Хакаем переносные кондиционеры воздуха

27.05.2021

В апреле 2020 года я приобрёл пару напольных кондиционеров воздуха EdgeStar AP14001HS, потому что думал, что проведу бОльшую часть лета в помещении. У себя дома я не могу установить оконные кондиционеры, хотя по эффективности они были бы очевидным выбором, ведь все нагревающиеся части остаются снаружи.

Воздушные зазоры

Я хотел купить кондиционер воздуха с двойным воздуховодом, потом что модели с одним воздуховодом термодинамически неоптимальны. Выдувание горячего воздуха из окна создаёт в комнате отрицательное давление, из-за чего воздух снаружи всасывается обратно через различные трещины. Теоретически, модели с двумя воздуховодами устраняют эту проблему, охлаждая конденсатор наружным воздухом, который затем снова выпускается.

Однако при проверке входного и выходного воздуховодов AP14001HS выяснилось, что объём проходящего через входной воздуховод воздуха значительно меньше, то есть воздух, должно быть, попадает в камеру конденсатора из комнаты, а также перемещается между комнатой и улицей, пока отключен вентилятор. Есть два основных места, где это происходит:

1. В месте соединения нижней части корпуса с передней:

Я заклеил его малярной лентой:

2. Сзади, под воздушным фильтром:

Чтобы закрыть это отверстие, я вырезал из листового ABS-пластика толщиной 1/16″ (1,5 мм) прямоугольник 436 мм x 98 мм. В качестве прототипа подойдёт картонная коробка от овсяных хлопьев. В целом, материал должен быть довольно тонким, но при этом достаточно жёстким, чтобы сохранять плоскую форму.

При работе компрессора пластик притягивается к задней части, а в противном случае — к передней, поэтому удерживать его на месте позволит кусок скотча или малярной ленты.

Наконец, если вы решите вскрыть прибор (в этом пригодится 12-дюймовая крестообразная отвёртка под M3,5-M5), можно будет закрыть лентой внутренние зазоры воздуховодов/проводов, но я не знаю, насколько они важны.

А не сгорит?

Такие модификации предназначены для повышения температуры отсека конденсатора, что может снизить срок работы некоторых компонентов, но я понятия не имею, каких именно и насколько. По крайней, мере у меня есть пара доказательств того,, что это не такая уж плохая идея:

1. Я спросил в техподдержке EdgeStar о герметизации нижнего зазора:

[Я]

Недавно я приобрёл пару кондиционеров EdgeStar AP14001HS с двойным воздуховодом и заметил, что входной воздуховод всасывает чуть больше воздуха, чем выдувает выходной. Похоже, остальной воздух проникает в отсек конденсатора в месте соединения нижней и передней частей устройства. См. приложенное фото, на котором я временно закрыл зазор малярной лентой. Можете ли вы сказать мне, есть ли у этого зазора какая-нибудь необходимая функция? В противном случае я лучше оставлю его закрытым, потому что я выбрал модель с двойным воздуховодом, чтобы изолировать друг от друга внутренний и наружный воздух.

[Сотрудник EdgeStar]

Здравствуйте, Пол,

Благодарим за обращение в техподдержку EdgeStar.

Заклеенная вами область используется для сброса излишнего воздуха.
Однако можно заклеить эту область, потому что это не вызовет никаких проблем. Инженеры проинформировали меня, что так делать можно.

[Я]

Спасибо. Я подозревал, что этот зазор используется для того, чтобы устройство не заполнялось водой, хоть он и выглядит больше, чем это необходимо.

В спецификациях AP14001HS говорится:

Охлаждающая способность (ASHRAE) 14000 BTU (4,1 кВт*ч)

Охлаждающая способность (SACC) 8600 BTU (2,5 кВт*ч) (на 38% меньше)

Согласно этой статье, «инфильтрующийся воздух» является основным фактором в измерениях SACC:
https://support.edgestar.com/hc/en-us/articles/115005480926-What-is-SACC-Seasonally-Adjusted-Cooling-Capacity

Измеряли ли ваши инженеры влияние герметизации этого зазора (и других утечек всасывания) на КПД охлаждения?

[Сотрудник EdgeStar]

Здравствуйте, Пол,

Благодарю за Ваш ответ.

Мне не удалось получить от инженеров информации о влиянии герметизации зазора на КПД. Они сообщили, что при тестировании устройств для получения рейтинга SACC тестирование происходит с открытым зазором. При тестировании в конструкцию устройств не вносится никаких модификаций. КПД устройств вычисляется при открытом воздушном зазоре.

Похоже, на производстве не выполнялось тестирование с закрытым зазором, но разрабатывающие эти устройства инженеры выполнили собственные тесты и выяснили, что закрытие зазора не вызовет никаких проблем. Однако они не смогли предоставить мне информацию о SACC, потому что мы не можем протестировать его на месте.

2. Пользователь с форума растениеводов сообщил о возможности герметизации Whynter ARC-143MX, достаточной для поддержания атмосферы с высокой концентрацией CO2. Из текста непонятно, как долго он работал, но тема была открыта 4 года назад, а её автор ничего не писал об отказах оборудования.

Поэтому нельзя сказать, что опасности повреждения прибора нет, но, по крайней мере, кто-то уже пробовал так делать.

После изолирования этих зазоров я почувствовал,, что через входной воздуховод поступает больше воздуха, а при его кратковременном перекрытии из выходного начинает поступать меньше воздуха.

Отойдите, я займусь наукой

Чтобы протестировать эти модификации, я установил кондиционер в довольно изолированном стенном шкафу объёмом 1,5 м². Изначально температура была примерно равна 72°F (22°C), установив кондиционер на 61°F (16°C) (минимальное значение), я включил его и подождал примерно 3 минуты, пока не отключился вентилятор.

Опыт был повторён три раза в заводской конфигурации (красные линии), три раза с закрытыми зазорами (синие линии), и, наконец, два раза в «режиме одиночного воздуховода» (чёрные линии) при котором всасывание выполнялось напрямую из пространства шкафа. Я фиксировал температуру направленным на термометр телефоном, на котором была запущена фотосъёмка приложением Open Camera с повтором раз в 10 секунд:

Не думаю, что подобная схема достаточно надёжна для вычисления абсолютных показателей КПД, но очевидно, что конфигурация с закрытыми зазорами лучше охлаждает, а режим одиночного воздуховода просто ужасен.

Нытьё

Я считаю постыдным, что производители напольных кондиционеров настолько беззаботно относятся к КПД, повысить который можно при помощи простейших хозяйственных товаров. Это напоминает мне компьютерную индустрию по производству блоков питания до введения 80 Plus, когда все устройства были отстойными и никто не знал, что покупать. Почему все инновации сосредоточены в конструкциях кондиционеров с одиночным воздуховодом?

В местах наподобие области залива Сан-Франциско полно квартир и комнат, которые с повышением температуры постепенно становятся непригодными к жизни, поэтому было бы здорово, если бы люди могли просто купить достойный продукт.

Вероятно, своё дело знает http://www.climax-air.com/, потому что эта компания производит (по крайней мере, в 2020 году) единственный напольный кондиционер с двойным воздуховодом и компрессором переменной скорости. Но я узнал это только на веб-сайте, потому что их продукты очень дефицитны. Возможно, я снова обращу на них внимание, когда EdgeStar выйдут из строя.

Фотографии установки в шкафу

(Второй AP14001HS, который видно в зеркале, использовался для установки комнатной температуры.)

Информация о помещении

Каждый прибор потребляет около 10,5 А, поэтому важно определить, какие автоматы защиты подключены к каким розеткам, чтобы не подключать прибор к цепи с другими устройствами с высоким потреблением тока, например, с микроволновкой или электрическим чайником. В идеале они также должны находиться на противоположных концах от главного автомата. Пока у меня не было проблем при подключении прибора к цепи на 15 А вместе с холодильником или компьютером.

В день, когда максимальная температура достигает 95°F (35°C), два постоянно включенных кондиционера могут поддерживать в помещении площадью 850 кв. футов (78 кв. метров) примерно 75°F (24°C). Судя по данным моего инфракрасного термометра, потолок гораздо теплее стен, поэтому стоит, пожалуй, улучшить изоляцию чердака.

Я планирую включать их зимой на режим обогрева, при этом они будут потреблять меньше энергии, чем резистивные плинтусные обогреватели, но время покажет, насколько это верно.

Изъян такой схемы заключается в том, что мои окна заблокированы/заклеены лентой, поэтому я не могу открывать их по вечерам, когда воздух на улице прохладней. Было бы здорово иметь на такой случай автоматический режим вентилирования. Однако охлаждаемый прохладным воздухом кондиционер выдувает ещё более прохладный воздух, поэтому ему не нужно долго работать в таком состоянии.

Более простые хаки

Этот прибор выдувает воздух внутри помещения в основном наверх. Я вскрыл корпус и снял встроенный отражатель, заменив его на Frost King HD9. Он создаёт примерно горизонтальный поток воздуха, а прибор кажется чуть более тихим из-за отсутствия этих лишних пластин.

(Обратите внимание на фото: я заклеил светодиоды, чтобы уменьшить их яркость, а кусок пены остался от заброшенного эксперимента по звукоизоляции с использованием полуперманентного клея.)

Эти воздуховоды можно изолировать с помощью 6-дюймового «хлопчатобумажного рукава для труб». Спустя 5 минут работы с двумя слоями хлопчатобумажной ткани я получил 122°F (50°C) на воздуховоде и 102°F (38°C) на поверхности ткани. Это не самый лучший материал для изоляции, но он дёшев, прост в использовании и вполне подходит.

Можно вскрыть стандартный воздушный фильтр обогревателя и вырезать зигзагообразную часть под форму пластмассовой рамы входного воздуховода. Стоит заметить, что это ограничит воздушный поток, поэтому логично будет увеличить скорость вентилятора. После съёмки этого фото я немного повысил плотность:

Звукоизоляция

Чтобы устройство работало тише, я для начала обернул его одеялом, закреплённым клейкой лентой. Воздуховоды не позволяют ничему перекрывать забор комнатного воздуха. Вот мой прототип «кондиционерного буррито»:

После нескольких часов работы устройства при уличной температуре 90°F (32°C) самая горячая часть под одеялом имела температуру около 94°F (34°C), поэтому похоже, что устройство вполне справляется со своим охлаждением.

Для создания усовершенствованной версии я использовал нагруженный винил (mass loaded vinyl, MLV), обёрнутый в хлопчатобумажное одеяло с застёжками-липучками, прикреплёнными при помощи скоб степлера.

Вот приблизительная стоимость материалов для двух приборов:

Рулон MLV плотностью 1 фунт/кв. фут размером 4 фута x 12,5 фута: 110 долларов
Два двухспальных хлопчатобумажных одеяла (66 x 90 дюймов): 50 долларов
Несколько ярдов 2-дюймовой липучки: 10 долларов
Скобы с высотой ножек 9/16 дюйма (Bostitch BTHT73533): 4 доллара

Я использовал следующие размеры:

Я отрезал MLV под размер с помощью рулетки, угольника, карандаша и ножниц. Отрезав нижние углы, мы оставляем место для шнура питания. Стороны имеют разную длину, потому что шнур питания смещён от центра.

Сверху и сбоку закреплены застёжки-липучки (соответствующие им застёжки приклеены к кондиционеру клеевым пистолетом), чтобы «буррито» мог скрепляться своими краями.

Фотографии буррито с MLV:

В конечном итоге, MLV действительно снизил шум компрессора, но шум вентилятора по-прежнему довольно сильный. Не знаю, насколько хлопчатобумажная «обёртка» помогает снизить отражённый звук, но, по крайней мере, так прибор выглядит красивее, чем с голым винилом.

Довольно много времени я потратил на крепление и сгибание сотен скоб. Думаю, что стоит порекомендовать разумному человеку остановиться на моём первоначальном решении со сложенным одеялом и клейкой лентой, потому что на него требуется всего несколько минут, а MLV не настолько уж лучше.

Управление по сети

Я подключил микроконтроллер ESP32 к выводам «ступени 1 реле компрессора» (Y1) и «клапана переключения теплонасоса» (O) термостата Nest, выход «auxiliary heat» которого управляет реле плинтусных обогревателей. (Я проверил, что Nest может включать всё по отдельности, но время покажет, сможет ли он справляться зимой с двумя способами обогрева.)

Каждый релейный выход на 24VAC запитывает входные контакты оптопары SFH620AGB через резистор на 10K (24 В/10 кОм подадут на светодиоды оптопары несколько мА). Оптопара совместима с GPIO в режиме INPUT_PULLUP и использует ПО для очистки сигнала. Я позаимствовал эту идею из поста на StackExchange, хотя 24VAC пугают меньше, чем 120-240VAC.

Со стороны кондиционера я управляю стандартным инфракрасным светодиодом через резистор на 150 Ом при помощи функции sendRaw() из IRremoteESP8266.

Я разрезал шариковую ручку пополам, покрасил её в чёрный цвет и закрепил над светодиодами индикации режима, а фотодиод INL-3APD80 будет определять изменения яркости при циклическом переключении режимов. Похоже, фотодиод лучше работает в фотовольтаическом режиме с анодом, подключённым ко входу ADC, и катодом, подключенным к GND. Я выполняю считывание каждые 50 мкс, и усредняю значения на 1000 мс (20000 выборок) для получения чистого сигнала. При добавлении конденсатора параллельно с фотодиодом снижается время стабилизации; похоже, 10 нФ является хорошим балансом между шумом и временем реакции, снижая время считывания до 100-200 мс.

Смысл подключения напольного кондиционера воздуха к Nest заключается в следующем:

Обычные «умные» функции, которые предоставляет Nest
Более долгий цикл компрессора из-за физического разделения термостата и кондиционера
Когда нагрев/охлаждение не требуются, питание вентиляторов кондиционера можно выключить, чтобы понизить шум и сэкономить 60-70 Вт

Я перехватываю коды пульта при помощи mode2 пакета LIRC, передающего время пометок/пробелов в микросекундах, что совместимо с упомянутой выше функцией sendRaw().

Выполнен реверс-инжиниринг IR-протокола: все пометки имеют одинаковую длину, а данные кодируются в пробелах. Похоже, они имеют объём 32 бита на пакет, выстроенные в виде [id, ~id, code, ~code]. Я попробовал передавать все 256 кодов, пытаясь найти незадокументированные функции наподобие «установить мощность на X» или «установить режим X», но увы, все они были дубликатами стандартных 6 кнопок, поэтому знать протокол практически не обязательно.

Вот упрощённые IR-коды в формате JSON irrp.py (изначально я экспериментировал с pigpio на Raspberry Pi.)

Этот алгоритм позволяет ESP32 определять состояние кондиционера при запуске вслепую:

Сэмплируем яркость фотодиода
Отправляем POWER
Если яркость увеличилась, значит, мы что-то включили, поэтому снова передаём POWER
Теперь мы знаем, что устройство выключено
Отправляем 4 раза MODE, считывая яркость после каждой передачи
Помечаем самый яркий режим как COOL (потому что этот светодиод ближе всего к фотодиоду)
Помечаем все остальные режимы по их порядку относительно COOL

Можно синхронизировать скорость вентилятора, запустив на короткое время DEHUMIDIFY (этот режим заставляет вентилятор переключиться в режим LOW), но я решил не делать этого и просто позволить пользователю выбирать скорость вентилятора.

Я столкнулся со следующими багами, свойственными AP14001HS:

Невозможно надёжным образом переключать режимы, пока питание включено, потому что, например, при переключении в порядке COOL->DEHUMIDIFY->FAN иногда включается средний режим (DEHUMIDFY), даже если подавать IR-сигнал максимально быстро. Поэтому мне пришлось переключать компрессор в режим простоя, передавая TEMP UP, а не переключаться на FAN.
Если изначально питание выключено (OFF), то при отправке MODE-MODE-POWER устройство иногда запускается в неверном режиме, или производит странные действия, например, запускает компрессор без вытяжного вентилятора. Для решения этой проблемы нужно подождать 1000 мс между последним MODE и POWER.
Цикличное переключение между режимами при отключенном питании «портит» сохранённую температуру, занижая её на 0-2 градуса. Такое происходит только в режиме градусов Фаренгейта, поэтому я подозреваю, что где-то выполняется преобразование F->C->F с потерями.
Пропадание питания при работающем кондиционере приводит к перезапуску в режиме градусов Фаренгейта, а через IR-команды невозможно переключиться на режим градусов Цельсия; это сильно раздражает.
При отправке IR-команд одна за другой нужно оставлять паузу не менее 1200 мкс, чтобы события не терялись. Но теперь мне не кажется, что это на самом деле баг, потому что это похоже на отправку бита «1».

Можно задавать конкретную температуру отправкой команд DOWN для достижения минимального значения, за которыми следуют команды UP для повышения до нужной температуры. Теоретически, контроллер всегда использует 16C для охлаждения и 32C для простоя, но я предпочитаю 18C-27C, потому что для этого требуется всего 9 нажатий (более короткий писк), и пользователь вручную может установить точку охлаждения, чтобы маленькая комната не стала слишком холодной. Ручная настройка возможна только в режиме градусов Цельсия из-за бага преобразования температуры, поэтому очень неудобно, что при отключении питания кондиционер возвращается к градусам Фаренгейта. Самое лучшее, что мне удалось придумать: для инициализации режима охлаждения отправлять достаточное количество команд UP для достижения максимального значения в градусах Фаренгейта, а для режима нагрева — аналогично с командами DOWN. Все изменения после этой точки будут считаться в Цельсиях, поэтому температура никогда не будет становиться достаточно низкой для охлаждения или достаточно высокой для нагрева, пока пользователь не переключится в режим градусов Цельсия и не перезагрузит ESP32. Другими словами, лучше пусть он никогда не работает, чем работает кое-как.

Фотографии контроллера

Мне не удалось найти корпуса с нужными размерами, так что я вырезал канцелярским ножом несколько прямоугольников из ABS, скрепил их винтами M3 на 5 мм и 12 мм со стойками на 18 мм и прокладками на 5 мм.

Я использовал печатную плату Proto Advantage SBB206. В неё идеально устанавливается плата ESP32 с 15 рядами контактов, хотя было бы лучше, если бы плата была на один контакт уже. Благодаря высверливанию отверстий в шинах питания в них можно устанавливать универсальные компоненты.

Донглы фотодиода и IR соединены с разъёмами 22AWG MTA-100. Вместо специализированного инструмента за 35 долларов я использовал небольшую отвёртку.

Вот как контроллер крепится на AP14001HS:

Фотографии термостата/реле

Релейный блок на 24VAC с резисторами на 10K и оптопарами:

Корпус Bud Industries CU-387 с Vigortronix VTX-146-030-212. Трансформатор преобразовывает 120VAC (параллельные обмотки) примерно в 30VAC или 208VAC (последовательные обмотки) примерно в 25VAC. Я придал пластику шероховатости наждачной бумагой и приклеил эпоксидкой стойки M3 длиной 6 мм; надеюсь, будет держаться достаточно крепко.

Для крепления проводников на 24VAC я взял несколько винтовых клеммников на 3,5 мм (TE 1776275-6), отогнул контакты в стороны и спаял их в виде шины. Голый металл замотал изолентой.

Вот как выглядит корпус термостата в сборе, в том числе источник питания с 24VAC на 5VDC внизу. Я решил использовать MicroUSB, чтобы нельзя было забыть отключить питание перед перепрограммированием.

В монтажной коробке изначально находился термостат на 208VAC для плинтусового обогрева. Я добавил подключенное белым проводом реле Schneider Electric 92S7A22D-24, которое Nest определяет как «aux heat». На самом деле, реле и трансформатор — единственные компоненты, которые необходимы для использования Nest в качестве термостата с питанием от сети.