Kuivanapitolämmitin v2

Tässä on rakennusohje miten kolmenkymmenen euron hintaisista osista saa itse rakennettua kuivanapitolämmitysohjaimen. Sitä saa vapaasti rakentaa ja muutella omaan käyttöön. Tällä sivulla olevan materiaalin, kuvien, suunnittelutiedostojen ja lähdekoodin osittainenkin käyttö kaupallisiin tarkoituksiin sallittu vain tekijän kirjallisella luvalla. Yhteystieto sivun alareunassa.

Ohjaimessa on seuraavat ominaisuudet:

• Ohjaa lämmitintä releen avulla
• Näyttää sekä sisä- että ulkolämpötilan ja ohjausreleen tilan
  
• Pitää sisätilan halutun verran ulkolämpötilaa lämpimämpänä, lämpötilaero aseteltavissa
• Säädettävä hystereesi
• Säädettävät sisälämpötilan ylä- ja alarajat jota kylmemmäksi sisätilaa ei päästetä ja jota kuumemmaksi sitä ei lämmitetä
• Säädettävä ulkolämpötilan alaraja jota kylmemmässä lämmitys sammutetaan kokonaan (vaihtoehtoinen em. sisälämpötilan alaraja-asetukselle)
  
• Tuntilaskurit kokonaisajalle ja ajalle jonka lämmitin päällä, voi käyttää kulutuksen seurantaan

Vastuuvapauslauseke: Käyttö omalla vastuulla. En ota mitään vastuuta jos homehdutat, poltat tai muuten tuhoat talosi tai jos halkaiset vesijohdot tai saat sähköiskun tämän sivun ohjeiden avulla tai niiden inspiroimana.

Kuivanapitolämmityksen perusteita

Kuivanapitolämmityksellä tarkoitetaan lämmitystä, jossa rakennusta lämmitetään vain sen verran, että sen rakenteet pysyvät kuivina. Yleisimmin tämä tarkoittaa sitä, että rakennuksen sisälämpötila pyritään pitämään muutaman asteen ulkolämpötilaa korkeampana. Yksinkertaisimmillaan tämä onnistuu pienitehoisella sähkölämmittimellä joka on jatkuvasti päällä. Tarvittava teho on noin 5-15 W/m2, riippuen rakennuksen eristyksestä ja ilmanpitävyydestä. Aiheesta on muutama vuosi sitten tehty TTY:llä varsin kattava tutkimus joten en höpise tästä sen enempää, kannattaa tutustua raporttiin tästä jos haluaa tietää asiasta tarkemmin.

Vakiotehoinen lämmitys toimii keskimäärin varsin hyvin. Nopeissa ulkolämpötilan muutoksissa se tietysti jää jälkeen. Kun ulkolämpötila laskee nopeasti, on lämmitys päällä 'turhaan'. Vastaavasti kun ulkolämpötila nousee nopeasti, vakiotehoinen lämmitys ei riitä pitämään sisälämpötilaa ulkolämpöä suurempana. Myös kirkkaana kevätpäivänä voi lämmitys olla turhaan päällä kun aurinko lämmittää ikkunoista.

Vakiotehoista lämmitystä hienostuneempi tapa on käyttää tehokkaampaa lämmitintä ja lämpötilaerotermostaattia. Lämpötilaerotermostaatti mittaa sekä sisä- että ulkolämpötilaa ja pyrkii pitämään niiden eron halutun suuruisena. Koska tällaisessa järjestelmässä lämmitin on tehokas, se estää sisälämpötilaa painumasta ulkolämpötilaa kylmemmäksi jos keli lauhtuu nopeasti. Näitä on nykyään jo jonkun verran saatavilla kaupallisiakin malleja:

• Produal lämpötilaerotermostaatti LEK 24-PT
• Probyte differentiaalisäädin
• Leveltec Promod Lite kuivanapitolämmitysohjain
  
• Lämpötilaerosäädin LES-K 05

Ja yksi toinenkin rakenteluohje Kahta lämpötilaa vertaava termostaatti

Lämmityksen ohjauksen älykkyyttä voisi lisätä entisestään mittaamalla lämpötilojen lisäksi ilmankosteutta. Sisäilman suhteellinen kosteus tulisi pitää alle 80%:ssa rakenteiden säilymisen takia. Käytännössä tähän pitäisi päästä n. 4 asteen lämpötilaerolla, sillä suhteellinen kosteus laskee n. 5 prosenttiyksikköä yhtä Celsiusastetta kohden. Tässä siis oletetaan että rakennuksen ilma vaihtuu sen verran että sisäilman absoluuttinen kosteus on sama kuin ulkoilman. Pitkien sadejaksojen aikana voisi olla järkevä pitää hieman suurempaa lämpötilaeroa että rakenteet pysyvät kuivana, kun taas kuivemmalla ilmalla riittäisi pienempi ero.

Ohjaimen toiminta

Tein syksyllä 2012 lämpötilaerotermostaatin ohjaamaan talon kylmälle kuistille sijoitettua jaloilla seisovaa lämpöpatteria. Tarkoituksena on pitää kuisti talvisin ulkoilmaa lämpimämpänä, mutta minimoida lämpöhukka. Kolmen talven perusteella se on toiminut kuten pitää. Tosin mitään konkreettista näyttöä lämmityksen hyödystä rakenteiden kannalta ei ole - kuka tietää onko sitä vuosikymmenten aikana aiemmin lämmitetty lainkaan.

Tekemäni termostaatti pohjautuu aiemmin tekemääni lämpömittariin, joka mittaa kahta lämpötilaa NTC-vastuksilla, laskee niistä lukemat PIC 16F690 -mikrokontrollerilla ja esittää sen 7-segmenttinäytöillä joita ohjaavat SAA1064 piirit. Lämpöpatterina toimii 1500W öljytäytteinen lämpöpatteri, jonka oma termostaatti on säädetty melko suurelle. PIC ohjaa patterille menevää sähköä puolijohdereleen avulla.

Vähitellen löytyi muitakin kohteita joissa olisi tarvetta vastaavanlaiselle ohjaimelle. Päätin suunnitella ohjainta varten piirilevyn, jotta niitä olisi helpompi rakentaa enemmän. Samalla yksinkertaistin kytkentää jättämällä SAA ohjainpiirit pois ja ajamalla näyttöjä suoraan PIC:llä. Lisäsin ohjaimeen myös käyttöliittymäksi enkooderin, joten hystereesit, lämpötilaerot ym. voi asetella tapauskohtaisesti nuppia pyörittämällä, aiemmin ne oli hardkoodattu. Tämäkin malli tarvitsi vielä ulkoisen jännitelähteen ja erillisen kuormanohjausreleen. Sen rakentamiseen tarvittava dokumentaatio on nähtävillä tästä linkistä. Tämä vanha 1.1 versio voi vieläkin olla johonkin tarkoitukseen ihan sopiva, jos on esimerkiksi lämmitin jota voi ohjata ilman erillistä relettä tai haluaa soveltaa sitä johonkin kokonaan toiseen sovellukseen.

Keväällä 2016 totesin yllämainitun ohjaimenkin turhan työlääksi rakentaa erillisen releen kotelointeineen. Lisäksi se oli melkoinen johtoviidakko erillisine purkkeineen. Niinpä suunnittelin uuden 2.0 piirilevyn jossa on myös jännitelähde ja rele mukana. Näin koko laitos voidaan rakentaa yhteen koteloon jossa on vain liitäntä sisään tulevalle sähkölle, patterille lähtevälle sähkölle ja lämpöantureille. Tähän saa sähköliitynnät tehtyä vaikkapa katkaisemalla laadukkaan jatkojohdon ja kytkemällä sen päät ohjaimeen.

Kytkentä

Leiska

Firmis

Tehonsyöttö ja lämmittimen ohjaus

Termistorit

Käyttöliittymä

• Difference tarkoittaa lämpötilaeroa, joka halutaan pitää ulko- ja sisälämpötilojen välillä. Oletusasetus tälle on 5 astetta
• Hysteresis on lämpötilasäädön hystereesi. Tällä estetään ettei lämmitin räpsy jatkuvasti päälle/pois kun lämpötilaero on juuri asetetun suuruinen. Jos käytössä on puolijohderele, tämä voi olla aika pienikin kun puolijohderele ei ole kuluva osa. Mekaanisella releellä sopiva arvo on esim. 1.0 asteen hystereesi, joka on oletusasetus.
• Low limit on alaraja jonka vaikutus riippuu mitä alarajan tyypiksi on asetettu.
  
• Jos tyyppi on 'antifreeze', asetus on alaraja jota kylmemmäksi ohjain ei sisälämpötilaa päästä. Tämän voi siis esimerkiksi asettaa muutaman asteen plussan puolelle jos rakennuksessa on vesijohto joka ei saa jäätyä. Jos kyseessä on kesämökki, jota käytetään satunnaisesti talvisin, alaran voi asettaa vaikka muutaman asteen pakkasen puolelle. Tällöin kovilla pakkasilla mökille tullessa sen lämmitys asuttavaksi ei kestä niin kauan kuin täysin kylmästä, mutta toisaalta kun lämmöt pidetään talvella pakkasella, home ei kasva. Oletusasetus on -5.0 astetta.
• Jos tyyppi on 'heater off', asetus on _ulkolämpötilan_ alaraja jossa lämmitys katkaistaan kokonaan. Tämän ideana on sammuttaa lämmitys kokonaan kun ollaan reilusti pakkasella, jolloin home ei kasva ja ilma on muutenkin kuivaa. Maksimoi sähkönsäästön. Kannattaa käyttää tätä toimintoa varoen ja mietittävä itse onko se soveltuva omaan käyttöön.
  
• High limit on yläraja jota kuumemmaksi sisätiloja ei lämmitetä. Ei esimerkiksi liene mielekästä lämmittää sisätiloja yli +30 asteeseen helteillä. Oletusasetus on +21 astetta
• Low limit type, alarajatyypin valinta. Tilojen nimet hiukan kryptiset kun puristettu neljämerkkisiin 7-seg kirjaimiin. Kuvaus edellä.
  
• Total hours laskee tunteja kuinka kauan ohjain on ollut käytössä
• Heater hours laskee tunteja kuinka pitkään lämmitin on ollut päällä. Kun tiedät lämmittimen tehon, tämän avulla voi helposti laskea kuinka paljon sähköä on kulunut. Maksiminäyttämät kummallekin tuntinäytölle on 9999, joka riittää hyvin vuositason seurantaan. Tällöin laskurit kannattaa nollata kerran vuodessa.
• Reset hours valikossa napin painaminen nollaa molemmat tuntilaskurit

Rakentaminen

Laitteen kasaamisessa ei ole mitään ihmeempiä niksejä. Mikrokontrollerin voi ohjelmoida kun laite on juotettu kasaan. Ohjelmointi onnistuu ainakin PICkit2, PICkit3 ja ICD3 ohjelmointilaitteilla. Kortilla on käytetty Tag-Connect sovitinkaapelille sopivaa footprinttiä X8. ICD3:lle sopiva kaapeli on TC2030-MCP-NL. Koska sekä ICD3 että Tag-Connect kaapeli ovat kalliita, on v2.0 piirilevylle lisätty budjettiratkaisuksi paikka piikkirimalle johon PICkit2 ja PICkit3 sopivat suoraan. Lisätietoja mikrokontrollerin ohjelmoinnista tästä.

Koteloon tarvittavien reikien poraamisen avuksi tein sapluunan, jonka pitäisi 1:1 skaalalla A4:lle printatessa olla oikean kokoinen. Ladattavissa tästä:

temp_controller_v21_sapluuna.pdf    5.6.2017

16 mm vedonpoistajien muttereita täytyy yhdeltä kantilta hieman veistää että ne sopivat paikalleen. Johtojen kytkemiseen ruuviliittimiin on hiukan heikosti tilaa, voi olla tarpeen kytkeä johdot kun kortti on vielä irrallaan ja vasta sitten ujuttaa se kotelon pohjalle. Tässä helpottaa jos vedonpoistot ruuvaa vasta lopuksi paikalleen.

Kustannukset