву на несколько минут → подожди, глядя на пульт котельной, пока котел включится, нагреется, снова сбрось аварию на пульте вентустановки. И т.д. Неудобно.
А удобно тогда, когда все управляется из одной программы, хоть на стационарной панели, хоть в мобильном устройстве. Конечно, эта программа может быть более высоким уровнем автоматизации и общаться с «коробочными» панелями управления, но такое решение сильно дороже. Ну и зачем платить больше?
Давайте попробуем сэкономить. И не просто сэкономить, а СЭКОНОМИТЬ.
DIY или сделай сам
Качественная вентустановка устроена не так сложно, как кажется. Все необходимые компоненты от известных производителей есть в свободной продаже, ничего «колхозить» не приходится. А собственноручно собрать к ней АСУ (Автоматизированную Систему Управления) и того проще. Не верите? Постараюсь вас убедить. Давайте сначала пробежимся по вентоборудованию, а потом погрузимся в тему автоматизации.
Вентиляционное оборудование
Мы с вами будем собирать «канальную» вентустановку круглого сечения — это оптимальный вариант как для большой, и даже очень большой квартиры, так и для дома разумного размера. Сразу оговоримся, что советов по подбору производительности вентилятора или мощности калорифера я давать не буду — лучше обратитесь к специалисту (можно фрилансеру), который вам и воздушный баланс посчитает, и аэродинамический расчет произведет, и с выбором компонентов вентустановки поможет. Я лишь расскажу в целом про эти компоненты и про то, как это все заставить совместно работать.
Итак, вентустановка. Вот так она будет выглядеть (все дальнейшие иллюстрации от компании «КОРФ» — достойного Российского производителя вентиляционного оборудования, источник: https://www.po-korf.ru/).
Соединяются между собой элементы крайне просто — на хомутах. И приточная, и вытяжная установки собираются из одних и тех же элементов. Давайте рассмотрим их на примере приточной установки.
Первой по ходу движения воздуха встанет поворотная заслонка.
Используется как для регулирования системы, так и для перекрытия потока воздуха. Перекрывать его нужно, например, при аварийных ситуациях, чтобы холодный воздух с улицы нам чего-нибудь не разморозил.
Для управления заслонкой нам нужен поворотный привод, вот такой.
Он монтируется вместо ручки на заслонку. При подаче питания привод заслонку открывает. Внутри привода есть возвратная пружина, и, при снятии питания, заслонка закроется за счет энергии сжатой пружины. Отключили электроэнергию — заслонка закрылась — ничего не замерзнет, дом в безопасности.
Еще в качестве опции у привода могут быть концевые выключатели. Их два, они срабатывают в крайних положениях заслонки, полностью открытом и полностью закрытом. Это нам полезно — вряд ли стоит включать вентилятор при закрытой заслонке (на больших системах это может привести даже к деформации воздуховодов). А если при выключенном вентиляторе заслонка не закрылась — мы незамедлительно должны получить об этом извещение и бежать реагировать.
Итак:
от АСУ привод ждет сигнала на открытие: 24V DC или 230V AC;
в АСУ может передать два сигнала типа «сухой контакт», об открытом и закрытом положении.
После заслонки идет воздушный фильтр.
Устройство тривиальное, от АСУ ничего не ждет, и в АСУ ничего не передает. Но требует регулярной замены фильтрующей вставки! Соответственно, АСУ должна нас как–то известить о том, что фильтр пора менять. А если она при этом сама разместит заказ на фильтрующую вставку в интернет–магазине (что вполне реализуемо) — так и вообще хорошо.
Как этого добиться? Да очень просто — с помощью дифференциального реле давления.
Фильтр, пока чистый, оказывает небольшое сопротивление потоку воздуха. Как только это сопротивление выросло до критических значений — он загрязнен.
Дифференциальное реле измеряет разницу давлений между входом и выходом фильтра. Если оно выше значения, установленного на поворотном регуляторе (круглый диск с метками на фото) — переключаются контакты реле.
Физически реле к фильтру подключается трубками типа медицинских капельниц. На самом реле есть два штуцера под трубки, и такие же два штуцера есть в комплекте поставки. Сверлим в корпусе фильтра два отверстия, прикручиваем штуцеры, подсоединяем трубки — реле установлено.
От реле АСУ получает один дискретный сигнал типа «сухой контакт», замкнуто — пора менять фильтрующую вставку.
Что дальше? Воздух чистый, теперь его нужно нагреть. Если у вас есть котел — греть воздух будет калорифер.
Теплоноситель от котла протекает по множеству трубок с оребрением, а они уже греют воздух. Соответственно, чем горячей теплоноситель — тем теплей воздух на выходе нашей вентустановки. Значит, надо температуру теплоносителя как–то регулировать.
Как? При помощи смесительного узла.
В нем собственная «обратка» подмешивается в «подачу» и тем самым достигается требуемая температура. Управляемые устройства в узле — насос и привод смесительного клапана.
Датчика, в принципе, достаточно одного — температуры воздуха в канале. Но мы не обсудили важную проблему — защита калорифера от замерзания! Вдруг циркуляционный насос выйдет из строя? Если на улице мороз, теплоноситель в калорифере моментально замерзнет, и калориферу конец. Что можно сделать?
Есть решение «в лоб» — использовать антифриз. Но у антифризов минусов больше, чем плюсов, вода намного лучше. И, чтобы она не замерзла, мы можем измерять температуру теплоносителя на выходе калорифера. Понизилась температура до +10 (например) — отключаем вентилятор, закрываем заслонку, открываем смесительный узел «на полную», зажигаем лампочку «Авария» и шлем заинтересованным лицам СМС либо сообщения в Telegram.
Взаимодействие АСУ и смесительного узла:
в АСУ идут сигналы от двух датчиков температуры (воздуха в канале и «обратки» теплоносителя);
от АСУ на узел — три дискретных сигнала (включение насоса, сигналы «теплее» и «холоднее»).
Продолжаем собирать вентустановку. Воздух очищен и подогрет — пора ставить канальный вентилятор.
Многие вентиляторы имеют в обмотке термоконтакты, которые при перегреве двигателя (заклинило вал, например) размыкаются. По этому сигналу мы должны немедленно отключить питание вентилятора. Еще есть вентиляторы, в которых термоконтакты сразу размыкают цепь питания - там этого сигнала не будет.
Соответственно, сам вентилятор от нас ждет только питания. Дадим номинальное напряжение — будет вращаться на номинальных оборотах. Дадим пониженное — получим от него меньше воздуха.
Теперь вопрос: а надо ли регулировать обороты вентилятора? Мой ответ — чаще всего не надо. И вот почему. Санитарные нормы нам предписывают вентилировать помещение, даже при отсутствии в нем людей, с кратностью не ниже 0.35. Т.е. «дежурная» вентиляция за три часа воздух в помещении должна поменять полностью, независимо от нашего в нем присутствия. Те же санитарные нормы нам говорят, что для дыхания на одного человека достаточно подавать 30 м3/ч свежего воздуха (подавать больше — деньги на ветер, подавать меньше — страдает здоровье). А ведь мы говорим про большие квартиры или дома, в которых на одного человека приходится большая площадь (или объем) помещений. Таким образом, если объем квартиры/дома, приходящийся на одного человека, превышает 30/0.35=86 м3, то «дежурной» вентиляции, работающей в режиме с постоянным расходом воздуха с кратностью 0.35, достаточно и для дыхания тоже. А ведь это всего 35 м2 при стандартной высоте потолка. Таких квартир/домов подавляющее большинство. При отсутствии людей мы вентиляцию выключим полностью, за три часа до появления людей включим с постоянным расходом — энергоэффективность обеспечим и без всяких регуляторов. Алгоритм не самый умный, но вполне рабочий.
Есть нюанс: если наш вентилятор более производителен, чем нужно, то регулятор понадобится, чтобы не подавать «лишнего» воздуха. В этом случае подойдет самый простой, типа такого.
Один раз настроили — и забыли.
Есть еще нюанс: мы можем хотеть знать, действительно ли работает наш вентилятор, или он вышел из строя и мы дышим «грязным» воздухом. В этом случае на него надо поставить диф. реле, как на фильтр. Есть перепад давления — вентилятор работает. Нет — нет.
Подытожим:
в АСУ от вентилятора — два дискретных сигнала («сухой» контакт), о перегреве двигателя и о перепаде давления на вентиляторе;
от АСУ — питание вентилятора (через регулятор или напрямую).
Ну и завершит нашу установку шумоглушитель — без него в загородном доме точно будет некомфортно.
От АСУ он ничего не ждет, в АСУ ничего не передает. Больше о нем сказать нечего.
Вот мы с вами и собрали приточную вентустановку с фильтрацией воздуха, его нагревом и даже подавлением шума. Вытяжная установка будет аналогичной, только надо исключить калорифер и смесительный узел, а порядок следования будет фильтр — вентилятор — заслонка (по ходу движения воздуха).
Предвижу вопрос «А зачем нужен фильтр на вытяжке»? Сразу отвечу: чтобы защитить вентилятор. Посмотрите на любую вытяжную решетку, проработавшую хотя бы месяц. Увидите на ней скопления пыли и чего–то жирного. Вот это все и осядет на рабочем колесе вентилятора, чем нарушит его балансировку. И не только на рабочем колесе, но и на поверхности двигателя, что будет препятствовать полноценному его охлаждению. Недолго вентилятор проработает в таких условиях эксплуатации. Не хотим регулярно менять вентилятор — ставим фильтр!
Оборудование АСУ
Теперь давайте соберем АСУ для нашей приточно — вытяжной установки. Будем исходить из того, что ваш дом уже «умный», т.е. система автоматизации на базе нашего оборудования уже есть. И в нее надо интегрировать управление вентустановкой, которую мы с вами только что скомплектовали.
Поправлюсь сразу. Мозгом вашего дома может быть не только Wiren Board, но и любой другой контроллер, поддерживающий Modbus RTU и 1-Wire — все, сказанное ниже, останется верным.
Начнем. Все сигналы, входные и выходные, вы можете видеть в таблице.
Элемент | Сигнал | Вход | Выход | |
дискретный | цифровой | реле | ||
Приток | ||||
Заслонка | Открыть | + | ||
Открыто | + | |||
Закрыто | + | |||
Фильтр | Фильтр загрязнен | + | ||
Калорифер | Температура воздуха на выходе вентустановки | + | ||
Смесительный узел | Температура «обратки» | + | ||
Включить насос | + | |||
Больше | + | |||
Меньше | + | |||
Вентилятор | Термоконтакты обмотки | + | ||
Питание | + | |||
Перепад давления в норме | + | |||
Вытяжка | ||||
Заслонка | Открыть | + | ||
Открыто | + | |||
Закрыто | + | |||
Фильтр | Фильтр загрязнен | + | ||
Вентилятор | Термоконтакты обмотки | + | ||
Питание | + | |||
Перепад давления в норме | + | |||
Общие | ||||
АУПС | Сигнал о пожаре от Автоматической Установки Пожарной Сигнализации | + | ||
Итого: | 11 | 2 | 7 | |
Функции, которые должна выполнять наша АСУ, тоже понятны:
перед запуском вентилятора открыть заслонку и убедиться в том, что она открыта;
при срабатывании термоконтактов вентилятора отключить его, закрыть заслонку;
поддерживать постоянную температуру воздуха на выходе вентустановки, управляя трехходовым вентилем;
при снижении температуры воздуха либо температуры воды на «обратке» калорифера ниже значения уставки отключить вентилятор, закрыть заслонку, открыть вентиль «на полную» (защита от замерзания);
при пожаре отключить вентилятор, закрыть заслонку, обеспечить защиту калорифера от замерзания, при снятии сигнала о пожаре вернутся к нормальной работе;
сообщать владельцу о всех нештатных событиях посредством СМС сообщений, писем на электронную почту, сообщений в telegram или еще куда.
Их мы и реализуем.
Вариантов построения АСУ вентустановки на базе нашего оборудования несколько, давайте рассмотрим один из них. Предположим, что вентустановка находится в другом помещении — не там, где расположен шкаф автоматики.
Сначала определимся с оборудованием.
Датчики температуры будем использовать DS18B20, с интерфейсом 1–wire.
Сами датчики диаметром 6 мм, длиной 50 мм — для них легко найти защитную гильзу.
Интерфейс 1–wire позволяет подключать датчики шлейфом, соответственно, понадобится только один кабель. Этот шлейф мы подключим непосредственно к контроллеру Wiren Board на свободный вход W1 или W2 (либо в уже существующий шлейф 1–Wire, если это удобно).
Дискретные сигналы заведем на модули реле WB–MR6C v.3, нам нужно 2 таких модуля.
Эти модули имеют 7 входов типа «сухой контакт». И 6 релейных выходов на 250V AC, до 16А на резистивной нагрузке (для бытовых вентустановок этого достаточно, там совсем небольшая электрическая мощность).
Все входы с групповой гальванической развязкой, т. е. если произойдет какое нибудь замыкание в вентустановке, нашей АСУ ничего не угрожает.
Незанятые 3 входа мы можем использовать, например, для подключения кнопок управления Пуск/Стоп. Да и мало ли что еще нам может в дальнейшем понадобится. Вот пример из жизни: у одного из наших клиентов у камина установлена кнопка, при нажатии на которую отключается вся вентиляция на 10 минут, чтобы она не мешала разжечь камин.
Один из свободных выходов можно использовать для включения индикаторной лампы «Авария», второй — для включения звукового сигнала. Хотя я предпочитаю видеть все подобные события на экране моего смартфона.
К контроллеру Wiren Board модули подключаются посредством интерфейса RS485.
Несомненным достоинством WB–MR6C v.3 является то, что он питается от сети 230В — блок питания нам не нужен.
Вот и все. Релейные модули мы можем установить непосредственно возле вентустановки, в миниатюрный модульный щиток, а до контроллера пойдут только два кабеля: 1–wire и RS485.
Итак, вот наша смета в ценах 2022 года и без учёта контроллера Wiren Board 7, его блока питания, GSM модема, шкафа и т. д., так как они в системе управления умным домом нужны независимо от того, есть в нем управление системой вентиляции, или нет:
Наименование | Кол–во | Ед.изм. | Цена, руб. | Сумма, руб. |
DS18B20 | 2 | шт. | 400 | 800 |
WB–MR6C v.3 | 2 | шт. | 4200 | 8400 |
Итого: | 9200 | |||
Согласитесь, отличный результат. Добавив к своей системе домашней автоматизации такую незначительную сумму, вы получаете полноценную систему управления приточно — вытяжной вентиляционной установкой. Сравните это со стоимостью шкафа управления, который вам предложит производитель вентоборудования.
Для полноты картины вот схема подключения всего вышеперечисленного.
Интеграция
С интеграцией нашей АСУ в систему автоматизации дома вопросов нет — мы ее и разрабатывали как компонент этой системы. А что с «коробочными» решениями, с которых мы начали нашу статью? Их же тоже надо интегрировать в наш умный дом.
Как правило, встроенные системы управления поддерживают хотя бы один из стандартных протоколов связи с другими системами автоматизации. Чаще всего это Modbus. Наш контроллер поддерживает как Modbus RTU (на порту RS485), так и Modbus TCP (на порту Ethernet).
Через этот интерфейс мы можем:
задавать вентустановке уставки температур (воздуха в канале летом/зимой, днем/ночью…);
переключать режимы (комфорт/эконом, нагрев/охлаждение…);
получать значения измеряемых величин (температур, давлений, состояния контактов реле…).
Все это будет доступно в скриптах управления вашим умным домом. А, значит, дальнейшая интеграция с облачными сервисами не будет проблемой. Почему бы вам не обучить Алису от Яндекса управлять вашей вентустановкой?
Вот, пожалуй, и все на сегодня. Конечно, осталось множество вопросов, которые мы не обсудили. Например:
электронагрев воздуха;
защита вентустановки при неисправности оборудования АСУ;
рекуперация тепла удаляемого воздуха и охлаждение воздуха;
регулируемая вентиляция с использованием датчиков качества воздуха WB-MSW v.3 (влажность + CO2 + VOC).
Да и алгоритмы управления требуют более подробного разбора. Ну а раз требуют — будем разбирать в следующих статьях.
Продолжение: Управление вентиляцией. Электронагрев воздуха. Эссе про технику и деньги
