Avtor: Gregor Maček
2018_267_36
Prezračevanje bivalnih (ali delovnih) prostorov ni nič kaj posebno novega. Pri starejših objektih je za to poskrbel kar objekt sam; dodobra mu je pomagalo še slabo tesnjeno stavbno pohištvo (okna, vrata), tako da težav s katerimi se srečujemo dandanes, ni bilo veliko. No, pa saj jih tudi danes načeloma ni, če se gradi nova hiša, kjer že v fazi samega načrtovanja pomislimo na ustrezno izolacijo, toplotne mostove, prezračevanje … Problem nastane pri starejšem objektu, pa naj bo to hiša ali pa blok, če se odločimo za menjavo oken z novimi, za povrh imamo še kondenzacijski sušilni stroj in slabo ali neizolirano fasado. Kmalu po prihodu nižjih temperatur se prične po stenah, sploh na zunanjih vogalih razraščati plesen, kar ni niti najmanj estetsko, še manj pa zdravo.
Ta vsebina je samo za naročnike
Enostavno povedano gre za način zračenja objekta, kjer z »odpadnim« zrakom grejemo »svež« zrak in na tak način pri zračenju bistveno zmanjšamo toplotne izgube. To dosežemo tako, da v prvem delu cikla topel zrak iz stanovanja izpihavamo v zunanjost preko toplotnega izmenjevalnika – keramičnega satovja z visoko toplotno vztrajnostjo. Pri izpihavanju toplega zraka iz stanovanja se to satovje posledično ogreje. V drugem delu cikla v prostor vlečemo svež zrak, pri čemer se le-ta pri potovanju čez keramično satovje ogreje (satovje odda toploto zraku).
Zaradi bistveno boljšega efekta prezračevanja je priporočljivo, da rekuperatorske enote delujejo usklajeno; na primer: vse enote na zahodni strani stanovanja zrak hkrati vpihujejo, na vzhodni strani pa ga izpihujejo. Čez nekaj časa smer potovanja zraka obrnemo.
Tukaj pridemo do prvih problemov, kjer se mi je porodila ideja po izdelavi lastne krmilne elektronike. Večina proizvajalcev (ne pa vsi) lokalnih rekuperacijskih sistemov za to funkcionalnost potrebuje kabelske povezave med posameznimi enotami. To pomeni nezanemarljiv poseg v samo stanovanje, saj je potrebno pripraviti kabelske med vsemi enotami, za katere želimo sinhronizirano delovanje.
Piko na i k izgradnji lastnega krmilnika je dodala še ugotovitev, da »pametni« sistemi v praksi niti niso tako zelo pametni: višek tehnologije za njih namreč predstavlja merjenje zračne vlage v prostoru in vklapljanje ter izklapljanje sistema. Čas periode vpihovanja in izpihovanja, jakost pihanja itd. glede na merjene pogoje sploh niso regulirani, ampak so fiksno nastavljeni.
Ker ima keramični vložek vedno isto toplotno vztrajnost nam preprosta fizika pove, da bi moral biti čas periode tem krajši, čim višja je temperaturna razlika med zunanjim in notranjim zrakom. Če merimo temperaturo zraka, ki teče preko toplotnega izmenjevalnika (satovja), lahko dokaj enostavno ugotovimo, kdaj toplotni izmenjevalnik pride v zasičenje (ni več zmožen sprejemati toplote) oz. kdaj je oddal vso razpoložljivo toploto.
Za izdelavo lastnega krmilnika sem si zadal naslednje cilje:
- merjenje temperature in zračne vlage zraka, ki teče skozi posamezno enoto,
- samodejno krmiljenje pretok zraka tako, da je izkoristek največji,
- brezžična komunikacija z drugimi krmilniki tako, da je delovanje vseh sinhronizirano,
- centralen nadzor preko grafičnega prikazovalnika in web vmesnika.
Ko sem pregledoval proizvajalce tovrstnih sistemov, sem se na koncu odločil za proizvajalca Lunos, kjer sem imel po pogovorih z osebjem še najboljši občutek, da vedo, kaj delajo in prodajajo. Nezanemarljivo pa je bilo tudi dejstvo, da so bili pripravljeni ugoditi moji želji, da bi lahko opravil meritve delovanja na njihovem testnem sistemu.
Krmiljenje motorja lokalnega rekuperatorja
Lokalni rekuperatorji imajo običajno vgrajen brezkrtačni DC motor, ki se napaja z 12 VDC. Vgrajeno ima že krmilno elektroniko, ki jo krmilimo z enosmernim signalom 0 – 10 VDC, pri čemer 5 V pomeni zaustavljen motor, 0 V polna hitrost pihanja navzven in 10 V polna hitrost vleka zraka noter. Gre za visokoohmski vhod in krmilni tok je zanemarljiv (< 1 mA).
Naše vezje mora biti potemtakem spodobno generirati poljubno napetost med 0 in 10 V, kar dosežemo z dodatnim operacijskim ojačevalnikom, na katerega pripeljemo napetost iz mikrokontrolerja, kot bo opisano v nadaljevanju. Pomembno je omeniti, da moramo za polno območje delovanja izbrati operacijski ojačevalnik, ki omogoča t.i. rail-to-rail način delovanja, saj običajni operacijski ojačevalniki niso sposobni na izhodu imeti napetosti v polnem območju napajanja.
Analogna napetost iz digitalnega vezja?
Pri uporabi mikrokontrolerja uporabimo R/2R verigo, PWM izhod ali namensko DAC (digital-to-analog converter) vezje (3), kar nekaj novejših mikrokontrolerjev pa ima DAC že tudi vgrajen na ravni procesorja samega. Prednosti in slabosti vsakega bomo na kratko opisal v nadaljevanju.
R/2R veriga
Če imamo na mikrokontrolerju na voljo dovolj (digitalnih) izhodov, lahko uporabimo t. i. R/2R verigo. Ime je dobila po vrednosti uporov v verigi, saj je razmerje uporov v tem vezju v razmerju 2 proti 1. Na sliki 1 imamo primer enostavnega 4-bitnega R/2R DAC pretvornika, kjer smo uporabili 4 izhodne pine mikrokontrolerja (V1-V4) in glede na stanje le-teh se napetost Va od 0 do praktično polne napetosti. Resolucija takšnega pretvornika je odvisna od števila uporabljenih izhodnih priključkov mikrokontrolerja, natančnost pa tudi od izbranih uporov (tako po vrednosti kot termično).
Pri izbiri vrednosti uporov moramo paziti tudi, da ne prekoračimo maksimalnega dovoljenega toka posameznega priključka ter da izberemo upore, kjer je po lestvici sploh mogoče izbrati dvakratnik vrednosti, saj odstopanje v razmerju med upori na izhod vnese občutno napako.
Prednost R/2R DAC je v njegovi enostavnosti in možnost doseganja praktično poljubnih resolucij, očitna slabost pa potrebno veliko število priključkov mikrokontrolerja (1 na vsak bit).
PWM DAC
Če imamo na mikrokontrolerju prost kak PWM izhod, je zelo enostavno digitalno-analogni pretvornik izvesti z njegovo pomočjo. Potrebujemo le en izhodni priključek, kjer generiramo PWM signal, ki ga nato peljemo na kondenzator in upor.
Vrednost analogne napetosti je odvisna od deleža aktivnega signala (duty cycle), stabilnost pa od izbire vrednosti kondenzatorja, frekvence PWM in velikosti upora.
Dodatno lahko takšen signal še bolj očistimo, če uporabimo operacijski ojačevalnik v funkciji seštevalnika. To naredimo takrat, ko potrebujemo res »čist« signal in hiter odziv; če hitrost ni problematična, veliko rešimo že z izbiro (dovolj) velikega kondenzatorja.
Prednost PWM DAC je v relativni enostavnosti, le enemu potrebnemu priključku na mikrokontrolerju. Slabost je, da nam resolucijo definira timer, ki krmili dotični PWM priključek ter potencialni netočnosti v primeru, da se temperatura vezja bistveno spreminja (saj se nekoliko spreminja tudi kapacitivnost kondenzatorja).
Namenski DAC čipi
Proizvajalci integriranih vezij imajo v svojem programu seveda mnogo namenskih čipov, ki opravljajo funkcijo DAC pretvornika.
Običajno s procesorjem komunicirajo preko I2C, SPI ali podobnega vodila in navadno omogočajo tudi dodatne možnosti, kot na primer višjo izhodno napetost, zunanjo referenco itd.
Za zunanji DAC se odločimo, ko potrebujemo zmogljiv, hiter in natančen DAC, saj je strošek dodatnega čipa na vezju bistveno višji od R/2R ali PWM DAC rešitve.
Pa se lotimo dela!
Naša elektronika sestoji iz več sklopov:
Napajalni sklop
Takoj za priklopom 30 VAC napajanja se nahaja 1 ohmski upor velikosti 1206 (F1). Ta v kombinaciji z varistorjem VAR služi kot »varovalka«, saj v primeru previsoke vhodne napetosti varistor prične prevajati in skozi upor steče velik tok, ki ga uniči in prekine. Na ta način je varovano vezje v nadaljevanju.
Sledi AC-DC napajalni modul (Meanwell IRM serija), ki 230 VAC napetost pretvori v 12 VDC. Slednji napaja ventilator sam, pa tudi 3,3 V linearni regulator (IC4), ki skrbi za napajanje logičnega dela. Izbran konektor za priklop ventilatorja je tak, da je direktno kompatibilen z originalnim.
Mikroprocesorski sklop
Mikrokontroler v prvi vrsti skrbi za branje podatkov o temperaturi in vlagi preko I2C vodila (SCL, SDA) ter krmili ventilator po prej opisani DAC PWM metodi, kjer sta uporabljena C4 in R6.
Dodatno komunicira še z radijskim modulom Hope HM-TRP, ki na frekvenci 868 MHz omogoča, da lahko vse enote med seboj brezžično komunicirajo in tako delujejo usklajeno, seveda pa lahko tudi krmilimo vse module iz centralne upravljalne enote.
RGB LEDica na vsaki enoti je namenjena hitri diagnostiki delovanja in preko nje lahko enostavno spremljamo delovanje in komunikacijo med enotami.
Senzorski sklop
Za meritev vlage in temperature sem izbral digitalni merilnik SHT31 proizvajalca Sensirion. Gre za izjemno natančen in tovarniško kalibriran merilnik vlage in temperature s samodejno kompenzacijo temperature pri meritvi relativne vlage. Družina senzorjev (od SHT31 do SHT35) je praktično identična, pri čemer je SHT35 najbolj natančen preko celotnega območja merjenja vlage (meritev blizu ničle in blizu 100 % relativne vlage je problematična).
Komunikacija poteka preko I2C protokola, kjer za delovanje potrebujemo tudi 2 pull-up upora (R7, R8), drugih posebnosti pri priklopu ni.
Krmilni sklop
Krmilni sklop vrednost iz PWM DAC pretvori v signal 0 – 10 VDC, ki je zahtevano za krmiljenje motorja. To izvedemo z uporabo rail-to-rail operacijskega ojačevalnika, ki smo mu z R9 in R12 nastavili ustrezno ojačenje.
Da se izognemo morebitnim napetostnim sunkom, ki bi potencialno lahko prišli s strani motorja in poškodovali operacijski ojačevalnik, smo dodali še zaščitni upor R10 ter Zener diodo ZD2.
Da lahko z mikrokontrolerjem spremljamo pravilnost delovanja, sem na izhod dodal še uporovni delilnik (R11, R13), izhod katerega je preko 5,1 V zaščitne Zener diode ZD3 peljan na ADC priključek mikrokontrolerja.
Izdelava vezja
Krmilna elektronika mora biti montirana v sami rekuperatorski enoti, zato mora biti vezje ustrezno oblikovano. Pozicije konektorjev za priklop so na mestih, ki so kar najbolj logična za priklop in prilagojena enostavni inštalaciji.
Dodatno zakomplicira situacijo še dejstvo, da imamo na vezju senzor vlage in temperature, ki mora biti lociran tako, da potuje zrak mimo njega, obenem pa nanj ne sme vplivati npr. segrevanje komponent na samem vezju. To sem rešil na način, da sem senzor postavil na ozek pas, ki štrli iz sredine vezja in senzor se tako nahaja v samem toku zraka.
Programska oprema
Program za krmiljenje je spisan v programskem jeziku Bascom-AVR in podroben opis presega vsebino tega članka. Na kratko pa lahko rečem, da nadzira vstopno in izstopno temperaturo zraka ter glede na izmerjeno zračno relativno vlago v prostoru prilagaja jakost prezračevanja. Interval vpihovanja in izpihovanja določa glede na gradient temperature in smer zamenja, ko ugotovi, da je oddana ali sprejeta toplotna energija v toplotnem izmenjevalcu potrošena. Seveda skrbi tudi za komunikacijo z »uparjenimi« enotami tako, da ko ena enota zrak izpihava, ga druga vpihuje in obratno.
Možen je tudi nadzor preko osebnega računalnika, na sliki vidite še »delovni« terminalski prikaz dveh uparjenih rekuperatorjev (REC-1 in REC-2) z aktualnimi temperaturami (T), relativno zračno vlago (H), nastavitvijo moči (PWR) in smerjo (in/out) in aktualni čas periode (t).
Rezultat v praksi
Po izdelavi enot sem rešitev najprej preizkusil »na mizi« in ker je začuda vse delovalo po predvidevanjih, sem enote vgradil na svoja mesta. Po priklopu elektronike in nekajtedenskem piljenju programske opreme je sistem v stanju »priklopi in pozabi«, kar pomeni, da mi ga ni več potrebno nadzirati ali nastavljati in da za vse skrbi sam – to mi je bil tudi cilj.
Na podlagi izkušenj pretekle zime lahko rečem, da sem z izdelano rešitvijo zelo zadovoljen in da je tudi sama rešitev – lokalna rekuperacija – naš problem previsoke zračne vlage rešila, saj je bila relativna zračna vlaga v stanovanju čez celo zimo v ustreznem območju (50 – 60 %). Žal mi je edino, da se za to rešitev nisem odločil že prej, saj bi bilo sanacije plesni dosti manj …
Vse datoteke (Altium datoteke za tiskanino, Bascom program) so na voljo v downloadu revije Svet elektronike, če bi se še kdo odločil za samogradnjo in/ali morebitne modifikacije.
Lunos_projekt
