De ombouw van een jacuzzi gevuld met Chinese elektronica naar een slimmer model!

Project slimme jacuzzi #2 – Analysefase

Door larsg op zondag 9 juli 2017 16:15 - Reacties (8)
Categorie: Project slimme jacuzzi, Views: 4.367

Na in de vorige blog een beetje van de planning omtrent mijn project uit de doeken te hebben gedaan wordt het nu tijd voor een kijk op het analyseren van het bestaande systeem en de verdere requirements die hieruit voort komen. Ondertussen is het al 3 maanden geleden dat ik mijn eerste blogpost heb gemaakt. Dat komt omdat het studentenleven af en toe examens met zich meebrengt en ik het werk heb laten voorlopen op de blogs. In feite is het systeem al volledig actief! Hier en daar dienen er nog wat zaken verbeterd te worden en wat bugs uit de software gehaald te worden maar het meeste is al reeds actief. Yey!

Uit de comments van de vorige blogpost heb ik wel een aantal zaken meegenomen. Zo was de tip van solid state relais goud waard en hangt elke zware pomp achter zo’n relais. ;)

Analyse van het elektrische
Voeger werd de jacuzzi bestuurd via een klein paneeltje met knoppen en temperatuurdisplays. Dat paneeltje was verbonden met een schakelkast. Oorspronkelijk was ik van plan dit te behouden voor het aansturen van de massagepompen. Echter bleek na een snelle test dat het geheel voeden met 12vdc zorgde dat de boel begon te flikkeren, vreemd want 12vdc was nochtans de werkspanning. Het is langs de andere kant aannemelijk dat de Chinese elektronica van even bedenkelijke kwaliteit is als de Chinese transformator die eerder ontploft was. Er was dus snel beslist om heel die Chinese bazaar te bypassen … met Chinese vervangelektronica van ebay en DX 😊 Het controlepaneeltje moet dus nagemaakt worden met een knop om alle zaken zoals verlichting en massagepompen te besturen, dit kan dan weer samen geÔntegreerd worden met de besturing voor de temperatuurregeling die we al apart gingen bouwen.
https://tweakers.net/ext/f/qXoHlmiIxuQaRiBPKAyBDBvZ/medium.jpg
Het oude controle paneel, alle functies moeten terugkomen behalve de radio.

Volgende stap is het controleren van de wattages van alle bestaande componenten. Dit heb ik simpelweg gemeten via de youless die in mijn meterkast hangt, het is dus niet enorm nauwkeurig maar it’ll do. En het bleek dat de meeste componenten onder hun naamplaat vermogen zitten. Zo heeft de kern van het systeem, de 2 massagepompen een gemeten vermogen van elk 1300 watt, terwijl ze volgens opgaaf aan 1500 zouden moeten zitten. De bubbellaar, luchtpomp, was zelfs gezakt van 3000 naar 1500. Dat enorm verlies kan aan 2 zaken liggen. Het vermogen was vanaf moment 1 al sterk overdreven. Of het verwarmingselement in de luchtpomp is enorm gedegradeerd. In ieder geval bubbelt het nog even goed als dag 1 en koelt de lucht het water niet af, de energierekening is blij! Vervolgens komt het gedeelte van de verwarming. De bestaande verwarming zelf bestond uit een grote weerstand met een vermogen van 3 KW, dat vermogen is intussen gedegradeerd tot 1,5 KW, het leek al dat het verwarmen veel trager ging! De circulatiepomp verstookt 550 watt in plaats van de opgegeven 750 watt. De circulatiepomp hoort te draaien tijdens het filteren en het verwarmen. Als je langer verwarmt ben je ook langer aan het pompen, wat veel energie verstookt, we zijn dus beter af met een zeer krachtige verwarming die resulteert in weinig pompuren.
https://tweakers.net/ext/f/0HsiSOMzPPF59bknYdqDWVUN/medium.png
Tabel met de gemeten waarden voor alle bestaande componenten.

Voor de rest zijn er nog wat bestaande apparatuur zoals leds en een ozonator maar die draaien op 12 VDC en verbruiken elks maar een ampŤre.
Er is gebleken dat het starten van pompen zorgt voor een enorme piek in verbruik, voor een paar seconden worden er enorme vermogens gevraagd om de pompen op snelheid te krijgen. Dit enorme vermogen zal mede dus door de relais getrokken worden. Daarom is er geopteerd voor solid state relais van 25 A.
https://tweakers.net/ext/f/2lvTULgarEC4q5ZWHs01nPZK/medium.png
Een screenshot van de waarden die de youless op mijn meterkast meet tijdens het testen van de pompen, de pieken zijn afkomstig van het starten/stoppen van de pompen.

Analyse van de watergebonden infrastructuur
Die “infrastructuur” is nu enorm beperkt. Het vullen en het legen gaan volledig manueel, met kranen. En buiten de waterleiding die van de waterput komt om snel te kunnen vullen is er niks aangelegd buiten de kuip van de jacuzzi zelf. In dat opzicht zitten we met een vanilla situatie.
https://tweakers.net/ext/f/M66MESQhE71wZHAxsso9IrDW/medium.jpg
Dit is ongeveer de start situatie, er is enkel een leiding aangelegd die de jacuzzi snel kan vullen.

Het warmen moet sneller en zuiniger! Dat vinden we al jaren en die eis pakken we gelijk maar mee. De simpelste oplossing is een lucht/water warmtepomp te plaatsen. Deze moet wel een beetje uit het zicht geplaatst worden. Als doe het zelver en zelf verklaard ingenieur vind ik zo’n warmtepomp natuurlijk een mooi object om naar te kijken, dat is toch kunst zo’n buitenunit 😉 Helaas denken de ouders daar anders over… Vermits de jacuzzi pal in de achtertuin ligt plaatsen we de warmtepomp maar om de hoek, uit het zicht en weg van het gehoor. Dit vereist natuurlijk dat er een complete dubbele pijpleiding en bijhorend spanningsnetwerk in deze richting aangelegd moet worden. Mijn plan is om de loop van het circulatie circuit te vergroten om de warmtepomp mee te nemen. De bestaande circulatiepomp (die van 550 watt) zou voldoende druk moeten leveren (1 bar) om rond te kunnen komen. Om dit te faciliteren is de keuze gevallen op grote buizen en het beperken van bochten en plotse bochten zo creŽren we minder weerstand voor het water.
https://tweakers.net/ext/f/3EKciJLjdSYwwndewF7o6cQ8/medium.jpg
De kaart aangepast met de voorziene locatie voor de warmtepomp waar deze mooi uit het zicht ligt

Er is in ieder geval de wens om het water zeer vaak te gaan verversen. Ik ben geen fan van chemicaliŽn om het water langer te behouden. Zowel vanwege de woekerprijzen die voor deze producten gerekend worden en de milieuschade dat het gebruik oplevert. Temeer omdat water nu gratis is, is het streefdoel om elke 2 weken het water te verversen, zo hebben we genoeg aan een enkel tabletje chloor per periode. Zo is het enige dat we weggooien verwarmd water. Met een beetje correct plannen kan je bovendien zorgen dat er geen water word geloosd dat net verwarmd is. Lang verhaal kort het vullen en legen moet geautomatiseerd worden, want we zijn liever lui! :P

Het leeg proces zal voornamelijk bestaan uit een lozing van het water in de sloot, echter is deze wel 20 meter verderop en op gelijk niveau, maar moet toch een klein heuveltje (1 meter) over. Tijdens het legen op deze manier zal er dus actief gepompt moeten worden. De sloot is nog een stuk verder dan de locatie van de warmtepomp dus om te besparen op leidingwerk opteer ik af te takken aan het circulatiecircuit, net voor de warmtepomp en vervolgens met een afvoerleiding verder te gaan richting sloot. Daar kunnen mijn gevaarlijke chemicaliŽn, volledig bestaande uit di-waterstof monoxide geloosd worden in de vrije natuur! De 2e stap is het restant van het water lozen. We moeten een bepaald marge inbouwen om te voorkomen dat de circulatiepomp droogloopt. Hierbij hoort de circulatiepomp zich uit te schakelen en moet een kraan onder ze jacuzzikuip zich openen om het kleine beetje resterende water te dumpen. Het vullen gaat verder heel simpel, gewoon via een automatische kraan die de huidige mechanische kraan vervangt.
https://tweakers.net/ext/f/Cp0VDa8Gwri6iCfP8Aypd3L7/medium.jpg
De kaart die een finaal beeld moet brengen. Er moeten dus een hele hoop leidingen aangelegd worden. :Y)

In een volgende blogpost zal ik meer uitweiden over het ontwerp, de berekeningen en keuze van het materieel.

Project slimme jacuzzi #1 - De proloog

Door larsg op zondag 2 april 2017 13:00 - Reacties (7)
Categorie: Project slimme jacuzzi, Views: 4.028

In mijn vorige blogreeks besprak ik de planning en de constructie van mijn waterput, een blogreeks waar ik eigenlijk nog een conclusie voor moet schrijven. Hier raakte ik in aanraking met de echte mechanische kant van engineering en waterwerken. Het uit-plannen van waterleidingen, druk en capaciteiten bracht een inleiding tot de hydrostatica. Hoewel er veel hard werk bij kwam kijken was het leuk mijn ervaring hiermee uit te breiden. Net als met eerdere projecten die meer gecentreerd waren rond duurzame energie deed ik de planning en installatie zelf. Echter had ik nog totaal geen weet van deze zaken te kunnen automatiseren via een computer, zoals de raspberry pi. Ik zocht al jaren met een reden om mezelf er maar in te gooien. Tenminste tot ik wel moest ...

Elke zomer genieten we van onze jacuzzi, aangedreven door elektriciteit van de zonnepanelen (deels) en soms een beetje verwarmd met de zonneboiler. En sinds kort met heerlijk water uit eigen bron. Een mooie luxe dus! Echter was het apparaat van Chinese assemblage en na 10 jaar sprong de zwakste schakel. De meeste componenten van het apparaat waren van westerse merken en functioneren na 10 jaar nog perfect. Echter waren er 2 componenten van de lokale Chinese markt, de electronica en de transformator die laatste gaf de geest. Op een nogal ... spectaculaire wijze, de omhuizing welke niet waterdicht was, was helemaal gebarsten. Bovendien was deze met schroeven aan bad gemonteerd, niet echt veilig dus... Wat er in de behuizing zat was dit monster:
https://tweakers.net/ext/f/e8zpIKS6GJxXlZMtkOt1YAGc/medium.jpg
Bovendien was er geen opschrift te bekennen op de behuizing, maar het bleek 230 VAC om te zetten naar 12 VAC. Ook de rest van de sturing bleek een beetje onveilig en verouderd. Ook was er een temperatuursensor afgebroken, de soort hiervan was onmogelijk te achterhalen. Omdat er veel documentatie ontbrak moest ik wel een apart systeem bouwen.

Vandaar kwam snel het plan om heel die Chinese zooi te bypassen. Ondanks mijn beperkte kennis van de raspberry pi leek mij dat het moest kunnen via de GPIO poorten en wat python. Mijn enige kennis met betrekking tot deze zaken was het eenmalig opzetten van LIRC als test om de airco's te kunnen controleren. In een verdere gedachtegang zat ik te denken aan een webcontrole via de raspberry pi zodat ik mijn jacuzzi vanop afstand kan laten opwarmen.

Tevens is het een moment om de energieverslinderige neiging van het apparaat aan te pakken. De verwarming bestond uit een weerstand van 3 KW die vaak meerdere uren per dag aan stond, dit kan makkelijk uiteraard vervangen worden door een warmtepomp!

Daaruit kwam een plan!
Alles moet werkzaam blijven via een nieuwe set relais (veel). Daarnaast komen er enkele toevoegingen die de luxe van het apparaat moeten verhogen. De belangrijkste is een energiezuinigere verwarming die tevens een groter vermogen heeft, daarmee weegt het vermogen van de circulatiepomp minder op tegen de verwarming. De oude verwarming laten we maar zitten als backup, maar deze mag alleen aan als daar een knopje voor wordt ingedrukt. Ook moet de temperatuursensor vernieuwd worden, daarbij voeg ik een extra temperatuur sensor toe aan het einde van het verwarmingscircuit. De andere toevoegingen bestaan uit een serie solenoÔde kranen dat het legen en vullen controleren. Het legen van het bad doen we bovendien niet enkel meer in de put rond de jacuzzi uit veiligheidsoverwegingen voor de elektronica. De jacuzzi is instap-klaar geplaatst met een tarras wat ervoor zorgde dat er beneden een hoop ruimte was waar het water weg kon. Nu zal via een systeem van 2 automatische kranen het grootste gedeelte in een sloot gepompt worden met behulp van het circulatie circuit. Het restant (10-15%) dumpen we wel weer gewoon in de put, maar hier vormt dat nog geen gevaar. Een water-technisch schema is hier te zien, verdere uitleg komt in een aparte blogpost!
https://tweakers.net/ext/f/PNf00SYnOIs1sDSZMYjvdG6w/medium.png

Micro electronica
Zo'n jacuzzi bevat een hoop functies die degelijk aangestuurd moeten worden door de gebruiker vanuit het bad, in mijn geval spreken we over 3 massagepompen, een circulatiepomp, verwarming en licht. Omdat dit zo waterdicht mogelijk moet zijn plan ik de bestaande console te hergebruiken voor de 3 massagepompen en de verlichting. De bestaande electronica blijft dus in gebruik maar wel op 12 VDC in plaats van 400 VAC. De oude relais zullen dus ook enkel 12 VDC schakelen dat later ingelezen wordt op een GPIO van de raspberry pi. In afstemming met het internet is daar het volgende schemaatje uit gerold:
https://tweakers.net/ext/f/b1QEpkFVS1Od2BvLSkZKjb8X/medium.png
De temperatuur zal via wat knoppen worden ingelezen en via cijferdisplays te zien zijn in een apart waterdicht kastje dat ik naast de jacuzzi plaats.

Ongeveer alle GPIO van de PI zullen opgevuld zijn, dat vereist een hoop printplaat en andere componenten zoals relay borden en power supplies. Omdat veel plaats lekker werkt heb ik een grote IP65 elektriciteitskast gekocht waar alles in kan vertoeven, deze monteren we direct onder het terras.
Voor de relais zijn er genoeg bordjes op het web te vinden waar er meerdere gemonteerd zitten die je direct op je RPI kan koppelen, deze hebben zelfs een schakelvermogen van 10A! Voor de meeste componenten is dit meer dan genoeg echter rijst er voor de pompen een probleem, enkele hebben een vermogen van boven de 10A en pompen zelf vereisen een zwaarder bemeten relais omdat deze nogal een inductieve(???) lading hebben. Dit plan ik op te lossen door contactors of een dubbel relais die de spanning over 2 aparte relais verdeeld.

De software
Uiteraard vereist die hele grapje een hoop lijnen code, dit dacht ik op te lossen met Python. Met wat if statements moet een mens toch ver komen denk ik? :+