Жду новый пост

Серия «Оптимальное строительство»

Конструктив - дыра в стене, в нее труба 110 (обрезок серой, канализационной), в трубе (начиная со стороны помещения):

• Два вентилятора, соединенных встречно. Кулеры 12 В на 30-60 м3/ч, параметры можно глянуть тут

• Теплообменник (теплоАКБ). Потом разберем что и как.

• фильтр нулевого сопротивления (москитка в пару слоев).

Бюджет на трубу и вентиляторы - 1000 руб .

Подходы к конструкции ТА

Довольно очевидны, нужно что-то, имеющее большую площадь поверхности, в ограниченном объеме и с малым аэродинамическим сопротивлением.

Под такие требования подходят радиаторы (но с ними сложнее и дороже) и регулярные насадки (кольца Рашига, седла Палля, Инталокс...).

Юзают в большой химии, ну и самогонщики еще подтянулись, короче там, где требуемый процесс идет на поверхности, этих поверхностей в заданном объеме нужно много и этот объем должен иметь минимальное аэродинамическое сопротивление.

Далее, для выхода конкретику (размеры, вес, параметры..). - ТА придется считать. Хотя бы на уровне ориентиров (почти на пальцах), на примере колец Рашига.

Труба 300*110, кольца Рашига, металлические, Ф10 (10*10*0,3).

Насыпная плотность - 1890 кг/м3. Поверхность - 520 м2/м3. Количество 949000 шт/м3. Слой 300 мм (в трубе 110 мм) - объем 2,85 литра. Вес 1890*0,00285=5,4 кг.

Поверхность этих колечек: 520*0,00285=1,5м2 (для понимания, площадь всех ламелей радиатора у ЗИЛка - около 6м2), т.е. это довольно серьезный теплообменник.

Площадь самой трубы при этом, всего 0,11*3,14*0,3=0,1м2

Есть керамика, есть металл. Почему лучше металл? Ну, самое простое - много радиаторов с керамическими пластинами? Впрочем, рассмотрим чуть подробнее.

От чего зависит время переключения (между реверсами приток-вытяжка)?

Снизу (время) ограничено объемом воздуха за такт. Если объем будет соизмерим с объемом трубы - вентиляции не будет вообще. Один и тот же воздух будем гонять туда-сюда. Т.е. время, должно обеспечить перекачку объема много бОльшего, объема рекуператора.

Рассуждаем про ограничение сверху. У нас - ТеплоАКБ. Соотв., как у всякого аккумулятора, у него есть Емкость и Мощность.

Емкость (теплоемкость) сколько джоулей (энергии, тепла) нужно впихнуть в АКБ, чтоб температура поднялась на градус.

Мощность - сколько джоулей в секунду, способен воспринять (или отдать) АКБ (все что выше этого предела, пролетит мимо, на улицу, или в дом, без передачи тепла).

Теплоемкость у нас объемная (теплоемкость АКБ заданного объема). Т.е. сколько джоулей нужно впихнуть в литр объема, чтоб поднять температуру этого объема на градус. Теперь считаем:

300 мм Ф110 - 2,8 литра, пусть у нас будет 2,5 л колечек.

Теплоемкость

Теплоемкость керамики - 0,77 кДж/кг*С, стали - 0,46 кДж/кг

Керамика М15 - 0,59*2,5=1,475 кг. теплоемкость АКБ - 0,77*1,48=1,14 кДж/С

Сталь М10 0,96*2,5=2,4 кг, теплоемкость 0,46*2,4=1,104 кДж/С

Теплоемкость керамических - на 3% выше, разница не существенна.

Мощность.

Определена мощностью потока теплопередачи, функции трех величин, т.е. пропорционална:

• коэф теплоусвоения,

• площади контакта,

• дельте температур.

Коэф. теплоусвоения керамики 3,3 Вт/м2*К, стали 126 Вт/м2*К. Отношение 38 (!!!) раз

Площадь контакта (из таблицы) соотносятся как 500/330=1,5 раз

Разница в мощности сталь/керамика в 57 (!!!) раз.

На пальцах. У керамики, очень быстро прогревается внешний слой, падает дельта температур, прекращается теплообмен. Кроме того, толщина керамики в 4 раза больше, чем у стали. Прогреваться будет дольше. В результате, тепло уйдет вместе с воздухом.

Т.к. тепловая мощность в потоке воздуха - задана (потребным воздухообменом), то АКБ недостаточной мощности, просто не успеет снять тепло.

А что до емкости нашего АКБ - она влияет на время между реверсами, т.е. недостаток емкости, компенсируется более частыми переключениями.

Ну и вдогонку, прикинем, какое время потребуется, чтоб насытить наши АКБ, при условии, улица -20, дом +20, вытяжка и вход - 0С (КПД 50%), расход 60 м3/ч, или 17 л/сек (скорость в трубе Ф110 1,7 м/сек).

В кубе воздуха - 1,2 кг, т.е. 20 грамм в сек.

Теплоемкость воздуха 1кДж/кг, т.е. каждый градус дает поток в 0,02 кДж/сек. 20 градусов, дадут 0,41 кДж/сек.

Емкость нашего АКБ 1,1 кДж/К, на 20К будет 22 кДж, время "зарядки" - 22/0,41=53,6 сек.

Т.е. переключения, для данных условий - примерно через минуту.

Система управления вентиляцией.

Критерий управления.

По СО2. Это крайне удобный маркер присутствия и активности человека. Его применение, позволяет построить вентиляцию, которая "ходит за людьми".

Принцип, очень простой. Подавай на вентиляторы напряжение, пропорциональное СО2. Люди из комнаты ушли - вентиляция придушилась.

Датчики СО2.

Сегодня не дорогие. В принципе, можно разделить на два простых типа. ИК датчики (NDIR) и датчики на оксидах металлов (обычно олова). Разумеется, все есть у китайцев, ИК датчик - MH Z19B, оксид олова CCS811 HDC1080 - копейки, но нужно паять. Есть уже готовое (ниже).

Второй датчик (оксидный), кроме СО2, реагирует на углеводороды. От метана, до сигарету выкурил. И соотв. будет увеличивать проветривание. Кроме того, в нем есть датчик влажности, что позволяет переводить дом в режим консервации с более низкой температурой, не опасаясь конденсата. Идея простая. Если система видит, что дальнейшее снижение температуры ведет к рискам конденсата, то включается дополнительное проветривание, система убеждается, что влажность упала и продолжает снижать температуру. Разумеется и такие возможности, есть уже готовые.

Проектирование

Что хорошо - можно отложить до любого этапа стройки. Вплоть до после новоселья. Пожили в таком варианте, не устроило - дырявим стены, где удобно, втыкаем рекуператоры, управление оборотами простейшее, реостатиком.

Надоело ручку крутить - колхозим автоматику.

Возможности такой системы управления.

Кроме традиционной цели - автоматизировать воздухообмен с мин. затратами ( т.е. по СО2), возможны совершенно новые функции:

• Как уже выше писалось - возможность экстремального снижения температуры в нежилых (консервация) помещениях.

• Реорганизация потоков. Например, пришли гости, кухня совмещена с гостинной, два окна, 4 установки. Две включаются на приток, две на вытяжку. Получаем удвоенный расход. Можно подключать вентиляторы из соседних комнат, по сути свободное управление, жесткая привязка точек притока и вытяжки - уходит со всеми вытекающими.

Практика.

Один из вариантов рекуператора на ТА

Вот, пример. Единственно, у парня шарики в качестве рабочего тела ТА. Кольца Рашига, эффективнее почти на порядок.

Есть многочисленные фабричные установки, например теплая форточка. КПД - 70-80%.

Цены, перспективы колхозить.

Труба, вентиляторы - пусть 1000 руб.

Теплообменник - навалом разных у самогонщиков, но цена - печалька. Если медь, то от 1600 руб/кг (покупаем медную трубу, резак и долгими зимними вечерами...), остальное в два-три раза дороже.

Поэтому лучше искать в промышленности например тут колечки 15 мм - 1200 руб/кг. Пусть 3600 на трехкилограммовую загрузку, т.е. 4600 - цена железки.

Готовый монитор СО2, (ароматических углеводородов, формальдегида... ZigBee) 1116 руб

Так, на каждое жилое помещение. Что еще хорошо, не нужно ставить воздуходувку на 100500 кубов, теперь все децентрализовано, вплоть до потери понятий и локализаций приток-вытяжка. Учитываем возможность управляемых перетоков между помещениями (при нехватке вентиляции) и типовое кол. людей в помещении, т.е. производительность 30-60 м3/ч на комнату.

Пример системы управления на ZigBee

Не хватит воздухообмена. Практика - предельная нагрузка на такой вариант при 5 окнах (высота 1400) + дверка для кошек (до улицы два тоннеля + 4 дверки) - три человека.

Практика:

• Четыре и больше чел. - периодическое открывание окон, проветривание, вся вот эта хрень и суета. Нужна нормальная система вентиляции.

• Три человека. CO2 1000-1300 ppm.

• Два человека. 800-1100 ррм

• Один человек. 600-900 ррм.

  Вот, как сейчас. Один человек. Безветрие. Окна практически закрыты, 895 ррм. Это соотв. воздухообмену около 30 м3/ч

Если "СО2 > 1000 ррм - мы все умрем":

• В хрущевках с пластиком - 2000 ррм легко. С 60-ых годов, люди на зиму заклеивали окна. Сначала газеты, потом полоски такие продавались... вот прям варили клейстер и по осени клеили. Некоторые (люди) живы до сих пор.

• В школьных классах к концу урока, меньше 3000 ррм не бывает, до 4000 - легко.

• "Душновато", у самых чувствительных, начинается с 1500 ррм. Причем, как правило этот триггер срабатывает не на СО2, а на сочетание температуры и влажности (типа в хамаме).

Ну и кому интересна биохимия - 6% СО2 в крови (арт.) - все Ок. 3% - в ПИТе все на ушах, потому что дальше гипокапния и смерть.
Кислород упал на 20% - всем плевать. ничего не будет.
СО2 - газ, без которого мы не можем жить (нет, это не повод одеть полиэтиленовый мешок на голову, это просто к слову, чтоб не было бреда про страшный яд).

За 5 лет эксплуатации, косяк (ограничивающий область применения такого решения) - вылез один. Сильные морозы, ниже -35. Вначале начинают обмерзать окна снаружи.

В связи с этим, предел по применения такого решения - климат Вологды.
Пару раз в году, когда дня четыре стоит ниже -35 (далеко не каждый год) , придется отковырять лед (минуты три делов).
Воркута - однозначно нет, там такая фигня может месяц подряд, ковырять замучаешься.
Москва - прокатит легко, Питер - тем более.

Как часто приходится "регулировать" (чуть прижать, чуть отжать повернув ручку...) - ну, может раз в месяц, может в неделю, в основном, когда ветер от 15 м/с (редко).

Как определить, что нужно открыть/закрыть. Нет, не по самочувствию.
Мимо приборчика проходишь, а там ажно 630 ррм, т.е. тепло на ветер, ну придавил ручку.
Через день (ветер стих) глянул - .1100 ррм, - ну отпустил ручку и не подходишь пару недель.

Нет, проветривания типа регулярно открыть форточку и вот это вот все - не практикуется.
Но, если в кухне-гостинной (30 м2) пяток здоровых мужиков "обсуждают вообще за жисть" - через полчаса, СО2 переваливает за 2000, тогда да, просто открывается окошко. Тогда проветривание.

В целом. В эксплуатации - не напряжно, для двоих проживающих и не в арктике - абсолютно живое решение.

Хотел все сразу в одной статье, но будет совсем много буков. Поэтому в следующей статье будет, про:

асинхронную, независимую по помещениям, со свободно перестраиваемыми потоками, без воздуховодов (управляемых задвижек и прочей хрени стоимостью в эскадрилью истребителей), в бюджете пары-тройки тыщ на комнату. С рекуперацией, управлением по СО2 и следящей за присутствием людей - вентиляцию! (во я завернул!)

Ну и заодно - это система, которую вовсе не обязательно строить, проектировать сразу. Ее можно добавить в любой момент (попробовали халяву, не прокатило - строим вент.систему).

ЗЫ. И черкните, систему вентиляции описывать только на уровне идей, конструкций, или с цифрами, расчетами?

Вверху группа безопасности, предохр. клапан, манометр, расширительный, воздушник. Воздушники кроме этого, стоят на коллекторах подачи и обратки.

Ничего сложного, главное заливать по одному контуру, закрывая остальные и не забыть открыть все воздушники. Заливаем в коллектор подачи, через прозрачный шланг, периодически включая насос. Пока, при включении, уровень не перестанет уходить. Закрываем этот контур, открываем следующий. Потом, некоторое время скидываем воздух (воздушниками, подливаем теплоноситель по мере выхода воздуха из системы.

Сверху, все это накрыто ОСП 9 мм (не потому что правильно, а потому что вон в том углу лежало) и линолеумом. В паре спален - крашенный оргалит.

Сколько стоит.

• Полкилометра трубы PE-RT2

• 60 литров пропиленгликоля

• циркуляционный насос

• коллектор на 7 контуров (краны подачи, термоголовки обратки, два воздухоотводчика, краны слива/залива)

• эл. котёл 5 кВт

• настраиваемые байпасный клапан,

• группа безопасности (предохранительный клапан, расширительный бак, воздухоотводчик, манометр).

• фитинги

• крепеж трубы

• Всего на 56 тыс. руб. Цены начала 2019-го

Теплоносителя, кстати не хватило, примерно 10 литров, хотя брал с запасом (расчетным) 5 литров. Видимо либо трубы расширяются, либо внутренний диаметр чуть больше указанного.

Что хорошо, что хреново в таком решении, в чем риски.

Хорошо цена, простота, время монтажа.

Хреново - температурная зебра, рост температуры теплоносителя и как следствие рост теплопотерь (перегрев пола). Для обычных конструктивов пола (слои утепления 150-200 мм с кучей мостиков холода) - решение не приемлимо вообще. В моем случае, схема рабочая, но на грани. Тепловая зебра заметна при старте разогрева. Потом, даже босиком не замечаешь, но, если искать специально, обнаружить можно (на грани чувствительности). По температуре теплоносителя при -43С, уже говорил, 55С, это много.

Правильная конструкция (без стяжки)

Точно так же кладем улитку трубы. Шаг 200 мм, для такого дома, более, чем достаточен, для любого климатического района страны.

Между трубами, укладываем полоски ГВЛ, 20 мм, либо два слоя по 10. Швы и над трубами, заливаем плиточным клеем. На этот же клей, кладем сверху ЦСП 10 мм, стыкую без зазора в центра, оставляя зазор у стен. Далее, любое финишное покрытие.

Как это проектировать

Гидравлика. Ну, если у Вас площади отдельных контуров не более 20 м2 (а больше и не стоит) и контуров до десятка, то гидравлический расчет сводится к берем самый дохлый циркуляционный насос, шланг 16, шаг 200 мм. Все прокачает и на этом гидравлический "расчет" закончен.

Если иное, или просто охота посчитать, качаем VALTEC.PRG.3.1.3. Программа для теплотехнических и гидравлических расчетов и развлекаемся.

Теплопотери и мощности. Достаточная (про мощность двигателя ролс-ройса). Тут примерно так же. Шаг 200, площадь контура до 20 м2 - достаточна по тепловыделению до -50С.

Практика. При -43С улицы, +23С дома, отапливаемой площади 80 м2, двоих чел. в доме, концентрации СО2 порядка 800-1000 ррм (воздухообмен около норматива, 60 м3/ч) - потребная мощность отопления 4-4,5 кВт (от ветра).

Если кому прям вот нужно посчитать - сделаю отдельную статью. Но обычно, такие расчеты никто не считает.

В целом - ведете улитку указанной трубой с указанным шагом, ограничивая указанную площадь контура и этим, все расчеты можете считать завершенными.

Как настраивать и управлять.

В зависимости от целей. Если Вы живете в доме, и задача ограничена поддержанием заданной температуры, то достаточной вот такого устройства

Включают в последовательно биметаллической релюшке котла. Регулятор котла (температуры теплоносителя) выкручиваем градусов на 60, он теперь будет аварийным.

Соотв. приблуда отключает/включает релюшки управления ТЭНами.

Открываете полностью краны тех комнат, где постоянная обитаемость, ну и прихожую заодно. Остальные прикрываете кранами обратки и(или) подачи соотв. контура.

Насколько прикрываете - метод тыка. Ориентировочно речь идет о 90% диапазона регулирования на первых полутора оборотов крана. Я обычно в спальнях делаю попрохладней, регулирую шагами, по 45 градусов.

Никаких регулирующих термоголовок, расходомеров в этом случае нафиг не нужно.

Тяжелый случай

Приеду послезавтра к 18:00, хочу чтоб автоматика обеспечила +22 на кухне и +18 в спальне, причем строго к 18:00, и шоб не было лишнего перетопу!

Короче, если нужны такие извраты, то:

• Ищем (на али) приблуду "thermostat electric actuator valve head" На момент написания - 250 руб, на каждый контур. Приблуда - умеет управлять краном коллектора ТП.

• Для включения приблуды, ищем самые дешевые оптосимисторы (без снабберной части, не нужна).

• Оптосимистор цепляем к ардуинке, черри... (раньше была замечательная отладочная платформа на ванвайре - Бенукс, увы - померла). Ну и развлекаеся со скриптами, начиная с парсинга прогнозов погодных сайтов, кончая расчетными модельками разных переходных процессов.

Мне, такое, как-то не понадобилось :) Хотя в эскизах, системку накидывал (под Бенукс).

Что лить в систему.

Либо дистиллированную воду, либо пропиленгликоль, либо разбавленный спирт/паленка/водка.

Лучший теплоноситель - вода (теплоемкость, вязкость), минус один - риск заморозить, если надолго отключить и уехать.

Пропиленгликоль - народ говорит про замены край через 5 лет, пока идет шестой год, отличий в работе не заметно.

Косяки спирта - баланс между рисками замерзания и пожароопасностью. Пара физ. фактов:

• 5% (объемные проценты) спирт, на границе ГЖ и ЛВЖ (горючая и легко воспламеняемая жидкости). ГОСТ 12.1.044-89, граница между ГЖ и ЛВЖ - +61С, этанол 5% - как раз +61,8С

• Эти 5%, замерзают уже при -2.

Ну и пара табличек в пруфы:

В целом, если спирт, то от 40% и с пониманием, что оно горючее и его много (более 60 л на площадь пола 80 м2)

Еще один миф, про инерционные дома, которые "экономичны", про "инерция наше все" и т.д.

Типа преамбулы. Это уже моя песочница (теория управления), поэтому позволю себе простые, наглядные модели.

На воде, при скорости стремящейся к нулю, сила сопротивление движению тоже стремится к нулю. Работы (энергия) - это произведение силы на расстояние. Если задача причалить судно, то при околонулевых силах, затраты энергии будут тоже околонулевые и равные для причаливания океанского лайнера и байдарки.

Это с позиций физики в идеальных условиях (ну там всякие ветра, волнения - уберем сильным колдунством).

А с позиций "как оно по жизни" - для причаливания лайнера, за час ерзанья потребуется с десяток тонн соляры. А на байдарку - пара взмахов веслом.

И никаких противоречий с физикой нет, просто в реалии, никто не хочет швартовок длительностью примерно в вечность. Надо побыстрей.

А побыстрей, это управление и ОШИБКИ УПРАВЛЕНИЯ (без которых, управления не бывает). Лайнер нужно вначале разогнать (вложив бездну энергии), потом тормознуть (выкинуть вложенную энергию на подогрев моря). Потом снова разогнать и т.д. И на каждый чих - соляра ведрами.

Авто на трассе и в городе. Один вес, одно сопротивление качению, МЕНЬШЕЕ воздушное сопротивление (меньшие скорости) и бОльший расход топлива.

Потому что в городе, возникает задача управление скоростью, светофоры там, которые опускают скорость до нуля, а на последующий разгон требуется 0.5mv^2, которые у следующего светофора будут скинуты на разогрев колодок. И, замечу, чем больше масса машины, тем бОльшая разница между расходами трасса - город, тем бОльшая цена ошибок управления.

Ровно тоже, происходит в инерционных домах. У нас - разогрета плита пола, под уличную -40С. В течении суток, на улице теплеет до -10С, в доме, неизбежно станет жарко, люди открывают форточки, выбрасывая тепло, тем больше, чем больше его было запасено, т.е. чем больше теплоемкость (теплоинерция) дома.

При резком похолодании, при старте разогрева дома после какой-то консервации, возникает другая проблема, мощность источников тепла достаточная для поддержания +24С при -45С, вдруг, становится недостаточной. при каких-то -15С, слишком долго разогревается и люди в дополнение к теплым полам, лепят радиаторы.

Все это разумеется не на уровне "ой все пропало", но вполне заметные явления.

Короче, цепляю интересную табличку.

Короче выводы:

• инерция за год, нифига не наэкономила, скорей немного проиграла.

• Снижение температуры в доме, дает на треть бОльший выигрыш для утепленных домов и меньший для инерционных, 9,7%, против 6,3%.

При этом, разумеется, инерционные дома могут экономить. Но, уже не ЭНЕРГИЮ, а ФИНАНСЫ. Т.е. если топите печкой, нифига не экономите, если электро по ночному тарифу - то экономия.

Еще раз повторю. Речь не о драматических разницах в энергии. Речь скорей о комфорте.

Ну и о том, что теплые полы, позволяют немного экономить на разнице в целевой температуре. Опять таки, вопреки лозунгам зафанатевших теплопольшиков - немного. В пределах 0,5-1 градуса. Т.е., если вам с батареями комфортно при +24С, с теплым полом, будет примерно также, при +23С.

Теплоинерция и теплоАКБ.

Не синонимы. Да, к примеру, в стяжке теплого пола, можно накопить теплоэнергию. Но, это аналог АКБ, который дико течет, саморазряд у него.

Его нельзя зарядить сегодня, а использовать через неделю, когда потребовалось. Он за пару суток, разрядится в ноль, вне зависимости, нужно Вам в эти сутки тепло, или нет.

Поэтому, все же более перспективным, считаю теплоАКБ. Который, в случае хорошо утепленного дома, требуется в разы меньшей и емкости и мощности.

Ну и уже не мифы, а просто прикинем параметры и цену простейшего теплоАКБ.

Пойдем от печки (котла). Теплотворная способность дров, где-то 15 МДж/кг. Пусть в котле сгорает 5 кило дров в час. Это мощность порядка 5*15000/3600=20 кВт, с учетом КПД в воду пойдет поток 14 кВт, или 14*3600=50МДж. Нам нужно, чтоб этот залп не разорвал хомячка на куски. Ограничим диапазон нагрева в 30С (с +30С, до +60С) для пластиковой емкости.

Для нагрева литра воды на градус, нужно 4,18 кДж. На 30С - 4,18*30=125 кДж.

50 000 кДж (50МДж), нам хватит для нагрева 50000/125=400 литров воды. Еще раз, одна топка, при которой за час сгорит 5 кило сухих дров, нагреет бак в 400 л. на 30С.

Насколько хватит этой энергии? Я на примере своего дома, при -6С. Для нагрева на 30С (до +24С в доме), мне хватает мощности в 1,7 кВт. 50 МДж я сожру за 50/1.7=29,4 часа. Т.е. при -6С улицы, хватит одной топки в сутки.

Сколько может стоить такой АКБ? Ну, самый наглый вариант - 130 руб + пара дырявых бочек 200 л которые "вон там валяются" (130 руб. стоит пластиковый вкладыш в такую бочку).

Контур нагрева для теплых полов и предварительного нагрева бойлера - внаглую крутим спираль из труб теплого пола. Ну и утепление, коробка из двух-трей слоев пеноплекса 50 мм, с перехлестом швов. Грубо, если коробка 2*1*1 метр, это 10 м2, или примерно 12 тыс. за пеноплекс слоем 100 мм. Если покупать пластиковую бочку, то на 500 л, начиная с 9 тыс.

При -36С улицы, топить (греть теплоАКБ) - придется дважды в день.

Или брать бак удвоенной емкости. Который все равно придется топить дважды (с одного раза запаса дров в печке не хватит) :)

Или большой теплообменник (кубовый) и большую печку (киловатт на 30), этого хватит на сутки при серьезных морозах (одна топка в сутки).

Есть НО. Все это верно, для домов с очень малыми теплопотерями. Для плохо утепленных домов, изба, камень... - объемы теплоАКБ сразу идут в кубах. И прогреть такое, пятилитровым котлом, уже не получится, там все размеры и цены растут в логарифмической прогрессии.

Впрочем, о связи цен на инженерку с потребными мощностями, уже писал. Тепловой насос на 3 кВт - 30 тыс, на 20 кВт - поллимона, и, вот это все, что следует знать о последствиях слабого утепления..