СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕПЛОВОГО ПОТОКА ЧЕРЕЗ ОБЪЕКТЫ
METHOD AND DEVICE FOR MEASURING HEAT FLOW THROUGH OBJECTS

Область техники
Изобретение относится к способу согласно ограничительной части п. 1 формулы, предназначенному для измерения теплового потока, проходящего через трехмерные объекты, такие как строительные конструкции и другие подобные структуры.
Согласно предлагаемому способу на поверхности обследуемого объекта устанавливают по меньшей мере два датчика температуры. Первый их них теплоизолирован от второго, причем так, что по сравнению с температурой, воспринимаемой вторым датчиком, на температуру конструкции, воспринимаемую теплоизолированным первым датчиком, тепловой поток воздействует в большей степени. Эту разность температур измеряют, после чего, подавая тепло на первый датчик температуры или отводя от него тепло, можно выровнять измеренную разность температур и, исходя из количества поданного или отведенного тепла, определить тепловой поток, проходящий через конструкцию.
Кроме того, изобретение относится к устройству согласно ограничительной части п. 13 формулы.
Уровень техники
Устройства для измерения тепловых потоков, проходящих через сплошные объекты, известны, в частности, из DE 2724846, JP 0533285 и CN 2476020.
В JP 0533285 представлены устройство и способ, предназначенные для измерения теплового потока, проходящего через различные материалы. Согласно известному техническому решению первый датчик устанавливают на исследуемый материал, а второй - на отдельный изолирующий слой, причем реальный принцип измерения и соответствующая электроника имеют в своей основе мост Уитстона.
2
В CN 2476020 описано устройство для тестирования коэффициента теплопереноса. В комплект устройства входит коробка, выполненная с возможностью установки ее на внутреннюю поверхность стены дома с целью измерения теплового потока, проходящего через стену. Коробка заполнена воздухом, причем внутри нее размещены датчик температуры и термосопротивление. Потребляемая мощность составляет приблизительно 130-150 Вт. Конструкция коробки предусматривает обследование стен, имеющих коэффициент теплопередачи 0,5 Вт/м К.
2
2
Проблему создают большие размеры коробки, составляющие почти 0,5 мили 1 м, из-за которых данное устройство оказывается непригодным, например, для измерения тепловых потоков в тех участках строительных конструкций, где физический размер ограничен, конкретно, в угловой зоне или на траекториях тепловых мостов. Кроме того, необходимо отметить, что на термическое сопротивление границы раздела воздух/поверхность стены воздействует и сама коробка, поскольку циркуляция воздуха в ней отличается от циркуляции у свободной поверхности стены.
Раскрытие изобретения
Изобретение направлено на создание нового способа и нового устройства, которые пригодны для измерения тепловых потоков, проходящих через сплошные трехмерные объекты, такие как строительные конструкции, в том числе стены, потолки, полы и другие подобные блоки, в типичном варианте имеющие панелеобразную структуру. Все эти конструкции, объединенные в единую концепцию, именуются "климатическим экраном" здания.
Целью изобретения согласно одному из его аспектов является разработка нового технического решения, позволяющего также оценивать и измерять тепловой поток, проходящий через выбранные зоны трехмерных объектов.
Принцип действия, положенный в основу изобретения, заключается в применении измерительного устройства, которое имеет каркас с внутренней и наружной поверхностями. Внутренняя поверхность, по существу, по меньшей мере плоская и выполнена с возможностью размещения на поверхности конструкции, а на наружную поверхность нанесен изолирующий слой, покрывающий каркас. Кроме того, в комплект предлагаемого устройства входит первый датчик температуры, установленный на внутренней стороне каркаса, и второй датчик температуры, размещенный на расстоянии от первого датчика и от изолирующего слоя, т.е. второй датчик изолирующим слоем не покрыт. Под первым изолирующим слоем устройство имеет теплопередающую поверхность, по существу, покрытую данным слоем и, во время применения устройства, прижатую к поверхности конструкции. Первый датчик температуры предназначен для восприятия температуры поверхности конструкции, причем по сравнению со вторым датчиком температуры тепловой поток, проходящий через конструкцию, воздействует на него в большей степени.
Чтобы поддерживать температуру покрытой поверхности стены на уровне температуры поверхности, окружающей покрытый участок, на теплопередающую поверхность подают энергию, которая в результате переносится на первый датчик температуры, хотя и окольным образом. В условиях равновесия энергия, приходящаяся на единицу времени, эквивалентна тепловому потоку, проходящему через поверхность того участка стены, который перекрыт устройством. Исходя из величины этого теплового потока и температуры теплой и холодной сторон, можно оценить утечку тепла через стену.
Более конкретно, способ согласно изобретению имеет признаки отличительной части п. 1 формулы.
В свою очередь, устройство согласно изобретению имеет признаки отличительной части п. 13 формулы.
Применение изобретения позволяет обеспечить существенные преимущества. Из примеров, приведенных ниже, следует, что используя несложное измерительное средство, простое по своей конструкции и недорогое в изготовлении, можно получить результаты измерений для коэффициента теплопередачи, которые даже без корректировки хорошо согласуются с теоретическими значениями. Естественно, при желании, чтобы дополнительно адаптировать измеренные значения для соответствия их с теоретическими, могут быть использованы и корректировочные коэффициенты.
Измерение, в приемлемых пределах, требует мало времени, а его результат обладает воспроизводимостью. Измерительное устройство по своему объему невелико и может быть использовано для измерения выбранных частей стен, потолков и полов. Таким образом, появляется возможность проводить измерения in situ, т.е. прямо в конструкциях, не прибегая к необходимости их раскрывать. Поскольку предусмотрена возможность повторять измерение произвольное количество раз, можно быстро и без излишних задержек определить прямо на стройплощадке (например, на реконструируемом объекте), в каких конструкциях и, кроме того, в каких местах этих конструкций имеют место основные потери тепла.
Краткое описание чертежей
Далее изобретение будет рассмотрено более подробно с использованием прилагаемых чертежей, где:
на фиг. 1 представлена, на виде сбоку, принципиальная схема конструкции измерительного устройства,
на фиг. 2 представлена корреляция измеренных и теоретических коэффициентов теплопередачи в первой серии измерений,
на фиг. 3 представлена корреляция измеренных и теоретических коэффициентов теплопередачи во второй серии измерений,
на фиг. 4 представлен график, на котором в виде функции от времени представлены температуры, измеренные двумя датчиками соответствующего назначения, причем здесь же показана, также в виде функции от времени, мощность, потребляемая термосопротивлением.
Осуществление изобретения
2
2
2
2
Предлагаемые измерительное устройство и способ изначально предназначались для измерения теплоизоляции конструктивных элементов здания. Теплоизоляционная способность этих элементов, т.е. их термостойкость, обозначают как R[мK/Вт]. Обратная величина используется для описания количества тепловых потерь, имеет размерность [Вт/(мK)]и именуется коэффициентом теплопередачи (так называемый коэффициент U-value), т.е. U=1/R. В качестве примера можно указать, что стена, у которой коэффициент теплопередачи равен 1 Вт/мK, пропускает в виде утечки 1 Вт через поверхность с площадью 1 м, если разность температур внутренней и наружной сторон составляет 1 К.
В общем случае изобретение применимо к различным типам "конструкций" или "структур", которые в данном контексте соотносятся с трехмерными корпусами, имеющими первую поверхность с первой поверхностной температурой и вторую поверхность со второй поверхностной температурой, расположенную на противоположной стороне относительно первой поверхности, т.е., по существу, на противоположной стороне конструкции или структуры. Чтобы обеспечить возможность применения предлагаемых измерительного устройства и способа, трехмерный корпус должен располагаться так, чтобы первая поверхностная температура отличалась от второй, т.е. чтобы имела место разность температур первой и второй поверхностей, или, в альтернативной формулировке, чтобы по толщине конструкции между первой и второй поверхностью существовал температурный градиент.
Далее изобретение будет проанализировано более подробно со ссылками на измерение теплового потока, проходящего через конструкцию (в типичном варианте через стену, пол или потолок), которая в стандартном варианте нагрета изнутри (теплая сторона) и охлаждена снаружи (холодная сторона). Однако очевидно, что изобретение в такой же степени применимо и для измерения конструкций, наружная сторона которых теплее внутренней, в частности, для строительных конструкций в странах с жарким климатом, где особо важным свойством является способность конструкций предохранять от жары. В таких ситуациях вместо добавления тепла к измерительной поверхности посредством нагрева оно отводится от данной поверхности посредством охлаждения.
К другим примерам типичных конструкций или структур, которые можно обследовать посредством настоящего изобретения, относятся наружные и внутренние стены, наружные и внутренние потолки, а также полы. Кроме того, предусмотрена возможность применения изобретения, например, на стеклянных участках окон и на дверях.
Для получения надежных результатов устройство следует прикреплять к поверхности настолько плотно, чтобы между теплопередающей поверхностью и поверхностью конструкции не происходили заметные потери тепла. В большинстве случаев измерительная (теплая) сторона конструкции (например, соответствующая сторона стены, потолка, пола, окна или двери) достаточно гладкая для того, чтобы можно было провести измерение. Однако предусмотрена возможность, если это необходимо, установить базовую пластину, поверхностный слой которой обеспечивает плотную подгонку к поверхности. Такой слой может представлять собой, например, эластичный или гибкий слой материала, проводящий тепло. Приемлем, например, полимерный материал, содержащий проводящие частицы или проводящие полимеры. Предусмотрена возможность при необходимости учесть воздействие полимерного материала на результаты измерений, используя поправочный коэффициент.
Согласно предпочтительному варианту осуществления определяют коэффициент теплопередачи для трехмерных материалов, таких как материалы панелеобразного типа, которые могут быть использованы в стенах, потолках, полах, окнах или дверях.
На фиг. 1 представлено измерительное устройство согласно изобретению, установленное на стене, для которой определяют коэффициент теплопередачи.
Таким образом, используя обозначения, приведенные на данном чертеже, можно заключить, что изобретение может быть применено для измерения теплового потока J, проходящего через конструкцию K, толщина которой равна D.
Вместо вертикальной стены, проиллюстрированной на чертеже, обследуемым объектом может быть конструкция с горизонтальной или наклонной поверхностью, например встроенные в здание потолок или пол, или отдельный объект, например единичная панель или элемент потолка/пола. В любом случае такая конструкция имеет
- первую поверхность S1, которая находится в контакте с воздухом внутри помещения и
- вторую поверхность S2, которая находится в контакте с наружным воздухом.
Когда температура наружного воздуха (на холодной стороне) и температура внутри помещения (теплая сторона) отличаются друг от друга, между первой поверхностью S1 и второй поверхностью S2 имеет место перепад температур. Таким образом, температура Т1 у первой поверхности S1 не равна температуре Т2 у второй поверхности S2 (в данном случае Т1>Т2). Следовательно, в поперечном сечении конструкции возникает градиент температур.
Следует отметить, что в предлагаемом способе нет необходимости измерять температуру Т2. Вместо этого описанный далее процесс измерения сфокусирован на измерении температуры Т1 поверхности, расположенной с внутренней стороны конструкции. Однако для вычисления коэффициента теплопередачи нужны также данные о температуре теплой стороны (не путать с поверхностной температурой внутренней стороны стены), а также о температуре наружного воздуха. Последний параметр измеряют на расстоянии от наружной стороны стены, причем предпочтительно, чтобы это расстояние составляло >1 см, но не превышало 1 м.
Перед прикреплением устройства к стене соблюдается равенство T1′=Т1"= температура внутренней поверхности стены.
Кроме того, как следует из схемы, приведенной на фиг. 1, в проиллюстрированном варианте осуществления измерительное устройство содержит каркас S, нагревательный элемент V, два датчика G1, G2 температуры и изоляцию I. В устройстве предусмотрены также батарейка и электроника, не изображенные на чертеже. Датчик G1, расположенный под изоляцией I, будет, вместе с нагревательным элементом V, изолирован от воздуха комнаты, поэтому по сравнению с датчиком G2 (датчик сравнения), расположенным на стене сбоку от устройства, этот датчик более холодный. Нормальная температуры поверхности стены означена как Т1.
2
2
2
Согласно предпочтительному варианту осуществления каркас S представляет собой пластину, самый короткий размер которой, измеряемый поперек внутреннего объема каркаса, составляет по меньшей мере 2 см, желательно по меньшей мере 3 см. Конкретно, каркас S представляет собой, по существу, квадратную или круглую пластину, которая по меньшей мере в большей своей части покрыта изолирующим слоем. Надлежащая площадь каркаса составляет приблизительно 10-1000 см, предпочтительно приблизительно 20-500 см, а в типичном варианте - приблизительно 30-250 см. Согласно одному из вариантов осуществления размер пластины, которую приводят в контакт с обследуемой конструкцией, равен приблизительно 100 см±20%. Другими словами, задача заключается в том, чтобы создать относительно небольшую структуру, позволяющую измерять более мелкие части конструкции.
Первый датчик G1 устанавливают на внутренней стороне пластины S, а второй датчик G2 прикреплен к пластине посредством крепежной скобы. В типичном варианте расстояние между датчиками равно приблизительно 10-150 мм, предпочтительно приблизительно 15-100 мм. Чтобы одновременно с каркасом прижать к поверхности также и второй датчик, предусмотрена возможность этот датчик подпружинить.
Предпочтительно, чтобы теплопередающая поверхность V состояла из термостойких спиралей, покрывающих значительный участок внутри каркаса S.
Согласно предпочтительному варианту осуществления устройство по изобретению содержит изолированную базовую пластину с регулируемой температурой и вмонтированными нагревательными спиралями, которую приводят в прямой физический контакт с поверхностью стены. Между этой поверхностью и пластиной воздушного промежутка, по существу, нет. В отличие, например, от хорошо известной конструкции, имеющей форму коробки и описанной в CN 2476020, в настоящем изобретении нет необходимости учитывать теплопроводящее сопротивление между воздухом внутри воздухом помещения и поверхностью стены, поскольку поверхностную температуру окружающего участка стены измеряет датчик, а поверхность стены, находящаяся под базовой пластиной, выводится на уровень такой же температуры посредством регулировки самой пластиной.
На исходной стадии измерения по меньшей мере два датчика G1, G2 температуры прикрепляют к первой поверхности S1, причем по меньшей мере один из них, конкретно, датчик G1, теплоизолирован от второго датчика G2 таким образом, что на температуру Т1′, воспринимаемую теплоизолированным датчиком G1, тепловой поток, проходящий через конструкцию К, воздействует в большей степени, чем на температуру Т1", воспринимаемую вторым датчиком G2.
В идеальном варианте температура Т1" вообще не зависит от теплового потока, проходящего через конструкцию К. Поэтому датчик G2 должен будет измерить только поверхностную температуру внутренней стороны стены, причем данная температура в стационарных условиях постоянна, поскольку тепловой поток, проходящий из комнаты к поверхности внутренней стороны стены, равен тепловому потоку, проходящему в стене от этой поверхности до поверхности наружной стороны стены.
После прикрепления устройства к поверхности стены начинают непосредственно измерение, определяя перепад температур Т1" - Т1′ между датчиком G2 и теплоизолированным датчиком G1.
Температура Т1" более или менее постоянна, а температура T1′ начинает понижаться, если температура на наружной стороне меньше, чем на внутренней стороне, или повышаться, если температура на наружной стороне больше, чем на внутренней стороне. Из сказанного следует, что абсолютное значение перепада температур T1″ - T1′ изменяется (т.е. становится отличным от нуля).
2
После этого включают нагревательный элемент, чтобы нагреть стену, к которой прикреплен датчик G1 температуры. Данный элемент подает тепло до тех пор, пока не будет достигнута температура, равная температуре сравнения, т.е. до момента, когда перепад температур приблизится к нулю так близко, насколько это возможно. После достижения стабильного состояния можно считать, что вся поданная энергия прошла через стену. Так можно определить коэффициент теплопередачи, зная энергию на входе, площадь поверхности (м), перекрываемую устройством, т.е. изоляцией, и перепад температур между нагретой стороной (воздух с внутренней стороны) и холодной стороной (наружный воздух). Пластину регулируют электронным образом, чтобы довести ее температуру до температуры консольного датчика.
Исходя из приведенной информации, сущность способа, выполненного согласно его предпочтительному варианту осуществления, можно суммировать следующим образом.
Устройство, установленное, например, на стену, отделяет ее от воздуха помещения. В результате в том участке стены, который накрыт устройством, температура начинает уменьшаться. Чтобы удержать температуру перекрытой поверхности стены на уровне температуры зоны, окружающей эту поверхность, базовую пластину нагревают посредством электрической энергии. В состоянии равновесия электрическая энергия, поданная в единицу времени, эквивалентна тепловому потоку, проходящему через поверхность стены, перекрытую устройством. Исходя из величины этого теплового потока и значений температур теплой и холодной сторон, можно определить для стены утечку тепла.
В одном из вариантов осуществления, который следует рассматривать только в качестве примера, не придавая ему ограничительного характера по отношению к изобретению, используется алгоритм, заключающийся в том, что когда перепад температур Т1" - T1′ превышает заданное первое значение разности ΔТА, на теплоизолированный датчик G1, чтобы уменьшить перепад температур, подают энергию Е. В результате разность температур понижается ниже заданного второго значения разности ΔТВ. Тепловой поток J, проходящий через конструкцию с момента начала подачи мощности, определяют в виде функции разности ΔT температур.
Разности ΔТА и ΔТВ температур могут быть выбраны так, чтобы они были сколь угодно маленькими. Это позволяет обеспечить практически непрерывную подачу тепла. В одном из вариантов осуществления значение ΔТА и значение ΔТВ лежат приблизительно в интервалах соответственно 0,1-10 градусов и 0,01-5 градусов.
Управление может проводиться в простом двухпозиционном режиме по типу да-нет, в режиме ПИД или в каком-то более усовершенствованном алгоритме. Важно, чтобы две температуры отслеживали друг друга (следящее регулирование) так хорошо, насколько это возможно, поскольку в противном случае измерительное устройство будет выдавать неправильные измеренные значения.
На чертеже не изображен встроенный в устройство жидкокристаллический дисплей, на котором отображаются коэффициент теплопередачи и температура, когда устройство приведено в состояние теплового равновесия. Компоненты электроники размещены на той же печатной плате, что и нагревательная спираль, но с другой стороны.
Согласно предпочтительному варианту осуществления все электронные компоненты установлены на поверхности, т.к. просверлить сквозные отверстия в плате невозможно из-за нагревательной спирали. Преимущества такой сборки заключаются в том, что вследствие использования уменьшенных (главным образом, более тонких) компонентов устройство будет легче, проще и эластичней, обеспечивая, кроме того, повышенную способность доступа в нужное место.
Пример
Чтобы проанализировать рабочие характеристики и точность измерительного устройства, испытания проводили на различных материалах, обладающих хорошо известной теплопроводностью. Теплопроводность любого материала обычно соотносится со значением его параметра λ, который для конкретного материала является константой. Для выбранного фрагмента материала коэффициент теплопередачи (U) получают, разделив значение λ на толщину х материала:
Многочисленные испытания проводили на водяном баке типа аквариума, изолированного со всех сторон за исключением той стороны, к которой прикрепляют испытуемый материал. Аквариум снабжен двумя штуцерами для воды, один из которых входной, а другой - выпускной. Испытания проводили в режиме постоянного потока как на входе, так и на выходе, так что вода движется и заменяется. Можно считать, что по всему объему аквариума температура фактически одинакова и постоянна, в том числе и на поверхности стекла, приведенной в контакт с испытуемым материалом, которая в данном контексте является самой важной.
В конце каждого измерения регистрируют температуру воды посредством ртутного термометра, погружая его в воду. В воде проявлялось небольшое отклонение температуры (максимум 0,5°С), поэтому кончик термометра прижимали к стеклу за испытуемым материалом и измерительным устройством (прототип) и удерживали в этом положении.
Идентифицировали достижение теплового равновесия (установившееся состояние), отследив этот эффект на измерительном устройстве. После этого вычислили коэффициент теплопередачи, использовав для этого разницу между температурой установившегося состояния и наружной температурой, а также величину расхода энергии при достижении температуры установившегося состояния.
Чтобы оценить достоверность измерительного устройства, провели измерения на материалах с известными коэффициентами теплопередачи. На фиг. 2 и 3 измеренные коэффициенты представлены в виде функции от известных (теоретических) коэффициентов. На обоих графиках диагональная розовая линия отображает теоретические коэффициенты теплопередачи для различных материалов. Зеленые треугольники (см. фиг. 2) и синие точки (см. фиг. 3) графиков отображают коэффициенты теплопередачи, определенные измерительными устройствами.
Конечно, в идеальном варианте точки совпадали бы с диагональной линией, но даже результаты, представленные на фиг. 2 и 3, демонстрируют вполне удовлетворительную корреляцию.
На фиг. 4 показан график, иллюстрирующий, в виде функции от времени, потребляемую устройством энергию и температуры датчиков в течение всего периода прогона устройства. Красная линия графика иллюстрирует воздействие, посредством которого устройство нагревает нагревательную спираль. Зеленая линия отвечает температуре датчика G1, расположенного под данной спиралью. Синяя линия соответствует датчику G2, измеряющему реальную температуру стены.
Представленные на чертеже данные наглядно показывают, что под воздействием теплового потока, проходящего через стену, датчик G1 температуры, установленный под нагревательной спиралью, по истечении некоторого периода времени начинает охлаждаться. Когда перепад температур между двумя датчиками G1 и G2 становится достаточно большим, устройство подключает энергию и начинает нагревать контур электрической цепи. Затем оно регулирует эту энергию, чтобы получить стационарный режим. Из графика видно, что данный режим достигается приблизительно через 110 минут. Измерение завершается по окончании вычисления результата программой и после отображения его на дисплее.