heating

Технологии «Умного дома» для оптимизации расходов на отопление загородного дома.

Наш постоянный клиент Валерий Соколов написал статью, которая по нашему мнению будет интересна всем пользователям умных домов на базе Z-Wave.

«Идея автоматизации дома зрела давно и мой интерес к ней рос по мере совершенствования технологий: сначала появился промышленный стандарт беспроводной технологии управления устройствами Z-Wave, а потом и «коробочные» реализации контроллеров сети таких устройств.

Беспроводный стандарт Z-Wave дает возможность реализовать функции «умного дома» без сверления стен и прокладки дополнительных кабелей. А «коробочные» реализации контроллеров — сделать управление устройствами более простым и, главное, надежным.
Для начала я собирал коллекцию полезных ссылок, вроде этой о стандарте Z-Wave вообще и этой об одной из реализаций конкретной задачи. Потом из различных вариантов «коробочных» реализаций контролеров выбрал производителей, решения которых мне показались наиболее интересными и перспективными. Это были польский производитель Fibaro и гонконгский Mi Casa Verde (новое название Vera Control). И на примере них начал отслеживать развитие технологии и спектра устройств.
Решающим фактором старта реализации своего проекта внедрения «умного дома» стал просмотр фильма «Чужие» стало кардинальное повышение тарифов на энергоносители. Внедрять «умный дом» стало не только интересно, но и экономически целесообразно. Под катом — детальное описание. Осторожно, много букв и фотографий.
Когда родители жены заговорили о необходимости как-то оптимизировать затраты на отопление их загородного дома, первое, что пришло в голову — «это точно задача для умного дома». Потому что:
  • одна из основных функций «умного дома» — это греть/охлаждать/освещать только то, что нужно и только тогда, когда нужно. За счет именно этого и достигается наибольшая экономия;
  • давно уже хотелось реализовать удаленное управление отоплением, чтобы на выходные зимой приезжать в уже теплое помещение, а не мерзнуть полдня после приезда, пока дом прогреется;
  • в доме стоит электрический котел и двухзонный счетчик, а значит — это еще одна возможность «маневра» в целях экономии.

Дело в том, что загородный дом используется эпизодически (праздники, школьные каникулы, выходные), но в остальное время его все равно нужно подогревать, иначе холод и влага быстро приведут дом в непригодное состояние. Про «разморозку» системы водяного отопления я вообще молчу. До сих пор проблема решалась так: при отъезде котел настраивали на поддержание минимально возможной температуры теплоносителя (воды), т.е. +40°C. Меньшую температуру теплоносителя котел поддерживать «не умеет». Приблизительно это соответствовало температуре в помещении от 10°С в помещении при -10°С на улице до 20°С в помещении при +5°С на улице. Плюс некоторое влияние солнца в солнечные дни. Итого — в среднем зимой в доме было +15°С, что конечно же явно излишнее, да к тому же и постоянное отопление эпизодически используемого дома.

С учетом вышеизложенных условий, задача реализации проекта была сформулирована так: необходимо реализовать два основных режима работы:

1. «Дежурный» (дома никого нет),  когда нужно поддерживать температуру в доме около 10°С, вне зависимости от погодных условий, при этом по возможности подогревать дом большей частью в период с 23:00 до 06:00, когда тариф на электроэнергию в 2 раза ниже;
2. «Рабочий» (жильцы в доме), когда нужно поддерживать температуру в доме около 21°С, вне зависимости от погодных условий.
Кроме того, требовалось:
  • возможность удаленного контроля/управления системой через интернет, в том числе с мобильных устройств;
  • наличие максимально простого аппаратного пользовательского «интерфейса» переключения режимов «Дежурный»/«Рабочий», с которым бы с легкостью и самостоятельно бы справились люди 67-летнего возраста — хозяева дома, родители жены;
  • максимально возможная независимость работы системы от наличия электропитания и канала интернет;
  • крайне желательно получение push-уведомлений о смене основного режима работы системы;
  • крайне желательно получение аварийных push-уведомлений при понижении температуры в помещении ниже +5°С (во избежание «разморозки» системы отопления);
  • окупаемость проекта не более, чем за 2 отопительных сезона.

Таким образом, задача реализации проекта была декомпозирована на решение нескольких составляющих задач и проблем (в порядке убывания сложности):

  1. Придумать — как подключить «умный дом» к котлу отопления. «В лоб» задача не решается: просто подключить котел через реле, управляемое системой, невозможно по причинам:
    • мощность котла 12кВт, значит пусковая нагрузка может быть и до 20кВт. Реле такой мощности, причем трехфазное и управляемое по Z-Wave, я не нашел, но даже не это главное;
    •  даже если найти реле требуемой мощности — невозможно просто «рубить по питанию» весь котел, ибо а) он управляется собственным контроллером, который от такого режима скоро просто навернется, б) котел должен быть непрерывно подключен к электросети, чтобы он нормально выполнял свои функции, например периодически включал электромотор принудительной циркуляции теплоносителя(воды) в системе воизбежание застоя;
    • котел уже имеет в своем составе реле, которое управляется контроллером котла и способно включать/выключать основную нагрузку. Один из базовых принципов программирования гласит: «не плоди повторяющиеся сущности» — это приведет к стратегическим ошибкам. Значит еще одно мощное трехфазное реле искать и ставить точно не будем.
  2. Придумать простой аппаратный пользовательский «интерфейс» переключения режимов «Дежурный»/«Рабочий»;
  3. Подобрать и купить управляющий термостат и центральный контроллер Z-Wave сети с учетом требований и ограничений основной задачи проекта;
  4. Собрать все в кучу (электрическую, аппаратную и программную части) и попробовать с этим всем «взлететь».

Итак, мы имеем набор из 4 подзадач, последовательное решение которых приведет нас к успешной реализации. Начнем.

 Решение подзадачи №1:

       В очередной приезд на дачу сфотографировал инструкцию к котлу и внутренности самого котла. Чтобы потом можно было спокойно «курить мануалы» и гуглить. Вот что получилось. На фото уже отмечены наиболее существенные детали, которые использовались для поиска информации и решения.

Модель котла и дата выпуска

Блок управления котлом водяной насос (слева), датчик потока теплоносителя(справа).

IMG_1276

Серийный номер (предполагал, что он может понадобится для точной идентификации модели).

IMG_1270

Это и есть искомый разъем для подключения внешнего управления котлом.Сейчас просто установлена перемычка. 

IMG_1274

Этот же разъем и трехфазное реле управления силовой нагрузкой.

IMG_1280

А вот и электрическая схема подключения внешнего управления котлом.

IMG_1284

Подсказка — где искать разъем.

Котел 2007 года выпуска предусматривает подключение внешнего регулятора температуры, т.е. устройства, которое в зависимости от соотношения требуемой температуры в помещении и текущей температуры будет замыкать и размыкать два контакта разъема NA котла, таким образом давая команду блоку управления котлом: «надо греть» или «не надо греть» соответственно. Дальше уже сам штатный блок управления котлом управляет полностью работой котла с помощью штатных реле.
Теперь мы знаем, какой нам нужен термостат для решения подзадачи №3.

 Решение подзадачи №2:

Очевидно, что для управления всего двумя состояниями системы, самое простое решение — обычный кнопочный выключатель (каким обычно включают свет), который будет переключать состояния Z-Wave реле. Но следует учесть, что обычный выключатель (по научному — бистабильный) в общем случае не будет отображать текущее состояние системы, т.е. например положение вниз — «Дежурный», вверх — «Рабочий» режим. Потому что с помощью веб-интерфейса «умного дома» тоже возможно управлять этими режимами, а значит — положение обычного выключателя (вверх/вниз)  — абсолютно ни о чем не говорит пользователю о текущем состоянии системы.
Для обеспечения простого аппаратного пользовательского «интерфейса» был выбран набор из выключателя «звонкового типа», он же — кнопка(по научному — моностабильный), который при однократном нажатии будет давать сигнал Z-Wave реле на переключение режимов, и лампочки, которая будет «отображать» текущий режим. Например, горит = «Рабочий», не горит = «Дежурный». В «Эпицентре» был найден моностабильный выключатель с встроенной лампочкой. В качестве Z-Wave реле было выбрано реле Fibaro Relay Switch в связи с тем, что:

  • его можно вмонтировать в существующую монтажную коробку выключателя/розетки в котельной;
  • пришла просто замечательная мысль, что раз уж его можно вмонтировать в коробку существующей розетки и сейчас в одну из розеток котельной включены бойлер горячей воды, то можно выбросить эту самую розетку и вместо нее вмонтировать реле и моностабильный выключатель с лампочкой.

Таким решением мы получаем массу преимуществ:

  • не нужно придумывать место установки моностабильного выключателя с лампочкой (т.е. простого аппаратного пользовательского «интерфейса» переключения режимов);
  • этим же самым Z-Wave реле мы сможем включать и выключать бойлер горячей воды в зависимости от режимов «Дежурный»/«Рабочий» и, тем самым, дополнительно сэкономим на электроэнергии;
  • одной единственной кнопкой мы будем управлять двумя самыми «прожорливыми» потребителями энергии.

Нужно отдать должное компании Fibaro за их способность уместить 2,5кВт-ное Z-Wave реле в столь миниатюрный корпус (Dimensions: (LxWxH)):42.50×38.25×20.30mm). Я просто не поверил своим глазам, когда впервые увидел реле не на картинке, а в руках.
При покупке любого Z-Wave оборудования, следует учитывать диапазон его рабочей частоты. Для Европы(EU) и Украины это 868.4 MHz.

Решение подзадачи №3:

В качестве термостата был выбран Secure SRT322. Он состоит из батареечного термостата, установленного на стене в комнате для управления и релейного выключателя для управления котлом. Термостат может управляться вручную пользователем или дистанционно с помощью Z-Wave для установки желаемого уровня температуры. Иногда эти термостат и реле продаются отдельно, но выгоднее покупать именно комплектом.
Реле было установлено в котельной и подключено к разъему NA котла, а термостат был установлен в гостиной на первом этаже дома.
Важно:  при подключении к бытовой сети любого Z-Wave оборудования (в данном случае реле к котлу) необходимо соблюдать правильное подключение фазы (Line) и нейтрального провода. Необходимые для Z-Wave реле 220v были взяты прямо с одной из фаз на главном внутреннем реле котла. А термостат вообще подключать ни к чему не нужно: на двух батарейках АА он живет около 2 лет.
HRT4-ZW
В качестве центрального контроллера Z-Wave сети был выбран Fibaro Home Center Lite (далее — HCL)
p1ag7c487q1tc11bdv1ssll7tkiqe

 Решение подзадачи №4:

Ко всем перечисленным выше устройствам есть мануалы на русском языке.  Используя их, я сначала собрал аппаратную часть (подключил HCL к роутеру патчкордом), включил его и через веб-интерфейс сделал его базовую настройку (пока без подчиненных устройств).
      Затем собрал электрическую часть системы:
  • реле термостата было соединено с котлом и установлено рядом с ним в котельной. Двумя проводами с котла на реле были поданы 220v и еще двумя проводами реле было соединено с разъемом NA;
  • демонтирована розетка бойлера горячей воды в котельной;
  • розеточное реле Fibaro Relay Switch было соединено с бытовой сетью, проводом питания бойлера, моностабильным выключателем и лампочкой (параллельно бойлеру). Фантастика, но все это спокойно уместилось в освободившуюся монтажную коробку бывшей розетки бойлера!

Еще раз: не забываем соблюдать правильность подключения фазы (Line) и нейтрального провода (N) к соответствующим разъема розеточного реле.

Важно:  при первом включении любого Z-Wave устройства — на нем автоматически инициируется процесс добавления устройства в беспроводную Z-Wave сеть. Значит к этому моменту центральный контроллер сети желательно должен быть включен и преднастроен. Но потом процедуру подключения устройства можно и запустить вручную (с некоторым танцем с бубном, описанным в инструкции к устройству).
После включения и добавления в Z-Wave сеть всех устройств, они были настроены через веб-интерфейс центрального контроллера в соответствии с инструкциями. Из особенностей было только:
  • настроить Fibaro Relay Switch на работу с моностабильным выключателем;
  • настроить Ассоциацию (в терминологии Z-Wave) термостата и реле котла, чтобы термостат мог давать команды реле напрямую, без участия центрального контроллера.

Затем через веб-интерфейс HCL  были настроены параметры, логика и сценарии таким образом, чтобы:

а) При однократном нажатии на кнопку моностабильного выключателя:

  • менялось состояние реле Fibaro Relay Switch  вкл<->выкл. Как следствие:
  • зажигалась/гасла лампочка выключателя и включался/выключался бойлер горячей воды;
  • на HCL автоматически отправлялось Z-Wave событие «Реле включено»/«Реле выключено» соответственно;

б) HCL, при получении события от реле Fibaro Relay Switch:

  •  устанавливал соответствующую заданную температуру воздуха на термостате (если событие «Реле включено» — установить требуемую температуру +21°С — «Рабочий режим», если событие «Реле выключено» — установить требуемую температуру +10°С — «Дежурный режим»);
  • отправлял push-уведомление на мой телефон.

в) термостат, получив заданную температуру от HCL — самостоятельно управляет реле котла таким образом, чтобы постоянно поддерживать заданную температуру. Для этого ничего настраивать не нужно, он уже так настроен изначально.
г) через веб-интерфейс HCL (в том числе и через интернет) можно было запустить сценарий смены режима «Дежурный»/«Рабочий» и таким образом задать режим работы термостата и включить/выключить бойлер горячей воды.

 По скриншотам видно, что это все настроить достаточно просто:
Основной экран веб-интерфейса HCL
Визуальная настройка сценариев
График температуры в помещении. На графике видно, что перед приездом жильцов на выходные был удаленно включен режим «Рабочий» и термостат начал в ночь на субботу подогревать дом.
Отображение состояния и управление через интернет с мобильного телефона:

 Результаты оптимизации расходов на отопление загородного дома.

Благодаря тещиному кропотливому учету расходов (в том числе на электроэнергию) за всю историю существования дома, я имею возможность сравнить два отопительных периода: «2014-1015», когда котел просто поддерживал минимальную температуру теплоносителя 40°C во время отсутствия жильцов дома и «2015-2016»,  когда котел полностью управлялся «Умным домом» и поддерживалась температура воздуха в зависимости от присутствия хозяев в доме.
Я взял фактическое использование электроэнергии за сезон «2014-2015» и применил к ним новые тарифы сезона «2015-2016», получились значения «Прогноз по новым тарифам». Затем взял фактические данные использования электроэнергии за сезон «2015-2016» и фактические значения расходов киловатт и гривен. Конечно, данные на середину мая 2015 у меня есть, но так как пока у меня нет данных на середину мая 2016 (тетрадка с учетом на даче), то для корректности сравнения я эти данные убрал. Сразу скажу, что на общую картину это уже не повлияет, т.к.
  • с середины апреля до середины мая котел включался редко,
  • я уже подстроил алгоритм управления котлом так, что эти данные результат только улучшат. Но об этом — ниже.

Вот какие получились цифры:

Интересно посмотреть на эти цифры в контексте графика температуры в доме в сезон «2015-2016»:
 Из графика и таблицы видно, что:
  • в отопительный период дом используется не так часто. Обычно на праздники и дни рождения;
  • для «Дежурного» режима было настроено поддержание температуры воздуха в доме на уровне 10°C;
  • к концу января мы заметили, что просто поддерживать круглосуточно 10°C в «Дежурном» режиме  — не очень выгодно: днем электроэнергия в 2 раза дороже и мы решили ночью подогревать дом до 14°C, а днем устанавливать опять 10°C.

Получилось тоже не очень экономно: как показала практика — да день (с учетом солнечной активности) дом остывал только на 2°C (с 14°C до 12°C и значит это был излишний подогрев ночью). Все хорошо видно в таблице и графике. И система в конце февраля была перестроена на такой «Дежурный» режим: ночью подогревать дом до 12°C, а днем устанавливать опять 10°C. Результат получился идеальным: опять же смотрим таблицу с данными. При детальном рассмотрении суточный график изменения температуры теперь выглядит так:

Т.е. днем теперь котел практически не включается.
Таким образом в следующем отопительном сезоне экономия будет еще больше, т.к. настроен наиболее оптимальный режим работы котла.
Некоторые факты:
  • все перенастройки производились удаленно изменением нескольких условий «если» и нескольких констант;
  • общая площадь дома около 120 м2, а номинальная мощность котла 12kW;
  • при поддержании температуры 10-12°С не сыреет дом, не портится никакая внутренняя отделка, прекрасно себя чувствуют цветы;
  • очень приятно приехать в теплый дом зимой (когда за 6-8 часов до приезда включил «Рабочий» режим работы котла удаленно просто с телефона.»

Источник данной статьи расположен по ссылке.

Вам также может понравиться ...

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Подпишитесь, чтобы быть в курсе последних событий:

fb vk twitter youtubr instagram