Управление системой отопления: удаленное, с мультигенерацией, погодозависимое. Умный дом

Тепло в жилище — один из основных критериев качества жизни человека с незапамятных времён. Но с развитием технологий теплоснабжения требования к отоплению возросли — сейчас уже мало просто обеспечить приемлемую температуру воздуха в здании, нужно также предусмотреть возможность её изменять так, чтобы достичь наиболее комфортного климата для пользователей. И желательно — с сохранением эффективности, которая при постоянном росте цен на теплоносители также приобретает большое значение. Решение этих задач зависит от многих факторов: от отопительного оборудования в здании, параметров строения и ряда других. И не в последнюю очередь — от управления отоплением.

Viessmann предлагает удаленное управление системой отопления со смартфона с помощью приложений iOS, Android и Windows

Для этих целей рынок предлагает достаточно широкий спектр автоматики — от простых бюджетных моделей с ограниченными возможностями в достижении комфорта и экономии ресурсов отопления до дорогостоящих систем, удовлетворяющих самым высоким требованиям к климату в доме и энергоэффективности. В статье мы рассмотрим, какими способами можно реализовать управление отоплением, какие функции доступны пользователям при использовании той или иной автоматики, а также как организовать удалённое управление и какие преимущества оно даёт.

УПРАВЛЕНИЕ ПО ФИКСИРОВАННОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ

Наиболее простой в организации и доступный способ управления системой отопления — так называемое управление по фиксированной температуре. Его принцип заключается в том, что котёл поддерживает определённую заданную температуру теплоносителя в подающей линии. Эта функция есть в любых базовых контроллерах котлов, включая самые недорогие аналоговые варианты.

К «плюсам» данного способа отнесём невысокую стоимость и лёгкую реализацию, но есть и множество «минусов». Один из них — низкая эффективность расходования ресурсов (котёл при таком управлении не может анализировать изменения погоды и зависящие от них потребности в тепле, а значит, неизбежно будет тратить в периоды потепления столько же топлива, как и в морозы). Также этот способ нельзя назвать оптимальным с точки зрения поддержания комфортных для человека климатических условий. Поскольку температура подачи остаётся постоянной, а погода меняется, то в доме периодически возникает избыток тепла. Конечно, настройки температуры на контроллере котла можно менять вручную по мере необходимости, но это неудобно.

Чтобы решить проблему контроля климата в помещениях, придётся обратиться к дополнительным средствам, таким как термоголовки на приборах отопления (они скорректируют расход теплоносителя через радиаторы или конвекторы, чтобы уменьшить их теплоотдачу) или контурах тёплого пола. Это позволит поддерживать в помещениях более комфортную температуру, но едва ли поможет решить проблему излишних затрат топлива.

Тем не менее возможность регулировать мощность котла всё же есть — с помощью внешних устройств, интегрированных в систему управления. Например, если в помещении установлен комнатный термостат, подключённый к автоматике котла, он сможет определять изменения температуры воздуха и в соответствии с ними отдавать команду котлу на включение или отключение. Но такая система обойдётся дороже.

ПОГОДОЗАВИСИМОЕ УПРАВЛЕНИЕ

Это принципиально другой подход к управлению отоплением, чем по фиксированной температуре. Он основан на существовании закономерности между изменением климата вне здания и внутри него: чем холоднее на улице, тем больше разница между температурой внутри и снаружи и тем больше энергии надо генерировать котлу для компенсации теплопотерь. И наоборот, при повышении (потеплении) уличной температуры теплопотери уменьшаются, и котлу не нужно работать с высокой производительностью.

Такой принцип управления позволяет одновременно решать две важные задачи. С одной стороны, он обеспечивает комфортные климатические условия для обитателей дома — при потеплении в доме не становится слишком жарко, так как температура подачи также снижается. С другой — затраты топлива сокращаются, ведь котёл работает с меньшей нагрузкой. Для обеспечения погодозависимого управления потребуется соответствующая автоматика, более сложная и дорогая, чем простые контроллеры для работы по фиксированной температуре. Однако в длительной перспективе стоимость погодозависимого контроллера окупится за счёт экономии топлива.

Погодозависимая автоматика управляет системой отопления в соответствии с определённой заданной кривой, угол наклона которой определяется исходя из таких характеристик, как степень теплоизоляции здания и температурный напор. Поскольку здания различаются степенью теплоизоляции и потребностями в тепле, автоматика предусматривает возможность выбора кривой из нескольких вариантов. Точно задать график с первой попытки не всегда удаётся, поэтому по мере эксплуатации дома кривую можно корректировать — пока наконец она не станет соответствовать качеству теплоизоляции постройки и предпочтениям жильцов.

Для обеспечения погодозависимого управления системой отопления контроллер должен быть подключён к датчику уличной температуры (его размещают снаружи дома) и датчику температуры подающей линии. Основываясь на показаниях уличного датчика и в соответствии с выбранной кривой автоматика даёт команду котлу на поддержание той или иной температуры подачи.

Можно также подключить к контроллеру внешний терморегулятор, установленный в одном из помещений дома, и котёл в этом случае будет ориентироваться ещё и на показания датчика температуры воздуха, встроенного в терморегулятор. При этом термостат рекомендуется устанавливать в помещении, где в силу тех или иных факторов (например, больших теплопотерь из­-за окон или недостаточной теплоизоляции стен) температура воздуха обычно ниже, чем в других комнатах. В этом случае система отопления будет работать таким образом, чтобы поддерживать комфортный климат даже в этом помещении, а в других, где температура будет выше, её можно скорректировать с помощью термоголовок на приборах отопления или других средств.

Самые простые решения с погодозависимым управлением предполагают контроль температуры теплоносителя в подающей линии системы отопления в целом. Регулирование климата в помещениях должно в этом случае выполняться с помощью дополнительных средств — термоголовок на радиаторах и т. д.

Однако если система отопления разветвлённая и включает в себя несколько отдельных контуров, каждый из которых оснащён собственным насосно-­смесительным узлом, возможно реализовать погодозависимое управление для каждого из контуров. Разумеется, при условии, что установленная в доме отопительная автоматика поддерживает такую функцию. При этом контроллер должен быть подключён к датчику температуры подачи, приводу трёхходового клапана смесительного узла и насосу всех контуров, которыми нужно управлять. При этом для каждого контура можно задать собственную отопительную кривую. Подобный тип управления удобен для контроля климата в зданиях, в которых в силу разных причин существуют зоны с разными исходными температурными параметрами (например, в домах с несколькими этажами, где теплопотери на этажах неодинаковы).

Также при зональном управлении климатом можно прибегнуть к комнатным термостатам. Установленные каждый в своей зоне, они позволят контроллеру ориентироваться не на показания датчиков температуры подачи, а на температуру воздуха непосредственно в помещениях и корректировать мощность котла сообразно с ними.

Ещё больший уровень комфорта для жильцов и эффективности для системы отопления достигается при погодозависимом управлении по отдельным помещениям. Для его реализации в каждом помещении, климат которого нужно регулировать, устанавливают по терморегулятору с датчиком температуры. Контроллер для такой системы отопления должен поддерживать необходимое количество подключений датчиков (через собственные разъёмы или с помощью модулей расширения) и обладать соответствующими функциями. Как правило, это центральные контроллеры достаточно высокого уровня, управляющие не только температурой подачи отдельных контуров, но и исполнительными устройствами на приборах отопления — электроприводах термостатических клапанов на радиаторах и конвекторах, коллекторах тёплых полов и т. д. В результате все элементы системы отопления, от теплогенератора до конечных потребителей, оказываются увязаны в единое целое с помощью автоматики, которая позволит создавать в каждой комнате индивидуальный климат в соответствии с заданными для неё параметрами. Однако стоимость такого комплексного решения будет выше, чем более простых схем управления.

Настенный модуль Diematic VM iSystem от компании De Dietrich позволяет управлять двумя гидравлическими контурами отопления, одним контуром ГВС и одним вспомогательным выходом

УПРАВЛЕНИЕ КАСКАДОМ

Котёл в системе отопления может быть не один — довольно распространена практика установки двух и более котлов в каскаде. Такие системы позволяют более гибко расходовать топливо и ресурс котлов, а в некоторых ситуациях — получать необходимую высокую мощность за счёт суммарной производительности котлов малой мощности вместо одного очень мощного, но не подходящего по каким-­либо параметрам.

Особенность управления каскадом заключается в том, что не всегда нужно задействовать высокотехнологичные дорогие контроллеры для всех котлов — обычно достаточно одного мощного, координирующего работу автоматики на остальных котлах в каскаде. Производители предлагают для так называемых ведомых котлов специальные упрощённые контроллеры — они дешевле «ведущего» контроллера, но в связке с ним создают полноценную функциональную систему управления. Место установки основной автоматики в системе зависит от производителя. Так, в котловых установках одних марок главный контроллер монтируют непосредственно на одном из котлов каскада. Другие компании предлагают в качестве главного контроллера внешнюю автоматику, монтируемую отдельно. В этом случае все котлы в каскаде оборудованы более простыми контроллерами. Такая схема, с одной стороны, кажется более сложной, но с другой — позволяет котлам работать в автономном режиме, даже если главный контроллер вышел из строя по какой-­то причине.

УПРАВЛЕНИЕ СИСТЕМОЙ ОТОПЛЕНИЯ С МУЛЬТИГЕНЕРАЦИЕЙ

Использование не одного, а нескольких источников тепла в доме в последнее время становится всё более распространённым явлением. Такими источниками могут быть как котлы (в том числе работающие на разных видах топлива), так и тепловые насосы, солнечные коллекторы и т. д. Некоторые из них служат в качестве основных (поставляющих значительную долю тепловой энергии на протяжении всего сезона или большей его части), другие — лишь в определённые промежутки времени. Поэтому автоматика, управляющая системой мультигенерации, должна не только обеспечивать заданные параметры температуры в контурах отопления и ГВС, но и своевременно подключать или отключать теплогенераторы, перераспределять полученное от них тепло так, чтобы достичь наибольшей эффективности при наименьших затратах ресурсов.

Солнечные коллекторы в силу своей специфики (они получают энергию от солнца только в течение светового дня и простаивают в ночное время, а также отличаются высокой производительностью в летнее время и низкой — в зимнее) применяются в качестве сезонных вспомогательных источников энергии. Котёл же в системе с солнечными коллекторами будет играть роль основного источника (зимой он примет на себя нагрузку по отоплению и подготовке воды для ГВС, в остальное время будет восполнять нехватку тепловой энергии ночью или в межсезонье, когда производительность коллекторов снизится). В системах мультигенерации с применением котлов и гелиоколлекторов функции управления обычно ложатся на автоматику именно котла или на внешний мощный контроллер, который управляет сразу всеми теплогенераторами. Контур солнечных коллекторов при этом либо находится под прямым контролем автоматики (если в ней предусмотрена функция управления гелиоустановкой), либо подключён к ней через специализированный модуль расширения.

Статус тепловых насосов в системе отопления зависит от их типа и решаемых функций. Например, если говорить о наиболее востребованных и эффективных на территории России тепловых насосах типа «рассол-­вода» (геотермальных, то есть посредством специальных зондов забирающих тепло из почвы и использующих его для нагрева теплоносителя или воды), то они в системе отопления чаще всего выступают в качестве основного теплогенератора. Ведь к оборудованию такого рода обращаются в тех случаях, когда нет возможности получать энергию за счёт дешёвого топлива (например, нет магистрального газа), а котлы на более дорогостоящем топливе в качестве основных источников энергии невыгодны (электрические, дизельные модели). Котёл в системе всё же может присутствовать, но как вспомогательный теплогенератор, включаемый лишь при необходимости (когда нужен догрев теплоносителя или когда появляется возможность использовать дешёвую энергию — например, если котёл электрический, а в регионе действуют выгодные ночные тарифы на электроэнергию). Поэтому и основную роль в управлении системой играет контроллер теплового насоса, которому подчинена автоматика котлов и других источников тепла. По этой причине тепловые насосы обычно оснащены не базовыми, а достаточно мощными цифровыми контроллерами с широкими возможностями коммуникации.

На схеме — система регулирования Diematic VM iSystem:
— управление котлом (Вкл./Выкл.) в завимости от наличия запроса на тепло;
— управление двумя контурами отопления и контуром ГВС

УМНЫЙ ДОМ

Так называемый умный дом подразумевает, что в жилище установлена мощная электронная система управления. Она способна контролировать освещение, вентиляцию, климат и множество других параметров. Система отопления также обычно находится под контролем умного дома — его автоматика централизованно собирает и обрабатывает данные о температуре воздуха снаружи и внутри здания, теплоносителя, а также, в соответствии с заданной программой, отдаёт команды исполнительным устройствам котла, приводов на приборах отопления и коллекторах тёплого пола, насосно­-смесительных узлах контуров и т. д. То есть по своим возможностям в части регулирования климата такая автоматика не только способна продублировать основные функции контроллера системы отопления (причём не базовых, а «продвинутых» цифровых погодозависимых моделей), но и во многом превосходит их.

В результате в умном доме нет необходимости устанавливать для отопления дорогостоящий контроллер с расширенным функционалом. Основной задачей котла в таких условиях становится поддержание определённого температурного режима в системе, что под силу даже простым контроллерам.

В 2016 году Viessmann обновит контроллеры Vitotronic

Коммуникация между котлом и умным домом возможна на различных уровнях — в зависимости от возможностей автоматики котла и поддерживаемых протоколов и разъёмов. Так, наиболее простой вариант управления котлом в данной ситуации — когда сам дом регулирует температуру подачи, включая и выключая котёл по мере необходимости. Для реализации подобной системы сложная автоматика на котле не нужна, будет достаточно и базового контроллера с аналоговым управлением. Однако экономия на автоматике может принести дополнительные траты при эксплуатации системы отопления, так как котёл в таком дискретном режиме работает не с максимальным КПД, что ведёт к большему расходу топлива. Кроме того, котёл быстрее изнашивается.

Более гибкое управление котлом обеспечивает коммуникация по протоколу 0–10 В. В этом случае контроллер получает команды, кодируемые определённым напряжением, которое подаёт автоматика умного дома. С помощью этого протокола возможно не просто включать или выключать котёл, но и изменять его настройки — например, повышать или понижать мощность нагрева и т. д. Протокол 0–10 В в достаточной степени универсален и поддерживается многими системами управления.

Ещё более тесное взаимодействие между умным домом и котлом обеспечивают контроллеры с поддержкой подключения по LON­-шине. Их реально интегрировать в сложные системы управления (такие, например, как KNX) с широким спектром функций.

УДАЛЁННОЕ УПРАВЛЕНИЕ СИСТЕМОЙ ОТОПЛЕНИЯ

Ещё несколько лет назад для настройки системы отопления частного дома необходимо было физически находиться в самом доме и производить все работы вручную. Сейчас есть средства, позволяющие следить за параметрами системы, менять настройки и даже проводить диагностику удалённо.

Для управления отоплением на расстоянии необходимо, чтобы контроллер и конечный пользователь могли обмениваться сообщениями. В данном случае возможны разные варианты реализации обмена информацией. Сейчас на рынке можно встретить решения для передачи данных с помощью GSM­-модулей (через SMS) и модулей связи через Internet. Причём подобное оборудование предлагают и сторонние производители, и сами компании, выпускающие отопительную технику.

Передача данных с помощью SMS­-сообщений — давно известный, дешёвый и простой способ. Для его реализации к автоматике системы отопления подключают специальный GSM­модуль с SIM­-картой (необходимо, чтобы у модуля был свой номер, на который можно будет отправлять ответные сообщения). Поскольку SMS-­сообщения ограничены в объёме передаваемой информации, обмен между контроллером и пользователем происходит посредством пересылки коротких команд­-кодов. Получив SMS с кодом, пользователь должен найти его в списке и расшифровать, о чём сообщает контроллер. В свою очередь, можно отдать команду контроллеру о каком-­либо действии — отправив на номер GSM­модуля определённый код, соответствующий нужной команде. Контроллер способен сообщать о неполадках в системе, информировать о текущих параметрах (например, в ответ на запрос пользователя о температуре в доме) и т. д.

Такой способ обмена данными сложно назвать удобным — во‑первых, возможности коммуникации между системой и пользователем ограничены списком команд, во‑вторых, пользователю придётся хранить списки кодов, идентифицировать их и по необходимости — воспроизводить. Чтобы облегчить пользователям коммуникацию с оборудованием через GSM-­модули, некоторые производители разрабатывают и выпускают ПО для мобильных устройств, содержащие базы данных с кодами, их расшифровкой и даже рекомендациями по устранению ошибок.

Но есть и более современная и удобная альтернатива — управление по сети Интернет. Для её реализации к контроллеру подключают модуль, который, в свою очередь, будет поддерживать связь с устройством доступа к сети Интернет (роутером и т. п.). Со стороны конечного пользователя для обеспечения обмена данными с контроллером необходимо установить специализированное ПО. В эпоху массового использования планшетов и смартфонов подобные программы обычно представляют собой приложения, работающие под операционными системами iOS, Android или Windows. Многие производители предлагают эти программы бесплатно — их можно скачивать в соответствующих магазинах приложений (App Store, Google Play и т. д.).

В отличие от передачи данных через GSM-­модуль, у программ управления отоплением через Интернет достаточно «дружественный» интерфейс — простые и понятные меню, операции и пр. Нередко приложение дублирует интерфейс контроллера котла или настенного термостата, с которым пользователь тоже знаком и потому легко ориентируется. Никаких кодов и их расшифровок не требуется — данные поступают в «готовом» виде (часто даже в виде понятных пиктограмм). Соответственно, и команды отдавать намного проще.

Обмен данными может происходить напрямую между модулем и смартфоном/планшетом пользователя, но нередко для этих целей применяются и специальные серверы. Они позволяют не только передавать информацию, но и накапливать её, в том числе в виде статистики. Пользование сервером бывает как бесплатным, так и платным — в зависимости от функций сервера. Например, плата может взиматься за поддержку определённых дополнительных способов связи с сервером (SMS или другие виды сообщений). Платными бывают и особые, «продвинутые» модификации серверов, которые предоставляют пользователям расширенные возможности управления (сервисный уровень доступа к настройкам и т. д.).

Игорь Кениг, руководитель «Академии Viessmann», компания ООО «Виссманн»

Компания Viessmann планирует в ближайшее время выпустить на рынок новые контроллеры для отопительного оборудования. Что можно ожидать от этих моделей и чем они будут отличаться от уже имеющихся?

Действительно, в августе 2016 года Viessmann представит обновлённые контроллеры серии Vitotronic. Причём это не просто расширение ассортимента, а смена поколений автоматики. Новые контроллеры займут место текущих моделей Vitotronic, они будут более совершенными, мощными по сравнению с предшественниками. Контроллеры сохранят традиционную для Viessmann номенклатуру — 100, 200 и 300, их функционал не будет уступать аналогам предыдущего поколения. Но появятся и новые возможности. Одно из заметных отличий этой автоматики — замена кнопочного управления на дисплеи с полноценным сенсорным интерфейсом.

Ещё одно масштабное изменение коснётся возможностей управления системами отопления с мультигенерацией. Можно будет прописывать, какие теплогенераторы и на каком топливе включены в систему, а также задавать стоимость 1 кВт*ч тепловой энергии для каждого теплоносителя, причём с указанием времени, например с учётом изменения стоимости электроэнергии в ночное и дневное время. Основываясь на этих данных, контроллер готов сам автоматически включать тот источник тепла, который в данный конкретный момент более выгодно использовать. Помимо прочего, автоматика будет собирать и предоставлять полную статистику о том, какое топливо и в каких количествах было потрачено за определённый период времени.

УДАЛЁННЫЙ ДОСТУП И  ДИСПЕТЧЕРИЗАЦИЯ ДЛЯ ОБСЛУЖИВАЮЩИХ ОРГАНИЗАЦИЙ

Отдельно стоит упомянуть о том, что системы удалённого управления — весьма полезный инструмент и в руках обслуживающих организаций. С их помощью легко организовать мониторинг состояния системы отопления в режиме реального времени.

Когда неполадки случаются в системе отопления, не оснащённой средствами удалённого мониторинга, процесс их устранения порой занимает довольно много времени. Ведь поломку должны обнаружить жильцы, затем сообщить о ней специалистам, а тем, в свою очередь, необходимо физически добраться до нужного дома и произвести ремонт. В некоторых случаях характер поломки неочевиден в момент вызова ремонтной бригады, поэтому специалистам ещё потребуется провести на месте диагностику
и, возможно, совершить дополнительный рейс на склад за необходимыми для ремонта запчастями.

Если в момент аварии в доме находились люди, эта цепочка займёт меньше времени — всё будет зависеть от оперативности специалистов обслуживающей организации и удалённости объекта. Но, если в здании никого нет и сбой в системе отопления некому заметить, дом может оказаться без источника тепла на долгое время. В сильные морозы это чревато более серьёзной аварией — замерзанием воды в контурах отопления и водоснабжения и, как следствие, разрывом трубопроводов.

Иначе ситуация выглядит при наличии системы удалённого управления и диспетчеризации. Происходит поломка — и сигнал о ней поступает в управляющую организацию. При этом часто характер неполадок сразу позволяет выявить их причину и подготовиться к ремонту — взять запчасти, необходимый инструмент и пр. Итог — система отопления будет приведена в рабочее состояние очень быстро. А главное — обнаружить аварийную ситуацию специалисты способны даже тогда, когда в доме никого нет.

Простым сигнализированием о неполадках дело не ограничивается. Программное обеспечение для обслуживающих организаций нередко имеет расширенный функционал — по сравнению с обычными пользователями. В частности, специалисты видят не только текущие характеристики системы отопления, но и историю их изменений на протяжении длительного времени. Такие наблюдения позволяют им выявить закономерности, предположить причину их появления и принять меры по предотвращению аварийной ситуации (или понять причины уже случившейся поломки). Также возможна организация удалённого доступа к настройкам автоматики системы отопления.

Сенсорная панель для управления системой KNX «Умный дом» Schneider Electric U.motion

Лев Толстиков, руководитель по развитию бизнеса зональных систем автоматизации департамента «Здания и ЭкоБизнес» Schneider Electric в России

Какие функции управления отоплением (котлами, контурами, приборами отопления) могут выполнять системы KNX в частном доме и каковы требования к автоматике котла для возможности интеграции его в такую систему (поддержка протоколов, шины и т. д.)?

В ассоциацию KNX входит более 350 производителей, особенностью данного протокола является сертификация устройств для обеспечения их взаимной совместимости. Завод Мертен (Германия) был одним из основателей ассоциации KNX в 1984 году. В 2006 году компания «Шнейдер Электрик» купила компанию «Мертен», и теперь предложение KNX интегрировано с другими системами автоматизации зданий, предлагаемыми компанией.

Протокол KNX изначально был создан для управления освещением, отоплением, кондиционированием и шторами. За каждый процесс отвечает соответствующее устройство. За управление термоприводами на батареях — фактор отопления с термоэлектрическими приводами для батарей, для управления температурой в комнате — термостат. Централизованные функции может выполнять панель управления, подключённая к шине.

Впоследствии данный протокол начал получать новый функционал: безопасность, управление системами мультимедиа, интеграция с бытовой техникой и т. п.

Управление инженерными системами здания зачастую реализуется или посредством дополнительных контактов, или через соединение по протоколу. Учитывая, что такое оборудование становится всё более интеллектуальным, целесообразно реализовывать подключение таких устройств посредством протоколов, что обеспечивает их двустороннюю связь. Это в последнее время называют «Интернетом вещей». Благодаря использованию шлюзов (например, spaceLYnk) реально соединять устройства KNX с такими открытыми протоколами, как ModBus, BACnet, DMX, DALI и пр.

Конечно же, помимо локального управления непосредственно на объекте, возможно и удалённое управление посредством защищённого соединения.

Статья опубликована в объединённом выпуске «Весна 2016»
журналов «GardenTools»+»Инструменты»+»Всё для стройки и ремонта» серии «Потребитель»