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:

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.

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.

Danfoss WT-DM с Modbus, встроенный датчик температуры воздуха, выносной датчик температуры пола.