Autor: ivan

Praćenje stanja i regulacija u sustavu centralnog grijanja

Kao nastavak serije članaka o sustavu centralnog grijanja opisanom ovdje, sljedeći je korak bio složiti nekakav način praćenja temperatura u cijelome sustavu na daljinu, da ne moram svako malo trčati u podrum i gledati što se događa. Kako sam se u to vrijeme počeo baviti Arduinom, odabir je pao na Atmelove mikrokontrolere zbog popularnosti i činjenice da vrlo lako možete naći pomoć s bilo kojom idejom. Cijeli sustav ću uglavnom opisati tekstualno i pustiti vas da sami istražite detaljnije sheme spajanja, ne samo zato što sam prelijen crtati sheme.

1. Praćenje i snimanje temperatura

Kako mi je trebalo više od 6 temperaturnih senzora u sustavu, odabir je pao na jeftine Dallasove DS18B20 digitalne One-wire senzore koji omogućuju spajanje “velikog broja” senzora na samo jednu (1) ulazno-izlaznu nožicu mikrokontrolera, te podržavaju temperature do +125 stupnjeva. Za te senzore, naravno, postoji i kvalitetna podrška za Arduino. Postavio sam 8 senzora – 4 komada na spremnik na četiri razine, jedan na odlaz u radijatore, dva na povrat iz radijatora (ispred i iza miš-ventila), te jedan na mjesto za temperaturni osjetnik u kotlu. Podatke sam odlučio logirati na server u LAN-u i za to mi je trebao ethernet modul. Prvih godinu dana, dok je cijeli sklop bio na pravoj Arduino pločici, koristio sam skupi Arduino Ethernet Shield s Wiznet 5100 čipom, ali za trajniju primjenu preradio sam kod i prešao na mnogo jeftinije ethernet module bazirane na Microchipovom ENC28J60 čipu (trenutno gotovi moduli koštaju ispod 4 dolara). Potonji su također izvrsno neslužbeno podržani kroz EtherCard library. Program je svakih desetak sekundi očitavao temperature sa svih osam senzora i serveru slao HTTP GET zahtjev u obliku:

 http://192.168.1.10/tlog/post.php?t0=57.56&t1=43.13&t2=34.31&t3=30.69&t4=56.13&t5=26.31&6=60.13&t7=34.31

PHP skripta post.php te podatke potom sprema u MySQL bazu. Za prikaz podataka koristim linijske grafove pomoću Google Charts , što izgleda ovako: glinechart

2. Upravljanje optočnom crpkom

 Kad već u svakom trenutku znam kolika je temperatura na kojem mjestu u sustavu, zaključio sam da bi bilo zgodno uključiti optočnu crpku čim je spremnik zadovoljavajuće pun (npr. na četvrtinu), te isključiti je čim se dogodi da se vatra u kotlu ne može održavati minimalnu razinu temperature. Iako mi je za to trebao samo jedan relej, kupio sam shield s 4 releja odvojena optokaplerima. Taj detalj s optokaplerima je prilično važan jer releji prekidaju izmjenične motore i nakon što je napravljena finalna tiskana pločica za gotovi sklop bez električkog odvajanja, cijela stvar je misteriozno prestajala raditi kod uključivanja i isključivanja motora i nijedna količina TVS dioda, filtera i koječega nije uspjela potpuno elimitirati sve probleme.

relay-shield-4

Vratimo se na releje. Za crpku je dovoljan jedan, dva sam planirao za regulaciju, jedan je ostao neiskorišten. Kada bi crpku postavio u stanje “uključeno”, pumpa bi se uključila samo ako je temperatura na senzoru na vrhu spremnika preko 60 stupnjeva, te isključila ako bi temperatura pala ispod te vrijednosti (da očuvam uslojenost vruće vode u spremniku i usporim pražnjenje koje je stabilnije prirodnim optokom bez crpke).

3. Regulacija

Ovaj dio je bio nešto složeniji, kako s električke i elektroničke strane, tako i s programerske. Odlučio sam upravljati miješajućim ventilom kako bih održavao stalnu temperaturu odlaza, a samim time i stalnu temperaturu povrata. Iskreno, u ovome dijelu nisam imao pojma što i kako trebam napraviti, ali namjeravao sam eksperimentirati. Nabavio sam “glupi” servo-motor prikladan za moj miješajući ventil.

actuator_label actuator

Kao što sama etiketa kaže, motor nema mogućnost automatskog upravljanja u koracima ili slanja na određeni položaj, već radi na 230V i ima samo tri voda, dvije faze za dva smjera vrtnje, te jednu nulu. Poznato je jedino da put od jednog do drugog krajnjeg položaja traje cca 140 sekundi.

Izmjerio sam preciznije koliki je hod servo motora, to podijelio s 10 i dobio 10 koraka u koji motor mogu postaviti. Naravno, bez načina dobivanja povratne informacije je li motor doista u određenom položaju ovo bilo iznimno netočno i neprecizno, ali upotrebljivo ako se oslonite na granične prekidače koji se nalaze u servu. Pretpostavljeni položaj servo motora upisivao sam u eeprom kako bih i nakon reseta mikrokontrolera znao gdje se nalazi.

Regulacija je aktivirala svakih nekoliko minuta, uspoređivala je temperature i po potrebi otvarala i zatvarala ventil.

4. Impulsno upravljanje optočnom crpkom

Prije svega, moram napomenuti da je moja optočna crpka kupljena 1986. godine i svojoj originalnoj ambalaži je stajala do 2010. kada je montirana, što znači da nije baš najfunkcionalnija. I ona je, naravno, “glupa” jer ima samo tri brzine rada koje se biraju sklopkom i nema regulaciju brzine. Regulacija brzine vrtnje bi mi bila korisna jer se većina problema opisana u prethodnim člancima događala zbog prebrzog protoka. Problem je postao još gori nakon godinu dana kada mi je crpka jednostavno prestala raditi na najnižoj brzini, pa sam je morao prebaciti na srednju brzinu.

Tada sam odlučio uvesti neku vrstu modulacije širinom impulsa za optočnu crpku, ali u jako sporoj varijanti – konkretno, crpka trenutno radi 30 sekundi, što je dovoljno da napuni radijatore vrućom vodom, i nakon toga miruje 60 sekundi, što radijatorima daje priliku da ohlade vodu prije no što je vrate u spremnik. Graf sustava u tom slučaju izgleda ovako:

pulse2

Miješajući ventil je otvoren na 80-ak posto što objašnjava razliku između temperature povrata (tamnoplava) i povrata u spremnik iza ventila (svjetloplava). U radijatore odlazi voda temperature oko 60 stupnjeva, a vraća se znatno hladnija.  Ovaj sustav koristim već drugu sezonu i do sada mi ni jednom nije zatrebalo stalno uključiti crpku.

5. Kôd i shema

Kao što sam već napomenuo, finalni proizvod u obliku tiskane pločice s napajanjem, relejima, OneWire sabirnicom, serijskim LCD-om, Ethernet modulom, pa čak i RTC čipom (DS1307) pokazao se nepouzdanijim od prototipa pobockanom na Arduino pločici, tako da vam shemu ne mogu dati. Nemojte napraviti istu pogrešku kao i ja – releje OBAVEZNO optički odvojite od MCU-a, a ako u blizini imate četiri izmjenična motora kao u mom slučaju (ventilator u kotlu, optočna crpka za radijatore, optočna crpka u punjaču spremnika, te servo-motor za mišventil), računajte da će sve otići dovraga ako ih zaboravite.

Izvorni kôd u Arduinu, iskomentiran na engleskom jeziku, naći ćete na Githubu. Autor se odriče bilo kakve odgovornosti za korištenje tog koda, niti daje ikakva jamstva o njegovoj ispravnosti ili prikladnosti za bilo kakvu namjenu. Lako moguće da se i neće dati kompilirati, ali možda u njemu nađete nešto što će vam pomoći u radu.

Muke po ventilima (Centralno grijanje, 2. dio)

U prvome članku ukratko sam pojasnio montažu centralnog grijanja kotlom na drva, spremnikom topline i punjačem. Montaža je bila dovršena, sustav napunjen vodom i nabijen na 1.5 bara, zapalili smo prvu vatricu i pratili što se događa. Sve je išlo po planu, kada je temperatura u kotlu dosegla 30°C, termostat u kotlu uključio je optočnu crpku u krugu spremnika topline i nastavilo se zagrijavanje kotla (Laddomat je tada svu toplu vodu iz odlaznog voda kotla vraćao natrag u povratni vod kotla). Na 60°C, na koliko je baždaren termostat u punjaču, otvorila se i klapna i punjač je u povrat kotla počeo dodavati hladnu vodu s dna spremnika topline (počelo je punjenje spremnika od vrha, topla voda istiskuje hladnu s dna ili obratno). Nakon toga pričekali smo da se se napuni vrh spremnika na 60°C, uključili smo optočnu crpku kruga grijanja i tada smo nakon prvih par minuta grijanja završili s hladnim radijatorima.

Problem je bio što su instalateri po čistoj inerciji (ili pravilima montaže ‘normalnih’ sustava grijanja) između optočne crpke, odlaznog i povratnog voda kruga grijanja montirali četveroputi ventil, kakav se obično montira na izlazu iz kotla u sustavima koji nemaju spremnik i punjač spremnika. Tamo takav ventil služi balansiranju između temperatura odlaza i povrata dvaju krugova, odnosno omogućuje da se dio vruće vode koja izlazi iz kotla pomiješa s hladnom vodom koja se vraća iz radijatora jer bi bilo prilično štetno za zagrijani kotao oplahnuti ga hladnom vodom.

Ovako to otprilike izgleda na nabrzaka sklepanoj ne-tehničkoj črčkariji koja prikazuje četveroputi ventil otvoren na trećinu.

4WV-13

Kada je taj ventil poluotvoren, vidimo da se vruća i hladna voda miješaju u oba kruga, i prema radijatorima i prema kotlu/spremniku. Ventil također može biti potpuno otvoren, kada su i odlaz i povrat spremnika/kotla izravno povezani prema krugu radijatora, ili zatvoren, kada su krugovi potpuno odvojeni. Samo u ta dva slučaja nema miješanja, u svim ostalima dogrijavamo vodu koja se vraća u kotao/spremnik.

Da bih vam objasnio zašto nam to nije poželjno kod spremnika topline, pozabavit ćemo se načinom njihovog djelovanja. Oni se potpuno razlikuju od kotla po pitanju povratne temperature i kod njih je za pravilno uslojavanje potrebna što veća razlika temperature (slijedi gruba skica spremnika topline).

tank

S lijeve strane na crtežu priključuje se dovod topline (kotao), a s desne na ovome crtežu odlaz su i povrat radijatora. I punjenje i pražnjenje trebaju ići po istome principu – s lijeve strane oduzimamo hladnu vodu s dna spremnika, a na vrh vraćamo vruću. S desne strane uzimamo vruću vodu, a vraćamo vodu ohlađenu u radijatorima i drugim trošilima. U slučaju prirodne cirkulacije u sustavu ovo savršeno funkcionira, vruća voda odlazi u radijatore, tamo se hladi i vraća se u spremnik.

Ovo je graf punjenja spremnika u idealnim uvjetima, optočna crpka kruga grijanja je isključena, radi samo ona između kotla i spremnika. Temperaturni su osjetnici postavljeni na četiri mjesta na spremniku (broj 1 na vrhu, broj 4 na dnu, ostali nazivi su sami po sebi jasni). Vruća voda prirodno cirkulira sustavom, a hladna se voda vraća u spremnik. Šiljci u temperaturi povrata događaju se u trenutku otvaranja dodatnih radijatora.

heating-punjenje

Kao što vidimo, uslojavanje je uredno i dok je vrh spremnika na 60 stupnjeva, već tridesetak centimetara niže voda je ispod 40 stupnjeva, a samo dno na nešto više od 20.

Dijagram pražnjenja istog sustava prirodnom cirkulacijom, s isključenom optočnom crpkom, izgleda ovako.

discharging-praznjenje

Iako je loženje prestalo oko 23 sata, punjač je nastavio prirodnom cirkulacijom predavati zaostalu toplinu iz kotla (siva linija) spremniku, a spremnik se slojevito prazni, hladna voda s dna potiskuje vruću prema gore, linija razgraničenja se podiže, tj. sloj hladne vode na dnu raste. Slojevitost je očuvana. (Nota bene: u ovome slučaju radilo se o toplome danu i malom broju otvorenih radijatora, 500 litara vruće vode nije dovoljno za održavanje moga sustava toplim 12 sati u hladnijim uvjetima).

U ne-idealnim uvjetima uz uključenu optočnu crpku voda puno brže kruži sustavom, ne stigne se ohladiti u radijatorima (čak i na najsporijoj brzini crpke) i povrat je znatno topliji. Dodavanjem tople vode u dno spremnika gubi se uslojenost i nakon nekoliko minuta voda će se u cijelome spremniku izmiješati i izjednačiti. Time umjesto 60 stupnjeva na vrhu i 20 stupnjeva na dnu dobijemo cijeli spremnik s mlakom vodom temperature četrdesetak stupnjeva, što je nije dovoljno za grijanje radijatora na njihovu radnu temperaturu.

I upravo se ovo dogodilo kada sam prvi puta upalio optočnu crpku. Za samo pet minuta dobio sam pun spremnik neupotrebljivo mlake vode. Utjecaj četveroputog ventila na ovakav sustav može se gradirati od lošeg (krugovi direktno spojeni), preko goreg (bilo koja varijanta miješanja odlaza i povrata) do najgoreg (odvojeni krugovi, odnosno ‘kratki spoj’ kada je odlaz spremnika spojen na povrat spremnika, a krug radijatora spojen u krug bez dotoka tople vode).

Četveroputi ventil se, dakle, pokazao glavnim krivcem i morao je letjeti van. Zamijenili smo ga troputim ventilom, jer je njegovo djelovanje potpuno drugačije.

U jednome položaju ventila sustav djeluje kao da ventila uopće i nema, što se moglo postići i četveroputim – to je slučaj prikazan na donjem crtežu i to ovo nam je neprihvatljivo ako je uključena optočna crpka.

3wv-closed

Međutim, kada je ventil napola zatvoren (ili napola otvoren, ovisno o njegovu pogledu na život), možemo postići to da većinu vode povrata pošaljemo natrag u sustav grijanja i uzmemo tek malo vruće vode iz spremnika. Na taj način u dno spremnika ćemo poslati znatno manje tople vode i slojevitost će se bolje održati. Ovo je primjer kada bi miješajući troputi ventil bio otvoren (ili zatvoren) na pola.

3WV-50

A ovako izgleda graf sustava s ugrađenim troputim ventilom.

heating-3WV

Na početku grafa optočna je crpka i dalje isključena kao na gornjim primjerima, a troputi je ventil otvoren do kraja, odlaz i povrat spremnika spojeni su direktno prema krugu grijanja.

U 17:52 uključena je crpka i vidimo da temperatura povrata strelovito raste, a temperatura odlaza pada. Razlika temperatura odlaza i povrata smanjila se s gotovo 35 stupnjeva na jedva 5. Dno spremnika se počinje zagrijavati.

U 17:58 troputi ventil zatvoren je na trećinu, što znači da se 2/3 vode povrata iz radijatora vraća u sustav, a 1/3 vruće vode uzima iz spremnika. Iako to ne vidimo u iz ovoga grafa, pala je temperatura u cijelom sustavu trošila jer je crpka izmiješala vodu u svim radijatorima (koji su bili uslojeni, vrući na gornjem dijelu, potpuno hladni u dnu) i dogodilo se isto što se dogodi u spremniku – radijatori su sada od vrha do dna mlaki.

U 18:22 troputi je ventil malo jače otvoren, na otprilike 50% (pola vode povrata se vraća u sustav i miješa se s vrućom, pola vode ide na dno spremnika). Vidimo da je razlika između odlaza i povrata sada nešto veća i da polagano raste kako se radijatori i prostorije zagrijavaju. Sustav se stabilizira.

Posljednji graf prikazuje završetak punjenja spremnika uz uključenu optočnu crpku i troputi miješajući ventil na 50% (pola povratne vode vraća se natrag u spremnik, a pola se miješa s vrućom vodom iz spremnika i vraća u radijatore).

heating-3WVat50

Razlika temperatura odlaza i povrata ustalila se na oko 10°C, a spremnik se puni do kraja, iako graf punjenja više nije onako pravilan kao što je bio s isključenom crpkom. Također vidimo da je sustav znatno tromiji, jer je potrebno znatno više vremena da se radijatori zagriju (vidljivo iz temperature odlaza).

Ukratko, za ispravno funkcioniranje spremnika topline na izlazu je neophodan troputi miješajući ventil, a štetan četveroputi. Ovi grafovi također ukazuju na potrebu za određenim sustavom kontrole koji bi pratio temperature u sustavu, po potrebi uključivao optočnu crpku i upravljao miješajućim ventilom kako bi se očuvala slojevitost u spremniku temperature, ali istovremeno zadržala zadovoljavajuća odlazna temperatura potrebna za zagrijavanje radijatora.

To je nastavak ovoga projekta, a u sljedećem članku pozabavit ćemo se prvom kockicom slagalice – ulaznim podacima, odnosno načinima snimanja temperatura u sustavu. U njemu ćete dobiti konkretne ideje kako mjeriti temperature, zapisivati ih na računalo, pratiti s bilo kojeg drugog računala spojenog na lokalnu mrežu ili internet, te izrađivati šarene linijske grafikone.

Nastavit će se…