Как уже упоминалось в первой части, у нас есть твердотопливный котел, который дополнительно укомплектован комплектом из трех электрических нагревательных элементов (ТЭНов). Эти ТЭНы можно включить в однофазную либо в трехфазную электросеть. При однофазной схеме используется только один из трех элементов, напряжение на нем будет 220 В и он будет потреблять где-то 1,5 кВт мощности. В случае трехфазной схемы задействуются все три элемента, напряжение на каждом из них будет 380 В и суммарная потребляемая мощность составит 6 кВт.
В первый год эксплуатации котла мы вообще не использовали его электрические нагреватели, то есть получали тепло только за счет сжигания топлива. Вспоминая эти времена теперь уже понимаем, насколько это было неудобно. Когда просыпаешься утром в холодном доме, а еще надо идти в холодную пристройку, чтобы разжечь остывший котел…
К следующему отопительному сезону у нас уже была развернута система умного дома на базе программного обеспечения, которое называется Home Assistant (домашний помощник). Для тех, кто не в курсе — это такой навороченный софт (в то же время бесплатный), создаваемый командой энтузиастов со всего мира. Почему он навороченный, в смысле, сложный? Это только про его богатый функционал, не про сложность использования. Чтобы его установить и настроить, не надо быть каким-то программистом или компьютерным гением. Достаточно базовых навыков работы в системе Linux. Использовать же ее еще проще, даже настраивать не так уж сложно. Вплоть до того, что настройка системы во многом осуществляется, так сказать, с помощью кликов мышью. Образно выражаясь, установить и настроить эту систему может школьник, имеющий хотя бы четверку по информатике, а пользоваться ей можно научить даже его бабушку. В то же время возможности системы… ну не сказать безграничны, но очень велики.
Для работы непосредственно с котлом использовали самодельную систему управления на базе контроллера ESP8266. Опять же для тех, кто не знает — это микросхема, специально предназначенная для IoT (интернета вещей), которая подключается через Wi-Fi к серверу (мозгу) умного дома, передает ему информацию от датчиков и принимает от него команды. Таким образом, основной алгоритм работы всей схемы реализуется на уровне сервера Home Assistant.
Датчики — это, конечно же датчики температуры, которых на сегодняшний день имеется 5 штук: температура подачи, обратки, корпуса котла и т. д. В качестве датчиков используются, конечно же, цифровые Dallas 18B20, подключены все к одной линии. Очень не хватает датчика температуры дымохода, но она может быть довольно высокой, так что туда надо ставить термопару. Она уже заказана, когда придет — будем устанавливать.
Помимо считывания температур с датчиков контроллер управляет двумя модульными контакторами и одним реле. Трехполюсный модульный контактор подключает ТЭНы котла к трехфазной сети, однополюсный — к однофазной. Работать они, по идее должны в разные моменты времени, и чтобы исключить их одновременное срабатывание предусмотрена электрическая блокировка: трехполюсный контактор не включится, пока включен однополюсный и наоборот. Реле служит для включения циркуляционного насоса.
Все эти элементы управления присутствуют и на виртуальной панели управления котлом в Home Assistant, на которую можно зайти через браузер или специальное приложение, из дома или удаленно.
Кликнув на любое из значений температур можно посмотреть историю его изменения на графике. Это полезно, когда нужно быстро оценить тренд температуры, чтобы понять какой процесс идет в данный момент: нагрев или остывание?
Если нужно изучить историю более подробно, например, чтобы лучше понять взаимозависимость разных температур, изучать закономерности и, возможно, диагностировать какие-либо проблемы, на помощь приходит специальное дополнение Grafana, которое также входит в состав Home Assistant.
Однако вернемся к панели управления.
Разумеется, управлять включением нагревательных элементов в ручном режиме не предполагается. Для этого там есть два виртуальных регулятора температуры (термостата): «слабый» и «мощный». Из их названий следует, что первый управляет однополюсным контактором, а второй — трехполюсным.
Как видно на картинке, мощный регулятор сейчас выключен, то есть не активен и не влияет на работу схемы. Включится он только в период времени между значениями «мощный обогрев с …» и «мощный обогрев по …». В данном случае это будет с часу ночи до девяти утра, хотя в эти два поля можно вводить любое время. Почему ввели именно это время? Дело в том, что электросчетчик у нас двухтарифный, ночью тариф значительно меньше. «Ночь» с точки зрения электриков начинается в 11 вечера и заканчивается в 7 утра, но, так как время на нашем счетчике почему-то отстает на 2 часа, то получается, что у нас ночь начинается в час ночи, а заканчивается в девять утра. В этот период времени электроэнергию можно особо не экономить, поэтому уставка мощного регулятора (целевая температура подачи воды после котла, которую этот регулятор будет стремиться поддерживать) имеет значение 48 ºС. Для сравнения, обратите внимание, что уставка слабого регулятора, который действует в дневное время, равна 38 ºС. Это нужно для экономии электроэнергии в дневное время. Переход с одного регулятора на другой происходит автоматически. То есть, в нашем случае, в 9 утра мощный регулятор отключается, а слабый становится активным. И наоборот, в час ночи слабый отключается, а сильный активируется.
Здесь у пытливого читателя может возникнуть вопрос: а откуда вообще берутся эти уставки, почему они имеют именно такие значения: 38 и 48 ºС? Это очень хороший вопрос! Если на него отвечать коротко, то эти значения зависят от наружной, то есть уличной температуры воздуха. Система настроена так, что она каждый час, в зависимости от погоды обновляет значения этих уставок в соответствии с заданной таблицей. То есть, например, если система видит, что температура воздуха находится в диапазоне от -12 до -14 ºС, то она берет в качестве уставок 38 и 48 ºС. А если, например, от -10 до -12 ºС, то уставки будут 37 и 47 ºС.
Тогда в связи с этим может возникнуть еще один вопрос: а почему уставки берутся именно от уличной температуры, не логичнее было бы регулировать температуру внутри дома? Это также очень хороший вопрос. Видите ли в чем дело, регулировать температуру в помещении может в целом концептуально более верно, но тут возникает несколько проблем. Первое — где ее измерять? На кухне она может быть одна, в одной комнате другая, в другой комнате третья. Вычислять «среднюю температуру по больнице»?
Второе — где бы мы не измеряли, внутренняя температура может иметь кратковременные колебания и нежелательно, чтобы система отопления сразу на них реагировала. Такой пример: мы решили проветрить зимой и открыли окно в комнате. Температура при этом за минуту падает градусов на 5. Система решает, что всё — караул, замерзаем!!! И врубает отопление на полную катушку во всем доме, так как индивидуальных регуляторов на каждой батарее у нас нет. Это неправильно.
И третья причина заключается в том, что температура в доме все равно будет меняться в ту же сторону, что и на улице, только с небольшой задержкой. Например, если вчера у вас было на улице -5, а сегодня -15 и вы продолжаете топить с той же силой, то завтра температура внутри дома неминуемо снизится. А в нашем случае сегодня мы уже стали топить сильнее и этого понижения не произойдет.
Итак, благодаря всем этим элементам и настройкам в Home Assistant, мы имеем многоступенчатую автоматизацию включения ТЭНов котла, а именно:
- автоматическое регулирование температуры подачи по заданной уставке;
- изменение уставки и способа регулирования (слабый или мощный нагрев) в зависимости от времени суток;
- коррекция уставки в зависимости от погоды на улице.
Применение автоматических регуляторов температуры позволяет вообще никогда не вмешиваться в процесс, даже когда котел топится дровами. Допустим, утром мы разжигаем котел. Когда температура подачи воды превысит заданную уставку (а это происходит, обычно, через 15-20 минут после розжига), регулятор сам отключит ТЭНы. И, кстати, разжигать теплый котел это совсем не то, что холодный — гораздо проще.
