Приточная вентиляция совмещенная с канальным кондиционером (часть 2 — водяная)

Хочу поделиться опытом проектирования, монтажа и эксплуатации своей системы приточной вентиляции совмещенной с канальным кондиционером. Система
собиралась в 2012-2013 годах и с тех пор находится в постоянной эксплуатации.

Статью разделил на две части:

• в первой части была описана классическая схема приточная вентиляции с использованием электрического канального подогревателя
• в этой части расскажу про неоднозначный опыт переработки системы под водяной калорифер с питанием от общедомовой системы отопления

Благодарность мастерам

Еще раз огромное спасибо за конструктивные и критические советы специалистов, без которых я не смог бы создать и настроить систему.

• пользователю Ким за крайне ценные советы и внимательно отношение к моим вопросам
• пользователю Fresh за постоянную поддержку
• пользователю mr-h за ценные советы и активное участие

Характеристики системы

Приточная вентиляция:

• четыре комнаты, от 80 до 120 м³/час на комнату
• вытяжка осуществляется в родные вытяжные каналы (3 канала: кухня, ванная, туалет)

Кондиционирование:

• забор воздуха с улицы — до 300 м³/час
• рециркуляция в квартире — до 300 м³/час
• подача воздуха в каждую комнату (три комнаты) до 200 м³/час

Почему задумался про перевод на воду

Причин было три:

• во первых водяной калорифер не "выжигает" кислород. Температура носителя от 45 °C (на улице 0 °C) до 70 °C (на улице -28 °C). Электрические калориферы в основном управляются по ШИМ с периодом около 1 минуты. Но так как площадь контакта с воздухом очень маленькая, то приходится держать высокую температуру.
• во вторых была идея сэкономить за счет более дешевых цен на теплоноситель.
• в третьих, наверное самое главное, мне было интересно. Интерес как раз и перевесил все предупреждения специалистов.

Оценка экономики перехода с электричества на воду:

• данные по среднесуточной температуре в регионе проживания брал с какого-то сайта
• температуре воздуха в канале взял в 15 °C, но по опыту лучше брать 19 °C
• по оптимистичным оценкам экономия от воды — 5 000 — 7 000 руб./год (цены 2012)
• стоимость оборудования и работ в районе 50 000 руб
• прогнозная окупаемость — 8-10 лет

Что хотел реализовать:

• летом работает просто приточка + кондиционер (при необходимости) в обход калорифера
• зимой днем работает нагрев вода + электричество (приоритет на воду)
• зимой ночью работает нагрев электричество + вода (приоритет на электричество — так дешевле)

Как говорится "Гладко было на бумаге, да забыли про овраги".

Разводка теплоносителя

Как выглядит разводка теплоносителя для батарей в моей квартире:

• от общего стояка идет гребенка на 4 квартиры
• между подачей и обраткой стоит регулятор перепада давления. Он настроен примерно на 200-300 кПа
• ввод в квартиру выполнен металопластиком 20 мм
• внутри квартиры изначально была выполнена разводка последовательно от одной батареи до другой
• переделал последовательное подключение на гребенку с индивидуальной разводкой до каждой батареи

Первым делом решил сделать оценку, сколько я могу снять со своей трубы отопления:

• рабочее давление в системе — 8-9 Bar, опрессовочное около 12-16 Bar
• при уличной температуре 0 °C, входная вода — 40 °C, выходная — 25 °C
  
  • расход на отопление по счетчику примерно 20 кВт*час в сутки
  • на батареях стоят регуляторы — поэтому они еле теплые — этого хватает чтобы поддерживать комфортную температуру в квартире +23 °C
  • если полностью открыть все регуляторы, то расход будет порядка 50 кВт*час в стуки на квартиру
• при уличной температуре -25 °C, входная вода — 70 °C, выходная — 45 °C
• по моим оценкам у меня есть запас 2-4 кВт*час, которые я могу дополнительно снять не нарушая работу батарей

Мощность, которая доступна для водяного калорифера сильно зависит от домовой автоматики (а у нас она погодозависимая).
Поэтому я решил подстраховаться и поставить перед водяным дополнительно электрический калорифер, который уже эксплуатировался в приточке.

Контроллер

Я искал максимально готовый Контроллер, который мог бы управлять как электрическим, так и водяным + электрическим калориферами. Остановился на Electrotest OPTIMUS 911. Перечислю только минимум функций, что мне потребовались.

• датчики температуры:
  
  • температура воздуха в канале
  • температура обратной воды на выходе из калорифера
• управление EC вентилятором сигналом 1-10 В
• управление трехходовым краном смесительного узла сигналом 1-10 В
• управление приводом воздушной заслонки
• управление электрокалорифером плавно по сигналу ШИМ, через твердотельные реле
• задействовал программируемые входы аварий:
  
  • авария по внутреннему датчику перегрева в калорифере
  • авария по датчику пожарной сигнализации в калорифере
  • авария размораживания калорифера по капиллярному термостату
  • авария протечки воды
• управление комбинированным нагревом: вода + электричество с приоритетом на воду
• программируемый режим день / ночь

Типовые сценарии:

• В режиме работы "электрокалорифер":
  
  • плавное регулирование по сигналу ШИМ с периодом 4 сек.
  • плавный старт с прогревом
  • плавное выключение с продувкой электрокалорифера на низкой скорости вентилятора
• В режиме работы "вода":
  
  • настраиваются уставки для температуры обратной воды: "темп. рабочая" (+30 °С), "темп. дежурная" (+20 °С), "темп. угроза замораживания" (+10 °С), "темп. прогрева" (+45 °С)
  • если температура обратной воды падает ниже "темп. рабочая", то Контроллер переходит в режим работы по приоритету воды вместо температуры в канале
  • если температура обратной воды падает ниже "темп. угроза замораживания", то Контроллер переходит в режим аварии, выключает вентилятор, закрывает воздушную заслонку
  • при старте системы, сначала прогревается калорифер до "темп. прогрева", после этого открывается заслонка и включается вентилятор
  • при остановке, система переходит в дежурный режим, температура обратной воды поддерживается на уровне "темп. дежурная"
• В режиме работы "вода + электро" с приоритетом на воду:
  
  • при старте системы, если температура обратной воды не достигает "темп. прогрева", то подключается электрокалорифер
  • в ходе работа, если теплопроизводительность водяного калорифера недостаточна, то включается в работу электрический калорифер
• Переключение режима день / ночь:
  
  • переключается сухим контактом (например, по сигналу внешнего таймера): замкнуто — Ночь, разомкнуто — День. Эту функцию можно использовать для управления уставками температуры и скорости вентилятора по датчику влажности, СО

Интересные возможности Контроллера, которые планировал использовать:

• возможность регулировки температуры по внешнему датчику температуры в помещении с каскадным коэффициентом, который показывает на сколько градусов надо изменить температуру воздуха в канале при изменении температуры в помещении на 1 °С
• для калориферов из нескольких секций (у меня три секции по 1 кВт) предусмотрена ступенчатая коммутация: одна ступень плавно плюс три ступени дискретно

Электрический калорифер

Электрический калорифер был выбран Systemair CB 200-3,0. Мощности этого калорифера достаточно, чтобы подогреть 200 м³/час от -20 °C до + 18 °C.

• минимальный воздушный поток — 170 м³/час
• три отдельных секции по 1 кВт
• калорифер укомплектован автоматической биметаллической защитой от перегрева (нормально замкнутый контакт) и дополнительной защитой от перегрева с ручным перезапуском.

Я разделил его на две секции 1 + 2 кВт:

• секция на 1 кВт будет работать в режиме вода + электричество (приоритет на воду), подключение электрического калорифера производится автоматически, если водяной не будет справляться. Управления этой секцией осуществляется через твердотельное реле.
• секция на 2 кВт управляется от Контроллера PULSER. Его датчик температуры установлен после электрического калорифера, но перед водяным. Этот режим включается ночью — электричество + вода (приоритет на электричество). Две секции 2 кВт нагреют воздух на сколько смогут, остальное нагреет водяной калорифер.

Были опасения, что твердотельное реле будет перегреваться в корпусе калорифера, но оказалось, что он практически холодный. На всякий случай дополнительно в корпус калорифера был смонтирован стандартный пожарный датчик (температура срабатывания 70 °C) с нормально замкнутыми контактами.

Водяной калорифер

Водяной калорифер был выбран Systemair VBC 200-2.

• Max operating temperature 150 °C
• Max operating pressure 1,6 MPa (16 Bar)

Расчет предельных характеристик калорифера. Входные данные:

• воздушный поток — 300 м³/час
• влажность входящего воздуха — 90 % r.H
• температура воздуха на входе — -20 °C
• температура носителя на входе — +75 °C
• температура носителя на выходе — +40 °C

Результаты расчета:

• температура воздуха на выходе — +15 °C
• влажность выходящего воздуха — 5 % r.H
• мощность — 4.1 кВт
• необходимый поток теплоносителя — 0.1 м³/час

Как выглядит калорифер. Качество отличное, толстый метал, все швы промазаны герметиком.

Аварийная защита водяного калорифера

Водяной калорифер замораживается за считанные секунды — образуется ледяная пробка, поток останавливает и все — разрыв трубопровода. А давление в системе 8 Bar.

Для защиты водяного калорифера от замораживания нужно:

• обеспечить постоянный поток теплоносителя через калорифер с определенной скоростью и предусмотреть источник бесперебойного питания
• контролировать температуру воды на выходе из калорифера
• контролировать температуру воздуха после калорифера
• предусмотреть систему аварийного перекрытия воздушного потока через калорифер
• запуск калорифера возможен только на прогретой системе
• остановка калорифера возможна только после перекрытия воздушного потока

Все эти функции берет на себя Контроллер.

Дополнительно с Контроллером желательно реализовать полностью независимую систему аварийной защиты от замораживания, которая срабатывала бы за несколько секунд. Датчики температуры воды и воздуха для этого не годятся — у них задержка показаний достигает нескольких минут.

Единственный действенный способ — это контроль температуры воздуха после калорифера капиллярным термостатом. Трубка термостата укладывается так, чтобы перекрыть всю площадь калорифера. Поток через калорифер будет неоднородным. В одном углу +15 °C, а в другом +5 °C. Особенно внимание нужно уделить месту, где сделан выход воды из калорифера — там самая большая вероятность заморозить.
Нормально замкнутый сухой контакт из термостата подключаются к аварийному выходу Контроллера и к дополнительному реле.
Если срабатывает защита, то параллельно с передачей сигнала на Контроллер, независимо от последнего, выключается приточный вентилятор и закрывается воздушная заслонка. Одновременно с этим, Контроллер максимально открывает трехходовой водяной кран и увеличивает подачу теплоносителя через калорифер.

Проблема в том, что если калорифер уже разморожен — то вода пошла из системы, а вас, например, нет дома.
Так что в дополнение еще нужно поставить систему защиты от протечек с датчиками в воздушном канале, которая перекроет всю систему подачи теплоносителя.

Для аварийного закрытия заслонки нужен энергонезависимый механизм. Либо с мощной возвратной пружиной либо с суперконденсатором. У меня стоит Belimo TF, с весьма большим временем закрытия — 75 с. Это очень много, за это время калорифер уже успеет заморозиться.
Приходится это компенсировать высокой уставкой в капиллярном термостате, не ниже +15 °C.

Если есть возможность, то лучше купить такой Belimo NKQ24A-SZ, стоит он конечно в три раза дороже, но и время закрытия всего 4 с.

Еще одна проблема, это полная остановка системы с выключением потока теплоносителя. Одной заслонки, на которой стоит привод типа Belimo TF не достаточно. Со временем резинка изнашивается и ее начнет продувать. Рекомендуют иметь две заслонки, одну перед, а вторую после вентилятора.

Монтаж системы

Со стороны балкона схема поменялась, удалил входной глушитель, вместо него перед вентилятором поставил еще один фильтр G5. На основном канале вентиляции, в обход калориферов стоит клапан, в зимнем режиме он закрыт — воздух пойдет через калориферы.

С помощью дворника была проделана дыра в стене на балкон. Хорошо, что стены легко ломать легко. Изнутри пенобетон, потом 15 см пенопласта и облицовка в пол кирпича. Планировка квартиры позволила сделать в углу около балкона маленькую кладовку размером 50х50 см.

Задача усложнялась тем, что нужно было разместить глушитель (длина 110 см, диаметр 30 см) после калорифер. Из-за этого монтаж получился очень плотным.

С помощью сверла, какой-то матери и круглого отвода, врезался в основной канал вентиляции, который у меня проходит под потолком. Слева от новой врезки видно забор воздуха кондиционером для рециркуляции.
Установил шумоглушитель. Весит о порядка 5 кг, поэтому опирается на подпорки.

Примерил калориферы. Встало все в притирку, запас всего пару сантиметров. Расстояние между электрическим и водяным получилось маловато — нужно не менее двух диаметров. Это была одна из моих серьезных ошибок.

Утеплил уголок и заслонку пенофолом 2 см и запенил дыру. Калориферы соединяются на быстросъемных хомутах FK 200 Fast clamp. Хомуты просто сказка, позволяют за несколько секунд снять любой узел, плюс к этому изолируют вибрационный шум от вентилятора.

Смесительный узел

Контролировать работу калорифера можно двумя способами:

• количественным — регулируя объем теплоносителя при постоянной температуре
• качественным — регулируя температуру теплоносителя, но сохраняя постоянный поток

Качественные способ считается более безопасным с точки зрения риска замораживания калорифера. Готовые смесительные узлы стоят дорого и рассчитаны на большую подачу. Мне интересно было сделать смесительный узел самому. Основным источником информации являлись форумы forum.abok.ru/. Мастера с my.mastergrad.com выступили в качестве серьезных критиков.

Итоговая схема:

• трехходовой клапан 1 подключен в качестве смесительного органа, он установлен так, что выход С (на котором всегда есть подача) обращен в сторону калорифера 3. Остальные два входа подключены к внешнему контуру 9 и внутреннему контуру 10 через обратный клапан 11. Вентиль 12 позволяет эксплуатировать клапан в режиме двухходового.
• циркуляционный насос 2 установлен в малом контуре на обратке. Чтобы минимально влиять на сеть отопления, был выбран самый слабый Grundfos COMFORT 15-14. Были сомнения в производительности, но в итоге, он смог обеспечить необходимые калориферу 0,1 — 0,2 м³/час.
• для балансировки внутреннего контура добавил байпас 4 с обратным клапаном 5 и вентилем 6
• чтобы не остановить внешний контур добавил байпас 7 с вентилем 8
• запорная арматура установлена с обоих концов 13
• чтобы контролировать поток, через калорифер, поставил обычный водяной счетчик

На фото итоговый результат:

• на втором фото запечатлен момент работы при наружной температуре -25 °C. При этом этом трехходовой клапан открыт примерно на половину, температура воды на подаче +75 °C, температура обратной воды +50 °C.

Автоматика управления

Электрическую схему проектировал с использованием SPlan7.0. Схема в большом разрешении.

Для защиты от протечек дополнительно поставил NEPTUN BUGATTI BASE 1/2 ДЮЙМА. Контакты аварии вывел на Контроллер, дополнительно выключаю циркуляционный насос.

Монтаж щитка выполнил преимущественно на компонента ABB, единственно взял у Legrand силовые реле. Силовая часть собрана в нижней части щитка, низковольтная и сигнальная в верхней.

Первое тестирование системы

Как только дали отопление, сразу начал тестировать систему

• расход воздуха пока на минимуме — около 100-120 м³/час
• перепад давления в сети отопления на грани чувствительности манометра — 0,1-0,2 Bar.
• без насоса циркуляция через калорифер очень низкая — 90 л/час
• при включенном насосе циркуляция поднялась до — 180-200 л/час
• температура подающей воды — 35-37 °C
• температура обратной воды — 30-31 °C
• температура на улице — около 0 °C
• температура в канале — 23 °C

Тестирование в экстремальных режимах:

• старт системы с перекрытыми кранами, без подачи теплоносителя
  
  • циркуляции в калорифере нет, он наполнен горячей водой — температура обратки +35 °С
  • Контроллер открывает наружную заслонку и включает вентилятор (скорость — 30% — 100-120 м³/час)
  • температура обратки не меняется, так как нет потока, температура в канале начинает падать
  • через пару минут температура в канале упала до +15 °С (термостат защиты от замораживания настроен на +10)
  • включился электрический подогреватель и через несколько минут вытянул температуру до уставки
  • попробовал такой же эксперимент при высокой скорости вентилятора — 60%. Электрический подогреватель не успел включиться — сработал капиллярный термостат защиты — система обиделась и выключилась
• работа системы без циркуляционного насоса
  
  • температура обратки +35 °С, система нормально стартует
  • через пару минут температура обратки падает до +25 °С, температура в канале не поднимается выше +18 °С
  • включился электрический подогреватель и через несколько минут вытянул температуру до уставки
• нет электричества и рециркуляции, аварийная остановка системы
  
  • температура на улице -3 °С
  • температура обратки +37 °С
  • перекрыл краном подачу воды и выключил контроллер (перевел в дежурный режим)
  • заслонка закрывалась примерно 40 сек. Аварии по капиллярному термостату не было (он установлен на +15 °С).
  • включил Контроллер и включил подачу воды.
  • контроллер показал температура обратки +27 °С.

Впечатления после первой ночи эксплуатации:

• ночью система работала с включенным циркуляционным насос (расход воды около 200 л/час) и расходом воздуха около 120 м³/час.
• электрический калорифер не включался (проверяю расход по отдельному счетчику)
• трехходовой клапан открыт не полностью — есть небольшой запас по мощности
• в квартире установлено 5 батарей — на них термоголовки, выставленные в среднее положение. Все батареи были умеренно теплыми
• расход тепла по счетчику отопления за 10 часов — 12 кВт*час включая батареи

Первый опыт эксплуатации

Эксплуатация и первые замеры:

• с 30 сентября температуру подающей воды подняли до 40 °С.
• при этой температуре система нормально работает при скорости 40 % (около 150-200 м³/час), максимальная температура в канале до 28 °С (на фото выше). И это при выключенном рециркуляционном насосе.
• если включить насос, то трехходовой кран находится в почти закрытом положении. Это обнадеживает, что есть запас по мощности.

Сделал замеры по счетчикам всех квартир на площадке за 2 суток при выключенном насосе

• 2-х комнатная 85 м2 — 78 кВт*час
• 1-х комнатная 50 м2 — 44 кВт*час
• 1-х комнатная 45 м2 — 43 кВт*час
• 3-х комнатная 110 м2 — 76 кВт*час

Следующие 2 суток при включенном рециркуляционном насосе

• 2-х комнатная 85 м2 — 77 кВт*час
• 1-х комнатная 50 м2 — 44 кВт*час
• 1-х комнатная 45 м2 — 41 кВт*час
• 3-х комнатная 110 м2 — 77 кВт*час

Можно сделать предварительные выводы, что:

• приточка не влияет на потребление соседей, как минимум при текущих параметрах.
• радует, что я не зря потратил много сил на утепление наружных стен — на отопление я трачу как двушка

Завершился первый месяц эксплуатации.

• был неприятный момент — выключали электричество во всем доме. При этом остановились и насосы отопления в подвале
• приточка пыталась несколько перезапуститься автоматически, но у меня был выключен рециркуляционный насос и она каждый раз падала по аварии замораживания калорифера.
• отключил автоматический рестарт и купил бесперебойник для питания насоса.

Первый месяц эксплуатации — октябрь 2013:

• Показания счетчиков
  
  • вода — 983 кВт*час, включая батареи
  • электричество на приточку — 42 кВт*час (два дня была низкая температура воды, включался электрический калорифер)
  • в прошлом году приточка грелась от электричества — потратил 340 кВт*час.
• Показания счетчиков отопления квартир на площадке (за месяц):
  
  • 2-х комнатная 85 м2 — 1102 кВт*час
  • 1-х комнатная 50 м2 — 561 кВт*час
  • 1-х комнатная 45 м2 — 608 кВт*час
  • 3-х комнатная 110 м2 — 983 кВт*час

Второй месяц эксплуатации — ноябрь 2013:

• Показания счетчиков
  
  • вода — 1170 кВт*час, включая батареи
  • электричество на приточку — 39 кВт*час
• Показания счетчиков отопления квартир на площадке (за месяц):
  
  • 2-х комнатная 85 м2 — 1132 кВтчас. Среднее — 13,3 кВтчас/м2
  • 1-х комнатная 50 м2 — 554 кВтчас. Среднее — 12,5 кВтчас/м2
  • 1-х комнатная 45 м2 — 627 кВтчас. Среднее — 12,3 кВтчас/м2
  • 3-х комнатная 110 м2 — 1170 кВтчас. Среднее — 10,6 кВтчас/м2

За первые три месяца эксплуатации на электричестве сэкономил 3000 кВт — около 10 000 руб.

Экстремальная эксплуатации -25 °С

Закончился январь 2013, показания счетчиков за месяц:

• вода — 2215 кВт*час, включая батареи
• электричество на приточку — 48 кВт*час

В самый холодные дни (-25 °С) ежедневное потребление составляло 120 кВт (батареи + приточка).
В январе сэкономил на электричестве 3500 руб (по сравнению с январем 2013 года).
Так же порадовало, что даже на открытых частях воздуховодов нет конденсата, только изморозь.

В самый холодный день января первый раз сработала защита.
Вечером прихожу с работы, на улице -25 °С, приточка выключена. Начал разбираться.

• посмотрел в контроллере список аварий — сработал капиллярный термостат защиты калорифера.
• заслонка закрыта, вентилятор выключен
• давление воды в норме — 8 Атм, потеков воды нет
• водяной счетчик показывает, что циркуляция воды в норме — 200 л/час.
• а вот температуры воды на входе резко упала до +55 °С (а еще утром была +75 °С)

Решился на эксперимент:

• включаю Контроллер. Прогревается калорифер и открывается заслонка, включается вентилятор.
• температура воздуха в канале начинает медленно падать (не хватает температуры приточной воды в +55 °С).
• через 1 мин температура в канале по датчику воздуха достигает +20 °С, срабатывает капиллярный термостат и приточка выключается.

У меня были выставлены следующие параметры защиты:

• температура защиты от замораживания обратной воды +15 °С
• температура защиты от замораживания приточного воздуха +16 °С
• температура защиты от замораживания капиллярного термостата +15 °С

Капиллярный термостат наиболее быстро реагирует, поэтому он срабатывает первым. Калорифер обдувается не равномерно и на отдельных его частях температура упала ниже +15 °С.

Понизил температуру капиллярного термостата до +10 °С. Приточка нормально запустилась, температура воздуха в канале стабилизировалась на +18 °С. Через 3 мин. такой работы автоматически включился электрический нагреватель и поднял температуру в канале до заданных +25 °С. Через день, температуры воды на входе поднялась до +65 °С и электрический нагреватель автоматически выключился.

Это фиаско ...

Дело было так:

• температура на улице достаточно быстро понижалась с -5 °С до -18 °С
• вода в системе отопления оставалась на температуре +45 °С градусов. Наша домовая автоматика не спешила поднимать температуру.
• производительности калорифера не хватило для поддержания уставки +23 °С и температура упала ниже +15 °С. Электрический калорифер не спешил включаться.
• сработала защита калорифера от замораживания, которая была установлена на +15 и система выключилась
• я понизил защиту калорифера до +5 °С градусов и включил систему расчет был, что система запустится сначала на воде и нагреет воздух примерно до +5°С через 5 минут должен подключиться электрический калорифер, который установлен перед водяным и он поднимет температуру до нормальных +23 °С
• в целом все так и получилось, только через пару часов нашел большую лужу воды под калорифером
• вскрытие показало, что медленно подтекает вода где-то в дальнем конце калорифера.

Перешел опять на подогрев электричеством.

Что дальше

Долгое время отапливался электричеством. Но наша управляющая компания сделала всем сюрприз. Отопление стали считать не по индивидуальным счетчикам, а по общедомовому. И распределять пропорционально площади квартир.

Я стал платить за отопление в 2 раза больше. Двушка на нашей площадке потребляет больше, чем моя квартира включая батареи и приточку. Наверно они стали платить меньше.

Так что буду восстанавливать систему.