Управление климатом и отоплением в «умном доме»

От условий микроклимата, свежести и чистоты воздуха в помещении зависит наше здоровье и работоспособность. Система «умный дом» позволяет управлять насыщенным отопительно-вентиляционными системами, осветительной техникой и электробытовым оборудованием современным домом и заботится о здоровье и комфорте его обитателей.

Управление климатом в системе «умный дом» достигается путем интеграции трех климатических систем — отопления, вентиляции и кондиционирования, когда эти инженерные системы функционируют как единое целое, обеспечивая комфортные режимы климат-контроля в помещениях. Его реализация закладывается еще на этапе проектирования климатических систем, когда задаются алгоритмы работы, позволяющие поддерживать нужные параметры воздуха в помещениях (температуру, влажность и химический состав) с минимальными затратами энергоресурсов. Климат-контроль является непременным атрибутом современного «умного дома».

Работу системы обеспечивают приточная вентиляция, кондиционеры, увлажнители и осушители воздуха, ионизаторы, электрическое или водяное отопление, теплые полы (электрические и водяные), приводы открывания окон. Для управления применяют датчики, фиксирующие текущее состояние микроклимата в доме, а также средства управления — переключатели и панели. Система «умный дом» позволяет удалённо управлять климатом через Интернет, сотовый телефон, с компьютера диспетчера.

Климатические системы проектируются с возможностью анализа температуры и влажности с помощью специальных датчиков в тех помещениях, где необходимо поддерживать заданные климатические параметры. Система управления «умный дом», используя заложенные в нее алгоритмы климат-контроля, подает сигналы управления на сервоприводы приборов и контуров отопления или воздушные клапаны вентиляционной системы с системой охлаждения.

Гибкая настройка системы термоконтроля способствует не только повышению комфорта дома, но и экономии энергозатрат. Отслеживая температуру внутри и вне помещения, «умный дом» автоматически создает благоприятные условия для его обитателей. При правильно настроенном управлении устройства ведут себя по-разному при открытых и закрытых окнах, в присутствии или отсутствии в помещении людей, в различные периоды времени суток и дни недели и пр.

Система позволяет управлять такими параметрами, как температура, влажность, приток свежего воздуха индивидуально для каждого помещения, включать/выключать систему фильтрации воздуха, создать для каждого члена семьи индивидуальную систему климата, и дает экономию средств, решение проблемы энергосбережения. В частности, система может быть настроена так, чтобы подача тепла в нерабочее время и в выходные дни снижалась или отключалась совсем.

Реализация режимов климат-контроля позволяет обеспечить оптимальные режимы энергопотребления климатических систем. Системы отопления и кондиционирования в «умном доме» не работают «навстречу друг другу» (система отопления не охлаждает воздух, который нагревает система отопления).

Управление климатическими параметрами в помещениях осуществляется с помощью специализированных климатических контроллеров и термостатов, а также же при помощи многофункциональных систем управления климатом «умного» дома.

Круглосуточный контроль над системой «умный дом» исключает возникновение и развитие аварийных ситуаций. Выход из строя одного из узлов системы не повлияет на общую безопасность. В случае выхода из строя главного контроллера системы «Умный дом» каждая инженерная система по-прежнему сохраняет функции автономного управления.

Умный Дом на ПЛК: управление климатом

Функция управления отоплением объединяет управление следующими системами:

• Радиаторное отопление (пассивные или с вентилятором)
• Водяной тёплый пол
• Электрические конвекторы
• Электрический тёплый пол
• Кондиционеры
• Вентиляция

ПЛК — это программируемый логический контроллер, который может быть центром системы Умный Дом для квартиры или загородного дома. Примеры ПЛК: EasyHomePLC, Beckhoff, Овен, Wirenboard и много других.

Преимущества системы управления климатом с ПЛК

• Не нужно управлять каждым устройством по отдельности: задаём желаемую температуру, а система её поддерживает, согласовывая работу всех систем
• Управление всеми системами обогрева/охлаждения с одного пульта — смартфона или планшета
• Работа климата по сценариям и по расписанию, возможность перевести весь дом или этаж в экономичный режим или в ночной режим
• Удалённое управление и контроль температуры через интернет,
• 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.

Теперь о том, как это делается.

В каждой зоне (замкнутом помещении) ставятся датчики температуры воздуха и пола. Для работы в составе системы управления климатом с ПЛК используются датчики температуры воздуха (опционально ещё и влажности) с выносным сенсором температуры пола с выходным сигналом 0-10 вольт постоянного тока. Такой сигнал заходит на аналоговых вход контроллера. Если датчик работает с температурным диапазоном от 0 до +50 градусов, то выход 0 вольт соответствует 0 градусов, а 10 вольт соответствует +50 градусам, характеристика линейна. Есть датчики с диапазоном -50..+50 градусов для улицы или 0..+125 для сауны.

Подготовка для установки датчика воздуха с выносным сенсором пола выглядит так:

В одной рамке с выключателями (то есть, на высоте 900-1200мм) делается дополнительный подрозетник. В подрозетник из щита автоматики ведётся кабель FTP 5 категории (экранированная витая пара). По кабелю будет передано питание 12-24 вольта от блока питания на датчик (2 жилы) и сигнал от 0 до 10 вольт от датчика на контроллер на аналоговый вход. Поскольку ток потребления датчика очень мал, длина кабеля может составлять несколько сотен метров. Аналоговый сигнал может быть искажён наводками, поэтому кабель датчика, как и любой слаботочный кабель, следует монтировать на удалении от силовых трасс.

Выносной сенсор температуры пола подключается к плате датчика температуры воздуха и питается от неё. Сенсор пола опускается в пол в медной трубке или гладкой ПНД трубе диаметром 10-12мм. Гладкие внутренние стенки нужны для того, чтобы в случае необходимости датчик можно было заменить. На плате датчика температуры воздуха может быть также и сенсор влажности воздуха.

Датчики в своих проектах я использую эти. Компактные, устанавливаются в подрозетник с заглушкой, питание 12 вольт, на выходе от 0 до 10 вольт. Есть исполнения для улицы (-50..+50 градусов) и для сауны (0..+125 градусов), есть исполнения с датчиком освещённости или влажности воздуха.

Управление радиатором 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 контуров:

На каждом контуре мы видим 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.

Если помещение отапливается одновременно и водяным тёплым полом и радиаторами, необходимо предусмотреть интеллектуальный алгоритм работы приводов, обеспечивающий желаемую температуру воздуха и максимально приближённую к желаемой температуру пола.

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 на радиаторе:

Лучше, конечно, всегда ставить привод на коллекторе, так как меньше кабеля и не портит вид, но не всегда такая возможность есть. Например, при двухтрубной системе отопления нужно ставить приводы на каждый радиатор, иначе не получится управлять отоплением позонно.

От каждого термопривода тянем кабель МКШ или КВВГ 2х0,75 на выход контроллера. У модуля дискретных выходов контроллера Beckhoff на выходе во включенном состоянии появляется напряжение 24 вольта, ток до 0.5А, то есть, привод может быть подключен напрямую на выход контроллера без промежуточного реле.

Приводы могут быть дискретные (открыто-закрыто) или аналоговые (можно открыть в любое положение). Дискретные приводы подключаются к дискретному выходу контроллера, в этом случае надо выбирать приводы с напряжением питания 24 вольта если дискретный выход даёт 24 вольта, либо 220 — если выход даёт 220, это зависит от контроллера. Привод может быть нормально-закрытым или нормально-открытым, первые ставятся на коллектор тёплого пола (чтобы при отключении контроллера пол не перегревался), вторые — на радиаторное отопление (чтобы при отключении радиаторы не остывали). Либо нормально-открытые приводы и на воздух, и на пол, если только постоянный нагрев пола ничему не навредит.

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. Но имеют и ряд недостатков:

• аналоговый привод в несколько раз дороже дискретного
• аналоговый выход контроллера всегда дороже дискретного
• нужен алгоритм ПИД-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 ПЛК:

Классическое управление — через термостат в комнате. Термостат может быть простой или программируемый (с возможностью задавать время включения и выключения). При управлении с ПЛК термостатов нет, регулирует температуру программа контроллера, а программу задаёт пользователь с планшета-смартфона.

Управление кондиционером

Есть два варианта управления кондиционерами: попроще и посложнее. Попроще — это управление инфракрасными командами через ИК-передатчик, работающий через RS-485. Например, много модели выпускают Icpdas и Wirenboard. Передатчик кладётся на внутренний блок кондиционера (его не видно), команды от него отражаются от стены и попадают на приёмник кондиционера.

После обучения необходимые команды передатчик отправляет на кондиционер. Плюс этого решения — невысокая стоимость и универсальность, подойдёт для любого кондиционера с инфракрасным приёмником. Минус решения — отсутствие обратной связи, то есть, если кондиционер выключен (на него не подаётся питание) или находится в состоянии аварии, то ПЛК не будет знать его состояние, не сможет знать установку температуры кондиционера. Таким образом управлять можно не только кондиционером, но и аудио-видео техникой, имеющей ИК-пульты.

От передатчика в щит тянем кабель FTP, по которому передаётся питание передатчика (обычно 12 или 24 вольта) и две жилы на RS485. Либо звездой (от щита на каждый блок отдельный кабель), либо шлейфом (от щита последовательно обходим все блоки кабелем). Я обычно предпочитаю звездой, так надёжнее. И удобнее вести кабель вместе с кабелями питания блоков от щита.

Более дорогое и качественное решение вопроса — использовать шлюз внутренней шины кондиционера на протокол RS485 ModBus. От каждого внутреннего блока кондиционера тянем управляющий кабель FTP для RS485. Но в этом случае обычно нужны ещё блоки-переходники с кондиционера на шину. Например, для кондиционеров Mitsubishi используется блок Intesis Box ME-AC-MBS-1, нужен для каждого внутреннего блока, стоит от 400 долларов. Есть аналогичные блоки на Daikin и другие кондиционеры. Иногда (обычно при использовании промышленных кондиционеров), можно поставить один модуль ModBus на все кондиционеры, например, есть блок на 48 блоков Mitsubishi Heavy, стоит от 4 тысяч долларов.

При связи контроллера с программным обеспечением EasyHome с кондиционером система кондиционирования включается в алгоритм терморегулирования, то есть, в зависимости заданной пользователем температуры и текущей температуры в помещении контроллер сам определяет режим работы кондиционера (обогрев или охлаждение), управляет мощностью. При полном управлении по ModBus будет также работать считывание ошибок кондиционеров.

На оба варианта управления кабель монтируется одинаково: витая пара до каждого внутреннего блока, ведь в обоих случаях управление по RS-485 либо кондиционерами, либо ИК-передатчиками.

Для систем Умного Дома, которые не поддерживают работу с ModBus, возможен только вариант управления через ИК-передатчики. Например, все беспроводные системы (включая Z-Wave, Fibaro).

114,864 просмотров всего, 78 просмотров сегодня

Умный дом

Кондиционеры, теплые полы и регулируемые обогреватели в настоящее время присутствуют в домах и квартирах около 40% населения России. Все эти приборы в целом справляются с задачей по созданию комфорта и максимального уюта для домочадцев. Однако в большинстве случаев отопительное оборудование работает практически бесконтрольно и зачастую в холостую. Для того, чтобы преодолеть разнобой и по возможности скоординировать работу отопительного и вентиляционного оборудования и избежать напрасного расхода энергии, необходима эффективная единая система контроля

«Умный дом» на страже домашнего микроклимата

Система «умный дом» способна самостоятельно справляться с созданием, поддержанием и управлением индивидуальным микроклиматом для каждой отдельной зоны жилища. Согласованная работа всех комплектующих климатической системы позволит поддерживать необходимую температуру и влажность отдельно для санузла, спальни и гостиной. В отсутствие хозяев дома, умная система климат-контроля «засыпает» до прихода пользователей.

Система климатического контроля с помощью смарт-технологии может работать в режиме многозадачности. Настройка всех терморегуляторов на радиаторах, включение и выключение кондиционера, регулирование температуры и процента влажности воздуха происходит с помощью всего одного приложения или программной оболочки генерального модуля управления.

Современные модели системы «умный дом» позволяют учитывать огромный спектр возможностей в настройках: контроль температуры внутри и снаружи дома, коррекция процента влажности в помещении, наличие сквозняков и открытых окон. Последние разработки смарт-систем обладают еще одним чрезвычайно полезным функционалом – возможностью вносить поправки в настройки микроклимата дома при изменении погоды за окном.

Кроме того, климатический контроль в «умном доме» подразумевает функции ионизации и озонирования воздуха. Система сама позаботится о чистоте и свежести вдыхаемого вами воздуха, насытив его необходимыми для хорошего самочувствия микрочастицами.

Управление климатом в доме

Итак, давайте четко определим параметры и системы, которые могут самостоятельно контролироваться системой
«умный дом»:

• температура воздуха;
• уровень влажности помещения;
• кондиционирование и перемещение воздушных масс;
• вентиляция.

Для осуществление управления микроклиматом в доме или квартире необходимо установить определенные датчики, которые будут фиксировать и передавать сигнал в базовый модуль. Минимальный набор для слаженной работы «умны дом» состоит из датчиков движения, температуры и влажности. Кроме того потребуются переключатели и сенсорные панели. Непосредственно управление климатом осуществляется через приложение в смартфоне, компьютере или планшете, обладающих доступом к Интернету.

Перед запуском «умной» климатической системы необходимо тщательно продумать проект и задать в настройках требуемые опции и параметры. Возможность регулирования разной температуры и влажности в помещениях подразумевает установку датчиков для каждой климатической зоны. Интеллектуальная система климат-контроля использует заложенные в нее алгоритмы, подает команды на сервоприводы приборов или воздушные клапаны системы вентиляции с системой охлаждения воздуха.

Комплектующие для автоматизации климатконтроля

Термодатчик для системы климатического управления отслеживает температуру внутри помещения и снаружи, регулируя благоприятные условия для проживания в любое время года. Датчик температуры в рамках «умного дома» включается в общую систему. Такие детекторы могут представлять собой стандартный кабель или же компактное устройство с дополнительными функциями.

Датчики-кабели обычно используются в проводном виде системы «умный дом». Ценовая политика разнится, но за весьма скромную сумму в 300-500 рублей можно найти вполне неплохой датчик.

Беспроводные терморегуляторы, в отличие от кабельных, зачастую способны не только отслеживать температуру в доме, но и контролировать влажность воздуха. Такой прибор активируется посредством кнопки, которая обычно расположена на корпусе. Воздух из помещения поступает через специальные отверстия, после чего датчик анализирует показатели. При покупке и последующей настройки датчика следует обратить внимание на возможную погрешность, проявляющуюся при измерении температуры. Допустимые значения отклонения не более — 0.5 °С, влажности – не более 3%.

В случае, если термостат не обладает возможностью мониторинга влажности воздуха, придется потратиться на приобретение датчиков влажности воздуха, Модуль такого девайса работает на основе сенсора, а ежеминутное сканирование данных происходит по специальному протоколу. После сбора данных, снятые показатели отправляются в генеральный компьютер.

Для максимально эффективной работы автоматизированного климат-контроля понадобятся различные фильтры (бризеры), увлажнители воздуха, клапаны и заслонки, современные масляные или электрические радиаторы, а также приточная система вентиляции с рекуператором. Если в помещении планируется ремонт с установкой теплого пола, то и эту систему необходимо подключить к «умному дому».

Функциональность

Грамотно установленная «умная» система климатического контроля позволяет пользователям управлять всеми приборами с помощью планшета, смартфона или пульта дистанционного управления. Сюда входит контроль работы и управление различными приборами отопления и кондиционирования посредством трансивера по инфракрасному каналу, учитывая время года, суток и события.

Система климат-контроля полностью берет на себя управление «умными полами» и всеми радиаторами отопления, которые подключены в систему смарт дом. При этом отопительные устройства работают самостоятельно и слаженно, обеспечивая нужную температуру в помещении. Все изменения по этому показателю хозяин дома может наблюдать в приложении своего смартфона. Возможность дистанционного управления всеми радиаторами позволит в любой момент отключить отопление, даже не находясь дома.

Климат-контроль может быть как общим, так и локальным. Микроклимат для каждой комнаты программируется пользователем вручную. Автоматическое поддержания температуры и влажности может существенно отличаться на кухне или в спальне. Особенно актуальна эта функция для больших домов с погребом, где нужно поддерживать пониженную температуру при умеренной влажности, или личная оранжерея в доме, для которой необходима высокая влажность воздуха при стабильной температуре.

Эффективная работа климатического управления в контексте «умного дома» невозможна без качественной вентиляции воздуха. Автоматика ежеминутно тщательно проверяет состав воздуха. Многие системы автоматизированного климат-контроля обладают режимом проветривания посредством автоматического открывания окон. Отсутствие данной функции можно компенсировать системой приточной вентиляции с установленными бризерами. Так в помещение будет регулярно поступать воздух, прошедший полную очистку от пыли, грязи и аллергенов.

Также для поддержания оптимального состава воздуха, системы климат-контроля в рамках «умного дома» используют такие опции, как озонирование и ионизацию воздуха. Именно они обеспечивают насыщение кислородом в помещении и избавляют от вредных веществ в составе воздуха. Чаще всего эти функции включены в приборы-увлажнители. В главном приложении пользователь может включить или отключить эти опции.

Работа климатического управления

Вне всяких сомнений, лучшим вариантом для поддержания правильного и комфортного климата является централизованное управление всех отопительных и поддерживающих климат систем посредством «умного дома». Собранные датчиками данные отправляются в «мозг» системы, который уже сам принимает решение и отдает определенную команду. Таким образом любое включение или выключение устройств полностью контролируются генеральным компьютером, что исключает риск несогласованной работы устройств. Каждое отклонение от нормы и любые погрешности в работе того или иного прибора система моментально распознает и корректирует под заранее заданные показатели.

Для создания универсальной системы климатического контроля необходимо устройство, которое будет объединять функции обогрева и кондиционирования помещения. Если разделить эти системы — управление будет некорректным. Для решения этой проблемы подойдет устройство под названием чиллер. Это универсальная система, предназначенная для поддержания заданной температуры. Летом этот агрегат охлаждает поступающий воздух, а зимой — прогревает. Так комфортные климатические условия подстраиваются под пользователя в любое время года.

Работа чиллера аналогична работе системы теплообмена. Разница в том, что здесь в роли котла используется непосредственно сам агрегат. В него поступает вода, которая в зависимости от требований нагреет или охладит парообразный фреон. В жидком состоянии фреон поступает к устройствам, вырабатывающим требуемую температуру для помещений.

Еще один важный элемент для климатического управления в системе «умный доме» — так называемый фанкойл, представляющий собой устройство для обеспечения теплообмена. Фанкойл удаляет воздух в помещении посредством встроенного вентилятора через специальные трубочки, заполненные жидкостью. Таким образом, этот прибор напоминает отопительную батарею, совмещенную с небольшим вентилятором.

Кроме чиллеров в системе можно использовать специальные теплоносители, способные поддерживать стабильный микроклимат в помещениях. Смарт-вентиляторы нагревают или охлаждают до необходимой температуры воздух, поступающий с улицы в дом. При такой схеме система климат-контроля может обойтись без громоздких и массивных агрегатов и большого количества радиаторо в. При установке смарт-вентиляторов управление и контроль за микроклиматом будет происходит посредством различных клапанов и воздушных заслонок.

Пороги нагрева и охлаждения задаются в настройках для каждого отопительного прибора — кондиционера, вентилятора или любого другого оборудования, используемого для контроля климата в помещении. Поэтому абсолютно каждое устройство имеет свою степень нагрева. Автоматика самостоятельно принимает решение об отключении или снижении мощности работы для любого из устройств. В отсутствие домочадцев система полностью завершает все процессы для экономии энергии и ресурсов.

Преимущества климатконтроля в контексте «умного дома»

Для того, чтобы система работала корректно на протяжении всего срока эксплуатации, к установке, отладке и настройке оборудования для системы климатконтроля желательно подключать профессионалов. Профильные инженеры перед установкой обязаны разработать технический проект, предполагающий объединение систем отопления и вентиляции.

Подводя итоги, выделим основные преимущества для автоматизации климат-контроля:

• контроль и поддержание необходимой температуры и влажности воздуха в помещениях;
• экономия электроэнергии;
• очистка воздуха от аллергенов, пыли и вредных веществ;
• возможность поддержания индивидуального микроклимата для каждой локации;
• экономия времени домовладельца.

Необходима ли автоматизация климатического контроля в частном доме? Однозначно да, если вы владелец 2-3-х этажного жилища площадью более 120 квадратных метров. В таком доме самостоятельно контролировать процессы отопления, кондиционирования и вентиляции довольно сложно и энергозатратно. Представьте, сколько времени приходится ежедневно уделять домовладельцу для многократного обхода и проверки работы всех установленных кондиционеров, радиаторов, тэнов, бойлера и режима окон.

Система «умный дом», в первую очередь, позаботится об экономии света, газа и воды, а следовательно, сократить коммунальную платежку в холодное время года в среднем на 30-40%. Для владельцев стандартных квартир, проживающих в крупных промышленных городах, страдающих от смога, такая система способна полностью решить проблему очистки воздуха. «Умный» климатконтроль особенно актуален для жителей домой, окна которых выходят на оживленную магистраль, так как стандартное проветривание комнат посредством открытия окна, в данном случае имеет довольно сомнительный результат.