В прошлой статье была рассмотрена схема организации отопления и горячего водоснабжения (ГВС) отдельной квартиры с общим (и единственным) контуром циркуляции теплоносителя, основным источником тепла в виде индивидуального проточного газового водонагревателя (колонки или котла) и вспомогательным электрическим бойлером.
Такая схема должна была решить следующие основные проблемы:
Обеспечить быстрое, без задержек, появление горячей воды при открытии крана, как при централизованном водоснабжении.
Стабилизация температуры нагретой воды вне зависимости от ее текущего расхода.
Газовые колонки и двухконтурные котлы (с дополнительным контуром приготовления воды ГВС) из коробки решения этих проблем не обеспечивают, снижая комфорт проживания. Для этого необходимо применять бойлеры косвенного нагрева, с отдельным контуром циркуляции, что существенно усложняет и удорожает систему.
Рассмотренная в прошлой статье система была реализована на практике, и, в принципе, показала работоспособность этой концепции. Решение возникших неочевидных проблем и нюансов было частично описано еще в прошлой статье.
Водяной контур
Одной из возникших неочевидных проблем была стабилизация давления внутри контура циркуляции. Как известно из физики, при нагревании вода расширяется и, если не предусмотреть способы компенсации этого расширения, дело может закончиться плачевно — возрастанием давления выше допустимого и разрывом трубопровода в каком‑нибудь слабом месте. Вначале я возлагал надежды на воздушную подушку, естественным образом образующуюся в верхней части бойлера и компенсирующую расширение воды при нагреве в самом этом бойлере. Однако, как оказалось, эта подушка со временем растворяется в воде и уносится ее потоком и ее необходимо периодически «обновлять». Разумеется, это неприемлемо для автоматизированной системы. Тогда я попытался уменьшить давление с помощью водяного редуктора. Его работа была признана неудовлетворительной. Помимо того, что он создает существенное сопротивление протеканию воды, стабилизирует давление он также очень плохо. Затем некоторое время испытывал систему, в которой излишнее давление просто стравливается через предохранительный клапан. Клапан был выбран на давление 5,5 Бар. Лишняя вода сначала стравливалась в бутылочку, которая наполнялась примерно за неделю, затем я прикрепил шланг и вывел его напрямую в канализацию. Клапан, рассчитанный на 5,5 Бар в реальности срабатывал где‑то на 6, стабилизируя давление на этом уровне.
Постоянные колебания давления меня не устраивали, поэтому, в итоге, я вернулся к общепринятому решению с отдельным расширительным бачком. И это полностью решило проблему. С 12-литровым баком давление стало полностью стабильным. Даже при сильном и длительном нагреве стрелка отклонялась от номинального давления не более чем на четверть — половину бара. Вероятно, это потому что я применил бак на 12 литров. Думаю, что в моем случае вполне достаточно было бы и 8-литрового. В газовых котлах такие баки стоят так и вообще крошечные. Единственное, эти баки бывают двух типов конструкции. У первых мембрана завальцована между двумя половинками бака. У вторых применен цельный резиновый мешок. Вторая конструкция предпочтительнее, так как в ней полностью исключается контакт теплоносителя с металлической стенкой бака и, как следствие, ее ржавление. Отличить эти две конструкции можно следующим образом: у конструкции первого типа будет виден вальцовочный шов между двумя половинками (фотография слева), у второго типа в месте выхода мешка будет явно видимая конструкция из двух фланцев, между которыми и зажимается горловина резинового мешка (фотография справа).
В расширительный бак автомобильным насосом было накачано давление, чуть менее обычного давления сетевой воды (у меня это 4 Бар). Ниппель у бака попался некачественный и потихоньку травил воздух. Для контроля давления в расширительном баке, на закачной штуцер был прикручен небольшой манометр от какого‑то вышедшего из строя автомобильного насоса. Кроме того, этот манометр затыкает этот штуцер, препятствуя выходу воздуха.
Второй существенной проблемой было сильное ржавление металлических радиаторов отопления и засорение продуктами ржавления фильтра в контуре циркуляции. В любой воде растворен воздух (кислород), который вступает в реакцию с металлом радиаторов, образуя оксиды (ржавчину). И чем меньше температура воды, тем больше воздуха в нем можно растворить. В закрытых контурах отопления количество кислорода ограничено и после его полного исчерпания, коррозия, по идее, должна прекратиться или хотя бы существенно замедлиться. Для предотвращения проникновения нового кислорода в контур отопления, необходимо применять или металлические трубы или пластиковые, но с кислородным барьером. Но, даже в этом случае контур отопления необходимо периодически (раз в 2–3 года) промывать от продуктов ржавления, иначе эти продукты полностью забивают фильтры и проходные отверстия и циркуляция теплоносителя затрудняется. В моем же случае контур циркуляции является общим и для отопления и для ГВС, свежая вода со свежим кислородом в него попадает постоянно. В результате чего ржавление идет еще более быстрыми темпами. Например, низкокачественный полотенцесушитель, выполненный из слишком тонких трубок, проржавел насквозь буквально за полгода. Радиаторы, конечно, исполнены помассивнее, но и про них я находил в Интернете информацию, что иногда они успевали проржаветь насквозь еще до окончания гарантийного срока.
Я пытался замедлить коррозию с помощью электрохимической (катодной) защиты, но ощутимых результатов добиться не удалось. По моему мнению, для получения хоть какого‑то видимого результата необходимо делать инжекторы тока в непосредственной близости от каждой батареи. Лучше — прямо внутри батареи, для получения равномерного распределения электрического потенциала. Например — через торцевые заглушки для подключения труб. Так что этот путь был признан бесперспективным.
Вместо этого я решил пойти другим путем, более радикальным — сделать батареи из пластиковых труб. Если ржаветь нечему, то не будет и ржавчины. Конечно, теплопроводность пластиковых труб намного меньше металлических, поэтому пластиковые радиаторы необходимо делать как минимум, в 2 раза бОльшего размера. Согласно данным из интернета, теплопотери пластиковой, горизонтально расположенной трубы диаметром 20 мм при дельте температуры со средой 40 градусов (теплоноситель 60 градусов, в помещении 20 градусов) составляют примерно 15 ватт на каждый погонный метр трубы. Таким образом, радиатор собранный из 20 м таких труб будет обеспечивать отопление мощностью примерно в 300 Вт. Девять таких радиаторов плюс сами трубы — почти 3 кВт. В южных широтах, а также при хорошем утеплении дома этого вполне достаточно для отопления квартиры.
К сожалению, эта идея не пришла мне в голову раньше и я уже успел развести и замуровать подводящие трубы в расчете на радиаторы обычного, стандартного размера. Поэтому я добавил в схему несколько дополнительных радиаторов, расположив их в наиболее прохладных точках квартиры — прихожей (в ней дует холодом от входной двери), коридоре (он контактирует торцом с уличной стеной) и в столовой (угловая комната плюс вдобавок с большой площадью остекления). Добавление дополнительных радиаторов должно компенсировать недостаток теплосъема с пластиковых труб.
Таким образом, во всей системе единственной точкой, где теплоноситель контактирует с железом, остался чугунный корпус водяной помпы. Корпус весьма тяжел и солидно исполнен, поэтому можно надеяться что он проржавеет насквозь нескоро. Все остальное — нержавеющий пластик, латунь и медь. Кроме того достоинства как отсутствия ржавления, самостоятельное изготовление радиаторов из пластиковых труб обошлось мне примерно в два раза дешевле чем покупка самых дешевых стальных радиаторов такого же размера. Также, для их подключения не нужны дорогостоящие фитинги, их можно припаивать непосредственно к трубам. Так что это вполне неплохой бюджетный вариант.
Благодаря этому проблема с ржавлением была решена и фильтр в контуре циркуляции перестал постоянно забиваться. Теперь его можно менять примерно раз в полгода‑год, одновременно с вводным фильтром холодной воды.
Дополнительные функции
Также было решено существенно проапгрейдить и систему управления. Добавить разных защит и дополнительных функций.
Первое, что приходит на ум добавить к такой системе — активную защиту от протечек. Которая бы не только оповещала об обнаружении протечки, но и предпринимала какие‑либо действия. Несмотря на то, что логика работы такой системы крайне проста, стоимость фирменных решений достаточно высока, что делает ее самостоятельное изготовление весьма целесообразным. Обычно такая система состоит из некоторого количества датчиков протечек, контроллера и исполнительных механизмов, перекрывающих воду. Как только на датчик попадает вода, контроллер перекрывает подачу воды и тем или иным способом оповещает владельца квартиры.
Однако, оснастить все возможные места протечек датчиками проблематично, поэтому в дополнение к датчикам в тех местах, где появление воды наиболее вероятно, я добавил дополнительную возможность контроля утечек по давлению воды в контуре. Для этого в систему было добавлено два датчика давления на диапазон 0…10 Бар, с напряжением питания 12 В и выходным сигналом в диапазоне 0,5…4,5 В. Датчики заказаны на Алиэкспресс, фирма XIDIBEI, обозначение XDB401. Датчики имеют стандартную манометрическую резъбу 3/8” и устанавливаются через обычный переходник 1/2" — 3/8«.»
Предполагается следующая логика работы: имеется два датчика, один измеряет давление воды на входе, другой — давление в контуре циркуляции. Раз в неделю, например, глубокой ночью, контроллер перекрывает вводной вентиль и фиксирует текущее давление воды. Затем в течение часа следит за давлением воды в циркуляционном контуре. Если давление падает ниже определенного уровня, делается вывод о существовании утечки. Такой метод очень чувствителен. Достаточно утечки весьма небольшого объема воды, чтобы контроллер заметил падение давления. Кроме того, периодическое движение вентиля не позволит ему закиснуть в самый ответственный момент.
Кроме защиты от утечек, устройство может выполнять и другие защитные функции, связанные с давлением воды:
отключать нагрев и циркуляцию при слишком сильном падении давления воды в контуре или наоборот, при его чрезмерном повышении;
изолировать циркуляционный контур при отключении подачи холодной воды. В этом случае также перекрывается вентиль, ведущий из циркуляционного контура к водоразбору ГВС. В предыдущей схеме для этого предполагалось использовать специальные клапаны сброса давления, однако их работу также следует признать неудовлетворительной.
В итоге, окончательная гидравлическая схема отопления и водоснабжения имеет следующий вид:
В целом, она не сильно отличается от предыдущей. Обратные клапаны и клапан сброса давления заменены на вентили с электроприводом. Увеличено количество радиаторов. Добавлены датчики давления. Также добавлен датчик температуры в точке после бойлера. В прошлой системе был один незадействованный датчик (предполагалось, что он будет измерять температуру внутри помещения), теперь его функция изменилась. Он будет необходим для реализации полностью автоматической системы резервирования нагрева.
Также я решил интегрировать в систему датчик загазованности. Имеющийся у меня датчик утечки газа имеет внутри себя релейный дискретный выход (только вот реле на плату не было распаяно), будет нелишним и его подключить к системе.
Контроллер
Схему устройства управления также было решено переделать. В прошлой версии устройство было почти целиком собрано из готовых покупных модулей с Алиэкспресс. Сейчас же, когда облик системы полностью сформировался и возложенные на нее обязанности заранее известны, имеет смысл изготовить законченное устройство на специально разработанной для него печатной плате. Схема электрическая принципиальная приведена ниже.
Прежде всего, был заменен управляющий микроконтроллер на Atmega128. Этот контроллер имеет больше доступных портов ввода‑вывода для подключения дополнительных устройств и интерфейсов и при этом не потребуется слишком сильно переписывать уже имеющийся код. Также был заменен дисплей. OLED дисплей был всем хорош, но имеет слишком уж крошечный размер экрана. Был применен ЖК дисплей с таким же разрешением, но существенно большего размера. К сожалению, этот дисплей имеет параллельный интерфейс и занимает больше ног микроконтроллера. Но, у микроконтроллера Atmega128 с этим нет особых проблем.
На все аналоговые цепи и входные цепи были добавлены цепи фильтрации и защиты от помех. Помимо существующих четырех каналов аналоговых температурных датчиков были добавлены два дополнительных канала для приема сигнала с двух аналоговых датчиков давления.
Дискретных входов также стало больше и они получили гальваническую развязку с помощью оптронов. Первый вход, как и в предыдущей версии, используется для подключения цепи безопасности. Второй вход используется для подключения датчика загазованности. Третий вход принимает сигнал от датчиков утечек воды.
Датчики утечек имеют выход типа «открытый коллектор» и поэтому их можно соединять параллельно в любом количестве. Срабатывание любого из них приводит к появлению сигнала на входе оптопары.
Схема датчика очень проста, в ней используется датчик намокания в виде чередующихся контактов на печатной плате. При попадании воды, сопротивление между ними резко уменьшается, что приводит к срабатыванию компаратора на ОУ. На нижней стороне платы датчика расположены контакты, на верхней — компоненты. Датчик клеится на узкие полоски двустороннего скотча в местах наиболее вероятных утечек воды.
В схеме можно использовать любой ОУ с входными каскадами на JFET транзисторах. Такие ОУ имеют экстремально низкие величины входного тока и тока смещения.
Для питания гальванически развязанных датчиков необходим гальванически развязанный источник питания. Он также предусмотрен в схеме.
Релейных каналов управления также сделано больше. Одно реле, как и в старой схеме, управляет включением нагрева. Это реле аппаратно управляется от дискретного входа цепи безопасности через транзисторную сборку VT1. Еще одно реле управляет включением помпы, третье — переключает скорость помпы с малой на большую. Четвертое реле управляет моторизированными вентилями. Для устройства необходимы вентили с управлением от 12 В и отдельными проводами для подачи напряжения открытия и закрытия. Впрочем, если попадутся с управлением полярностью, их несложно переделать. Я сначала по ошибке купил именно такой. Его устройство предельно просто.
Внутри имеется микродвигатель с редуктором, кулачковый вал с микропереключателями и схема из двух диодов. При подаче напряжения определенной полярности, ток проходит через один из диодов и замкнутый микропереключатель. Как только вал проворачивается в закрытое или открытое состояние, один из микропереключателей размыкается и двигатель останавливается. В этом состоянии вентиль не потребляет энергии. Если сменить полярность, двигатель начнет движение в обратную сторону, запитавшись уже через другой диод и другой замкнутый микропереключатель. Движение будет происходить пока второй микропереключатель не разомкнется. Переделать схему для управления отдельными проводами очень просто — для этого достаточно просто выкинуть схему с диодами и подключить провода сразу к микропереключателям как на фото выше.
Только в моем случае пришлось еще развернуть один из микропереключателей чтобы они стояли ровно под углом 90 градусов между собой (как на предыдущем фото).
И последнее реле зарезервировано для управления дополнительным нагревом. При работе на отопление, колонка работает на небольшой мощности, примерно 3…4 кВт, в то время как для приготовления горячей воды необходима существенно бОльшая мощность (колонка имеет паспортную мощность 12 кВт). Если долгое время непрерывно пользоваться горячей водой, то колонка на небольшой мощности не будет успевать возобновлять потраченное количество горячей воды. Поэтому, например, газовые котлы с контуром приготовления горячей воды имеют на газовом блоке дополнительный электрический клапан для увеличения подачи газа при пользовании горячей водой. При работе на отопление открыт один, основной, клапан подачи газа, а при работе на ГВС открывается дополнительный. Можно, конечно, установить такой блок и на колонку, но это было бы серьезным вмешательством в ее устройство, чего делать не хотелось бы. С другой стороны, в моей схеме отопления есть еще и резервный электрический нагреватель (бойлер), который обычно просто выключен и работает просто как накопительный бак с водой. Его можно задействовать для дополнительного подогрева воды в контуре, а также для реализации полноценного автоматического резервирования.
Вообще то, для этого даже не нужно никаких дополнительных реле. Можно воспользоваться автоматикой самого бойлера. Если регулятором бойлера настроить такую температуру, которая чуть меньше, чем на него обычно приходит от газовой колонки (у меня это 60+/-5 градусов), то при работе на отопление нагрев бойлера включаться не будет. Он будет включаться только при расходе воды ГВС, когда колонка уже не справляется с нагревом ледяной воды и на термостат бойлера будет попадать лишь слегка нагретая вода. Чтобы точно выставить необходимое положение регулятора нужно приложить ухо к баку и медленно вращать этот регулятор по часовой стрелке до появления характерного щелчка терморегулятора (если регулятор электромеханический) или реле (если регулятор электронный). Затем нужно крутить терморегулятор в обратную сторону до щелчка выключения. Провернув его еще чуть‑чуть назад для небольшого запаса, это и будет положение с искомой температурой. Поскольку, обычно ручки регуляторов недорогих бойлеров вообще никак не проградуированы и регулировка происходит с точностью плюс‑минус лапоть, только такой способ поиска искомой настройки температуры и приходится применять. Чтобы не заморачиваться с такой «тонкой» настройкой методом прикладывания уха и было добавлено реле включения дополнительного нагрева. Электроника сама будет, когда нужно, подключать и отключать бойлер. Контакты дополнительного реле нужно подключить в разрыв питающих проводов бойлера, а ручку термостата настроить на температуру чуть‑чуть больше номинальной.
Схема подключения всех дополнительных функций:
Как и в старой схеме на плате имеется микросхема часов реального времени DS1307N. Помимо, собственно, часов, микросхема содержит некоторое количество ячеек памяти, которые используются для хранения настроек. Чтобы настройки и часы не сбрасывались, микросхема питается от стандартной литиевой батарейки CR2032.
Дополнительно в схеме реализован контроль за разрядом литиевой батарейки часов, управление контрастностью индикатора, светодиодная индикация всех напряжений, состояний входов и релейных выходов, добавлены интерфейсы RS232 и RS485 для интеграции с другими устройствами и добавлен разъем для установки модуля ESP32-ETH. На этом модуле предполагается запустить Telegram‑бот для контроля и управления системой извне.
Плата предполагается как универсальный контроллер, при этом в реальности часть функций может и не потребоваться (например, измерение давления или связь по RS232/RS485, дополнительные релейные выходы и так далее). В этом случае можно сэкономить и просто не устанавливать эти компоненты на плату.
Вся схема питается от встроенного импульсного источника питания, собранного на популярной микросхеме UC3844, включенной по типовой схеме. В качестве трансформатора применен готовый трансформатор с обозначением 200:12:22:22 (в его названии отражены соотношения количества витков между обмотками). Этот трансформатор применяется в сварочных аппаратах и часто выходит из строя, благодаря чему широко доступен на маркетплейсах.
Однако, необходима небольшая доработка трансформатора — к вспомогательной обмотке собственного питания (12 витков) необходимо домотать еще 20 витков любого изолированного провода, благо что места в окне магнитопровода для этого предостаточно.
Данный трансформатор имеет две одинаковые вторичные обмотки, вторая из них используется для гальванически развязанного питания внешних устройств (приводов, датчиков протечек и др.)
Преобразователь 12→5 В также импульсный, собран на микросхеме DC‑DC преобразователя TPS5430DDA. Для питания аналоговых цепей применен отдельный линейный стабилизатор AMS1117-5.0. Линейный стабилизатор помимо малых собственных шумов (что критично при измерениях) обеспечивает еще и достаточно высокую точность (около 1%) напряжения 5 В, которое также используется в качестве опорного.
Для защиты по перегрузке выходов применены плавкие предохранители. Несмотря на то, что они занимают существенное место на плате, тем не менее, это самый простой и дешевый способ защиты. Для защиты от помех импульсного источника питания применена схема из двух, включенных последовательно синфазных дросселей. Это, вероятно, немного избыточно, но дроссели всегда можно заменить перемычками, как это часто делается в недорогих устройствах китайского производства.
Вначале был изготовлен макет устройства (на гитхабе это плата ревизии 0), разумеется на макете не обошлось без ошибок и недоработок, иногда весьма глупых и досадных. Выше приведены фото платы именно этой версии. Но схема и описание ее работы уже соответствует исправленному варианту.
Одной из таких досадных ошибок оказалась неправильная распиновка разъема для индикатора. Как оказалось, для индикатора WG12864 фирмы Winstar существует три (!!!) различных даташита с тремя различными распиновками разъема для подключения. При повторении конструкции и подборе индикатора на этот момент необходимо обратить особое внимание.
Помимо исправления ошибок, на новой плате были плотнее расположены компоненты и плата сделана чуть более компактной (на гитхабе это плата ревизии 1).
Плата смонтирована в подходящем по размеру стандартном пластиковом корпусе. Сам корпус оснащен мебельными подвесами и на них крепится на стене. Для ввода и вывода проводов применены кабельные вводы.
Так как ПО находится в постоянной доработке и корректировке, для оперативного перепрограммирования устройства на корпус выведен разъем DB9. Разъем применен обжимной, на шлейф, точно такой же как и для интерфейсов RS232/RS485. После завершения отладочных работ, шлейф можно просто переключить в другой разъем на плате и использовать для этих интерфейсов.
Файлы проекта можно найти на Гитхабе.
Вопросы и замечания прошу писать в комментариях.
