Как работают #домашние_термостаты: от ртутных колб до умных приложений
Ваш термостат — это «мозг» системы комфорта вашего дома. Он определяет, работает ли печь или кондиционер. Эти две системы потребляют больше всего электроэнергии в вашем доме. Он также определяет ежедневный комфорт. Вы, вероятно, не задумываетесь об этом слишком много. Но растущие затраты на энергию означают, что пришло время присмотреться к этому внимательнее.
Технология внутри удивительно проста. Давайте разберем домашний термостат. Проследим его эволюцию от громоздких механических переключателей до сложных цифровых панелей. Узнайте, как на самом деле работают современные функции, такие как дистанционное управление и зонирование системы.
Эра ртутного переключателя
Начнем со старого образца. Вы все еще можете увидеть их в мотелях и старых домах. Ключевым компонентом является ртутный переключатель. Это стеклянная колба. Она содержит небольшое количество жидкой ртути.
Ртуть — жидкий металл. Проводит электричество. Она течет как вода. Внутри колбы находятся три провода.
Сквозь дно проходит нить. Ртуть постоянно контактирует с ней. Есть еще один провод слева. Если наклонить колбу влево, ртуть заполняет зазор в этой нити. Третий провод находится справа. Если наклонить вправо, цепь замыкается там. Простая физика. Никакого программирования не требуется.
Биметаллическая лента и регулировка температуры
Как термостат узнает, когда наклонить колбу? Посмотрите на термометр. Один показывает температуру на крышке. Другой находится на верхнем этаже. Управляйте своей системой ОВКВ (отопление, вентиляция и кондиционирование).
Это не цифровые датчики. Скрученная биметаллическая пластина.
Биметалл — это два разных металла, соединенных вместе. Каждый металл расширяется с разной скоростью при нагревании. Тщательно выбирайте металл. Нагретые полосы. Внутренний металл расширяется больше, чем внешний слой. Лента распрямляется. При охлаждении она сворачивается.
Средняя часть спирали соединена с регулировочным стержнем температуры. К кончику спирали прикреплен ртутный переключатель. По мере того как спираль наматывается и разматывается, ртутный переключатель наклоняется. Влево или вправо? Включить или выключить.
Управление цепью и вентилятором
В недигитальных термостатах есть два механических переключателя. Они не используют сенсорные экраны. Они используют механические движения.
Эти переключатели перемещают маленькие металлические шарики. Шарик катится по контактным дорожкам печатной платы. Один переключатель устанавливает режим: отопление или охлаждение. Другой управляет циркуляционным вентилятором.
Это цепная реакция. Изменения температуры. Лента распрямляется. Колба наклоняется. Шарик катится. Цепь замыкается. Ток течет.
За пределами машин
Мы объяснили основы механических термостатов. Но мир движется вперед. Цифровые модели теперь распространены. Они используют термистор для повышения точности. Предлагают программируемые расписания. Могут управляться с мобильного телефона.
Несколько инноваций могут помочь повысить доступность. Говорящий термостат объявляет настройки для слабовидящих. До появления Wi-Fi вы могли удаленно управлять термостатом через телефон. Сегодня умные термостаты могут изучать ваши привычки.
Понимание старых устройств может помочь в устранении неполадок. Это также подчеркивает, как далеко мы продвинулись. Вам не нужна степень по физике, чтобы понять управление климатом в доме. Меня это немного интересует. И, возможно, вас.
Помните о ртути каждый раз, когда поворачиваете ручку или касаетесь экрана. Не забывайте о движении металла. Все работает вместе. Чтобы согреться. Или охладиться. Это зависит от того, что вам нужно.
Механизм внутреннего нагрева и охлаждения
Поверните рычаг вверх. Внутри это движение вращает биметаллическую спираль. Ртутный переключатель наклоняется влево. Электрический ток быстро проходит через жидкий металл. Реле щёлкает. Нагреватель включается. Вентилятор начинает вращаться. Я чувствую тепло.
Но это не будет длиться вечно. Когда комната нагревается, радиатор ослабевает. Переключатель возвращается вправо. Цепь разрывается. Нагреватель останавливается.
Охлаждение работает так же, но в обратном направлении. Поверните переключатель вниз. Реле подаёт питание на кондиционер. В комнате становится прохладнее. Спираль скручивается. Ртутный контакт снова выступает. Этот цикл повторяется.
Однако есть проблема. У механических термостатов есть «слепые зоны». Воздух «внутри» корпуса термостата может нагреться до 72 градусов раньше, чем остальная часть жилой комнаты. Если нагрев продолжается до тех пор, пока локальный воздух не станет идеальным, коридоры будут потеть.
Вступает в игру ваша калибровка.
Устройство отключает нагреватель преждевременно. Ожидается, что остаточное тепло от печи продолжит излучаться в комнату даже после выгорания горелки. Это простая катушка сопротивления.
Когда нагреватель работает, ток течёт от ртутного переключателя по жёлтому проводу к петле сопротивления. Двигайтесь по проводу, пока не достигнете ползунка. Оттуда перейдите к печатной плате.
Поверните ручку. По часовой стрелке. Вы можете увеличить длину провода сопротивления, через который должен пройти ток. Сопротивление выделяет тепло. Более высокое сопротивление означает, что в датчике генерируется больше тепла. Это дополнительное тепло позволяет биметаллической спирали быстрее раскручиваться. Термостат думает, что в комнате теплее, чем это на самом деле. Питание отключается преждевременно. Печь остановилась, но тепло продолжалось.
Далее мы рассмотрим, как эти компоненты взаимодействуют с электрической системой вашего дома.
Основная информация о проводке
Старые системы полагаются на физические соединения. Этот термостат использует 5 проводов. Каждый имеет свою задачу.
- RH : Ток от трансформатора отопления (24 В переменного тока).
- RC : Ток от трансформатора охлаждения (24 В переменного тока).
- W : Сигнал для включения отопления.
- Y : Сигнал для запуска компрессора кондиционера.
- G : Сигнал для запуска вентилятора.
Два трансформатора обеспечивают работу системы. Они обеспечивают питание низкого напряжения, необходимое для срабатывания реле печи или блока кондиционирования. Когда вам нужен холодный воздух, просто следуйте этому пути.
Питание поступает от RC. Переключатель режимов направляет ток к дорожкам, которые идут в правый нижний угол платы. Затяните винт и подключитесь к розовому проводу. Розовый провод подключён к нижнему проводу ртутного переключателя.
Поверните переключатель вправо для охлаждения. Электричество течёт через ртуть к синему проводу. Синий провод подключён к контактной площадке в левом нижнем углу. Оттуда дорожки на печатной плате подают питание обратно на переключатель режимов. Ток течёт через точку контакта.
Ток достигает клеммы G. Вентилятор запускается. Ток также течёт через разъём Y. Компрессор запускается. Дует холодный ветер.
Цифровые устройства и машины
Механические переключатели очень надёжны. Но они «глупые».
Цифровой термостат использует термистор. Резистор, значение сопротивления которого меняется в зависимости от температуры. Микроконтроллер считывает этот резистор. Преобразует числа в точные измерения температуры. Не содержит ртути. Нет движущихся частей и нет залипания.
Причины перехода на программируемость.
Механический термостат остаётся на 72 градуса, пока вы его не тронете. Цифровые устройства запоминают ваш график. Запрограммируйте отключение отопления, когда вы уходите на работу в 8:00. Включение, когда я прихожу домой в 17:00. Повторный нагрев посреди ночи.
Прекратите обогревать пустые дома. Прекратите охлаждать пустые квартиры. Здесь экономится деньги.
Разделение системы
Ваш дом может обладать собственным характером. В некоторых комнатах летом можно печь хлеб. Зимой в других вещами может всё замерзнуть. Это не просто ваше воображение. Когда температура поднимается, верхний этаж становится очень жарким. Подвал остаётся холодным. Потолки с высокой высотой быстро рассеивают тепло. Солнечная комната превращается в духовку. Одеяла не решают физических проблем. Требуется зонное управление, чтобы выровнять условия.
Это не ракетостроение. Устанавливается несколько термостатов. Они подключены к центральному блоку управления. Этот блок перемещает заслонку внутри воздуховода. Термостат контролирует эту зону. Отправляет сигналы открытия/закрытия заслонке. Это гарантирует, что воздух подаётся именно туда, где он необходим. Есть свободные комнаты? Закройте заслонку. Экономьте энергию.
Экономия средств
Речь идёт не только о комфорте. Это касается и вашего кошелька. Согласно Министерству энергетики США, вы можете сэкономить до 30% на расходах на отопление и охлаждение. Подумайте об этом. Отопление и охлаждение уже потребляют 40% вашего счета за электроэнергию. Цель зонирования — предотвратить потери. Если в комнате никого нет, не направляйте туда воздух. Простой расчёт. Сэкономьте много денег.
Руководство по самостоятельной установке
Большинство владельцев домов колеблются из-за цены. Для среднего человека установка не является проектом на выходные. Традиционная установка требует участия специалиста. Но есть альтернатива. Программа изобретений и инноваций Энергетического агентства финансировала решение для модернизации. Оно называется Retro Zone.
Установите воздушную часть управления гибкой заслонкой. Сочетайте их с электронной системой регулятора и воздушных заслонок. Без громоздкого двигателя. Существующие каналы останутся неизменными. Никаких структурных изменений. Не нужно разбирать стены.
Гибкие заслонки эффективны. Существуют круглые и квадратные модели. Заполняются воздухом для предотвращения или обеспечения потока. Они устойчивы к теплу, влажности, старению, озону и химическим веществам в воздухе. Устойчивы? Это, вероятно, не имеет значения. Большинство уязвимостей не влияют на производительность. Могут быть установлены в стальных трубах или гибких воздуховодах. Установка проста. Просто вставьте на место. Они работают с большинством панелей зонного управления.
Список покупок
Если вы готовы собрать это устройство, вам понадобятся следующие предметы в вашей корзине:
- Термостат для каждой зоны
- Электромагнитный привод
- Соленоидные клапаны
- Панель зонного управления
- Гидростатический переключатель
- Трансформатор
- Огнеупорная лента
- Конечный выключатель управления
- Гибкая заслонка
Настройка размера системы
Проект изменяется в зависимости от количества зон. Не пропускайте этот этап.
В двухзонной системе поддерживайте размеры зон примерно одинаковыми. Воздуховод каждой зоны должен быть способен обрабатывать 70% от общего расхода воздуха (CFM — кубические футы в минуту) блока HVAC.
Три зоны? Убедитесь, что их размеры максимально близки. Каждая труба теперь может обрабатывать до 50% от общего расхода воздуха.
Четыре зоны. Возможно, потребуется увеличить диаметр воздуховода на 1 дюйм. Требуется дифференциальный переключатель давления. Обязательны верхние и нижние пределы защиты. Почему? Чтобы избежать больших потерь. Не перекрывайте полностью поток воздуха над теплообменником или радиатором. Последствием может быть повреждение системы HVAC. Сначала защитите своё устройство.
Далее давайте рассмотрим ещё одно новшество в домашних термостатах: говорящий термостат.
Разговорный термостат — это не просто устройство из научной фантастики. Это полезный инструмент для пожилых людей, слабовидящих и всех, кому требуется управление без использования рук. Устройство сообщает время, дату, заданную температуру и текущую температуру в помещении. Также имеется аудиогид по установке.
Они полезны даже при идеальном зрении. Проблемы с системами отопления, вентиляции и кондиционирования (HVAC) часто остаются незамеченными, пока не обходятся в копеечку. Даже небольшие проблемы могут перерасти в крупные, если их не учитывать. Разговорный термостат предупреждает, если требуется ремонт. Он также сообщает, когда нужно заменить фильтр. Своевременная замена помогает снизить расходы на отопление и охлаждение. Это также помогает контролировать аллергию.
Некоторые модели используют голосовые команды. Скажите «термостат», а затем «повысить» или «понизить». Остальное происходит автоматически. Это обеспечивается цифровым сигнальным процессором (DSP). DSP фильтрует аналоговые сигналы реального мира, преобразуя их в цифровые сигналы. Затем они отправляются через специализированные интегральные схемы (ASIC). Термостаты реагируют в реальном времени.
Это устройства высокого класса. Они включают все удобные функции качественного термостата. Встроенная функция задержки предотвращает внезапные циклы запуска. Это защищает компрессор. Компрессор — самая дорогая часть системы. Задержка снижает износ. Эти устройства программируемы. Они обогревают или охлаждают только тогда, когда это необходимо.
Снижение затрат с помощью интеллектуальной настройки
Снизьте температуру на 1 градус по Фаренгейту (0,6 градуса по Цельсию) на 8 часов в день. Вы можете сэкономить около 1% на расходах на отопление и охлаждение. Снижение температуры на 10 градусов по Фаренгейту (5,6 градуса по Цельсию) может сэкономить около 10%. То же самое относится и к кондиционерам. Повысьте температуру на 10 градусов по Фаренгейту на 8 часов в день. Вы можете сэкономить около 10% от счета.
Телефонный термостат
Это отличное решение для сдачи жилья в аренду. Вам не нужно платить за отопление и охлаждение двух домов. Программируемые термостаты требуют тщательного планирования. Вам нужно идеально синхронизировать время своего прибытия. Телефонные термостаты работают иначе. Вы можете обогреть или охладить свой дом, просто позвонив.
Заменяет существующий термостат. Подключается к вашей системе HVAC и телефонной линии. Позвоните на объект. Введите пароль на телефоне с тональным набором. Вы получаете доступ к управлению. Настройте параметры температуры. Также измените режим работы системы.
Цифровой микропроцессор обрабатывает эти функции. Включает кнопку-сенсор и модуль телефонного интерфейса. Вы можете «общаться» с термостатом вашего дома через внутренний телефонный интерфейс. Отдельная телефонная линия не требуется. Работает вместе с автоответчиком или голосовой почтой. Если у вас есть высокоскоростное подключение DSL к Интернету, ваша линия должна иметь фильтр DSL.
Умный термостат и управление через Wi-Fi
Смартфоны и приложения помогают вам избегать стационарных телефонов. Умный термостат с поддержкой Wi-Fi теперь доступен. Регулируйте температуру в своем доме с помощью сенсорного экрана смартфона. Существует множество приложений. Они варьируются от бесплатных до нескольких долларов. Как и большинство приложений, они доступны по цене.
Технологическое развитие приносит пользу потребителям. Простые устройства становятся умнее. Объединяйте различные функции, чтобы экономить средства и снижать стресс.
Место установки
В идеале термостаты следует размещать там, где люди проводят больше всего времени. Держите его примерно в 1,5 метра (5 футах) от пола. Соблюдайте минимальное расстояние 18 дюймов (46 см) от внешних стен. Не подвергайте воздействию источников тепла. Источник — солнечный свет. Другие устройства являются источниками. Источник — выхлопная труба обогревателя. Окна являются источником. Трубы горячей воды являются источником воды.
Избегайте размещения рядом с лестницами. Избегайте углов. И то, и другое может повлиять на циркуляцию воздуха. Плохая циркуляция воздуха может привести к неточным показаниям. Система HVAC работает неправильно. Это приводит к потере энергии. Вы теряете комфорт. Термостаты требуют постоянного потока воздуха.
«Не подвергайте воздействию источников тепла, кроме воздуха в помещении.»
Часто задаваемые вопросы
Как работает зонирование системы с современными термостатами?
Зонирование системы включает управление несколькими термостатами в разных зонах вашего дома. Это позволяет устанавливать индивидуальную температуру для каждой зоны. Пустая комната не будет обогреваться.
Может ли умный термостат значительно снизить расходы на энергию?
Да. Они понимают ваш график и предпочтения. Они автоматически регулируют температуру. Это оптимизирует потребление энергии. Поддерживается комфорт.
Где лучшее место для термостата?
Установите его на внутренней стене. Держите в 5 футах от пола. В 18 дюймах от внешней стены. Избегайте прямого солнечного света и сквозняков.
Нужен ли мне профессионал для использования телефонного термостата?
Это включает подключение системы HVAC к телефонной линии. Самостоятельная установка возможна, если вы знакомы с базовыми электромонтажными работами. В противном случае наймите специалиста по HVAC. Безопасность прежде всего.
Насколько точны термостаты с голосовым управлением?
Да. Фильтруйте и преобразовывайте звук с помощью цифрового сигнального процессора. Отклик происходит в реальном времени. Он реагирует на команды, такие как «повысить» и «понизить».
Рынок постоянно меняется. Появляются новые функции. Цель остается прежней. Возьмите контроль над своей средой. Экономьте деньги. Чувствуйте себя комфортно. Что мне обновить следующим?
Где углубиться?
Если вы просто хотите понять механику работы тепла, начните с основ. Как на самом деле термометр измеряет температуру? Как кондиционер перемещает и охлаждает воздух? Узнайте больше о физике по ссылке ниже.
- Как работает термометр
- Как работает кондиционер
- Как работает водонагреватель
Далее обратите внимание на электричество, которое их питает. Вы не сможете отремонтировать распределительную панель или подключить новую розетку, если не знаете разницу между амперами и вольтами.
- Что такое амперы, ватты, вольты и омы?
- Как работают провода, предохранители и разъёмы
- Реле
Даже если вы не работаете с автомобилями, системы охлаждения удивительно похожи. Будь то блок двигателя вашего автомобиля или система HVAC вашего дома, логика охлаждения одинакова.
- Как работает система охлаждения автомобиля
- Как работает ледогенератор
Умное управление и экономия
Здесь и лежат деньги. Программируемые термостаты — это больше, чем просто роскошь. Вот как можно «отказаться» от счета за электричество, не замерзая в темноте.
- Программируемый термостат: удобный способ «снизить» счета за энергию
- Информационный лист: Программируемые термостаты
- Термометр и термостат
Хотите спланировать свой дом? У Honeywell есть рекомендации по температурным зонам. Хотите поговорить с термостатом? Существуют модели с голосовым взаимодействием.
- Информационный лист: Программируемые термостаты
- home.honeywell.com
- Включите голосовой интерактивный термостат Mart Kelvin
- Разговаривающий термостат
Информация за комфортом
Откуда берётся эта информация? Она поступает из energy.gov и реальных испытаний.
- Эффекты зон отступления (energy.gov)
- Информационный файл о зданиях (energy.gov)
- Архив разговаривающих термостатов
