Управление отоплением в системе Умный Дом

Содержание

Подсистемы климата
Преимущества управления отоплением с системы Умный Дом
Управлениеводяными радиаторамии водяным тёплым полом
Умный Дом и погодозависимая автоматика
Аналоговое управление приводами отопления
Управление электрическим тёплым полом
Управление электрическими нагревателями
Управление конвекторами с вентилятором
Примеры моделей оборудования

Напишу про управление отоплением с системы Умный Дом. И вообще о том, как может осуществляться такое управление.

Подсистемы климата

Управление климатом квартиры или загородного дома может осуществляться следующими подсистемами:

Водяные радиаторы и конвекторы
Водяной тёплый пол
Электрические радиаторы и конвекторы (а также ИК-обогреватели, «теплый плинтус» и прочие типы обогревателей)
Электрический тёплый пол
Кондиционеры
Вентиляция
Увлажнители

Про управление кондиционерами, вентиляцией и увлажнением напишу отдельно позднее, а эта статья будет посвящена способам управления водяными и электрическими нагревателями разного типа.

Сначала, уточняя терминологию, определимся с тем, что «радиатор» и «конвектор» с точки зрения управления ими представляют собой одно и то же. Фактическое различие между ними состоит в том, что радиатор распространяет тепло вокруг себя, а конвектор нагревает проходящий через него воздух, который затем поднимается вверх, а в конвектор попадает новый воздух. Далее будем называть любой нагревательный прибор «радиатором» для единообразия, за исключением таких устройств как внутрипольные конвекторы и «тёплый плинтус», они однозначно работают за счёт естественной конвекции воздуха. У внутрипольных конвекторов, если естественной конвекции для обогрева помещения не хватает, могут быть вентиляторы, увеличивающие отдаваемое тепло, для них требуется отдельное управление.

Преимущества управления отоплением с системы Умный Дом

Для управления отоплением есть множество готовых специализированных систем от разных производителей, у всех из них принцип работы примерно одинаков, но только полноценная система Умного Дома может осуществлять комплексное управление всеми вариантами отопления, а также всеми прочими подключенными к ней системами.

Можно предложить несколько уровней систем управления отоплением в зависимости от того, насколько удобно ими пользоваться.

Уровень 0 — системы управления нет.

Отопление отбалансировано таким образом, что во всех помещениях всегда примерно одинаковая комфортная температуры воздуха и пола. За балансировку отвечают работа погодозависимой автоматики (регулирует температуру теплоносителя в зависимости от уличной температуры) и колпачки на коллекторе отопления, ограничивающие поток теплоносителя в контур. В квартирах за регулировку температуры теплоносителя в системе отопления отвечает котельная, а при отсутствии коллектора колпачки устанавливаются на сами радиаторы.

Уровень 1 — локальное управление.

Можно установить механические или электронные регуляторы на радиаторы отопления, они позволят локально регулировать нагрев радиатора, но имеют очевидный недостаток: датчик температуры находится внутри регулятора, то есть перекрывая поток воды они ориентируются на измерение температуры в непосредственной близости от радиатора.

Так выглядят устанавливаемые на радиатор клапан, механический регулятор и простой регулировочный колпачок:

Управление отоплением в системе Умный Дом

Более удобный вариант — управление через термостаты. В каждом помещении устанавливается термостат (он же терморегулятор) с датчиком температуры, на котором пользователь системы выставляет желаемую температуру воздуха или пола. Термостат в зависимости от того, выше желаемая температура, чем текущая, или ниже, открывает или закрывает подачу воды в радиатор. Аналогично термостат работает и с тёплыми полами, и с электрическими нагревателями.

Термостат расположен в удобном для пользователя месте, температура воздуха в котором отражает ощущаемую человеком (в отличие от регулятора на самом радиаторе), поэтому управление получается эффективным. Но не централизованным.

Бывают также механические терморегуляторы, устанавливаемые на клапан радиатора, с выносным датчиком температуры воздуха.

Уровень 2 — централизованное управление. Подразумевает возможность управления всеми термостатами или регуляторами на радиаторы с единого пульта, которым, как правило, выступает мобильное приложение. Система может включать в себя только термостаты, подключаемые по Wi-Fi. Может быть боее продвинутый вариант на базе термостатов и регуляторов, работающих по протоколу Zigbee или Z-Wave, для работы такой системы потребуется также контроллер, к которому будут подключены все устройства.

Уровень 3 — комплексное управление. Помимо отопления к системе подключены кондиционеры и вентиляция, а также освещение, шторы, контроль аварийных ситуаций и всё прочее, что может входить в понятие Умного Дома.

Вот так выглядит интерфейс комплексного управления климатом в приложении Larnitech:

Отображаются температура воздуха, температура пола, уровень СО2, влажность, здесь же элементы управления кондиционером и вентиляцией.

Преимущества централизованного управления (уровень 2 и 3) над локальным (уровень 1) следующие:

Управление климатом раздельно по каждой зоне. Например, в одной комнате любят, чтобы пол был потеплее, а воздух попрохладнее, а во второй — чтобы и пол и воздух были тёплыми. А какая-то комната вообще не используется, в ней можно свести отопление к минимуму (это называется «эко-режим»).
Можно управлять отоплением удалённо через интернет.
Можно создавать расписания работы: ночью прохладнее, а днём теплее.
Работа климата по сценам, возможность перевести весь дом или этаж в экономичный режим или в ночной режим.

Теперь о том, как такое управление осуществляется.

Управление водяными радиаторами и водяным тёплым полом

Управление контурами водяного тёплого пола или радиаторами осуществляется за счёт термоприводов, устанавливаемых на коллектор или сам радиатор. Вот коллектор с установленными приводами на контурах:

На каждом контуре установлен привод. Привод может перекрывать подачу воды в контур, что приведёт к его медленному остыванию. Когда температура в помещении опустится ниже желаемой (заданной пользователем с приложения), привод откроет подачу воды в контур. За счёт этого температура воздуха или пола в помещении всегда будет соответствовать желаемой.

Привод может быть установлен и прямо на радиатор, у него стандартное посадочное место М30х1.5 (30мм — диаметр посадочного места, 1.5мм — шаг резьбы). Вот привод, установленный на радиаторе:

Важно на этапе монтажа кабелей вывести кабель питания приводом (обычно это 2х0.5 или 2х0.75, тип кабеля КГВВнг(А)-LS или МКШнг(А)-LS) точно за приводом, чтобы кабель был наименее заметен. Вот статья про установку приводов на радиаторы.

Лучше, конечно, всегда ставить привод на коллекторе отопления, так как при этом не потребуется вести кабель от щита к каждому радиатору, и приводов может потребоваться меньше, но не всегда такая возможность есть. Например, при двухтрубной системе отопления нужно ставить приводы на каждый радиатор, иначе не получится управлять отоплением позонно. В квартирах в большинстве случаев коллектор отопления с отдельными контурами для каждого помещения отсутствует.

Схема двухтрубной системы отопления:

Привод, устанавливаемый на клапан, работает не от сервомотора, а за счёт расширения парафина при нагревании и сжатия при остывании. При подаче напряжения на привод парафин начинает нагреваться и при расширении давить на штор клапана. Процесс открывания и закрывания клапана подачи воды длится несколько минут и не сопровождается никакими звуками.

Воздух в помещении — достаточно инертная система. Пока откроется клапан, пока радиатор заполнится горячей водой и нагреется, пока разогреется весь воздух в помещении для того, чтобы датчик температуры воздуха зафиксировал увеличение температуры, проходит в среднем полчаса. Остывание воздуха также происходит медленно, его скорость зависит от теплопотерь помещения и температуры на улице. Таким образом, диапазон колебаний температуры воздуха в помещении при правильно расположенном датчике температуры воздуха (см. предыдущую главу) не превышает 0.5-1 градуса.

Аналогично с тёплым полом: горячая вода в трубах прогревает стяжку и поверхность пола, а при отключении циркуляции воды вся толща стяжки пола очень медленно остывает. Если датчик температуры установлен в стяжке, он отслеживает изменения температуры быстрее, чем отслеживал бы, находясь на поверхности покрытия пола, так что колебания температуры поверхности пола при регулировании также малы.

Привод может быть нормально-открытым (обозначается NO или НО) или нормально-закрытым (обозначается NC или НЗ) в зависимости от того, в каком состоянии он находится при отсутствии питания. В большинстве случаев рекомендуется устанавливать НО приводы, чтобы при отсутствии системы автоматики помещения не замерзали. Если отопительные приборы рассчитаны с избытком, то можно использовать НО приводы для тёплого пола и НЗ для радиаторного отопления, при этом температура подаваемого в полы теплоносителя не должна быть выше такой, которая бы привела к перегреву пола при постоянной подаче в полы. Если же температура теплоносителя, подаваемого в полы, выше 30 градусов, следует на коллектор тёплого пола ставить НЗ приводы, а на радиаторы НО, чтобы не допустить перегрева пола.

Если помещение отапливается одновременно и водяным тёплым полом и радиаторами (стандартная ситуация для загородного дома), необходимо программно предусмотреть интеллектуальный алгоритм работы приводов, обеспечивающий желаемую температуру воздуха и максимально приближённую к желаемой температуру пола. Приоритет управления отдаётся радиаторам: пол всегда тёплый, за счёт радиаторов осуществляется регулировка температуры воздуха. Если радиаторы давно выключены, а температура воздуха в помещении всё равно слишком высокая, то в зависимости от пожеланий заказчика либо опускается температура пола, либо включается кондиционер. Второй вариант неэкономичный — получается, что кондиционер охлаждает пол, а заказчик платит за работу обеих этих систем, но повышается комфорт.

Зачастую в загородных домах водяной тёплый пол оставляют вовсе без управления: он всегда одинаково тёплый, а температура воздуха регулируется радиаторами. Такой подход вполне оправдан для экономии оборудования системы управления. Но если добавить возможность управления полами, можно отключать их, когда помещением не пользуются, и включать заранее при необходимости разогреть пол в помещении. Окончательное решение зависит от возможных сценариев использования помещения.

Умный Дом и погодозависимая автоматика

Частый вопрос — нужно ли заказывать блок погодозависимой автоматики для котла при наличии системы управления отоплением с контроллера Умного Дома. Ведь при наличии контроллера Умного Дома хочется, чтобы он заменил собой все контроллеры в доме, в том числе и автоматику котла. Погодозависимая автоматика регулирует температуру теплоносителя в зависимости от температуры воздуха на улице, при наладке системы задаётся кривая соответствия. В зависимости от типичных теплопотерь дома наклон кривой меняется.

Рассмотрим, чем отличается погодозависимая автоматика котла от климат-контроля в составе Умного Дома.

Автоматика котла — это система из датчика температуры теплоносителя и воздуха на улице, а также трёхходового клапана, который регулирует температуру уходящей в систему отопления воды. В отсутствие Умного Дома автоматика котла обеспечивает одинаковую комфортную температуру воздуха в помещениях. А автоматика Умного Дома распределяет по помещениям тепло таким образом, чтобы температура в каждом помещении была такой, какой её задал пользователь со своего смартфона или планшета.

Представим ситуацию: погодозависимой автоматики нет, котёл выдаёт всё время теплоноситель температурой +70 градусов в систему отопления. А на улице не очень холодно, скажем, +5 градусов.

Сначала контроллер Умного Дома видит, что заданная желаемая температура воздуха выше текущей и открывается привод контура отопления — очень горячая вода поступает в радиатор. Воздух быстро разогревается от очень горячей батареи.

Контроллер видит, что желаемая температура достигнута, и начинает закрывать привод. Привод перекрывается не быстро, примерно 4-5 минут. За это время батарея ещё больше разогревается. И воздух тоже.

Подача воды прекращается, комната начинает остывать.

То есть, мы получаем колебание температуры примерно в 3-4 градуса, которое происходит раз в 30 минут или чаще. Для мощного радиатора и небольшой комнаты амплитуда колебания может быть больше.

Погодозависимая автоматика котла сделает температуру воды ниже и обеспечит более плавный нагрев.

Разумеется, можно функцию управления трёхходовым клапаном, регулирующим температуру воды, повесить на контроллер Умного Дома. Но это не всегда оправдано, проще поставить специализированный контроллер, в котором все необходимые алгоритмы уже заданы. Вопрос соотношения стоимости готовой системы и времени, необходимого для заведения нужных алгоритмов в ваш контроллер.

Аналоговое управление приводами отопления

Мы рассмотрели управление приводами отопления способом широтно-импульсной модуляции — ШИМ. Аналогично тому, как диммируется светодиодная лента, привод отопления то открывается, то закрывается, только частота переключения, конечно, не такая большая. Такой привод называется 2-позиционным.

Существуют также аналоговые приводы с плавным регулированием степени открывания. Аналоговые приводы помимо питания 24 вольта требуют сигнал управления 0-10 вольт, в зависимости от которого они открываются. Управление 0-10 вольт имеет важно преимущество — уменьшение колебания температуры воздуха в помещении. Но имеют и ряд недостатков:

аналоговый привод в несколько раз дороже 2-позиционного
аналоговый выход контроллера 0-10 вольт всегда дороже дискретного
нужен алгоритм плавного регулирования, заложенный в контроллер, и его отладка после введения системы в эксплуатацию

В большинстве случаев использование аналоговых приводов не оправдано. При работе с водяными тёплыми полами их использование вообще не имеет смысла, так как тёплый пол очень инертный (очень медленно нагревается и остывает), отклонение его температуры от желаемой не так заметно.

Управление электрическим тёплым полом

Вот схемы управления тёплым полом в классическом варианте и через контроллер системы Умного Дома:

Классическое управление — через термостат в комнате. Термостат может быть простой или программируемый (с возможностью задавать время включения и выключения). При управлении с Умного Дома (обозначен как ПЛК — программируемый логический контроллер) термостатов нет, регулирует температуру программа контроллера, а уставку температуры задаёт пользователь с планшета или смартфона.

При классическом управлении реле установлено внутри термостата, достаточно хорошо слышно, как оно щёлкает при работе, включая и выключая нагрев пола. При управлении с системы Умный Дом реле щёлкает в электрощите.

Есть ещё один вариант управления — использование специальных термостатов с поддержкой работы по Modbus RS485. При этом схема управления остаётся классической, но термостат подключен к контроллеру системы Умный Дом, что позволяет управлять им с общего приложения, а также в приложении отображать текущую температуру пола. Плюсы такого подхода: независимость работы термостата от системы Умный Дом и возможность регулировки температуры пола прямо с термостата. На самом деле регулировку температуры пола требуется осуществлять крайне редко, чаще его просто включают или выключают по сценариям, этого можно добиться установкой обычного термостата и отключением подачи на него питания через реле от щита. Так что варианта управления электрическим тёплым полом получается целых три:

Полное управление с контроллера: датчик температуры передаёт данные в контроллер, пол управляется через реле в щите.
Управляет полом термостат с Modbus, с приложения можно менять уставку температуры пола.
Управляет полом обычный термостат, с приложения можно только включить или выключить пол.

Терморегулятор с Modbus может не вписываться в дизайн помещения, так как отличается внешне от прочих элементов электрофурнитуры: розеток и выключателей.

Датчик температуры пола при отсутствии термостата потребует установить подрозетник с заглушкой, так как требуется обеспечить возможность его замены при необходимости, а иногда нужно предусмотреть модуль конвертации интерфейса, например, из Modbus или CAN в 1-wire.

Управление электрическими нагревателями

Электрические нагреватели (радиаторы, конвекторы, тёплые плинтуса, тёплые потолки и прочее) работают аналогично электрическому тёплому полу, управление осуществляется просто подачей электропитания через реле в щите. Можно использовать локально установленный термостат, если такое решение кажется более удобным, чем управление с приложения.

Подключение нагревателя может осуществляться через обычную электрическую розетку, если это нестационарный прибор. В этом случае к розетке монтируется отдельный кабель ВВГнг(А)-LS 3×2.5 от реле в электрощите.

Иногда используются инфракрасные обогреватели для установки на открытой террасе, чтобы находиться на ней было не так холодно. При этом установка датчика температуры воздуха не обязательна, обогреватель управляется как обычный электроприбор включено-выключено, он ведь не пытается нагреть улицу до комфортной температуры.

Устройства типа «тёплый плинтус» работают по принципу создания тепловой завесы перед окном. Иногда их включение правильнее настроить на определённую уличную температуру, а не температуру воздуха в помещении. Например, тёплый плинтус может включаться при температуре на улице ниже 0 градусов. Зависит от того, какие в помещении ещё есть приборы отопления, и насколько большие теплопотери осуществляются через окно.

Управление конвекторами с вентилятором

В загородных домах (а иногда и в квартирах) нередко используются внутрипольные конвекторы, если окно доходит до пола, и устанавливать радиатор было бы неудобно.

Если согласно тепловому расчёту теплоотдачи встроенного в пол конвектора недостаточно для обогрева помещения, может быть установлен конвектор с вентилятором, что увеличит теплоотдачу. Вентилятор всегда работает от электричества, конвектор может быть как водяным, так и электрическим. Пример часто используемых внутрипольных конвекторов — Varmann Qtherm.

Как правило, вентилятор имеет возможность менять скорость вращения. Способов управления вентилятором может быть несколько:

фаза 230 вольт, может быть 3 скорости вращения,
плавно сигналом 0-10 вольт,
по Modbus RS485

При этом необходимо также управлять подачей горячей воды в конвектор или включения электронагревателя в нём. В контроллере системы Умный Дом необходимо задать алгоритм управления вентилятором в зависимости от использования помещения. Разумеется, мы всегда заинтересованы в том, чтобы вентилятор работал на минимально возможных оборотах, но бывает необходимость включить максимальную скорость если конвектор не справляется с обогревом или необходимо быстро нагреть помещение.

Алгоритм управления основывается на разнице между желаемой и текущей температурой воздуха в помещении. Если она небольшая, то вентилятор можно не включать или включить на минимум. Если она увеличивается, то увеличивается и скорость вращения вентилятора. Если в спальне ночью высокая скорость работы вентилятора неприемлема из-за шума, то стоит в алгоритм управления добавить ограничение по времени суток или текущему сценарию.

При управлении конвектором с системы Умный Дом термостат, который может поставляться к конвектору отдельной опцией, не требуется.

Примеры моделей оборудования

Приведём несколько примеров моделей термоприводов для управления отоплением. Ведущие бренды на рынке — немецкие Danfoss и Oventrop, официально не поставляемые в Россию напрямую от производителя.

Термоголовка механическая для радиатора Oventrop Uni LH 1011464.