Термостат для котла отопления своими руками – подводные камни

3D модель платы блока контроллера температуры на STM32
3D модель платы блока контроллера температуры на STM32
3D модель платы блока контроллера температуры на STM32

Решил сделать термостат для отопительного газового котла в частном доме. Исполнение: два блока (БП с реле и блок контроллера). Связь между блоками по проводам (витая пара). БП непосредственно возле котла, а блок контроллера в комнате.

Т. к. это был мой первый заказ на изготовление плат от китайского сервиса jlcpcb, я решил пусть придут для начала платы БП, а потом отправлю в производство плату самого контроллера.

А пока это все будет в дороге, обкатаю идею на макетном стенде на базе Arduino UNO .

Макетный стенд. Корпус РЭА с экраном 16х2, Arduino UNO, энкодер, датчик DS18B20, 3 кнопки и разъёмы для периферии.
Макетный стенд. Корпус РЭА с экраном 16х2, Arduino UNO, энкодер, датчик DS18B20, 3 кнопки и разъёмы для периферии.
Макетный стенд. Корпус РЭА с экраном 16х2, Arduino UNO, энкодер, датчик DS18B20, 3 кнопки и разъёмы для периферии.

Плата блока питания пришла, распаял проверил – все работает.

Плата БП с реле (сухой контакт), разъёмы для подключения к сети 220 В и выводу термостата котла. А также RJ-45 для связи с контроллером. Плата универсальная, может использоваться для плавного старта нагрузки (с переходом через 0), если распаять все детали (это для другого проекта).
Плата БП с реле (сухой контакт), разъёмы для подключения к сети 220 В и выводу термостата котла. А также RJ-45 для связи с контроллером. Плата универсальная, может использоваться для плавного старта нагрузки (с переходом через 0), если распаять все детали (это для другого проекта).
Плата БП с реле (сухой контакт), разъёмы для подключения к сети 220 В и выводу термостата котла. А также RJ-45 для связи с контроллером. Плата универсальная, может использоваться для плавного старта нагрузки (с переходом через 0), если распаять все детали (это для другого проекта).

Параллельно написал с помощью «ИС ДРАКОН» совсем простенький алгоритм для платы Arduino, в расчете что потом перенесу на STM 32.

Простенький алгоритм для термостата (набросок для проверки идеи).
Простенький алгоритм для термостата (набросок для проверки идеи).
Простенький алгоритм для термостата (набросок для проверки идеи).

Все подключил и начал тестировать.

И вот тут неожиданно стало понятно, что в своих расчетах я не учел теплопотери дома в целом и большую инерционность системы отопления.

Для полного понимания дом одноэтажный с 3-мя комнатами, толстые внешние стены (70 см) но не везде. В одной из больших комнат внешние стены тонкие (30 см). Окна металлопластик. Газовый котел ARISTON GENUS EVO 24.

Что же выяснилось?

В штатном режиме (без внешнего термостата) котел работает по датчику температуры на выходе из нагревателя.
Например на котле установлено 70С. Вот котел включился (в системе пошла циркуляция воды и нагрев). Как только на выходе из котла вода набрала 70С - нагрев отключился. А циркуляция еще какое-то время работает. Потом датчик температуры фиксирует, что вода в системе охладилась до 60С и котёл снова включается на подогрев воды. И так циклически.

Таким образом котел как бы контролирует температуру воды в системе отопления, а дом, образно говоря, охлаждает систему отопления в зависимости от того на сколько сам прогрет атмосферным воздухом. Можно сказать и так - дом забирает тепло из системы отопления.

Установкой внешнего термостата я думал сэкономить на ночном нагреве дома, т. е. ночью, когда все спят под одеялами снижать температуру нагрева системы отопления. И все получилось, температура в комнате падала до нужного значения, спалось хорошо и комфортно.

По «Х» дата и время, по «У» температура. На графике сразу три температуры: на батарее отопления, в комнате и на улице.  Термостат подключен к котлу, на котле задан нагрев до 70С. 
Видно что ночью котел включался заметно реже, поэтому температура на батарее успевала значительно упасть. Днем же термостат не давал команду на отключение нагрева и котёл работал по своим внутренним настройкам.
По «Х» дата и время, по «У» температура. На графике сразу три температуры: на батарее отопления, в комнате и на улице. Термостат подключен к котлу, на котле задан нагрев до 70С. Видно что ночью котел включался заметно реже, поэтому температура на батарее успевала значительно упасть. Днем же термостат не давал команду на отключение нагрева и котёл работал по своим внутренним настройкам.
По «Х» дата и время, по «У» температура. На графике сразу три температуры: на батарее отопления, в комнате и на улице. Термостат подключен к котлу, на котле задан нагрев до 70С. Видно что ночью котел включался заметно реже, поэтому температура на батарее успевала значительно упасть. Днем же термостат не давал команду на отключение нагрева и котёл работал по своим внутренним настройкам.

Но выяснилась оборотная сторона дела.

Когда ночью я снижал нагрев системы отопления (с помощью термостата), а днем ставил в обычный комфортный режим то происходило следующее: дом за ночь чуть остывал (не сильно) но ниже чем раньше. В итоге чтобы опять дотянуть температуру в доме до комфорта, котлу приходилось работать на нагрев сильнее (т. е. чаще запускаться).
Раньше (без термостата) котел включался с какой-то периодичностью, условно назовем ее 1.0 (одна единица за сутки). Теперь я ему сказал: ночью включайся с периодичностью 0.6. Он так и сделал. А потом днем, чтобы нагнать нужную температуру, ему пришлось включаться с периодичностью 1.7. В итоге за сутки эта та же 1.0 как и раньше. Другими словами нет заметной экономии газа.

Плюс ко всему на поддержание температуры в доме очень сильно влияет перепад атмосферной температуры. Инерционность процесса около 6-8 часов (в моем случае). Т. е. например пик тепла на улице приходиться на 15-16 часов. А пик тепла в доме приходится на 21-22 часа. Дом слегка нагревается снаружи в теплые часы суток, и постепенно прогревается и внутри, но не сразу. Системе отопления проще и быстрее его прогреть когда есть помощь извне (в виде солнечного тепла).

Красными стрелками показан момент инерции, когда система отопления прогревает воздух в комнате выше чем обычно за счет помощи тепла извне. При этом настройки на котле постоянны (внешний термостат отключен, работа только по внутреннему датчику, температура выставлена 60С).
Красными стрелками показан момент инерции, когда система отопления прогревает воздух в комнате выше чем обычно за счет помощи тепла извне. При этом настройки на котле постоянны (внешний термостат отключен, работа только по внутреннему датчику, температура выставлена 60С).
Красными стрелками показан момент инерции, когда система отопления прогревает воздух в комнате выше чем обычно за счет помощи тепла извне. При этом настройки на котле постоянны (внешний термостат отключен, работа только по внутреннему датчику, температура выставлена 60С).

Прибавьте к этому то, что в доме, в котором я живу, достаточно большие теплопотери (т. к. это юга, тут сильных морозов нет и люди при строительстве не заморачиваются хорошей теплоизоляцией). При таких раскладах термостат мне особо сильно ничего не сэкономит.

Единственное рациональное применение термостата которое я вижу, это экономия в те моменты, когда внешнее тепло (атмосферный воздух, солнце) прогревает дом и как бы добавляет энергии тепла в дом, соответственно в этот момент можно меньше энергии брать от сжигания газа. Но при такой инерционности и теплопотерях дома как у меня, это сложная задача для расчета.

Куда большая экономия была бы при очень хорошей теплоизоляции дома. Тогда система отопления быстро реагировала бы на изменения температуры внутри дома. Быстро нагревала бы и отключалась, не тратя при этом энергию понапрасну.

Мои выводы такие: теплоизоляция дома это самое главное, что потом будет вам экономить газ (при газовом отопление) всю оставшуюся жизнь дома. Чудес не бывает, в школьных учебниках по физике написано: «Энергия ни от куда не берётся и никуда не девается, она просто переходит из одного состояния в другое».

В моем конкретном случае, при плохой теплоизоляции дома и работе отопительного котла почти на пределе своей мощности (а то и не справляется), внешний термостат особо не нужен.

Поэтому еще не отправив в производство платы для контроллера температуры придется мне их переделать под другую задачу.