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.
- 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:
- 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):
- 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.
- Придумать простой аппаратный пользовательский «интерфейс» переключения режимов «Дежурный»/«Рабочий»;
- Подобрать и купить управляющий термостат и центральный контроллер Z-Wave сети с учетом требований и ограничений основной задачи проекта;
- 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:
Это и есть искомый разъем для подключения внешнего управления котлом.Сейчас просто установлена перемычка.
Этот же разъем и трехфазное реле управления силовой нагрузкой.
А вот и электрическая схема подключения внешнего управления котлом.
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:
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.
Решение подзадачи №4:
- 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.
- 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.
Результаты оптимизации расходов на отопление загородного дома.
- 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:
- 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:
- 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.