XVI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке. Летняя площадка 2022
Система вентиляции подвального помещения на платформе Arduino
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Погреб — это одно из наиболее благоприятных мест для появления плесени. Виной этому плохая вентиляция и гидроизоляция, и, как следствие, повышенная влажность. Многие уже перестали обращать внимание на грибок в погребе.
Однако, эти зловредные пятна на стенах и потолке должны заставить задуматься каждого, кто беспокоится о своем здоровье. Кроме того, если плесень завелась на стенах, она очень быстро перекинется на продукты, что существенно сократит срок их хранения.
Плесень имеет свойство быстро распространяться. То, что она заполонит всю стену — это ещё полбеды. Намного хуже для человека — споры плесени, ведь они проникают в организм через дыхательные пути и оседают в лёгких, а также попадают внутрь через кожу, пищу и предметы гигиены. Поэтому борьба с плесенью является важным гигиеническим мероприятием.
Основными причинами появления плесени в погребе являются плохая вентиляция и гидроизоляция, конденсат, долгое хранение подгнивших продуктов, а также использование полок из зараженной грибком древесины.
Выделяют три основных причины появления грибка:
влага, попадающая в хранилище капиллярным путем через стены;
протечка воды через трещины в конструкциях;
плохая вентиляция, способствующая образованию конденсата на стенах.
Задача убрать выпадение конденсата в подвале.
1. Постановка задачи
Дано: подвал не отапливаемый и не утепленный, кирпичный двухэтажный с огромной влажностью внутри, от которой гниет деревянное межэтажное перекрытие, на стенах зимой снежная шуба и прочая неприятная ржавчина. Зимой на стенах появляется конденсат, предметы покрываются влагой. Температура в подвале не опускается ниже 0...+2 градусов, т.е. вода не замерзает.
Задача: «Осушить» подвал.
Решение. Наиболее простой и не затратный способ, без использования специальных осушителей, это вытеснять внутренний сырой воздух более сухим наружным при помощи простого вентилятора.
2. Принцип работы
Для реализации автономной системы вентиляции нужно измерять температуру и относительную влажность воздуха в подвале и на улице (в приточной трубе вентиляции), из этих данных вычислять абсолютную влажность и если в подвале влажность больше чем на улице, включать вытяжной вентилятор.
Для этого установлено два «датчика» для Arduino DHT-11, которые по запросу передают данные о температуре и влажности. Команды на датчики отправляются с микроконтроллера Arduino, в котором вычисляется абсолютную влажность из полученных с датчиков данных, и выдается команду на включение или выключение вентилятора. Дополнительно информация может отображаться на LCD экране, и передаваться телеметрия на радиомодуль HC12.
3. Реализация на базе Arduino
Состав системы вентиляции (рисунок 1):
1. Ардуино нано 328.
2. LCD дисплей 16-02 подключен по i2c - отображает температуру, относительную и абсолютную влажность в подвале и на улице.
3. Реле - включает вентилятор.
4. Два DHT-11, один на улице, второй в подвале гаража - вычисление абсолютной влажности, измеряя температуру и относительную влажность воздуха в подвале и на улице из этих данных вычисляем абсолютную влажность и если в подвале влажность больше чем на улице на 0.5 г/м3 включаем вытяжной вентилятор.
Формула для вычисления абсолютной влажности В формуле ниже, температура (Т) измерена в градусах Цельсия, относительная влажность (rh) — в %, а е — это основание натурального логарифма 2,71828 [возведенное в степень, указанную в скобках]:
Абсолютная влажность (г/м3) =6,112 x e^[(17,67 x T)/(T+243,5)] x rh x 2,1674/(273,15+T).
5. Одна кнопка - включение и выключение дисплея.
Рисунок 1 – Схема подключения
Сравниваем две абсолютные влажности и если снаружи «суше» — включаем вентилятор, но не тут то было. Первая проблема в том, что если представить, что наружный воздух имеет постоянную влажность, а внутри никакого источника влаги нет, но есть сырой воздух, то при прокачивании через гараж наружный воздух будет смешиваться с имеющимся там воздухом и внутренняя влажность будет бесконечно приближаться к наружной, но не достигнет ее или достигнет очень не скоро. А это крайне неэффективно по электричеству. Очевидное решение — ввести какую-то разность влажностей, при достижении которой вентилятор выключать и считать внутренний воздух сухим, но тут возникает вторая проблема. При перепаде температур от +30 до -30 значение абсолютной влажности изменяется в тысячу раз. То есть при -30 градусах разница в 0.001 грамма на кубометр воздуха может означать, что вы пройдете точку росы и на стенах выпадет шуба. А при +30 эта тысячная ничего не значит, потому что в кубометре может висеть 20 грамм воды.
Никакого четкого, обоснованного решения придумано не было. Волевым научным тыком разность была принята в 0.01 грамма на кубометр из того соображения, что от инея на стенах вреда не много, поскольку при повышении температуры, при работе робота — лед просто сублимирует и будет удален с остальным воздухом. И из эмпирических соображений было введено еще одно энергосберегающее ограничение. При относительной наружной влажности выше 90% наружный воздух не прокачивается. Просто потому, что это ненормально высокая для нашего региона влажность и даже если этот воздух суше внутреннего — очень скоро и его тоже придется выкачивать. Цифра 90% так же с потолка.
Ардуино в коробке с автоматом, там же блок питания. На ней же справа внутренний датчик. Релейный блок в самой розетке. Выключатель принудительно включает вентилятор в обход реле. Шуба из инея зимой пропала. Дерево все рассохлось. Ничего не гниет. Потребляет порядка двух киловатт-часов в месяц. Если в «сухом» гараже подышать минут 15 — робот включает вентилятор. В общем, все работает.
Заключение
Результат. Система работает безостановочно.
Побочный эффект — вымораживает. Причем вымораживает так, что шуба из инея теперь периодически появляется снаружи, а в мае, когда светит солнышко и зеленеет травка — внутри без ватника трясет от холода.
Поле для оптимизации. Если прикрутить SD-карточку и пособирать статистику — можно выбрать более обоснованную отсечку, чем 90%. Можно подумать и поставить разность абсолютных влажностей на отсечку в зависимость от температуры.
Список использованных источников и литературы
Вентиляция в подвале на Ардуино // Хобби электроника URL: https://sser.forum2x2.ru/t67-topic (дата обращения: 05.07.2022).
Вентиляция ардуино // All-Audio.pro Статьи, Схемы, Справочники URL: https://all-audio.pro/c10/obsuzhdeniya/ventilyatsiya-arduino.php (дата обращения: 05.07.2022).
Управление микроклиматом на Arduino // Хабр URL: https://habr.com/ru/post/244135/ (дата обращения: 05.07.2022).
How to convert relative humidity to absolute humidity // Сarnotcycle. the classical blog on thermodynamics URL: https://carnotcycle.wordpress.com/2012/08/04/how-to-convert-relative-humidity-to-absolute-humidity/ (дата обращения: 05.07.2022).
Контроль влажности подвала Arduino pro mini // arduino.ru URL: https://arduino.ru/forum/proekty/kontrol-vlazhnosti-podvala-arduino-pro-mini / (дата обращения: 05.07.2022).
Управление вытяжкой в погребе или подвале // https://arduinolab.pw URL: http://arduinolab.pw/index.php/2017/05/04/upravlenie-vytyazhkoj-v-pogrebe-ili-podvale/ (дата обращения: 05.07.2022).