вторник, 10 ноября 2015 г.

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

      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).

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

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:
а) не нужно придумывать место установки моностабильного выключателя с лампочкой (т.е. простого аппаратного пользовательского «интерфейса» переключения режимов);
б) 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;
в) 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)):42.50x38.25x20.30mm). 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 (a.k.a Horstmann HRT4-ZW). 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.


 В качестве центрального контроллера Z-Wave сети был выбран Fibaro Home Center Lite (далее - HCL)

Fibaro Home Center Lite (далее - HCL)


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 вывключено» - 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:









7 комментариев:

  1. Отличная статья! Спасибо http://elbuy.com.ua

    ОтветитьУдалить
  2. Хороша стаття. А чи можна на базі HCL реалізувати наступне:
    якщо в мене є три кімнати з термоголовкою на батареях, я хочу щоб якщо впала температура в одній з кімнат, то подавався "сигнал" з HCL включити котел і нагрівати дану кімнату. Тобто, щоб котел включався тільки тоді коли потрібно було гріти кімнати.

    ОтветитьУдалить
  3. Дякую.
    Залежить від моделі термоголовки.

    ОтветитьУдалить
  4. Добрый день. Возможно ли при помощи HCL, дистанционно управлять температурой теплонасителя котла. Котел Bosch Tronic 3500, 12 KWt. Это желательно при изменении внешней температуры, когда заданной температуры котла не хватает для прогрева дома в ночное время, а держать температуру котла "с запасом" не выгодно - на разгон температуры уходит много энергии. Даже если применить внешний датчик температуры, то: 1. как согласовать систему, чтобы она работала в автоматическом режиме с термостатом на "опережение", т.е не ожидая понижения температуры в доме и реагирования термостата, (если хватит предустановленной температуры теплоносителя котла). 2. как согласовать систему, чтобы можно было управлять (дистанционно и даже вручную) температурой теплоносителя котла.

    ОтветитьУдалить
  5. В термостате Secure SRT322 можно установить функцию "alarm" и передачу сигнала на телефон при понижении температуры в доме до 5 град С? С помощью каких средств это можно сделать? Аналогично вопрос с "тревогой" при отключении 220/380V в доме? Спасибо!

    ОтветитьУдалить
  6. 1. Настраивать погодное регулирование температуры теплоносителя без гидроаккумулятора не имеет смысла, т.к. КПД электрокотла (обычно в современных котлах >=95%) не зависит от температуры теплоносителя. Т.е. утверждение "на разгон температуры уходит много энергии" - не имеет под собой физического обоснования. Иными словами - какую бы температуру теплоносителя вы не установили - от этого никак не зависит расход энергии.
    Расход энергии зависит только от того - какая разница между внешней температурой и установленной термостатом внетренней температурой.
    От температуры теплоносителя зависит исключительно скорость нагрева помещения.
    Все вышесказанное, как я уже сказал верно только в конфигурации БЕЗ гидроаккумулятора тепла.
    Таким образом - описанная вами задача (погодное регулирование температуры теплоносителя) не имеет практического смысла.
    Достаточно на котле выставить разумную температуру теплоносителя, которой заведомо хватит на обогрев дома при любой внешней темературе, скажем 70° (как установлено у меня). И дальше все управление производится только регулированием требуемой температуры в помещении. Которую, да, можно устанавливать как по сценарию, так и удаленно.
    2. В HCL можно создать сцену, которая будет присылать пуш-уведомление и/или e-mail при достижении любой заданной температуры. 5°, например.
    3. Задача с уведомлением об отключении внешнего электроснабжения решается просто: обычное реле + Fibaro Door/Window Sensor, который а) имеет сухой контакт (который разомкнется реле при пропаже питания, б) работает от батарейки, значит отправит сигнал на HCL даже без внешнего питания.
    Ну и сам HCL и роутер, разумеется должны быть включены через UPS.

    ОтветитьУдалить
  7. Погодное регулирование температуры теплоносителя я реализовал на другом объекте (разумеется, в конфигурации с гидроаккумулятором тепла). Но это уже другая история. Найду чуть времени - опубликую и ее. Сейчас только тизер:
    существует много аппаратных реализаций погодного регулирования теплоносителя от разных производителей систем отопления. Обычно они стоят от 500€.
    С помощью технологии Z-wave я это реализовал на 2 устройствах общей стоимостью 65€.

    ОтветитьУдалить