Климатическая система в квартире своими руками

Кто-то в детстве мечтает изобрести лекарство от рака, кто-то — стать космонавтом или владельцем свечного заводика. А я мечтал о том, что у меня появится климатическая система, и в квартире, наконец, не будет душно, вечная простуда от сквозняков исчезнет, а горло перестанет першить от сухости. И теперь мечта исполнена!

Примерно с декабря 2015 по июнь 2016 года я читал форумы, катался по строительным магазинам, собирал систему в квартире и на балконе, паял контроллер и писал прошивку — и добился своего.

В этой статье я собираюсь похвастаться результатом и рассказать, как устроена моя установка. Полностью описать процесс сборки в одной статье невозможно, но, надеюсь, краткое описание окажется интересным для тех, кто хочет дышать свежим тёплым воздухом. Если кратко, то моя установка устроена так:

Общая идея

Я не специалист по вентиляционным системам и вообще не инженер, и знал об установках контроля климата немного. Понятно было, что это что-то хорошее, обеспечивающее чистый свежий воздух в набитых людьми торговых центрах — но что-то сложное, намного сложнее обычных кондиционеров, которые охлаждают воздух, но не могут справиться с духотой и сухостью.

Понятно, что начинать действовать с такими знаниями не стоило. Поэтому я долго (около десяти лет в неспешном режиме, если честно) блуждал по интернету — пока не пришёл примерно к таким выводам:

• Наиболее неприятная проблема — отсутствие правильной смены воздуха. Если через помещение продувается недостаточный объём воздуха (менее 35-70 м³/ч на человека), то концентрация углекислого газа превышает норму, и люди начинают чувствовать усталость, головную боль, не могут сосредоточиться на работе днём и уснуть ночью.
• Вообще-то, обеспечить смену воздуха легко: достаточно открыть в комнате форточку, и воздух будет заходить в неё и выходить через вентиляционные каналы на кухне и в санузле. Это называется «естественная вентиляция», и именно на неё рассчитано наше жильё.
• К сожалению, у естественной вентиляции есть серьёзные недостатки. Во-первых, девять месяцев в году (и даже летом, иногда) воздух за окном холодный, и входящий поток продувает и приводит к простудам. Во-вторых, зимний воздух не только холодный, но и сухой — а относительная влажность ниже 30% тоже не полезна для здоровья. В-третьих, слишком холодный воздух выхолаживает квартиру, что заставляет тратить деньги на обогрев; летом, соответственно, возрастают расходы электроэнергии на кондиционер.
• Самое эффективное решение этой проблемы — рекуператоры тепла. Рекуператоры — это устройства, через которые навстречу друг другу проходят два потока воздуха — холодный свежий воздух входит с улицы в помещение, а тёплый отработанный — уходит через вытяжку наружу. И рекуператор обогревает входящий воздух теплом исходящего. Рекуператоры разных конструкций уже много десятилетий применяются в серьёзных системах вентиляции, но в быту они начали появляться совсем недавно.

  
  Принцип противотока, на котором работает рекуператор.

• Вместе с теплом воздуха рекуператоры способны сохранять и влажность — но делают это, всё же, не очень эффективно. Использовать увлажнители, в которые нужно каждый день заливать полведра воды, неудобно — поэтому хорошо бы иметь увлажнитель, встроенный в вентиляционную систему и подключённый к водопроводу.
• Рекуператор поможет сохранить тепло зимой и прохладу летом, но чудес не бывает, и со временем квартира замёрзнет или нагреется. Поэтому, кроме пассивного рекуператора, в вентиляционной системе должен быть активный кондиционер.
• Внутри воздуховодов, особенно смоченных увлажнителем, со временем начинают размножаться микроорганизмы. Не то чтобы прямо болезнетворные, но аллергию спровоцировать могут. К тому же, хорошо бы иметь возможность избавиться от запахов в помещениях и стерилизовать их — со всеми этими задачами справится озонатор.
• Вместе с кубометрами воздуха в жильё будет попадать много пыли. Хуже того, пыль будет оседать и внутри элементов вентиляционной системы, снижая её эффективность — поэтому и на притоке, и на вытяжке нужно поставить фильтры воздуха.
• Понятно, что возможностей естественной вентиляции не хватит для того, чтобы гнать через все эти устройства два встречных потока воздуха. Поэтому в вентиляционной системе должны быть вентиляторы.
• Воздух, выходящий из вентиляционной системы, надо распределить по квартире, надо также забрать из квартиры воздух, высасываемый вытяжкой. При этом желательно иметь возможность ускорить или замедлить смену воздуха в разных участках квартиры. Для этого используются вентиляционные каналы, оканчивающиеся регулируемыми анемостатами.
• Ну и, конечно, всем этим добром надо как-то управлять. В принципе, для этого достаточно розетки и нескольких тумблеров, но лучше иметь контроллер с датчиками.
• И то, что получится в результате, будет называться канальной приточно-вытяжной вентиляционной системой.

Что ж, теперь я представлял, как должна быть устроена моя установка, и, уточнив некоторые детали, начал собирать её. Да, предупрежу сразу. Такую систему можно заказать «под ключ», или хотя бы собрать из готовых компонентов, это будет намного быстрее. Но элементы канальных систем стоят жутких денег (наверное, потому, что они относятся к промышленному оборудованию?), поэтому многое я делал на коленке.

Рекуператор

Рекуператоры для больших зданий бывают очень разных конструкций, но маломощные все устроены примерно одинаково: тёплый воздух идёт по узкой щели, навстречу ему идёт холодный воздух. Тёплый и холодный потоки разделены тонкой мембраной, и тёплый нагревает холодный, а сам охлаждается.

Когда тёплый воздух охлаждается, из него выпадает конденсат. Конденсат может впитываться в мембрану и испаряться с другой её стороны, в потоке нагревающегося воздуха. Или может каплями стекать вниз, тогда его нужно испарять в специальной камере. Ну или куда-нибудь сливать, если не нужен.

Рекуператоры серийного производства изготовлены из стопки металлических пластин, они надёжны и эффективны — но цены на достаточно производительные модели начинаются где-то от 50 тысяч рублей. Поэтому я решил собрать рекуператор самостоятельно: купил сотовый поликарбонат, полиуретановый герметик и плиты из ЭППС (что-то типа пенопласта, но прочнее), и больше недели потратил на резку поликарбоната, склейку из него стопок, установку стопок в ящик из ЭППС, герметизацию ящика…

Чтобы легче было представить, какой он огромный: то, что справа — это спинка кресла.

Подробно способ изготовления рекуператора описан, например, здесь. От себя добавлю только, что работа оказалась неожиданно долгой и нудной. Незадолго до того на Авито появились полусамодельные пластиковые теплообменники для рекуператоров. Тогда, полгода назад, отзывов о них ещё не было. Но если сейчас положительные отзывы появились, то лучше купить там, пусть и чуть дороже, а не клеить самостоятельно.

А ещё я открыл для себя полиуретановый герметик — по консистенции он похож на силиконовый, но имеет намного лучшие клеящие свойства. Отличная штука!

Увлажнитель

Если посмотреть цены на увлажнители для канальных систем, то станет ясно, что рекуператоры вовсе не такие дорогие. Потому что цены на канальные увлажнители измеряются в тысячах Евро.

К счастью, увлажнитель для квартиры не должен быть слишком мощным: комфортный для человека воздух содержит 5-10 граммов воды на кубометр, то есть увлажнителя с производительностью 500 г/ч с запасом хватит на одного человека, и в обрез — на двоих. Это если не учитывать, что рекуператор ещё и влажность сохраняет.

Увлажнитель без крышки, склеен полиуретановым герметиком. В левом верхнем углу сифон перелива, защищённый крышечкой от брызг.

Кондиционер

Увы, готовые канальные кондиционеры… — да, вы угадали — стоят очень дорого.

К счастью, способ кустарного изготовления канальных кондиционеров давно обкатан: берётся обычный оконный кондиционер, из подручных средств изготавливаются переходники, и к входу и выходу кондиционера подсоединяются воздуховоды. Судя по многочисленным отзывам, оконные кондиционеры весьма надёжны, судя по менее многочисленным отзывам, в качестве канальных они работают не хуже. Так что я просто купил на Авито кондиционер с функцией обогрева за 2300 рублей. И ещё столько же заплатил за двадцать пять килограммов стального уголка, из которых собрал для него кронштейн — зато теперь я знаю, что кондиционер совершенно не обязательно вешать на уголок-шестидесятку.

Вот так, с помощью нехитрых приспособлений оконный кондиционер можно превратить в канальный...

Ещё фото

Видна конструкция переходника для подключения воздуховода: ЭПСС плита, дощатые бортики и маленькие уголки, на которых всё это собрано.

А здесь этот переходник уже установлен на место, и все щели промазаны силиконом (вот не знаю, что, в данном случае, было лучше, силикон или полиуретан? Полиуретан надёжнее держит, но боится перегрева, а кондиционер градусов до 80 нагревается). На переднем плане маленький переходник, вставленный в выхлопное отверстие.

Озонатор

Если честно, озонатор не является стандартной деталью вентиляционной системы. И даже нестандартной не является. Причина понятна: озон крайней ядовит, он относится к веществам первого класса опасности, наравне с цианистым калием, стрихнином и зоманом.

С другой стороны, к первому же классу опасности относится невинный дихромат калия, озонаторы используют для дезодорации помещений и свободно продают в аккуратно относящихся к здоровью Соединённых Штатах, а опасностью заражения воздуховодов болезнетворными микроорганизмами часто пугают на форумах. В общем, для себя я решил, что озонатор лишним не будет, но понимаю, что это неоднозначное решение.

Озонатор, после некоторого колебания, взял из Китая, вот такой. Установил модуль целиком в просвет вентиляционного канала, включается озонирование, естественно, по таймеру, с защитой от случайного включения.

Фильтры воздуха

Думаю, вы встречали в рекламе рассказы про гипоаллергенные HEPA фильтры сверхвысокой степени очистки, угольные фильтры, фотокаталитические фильтры и тому подобное. Все они существуют и в канальных версиях.

Но мне повезло: аллергии на пыльцу у меня нет, окна выходят во двор, так что защищаться от пыли особо не нужно. Поэтому я ограничился фильтрами первичной очистки, защищающими воздуховоды от зарастания грязью. Установил ФВК («Фильтры Вентиляционные Карманные», с фильтрующим элементом в виде мешков — ещё бывают «ФВ», они меньше, дешевле, но менять элемент надо в несколько раз чаще), класса G3 (самый обычный вариант защиты от крупной пыли, сделан из чего-то типа синтепона). На входе в приточный фильтр натянул сетку («от комаров»), для защиты от птиц и совсем уж крупного мусора — она меня уже спасала, когда летел тополиный пух.

Да, ещё. Фильтры первичной очистки составляют среди канального оборудования приятное исключение: они дешёвые.

Пара вентиляторов Vents TT-125 C и корпус фильтра ФВК-125.

Вентиляторы

Для вентиляции квартиры, в которой живёт один человек, достаточно воздухообмена в сотню кубометров в час (это с большим запасом, вообще и пятидесяти хватит), то есть воздушного потока стандартного компьютерного кулера. К сожалению, оказалось, что вместо кулера придётся использовать большой, громоздкий и дорогой вентилятор центробежного или смешанного типа.

Потеря давления воздуха — параметр, о котором говорится в любом описании элемента канальной вентиляции, но рассчитать суммарное падение давления во всей системе достаточно сложно. По моим оценкам, моя система должна была оказывать сопротивление порядка 100-200 Па. У меня не было опыта разработки вентиляционных систем, поэтому я решил взять вентилятор с минимальной зависимостью потока воздуха от давления, чтобы не бояться скачков скорости из-за каких-то случайных переконфигураций системы. Выбор пал на модель Vents ТТ 125 С. В старых статьях часто рекомендуют использовать вентиляторы Systemair, но, думаю, после падения курса рубля Vents обладают лучшим соотношением цены и качества.

Вентиляционные каналы и анемостаты

Вентиляционные каналы — это трубки, по которым движется воздух. Анемостаты — заглушки на концах этих трубок, рассеивающие воздух и позволяющие регулировать его поток.

Когда я слышу слово «эстетика», я хватаюсь за пистолет, поэтому ничего под обои прятать не планирую, и использовал круглые ПВХ воздуховоды диаметром 125 мм.

Часть системы воздуховодов. Анемостаты обозначены синими стрелками.

Электроника

В моей системе есть блок питания, датчики и микроконтроллерная система управления.

Подробно описывать блок питания не интересно. Скажу только, что он выдаёт +5В (основное напряжение питания электронных схем), +12В (для анемометров и соленоидного клапана, если я соберусь его когда-нибудь подключить), +24В (для увлажнителя и поливалки цветов) и 170В-50Hz (для работы вентилятора на низких оборотах).

Управляющие устройства

Их я собирал неожиданно долго: сказался мой недостаточный опыт работы с паяльником и компилятором. Собрано всё на микроконтроллере ATmega328 (c обвязкой Arduino Nano 3), запрограммировано на WinAVR C. Основные элементы управляющего устройства объединены шиной I2C, в качестве расширителей портов использованы переделанные модули I2C-LCD на PCF8574. Все мощные устройства управляются двумя десятками реле стандартных релейных модулей с АлиЭкспресс. Там, где нужно было сделать разъёмы, я намертво впаивал детали, а там, где стоило использовать пайку, обходился разъёмами. Мне кажется, все люди делятся на тех, кому быстрее и эффективнее будет создать такое устройство с нуля, и на тех, кто всё равно не сможет разобраться в моём индусском коде и скопировать этого монстра, поэтому подробно рассказывать, как оно у меня всё работает, я не буду. Но для особо желающих посмотреть тысячу с лишним строк спагетти-кода, всё же выложу ссылку на проект.

Пульт управления.

Датчики

В системе используется 8 датчиков температуры ds1820, датчик влажности DHT-22, измерительный модуль с датчиком концентрации углекислого газа MH-Z19 и два анемометра.

ds1820 — простые и дешёвые датчики температуры, расставленные во всех ключевых точках системы. Работают настолько хорошо, что я даже не знаю, что о них ещё сказать.

DHT-22 умеет измерять температуру и влажность. Я планировал использовать три датчика, но, увы, они оказались невероятно капризными; потратив несколько дней на наладку, я смирился с тем, что два датчика, подключённые к основному контроллеру, перестают работать, в лучшем случае, через несколько часов после включения, и оставил только третий, установленный в отдельном измерительном модуле.
В продаже есть много готовых измерителей концентрации углекислого газа (первая попавшаяся статья на Geektimes), но ни один из них не имеет штатного способа подключения к микроконтроллеру. Поэтому я решил самостоятельно собрать измеритель, который можно тоже можно было бы использовать как автономный прибор, но можно было бы и подключить к микроконтроллеру по интерфейсу I2С. Про него даже планировалось написать отдельную статью, но, пока я копался, похожих статей опубликовали уже несколько штук. Так что ограничусь общими словами: датчик углекислого газа MH-Z19, датчик температуры и влажности DHT-22, контроллер ATmega 328 (обвязка Arduino Nano 3), дисплей 8х2, подключение к I2C через разъём RJ-14. Связь через I2C работает не слишком стабильно, но благодаря нескольким костылям жить можно. Прошивка, если вдруг кому интересно; функция опроса датчика есть в прошивке управляющего устройства чуть выше.

А ещё я попытался откалибровать MH-Z19…

Анемометры — возможно, главные датчики вентиляционной установки. Интересно, что в серьёзных установках анемометры не ставятся, вместо них используют датчики перепада давления: например, если оказывается, что давление между входом вентилятора и окружающей средой больше 200 Па, значит, фильтр, через который вентилятор всасывает воздух, забился, и его пора менять. Наверное, датчиков давления достаточно для работы, но только в случае, если вентиляционную систему собирает квалифицированный инженер, который хорошо представляет себе, где и как будет идти воздух, когда система в норме.

Мне же нужно было видеть, как меняется поток воздуха при открывании и закрывании заслонок и анемостатов, изгибании трубок и открывании дверей.

Скажу сразу, что вентиляторы показали себя с лучшей стороны, и поток воздуха через них не зависит почти ни от чего — я даже решил, что зря поставил заслонку, позволяющую пускать воздух в обход кондиционера, когда он не работает. Но результат этот был совершенно не очевиден заранее, поэтому анемометры мне очень помогли.

Всякие мелочи

• Мне казалось, что моя вентиляционная система работает тихо, но соседи жаловались, что она мешает им спать. Я предположил, что проблема в резонансе бетонных блоков, закрепил вентиляторы и кондиционер с помощью виброизоляторов. С тех пор жалоб не было.

  
  Виброизолятор. Купил на авторынке — видимо, какая-то деталь ВАЗа.

• Установка вентиляционной системы на балконе подразумевает, что в стене между балконом и квартирой должно быть отверстие, но самостоятельно пробурить в капитальной стене дырку 130 мм диаметром практически невозможно. Обычно эту проблему решают, вызывая на дом специалиста с буровым аппаратом, но я просто вставил ЭППС плиту на место форточки, и прорезал отверстия в ней.
• Вытяжной воздух после рекуператора поступает на внешний радиатор кондиционера. Предполагалось, что температура этого воздуха будет лучше температуры окружающей среды, что повысит эффективность работы кондиционера. Но я недооценил эффективность рекуператора: температура выхлопа почти не отличается от наружной, и пытаться использовать его ещё раз бесполезно.
• С другой стороны, типичная производительность кондиционеров составляет порядка 500-700 м³/ч, то есть в 3-5 раз выше того, что есть в моей системе. Думаю, это может привести к недостаточно эффективной работе кондиционера; пока проблема не заметна, но, если она возникнет, придётся ввести в комнату втяжной рукав кондиционера, создав дополнительный контур обращения воздуха. К счастью, это не сложно.
• Оказалось, что при работе кондиционера на обогрев воздуховоды нагреваются почти до 70°С, ПВХ размягчается и провисает. Наиболее нагруженные сегменты воздуховодов пришлось поменять на оцинковку, а остальные укрепить.
• Увлажнитель — это банка с водой, подключённая к водопроводу через поплавковый клапан сомнительной надёжности. К тому же от ультразвукового увлажнителя на трубах собираются капли, которые временами начинает падать вниз. Поэтому под увлажнителем находится водосборная ванночка, трубка от которой выходит на улицу, а увлажнитель вместе с ванночкой прикреплены к потолку страховочным тросом.

Альтернативные варианты конструкции

Изготовление климатической системы потребовало много времени и денег. Естественно, существуют более простые и дешёвые варианты.

1. Рекуператор можно купить готовый, на Авито они начинаются где-то от десяти тысяч рублей. Можно также купить отдельные теплообменные блоки.
2. Можно исключить некоторые элементы системы — кондиционер, увлажнитель, фильтры, датчики и систему управления, вентиляционные каналы.

   Делать систему совсем без фильтров не стоит, но их можно заменить мелкой сеткой или сеткой и куском тонкого синтепона, перекрывающими входные патрубки.

   Если собрать вентиляционную систему без воздуховодов и анемостатов, исчезнет возможность распределять воздух по нескольким комнатам, да и внутри комнаты распределение воздуха будет менее равномерным.

   Следствия отсутствия кондиционера и увлажнителя понятны без пояснений.

3. Кстати, системы без кондиционера, увлажнителя и воздуховодов производятся серийно, и стоят сравнительно недорого (при установке под ключ в одну комнату они оказываются дешевле моей самодельной системы — хоть и дороже самодельной системы из предыдущего пункта). Обзор моделей можно посмотреть, например, здесь.
4. Да и без рекуператора, на самом деле, можно обойтись. Его можно заменить канальным электрическим обогревательем воздуха, типа такого. Или сделать канальный обогреватель своими руками. Или, наоборот, купить проветриватель с обогревателем, вроде Tion O2.
5. Наконец, если у вас есть всего полторы тысячи рублей, но победить сквозняк при проветривании очень хочется, вы можете собрать вот такую простую систему.

   

   В качестве вентилятора можно взять, например, Vents 150 ВКО или аналогичную модель меньшего диаметра.

   Принцип работы системы прост: правый анемостат регулирует объём воздуха, выдуваемого вентилятором в комнату, левый — объём, забираемый вентилятором с улицы. Если левый анемостат открыт слабее правого, то вентилятор будет подсасывать тёплый воздух через отверстия, просверленные в воздуховоде, и смешивать его с холодным уличным воздухом — что нам и требовалось.

Некоторые технические характеристики

Потребляемая мощность (все системы выключены) — 4-8 Вт.
Потребляемая мощность (два приточно-вытяжные вентилятора, минимальный режим) — 40 Вт.
Потребляемая мощность (увлажнитель) — 35 Вт.
Потребляемая мощность (полная, все системы включены, включая кондиционер на охлаждение) — ~850 Вт.
Сумма денег, затраченная на изготовление — ~55 тысяч рублей.
Максимальная скорость воздухообмена — приток 100-200 м³/ч, отток 75-150 м³/ч.
Производительность увлажнителя — ~400 г/ч.
Производительность кондиционера (паспортная) — 9000BTU.

Первые впечатления от использования

К сборке системы я приступил в середине декабря, первые пробные запуски произошли в феврале-марте, бетта-версия была готова к середине апреля, где-то до начала июня я исправлял самые серьёзные ошибки. Надеюсь, сейчас систему можно считать более-менее готовой, и рассказать об опыте её использования.

Во-первых, моё самочувствие действительно улучшилось. Я перестал страдать от духоты при закрытых форточках и от сквозняков при открытых.

Во-вторых, система почти не шумит. Обычно она работает на минимальном уровне, который едва слышен за тиканьем кварцевых часов. Если включить на максимум оба вентилятора и кондиционер, то уровень шума увеличивается, и различить тиканье становится тяжело.
Я не уверен, удаётся ли использовать все возможности кондиционера, но он поддерживает комфортную температуру сейчас (позавчера у нас было 32 градуса жары), и поддерживал её, когда температура за окном опускалась ниже 10°С.

Увлажнитель и озонатор как следует протестировать пока не могу, с этим нужно ждать осенней прохлады и зимней стужи.

Сейчас я, в основном, управляю функциями системы в ручном режиме, но, надеюсь, со временем смогу сформулировать, в каких ситуациях какой режим мне нужен, и автоматизирую его включение. Ещё планируется использовать систему для освещения и поливки растений — аппаратно задача почти решена, осталось посеять что-нибудь в ящик на окне.

Заключение

Изготовление вентиляционной системы оказалось огромной работой, я бы никогда не взялся за неё, если бы знал, насколько она сложна. С другой стороны, теперь, когда работа завершена, я рад, что вентиляционная система у меня есть, а проблем, из-за которой я о ней мечтал, наоборот, нет.

К сожалению, сложно подробно изложить в статье все результаты полугодовой работы: статья вышла объёмной, но мне всё равно пришлось опустить многие важные детали.

Но, надеюсь, она всё же будет интересна тем, кто думает о проблемах климата в доме, а кого-то, возможно, и подтолкнёт к действию.

Спасибо за внимание.

Автор: APLe

Источник