СПОСОБ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОГО ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ НА ОСНОВЕ ИНСТРУМЕНТАЛЬНОГО МНОГОПАРАМЕТРОВОГО МОНИТОРИНГОВОГО ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО АУДИТА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF INTELLIGENT POWER SAVING BASED ON INSTRUMENTAL MULTI-PARAMETER MONITORING ENERGY AUDIT AND DEVICE FOR ITS REALISATION

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к энергетическому аудиту промышленных и гражданских энергопотребляющих и энергогенерирующих конструкций с использованием теплового неразрушающего контролю, и может быть использовано для технической и энергетической диагностики неоднородных конструкций, например, зданий и сооружений.
Под энергетическим аудитом понимается определение энергоэффективности объекта, коэффициента полезного действия - кпд объекта.
Из уровня техники известны способы теплового неразрушающего контроля неоднородных многослойных объектов, какими, в частности, являются здания и сооружения, см. патент РФ №2219534. Для осуществления известного способа определяют временной интервал, необходимый для получения достоверного результата. В течение этого времени периодически измеряют температуру и плотность теплового потока на наружной и внутренней поверхностях объекта. Задают значение теплопроводности нужного слоя. Используя модель, определяют возможную температуру и плотность для каждого заданного значения теплопроводности. Проводят тепловизионное обследование, измеряют температуры внутренних и наружных поверхностей. Сравнивают теоретические и полученные измерением результаты. Выбирают для дальнейших расчетов значение теплопроводности из числа заданных, которое может обеспечить условия сравнения. Способ позволяет определить локальные сопротивления теплопередаче обследуемых участков и найти более рациональное решение по обеспечению требуемого сопротивления, если оно окажется не соответствующим нормативному.
Однако данный способ не позволяет определять энергэффективность конструкций.
В Российской Федерации на практике используется способ определения качества объектов по анализу их сопротивления теплопередаче - см. ГОСТ 26254-84. Здания и сооружения. Методы определения сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций. Введен постановлением Государственного комитета СССР по делам строительства от 2 августа 1984 года №127, УДК 624.01.001.006.354 [1]. Описанный здесь способ заключается в создании теплового потока через контролируемый объект, одномоментном измерении величины теплового потока (q) и температуры (Тн, Тв) на противоположных сторонах контролируемого объекта и определении качества объекта по его сопротивлению теплопередаче в соответствии с формулой. I
Данный метод контроля прост, нагляден, имеет большую производительность. Однако имеет недостаток, который ограничивает область его применения и значительно снижает точность получаемых результатов. Он заключается в том, что в соответствии с классическим определением сопротивления теплопередаче, метод применим только при условии стационарного процесса теплопередачи через контролируемый объект. Т.е. только при условии равенства потоков, входящих в объект на одной поверхности qн и выходящих qв из объекта на другой поверхности: qн=qв=q.
На практике эти условия практически никогда не соблюдаются. Например, при контроле строительных конструкций, разница температуры наружного воздуха в ночное и дневное время достигает 10-15 град.С. Это вызывает нестационарные процессы теплопередачи в исследуемых конструкциях и делает метод неприменимым. Однако данный способ также не позволяет определять энергэффективность конструкций.
Частичное решение этой проблемы предложено в монографии Будадин О.Н. и др., Тепловой неразрушающий контроль изделий, М., Наука, 2002, с.139-145. Оно заключается в решении обратной задачи нестационарной теплопроводности в многослойной среде. Метод универсален и в настоящее время находит широкое применение на практике. Однако широкое его применение сдерживается рядом недостатков, которые заключаются в следующем:
- имеется существенная нелинейная зависимость точности получаемых результатов от погрешности входных данных - результатов первичных измерений. Это приводит к необходимости обеспечивать малые значения погрешности результатов первичных измерений, что требует применение специальных измерительных приборов, квалифицированных операторов и т.п. Помимо этого, требуется соблюдение специальных климатических условий при проведении измерений.
- наличие ошибки входных данных может привести к случаю, когда обратная задача не сходится, т.е. будет отсутствовать решение.
- решением обратной задачи, как правило, является не само сопротивление теплопередаче, а величина теплопроводности одного из слоев, обычно слоя с наименьшим сопротивлением теплопередаче - теплоизоляционного слоя,
- в результате решения обратной задачи в силу специфических особенностей математического аппарата и физических принципов получаются кроме основного решения (глобального минимума функции «невязки») несколько локальных минимумов (ложных решений). Это приводит к необходимости выбора нужного «истинного» решения на основе других дополнительных входных данных и др., - перед применением метода обратной задачи необходимо провести цикл трудоемких исследований корректности, единственности, сходимости и устойчивости решения.
Однако данный способ также не позволяет определять энергэффективность конструкций.
вх
вых
Известен способ энергетического аудита (см. Т.Е. Троицкий-Марков, О.Н. Будадин, С.А. Михайлов, А.И. Потапов. Научно-методические принципы энергосбеоежения и энергоаудита. - М.: Наука, 2005, стр.88), который может использоваться для энергосбережения. Он заключается в следующем: измеряют температуру теплоносителя на входе энергопотребляющего объекта (t), измеряют температуру на выходе энергопотребляющего объекта (t), измеряют массу теплоносителя (m) за определенный промежуток времени, определяют количество энергии, потребляемой объектом:
вх
вых
Q=µcm(t-t),
где
µ - коэффициент, определяемый температурой, поддерживаемой внутри объекта, эффективностью отопительной системы и т.п.,
с - теплоемкость теплоносителя,
(данные измерения осуществляются, например, расходомерами марки Лебедь КР-01 (выпускается ООО «Техно-АС», г.Коломна)).
расч
рассчитывают количество энергии, необходимой для поддержания тепловых условий объекта в заданных пределах с учетом нормативных тепловых потерь, - Q, определяют энергоэффективность (кпд) объекта следующим образом:
расч
η=(Q-Q)/Q.
Известно устройство для осуществления энергетического аудита.
Оно включает два расходомера, при этом вход первого расходомера подключен к системе входа теплоносителей в обследуемый объект,, вход другого - к системе выхода теплоносителей из обследуемого объекта, а выходы расходомеров подключены к входам блока определения энергоэффективности контролируемого объекта, регулятор тепловой энергии, выход которого подключен к входу системы ввода тепловой энергии, первый вход подключен к выходу блока определения энергоэффективности контролируемого объекта, второй вход подключен к выходу источника тепловой энергии, вход которого подключен к выходу системы вывода тепловой энергии из контролируемого объекта, датчик температуры контролируемого объекта, вход которого подключен к выходу контролируемого объекта, а выход - к входу блока определения энергоэффективности контролируемого объекта,
В качестве расходомеров, предназначенных для определения расхода и температуры теплоносителя, используются приборы, например, марки Лебедь КР-01 (выпускается ООО «Техно-АС», г.Коломна).
Недостаток известного способа и реализующего его устройства заключается в следующем. Потери тепла в зданиях складываются из двух частей - нормативные потери и сверхнормативные потери. Нормативные потери - это потери, заложенные в самой конструкции здания. Сверхнормативные потери - бесполезные потери, которые и определяют энергоэффективность зданий (коэффициент полезного действия). Существующий способ может определять только общие потери тепла и не дает возможность определить составляющие, т.е. не позволяет достоверно определять энергоэффективность зданий.
Поэтому данный способ и реализующее его устройство обеспечивают энергосбережение объектов с низкой эффективностью.
Изобретение направлено на устранение перечисленных недостатков.
Технический результат, достигаемый при его использовании по сравнению с ближайшим аналогом, заключается в повышении эффективности энергосбережения на основе элементов интеллектуального управления процессом за счет инструментального многопараметрового энергетического аудита.
вх
вых
Технический результат достигается за счет того, что в способе энергетического аудита, согласно которому измеряют температуру теплоносителя на входе энергопотребляющего объекта (t), измеряют температуру на выходе энергопотребляющего объекта (t), измеряют массу теплоносителя (m) за определенный промежуток времени, определяют количество энергии, потребляемой объектом:
вх
вых
Q=µcm(t-t),
где
µ - коэффициент, определяемый температурой, поддерживаемой внутри объекта, эффективностью отопительной системы и т.п.,
с - теплоемкость теплоносителя,
пр
одновременно измеряют величину приведенного сопротивления теплопередачи R(x,y), определяют сверхнормативные потери тепла через теплоизоляцию на основе измеренного приведенного сопротивления - , определяют энергоэффективность (кпд) объекта следующим образом:
, где
вx
Qвх=µcmt,
Далее на основе определенных величин осуществляют управление процессом энергосбережения.
Технический результат усиливается за счет того,
н
i
в
i
0
0
тн
тв
из
в
j
н
j
qв
qн
из
что последовательно измеряют значения температуры T(t), T(t) на противоположных сторонах конструкции в области с координатами контура L(x,y) вблизи точки с координатами (х,у), с временными интервалами (τ) и (τ), соответственно, в течение времени (τ) и тепловой поток на внутренней стороне конструкции q(t) и наружной стороне конструкции на противоположной стороны q(t) с временными интервалами (τ) и (τ), соответственно, последовательно во времени в течение интервала времени (τ), при этом интервал времени измерения определяется следующим образом
из
0
из
τ={τ; ixΔτ},
где
0
τ - начальное время измерения,
i=1…М - номер интервала измерения,
из
Δτ - период интервала измерения,
М - наибольший номер интервала измерения,
из
н
i
в
i
в
j
н
j
накапливают по каждому интервалу измерению τ значения температуры T(t), T(t) на противоположных сторонах конструкции и значения теплового потока q(t), q(t),
i
0
0
определяют сопротивление теплопередачи (R) многослойной конструкции в точке контролируемого участка поверхности исследуемого объекта с координатами (х, у) для каждого интервала измерения:
1
из
тв
где N=(целое число) от τ/τ,
2
из
тн
N=(целое число) от τ/τ,
3
из
qв
N=(целое число) от τ/τ,
4
из
qн
N=(целое число) от τ/ε,
ш
измеряют (М) следующим образом на основании определенных значений (R):
;
где
max
γ - предварительная заданная величина изменения R=R(i);
величину сопротивления теплопередаче принимают равной:
из
max
где (τ) - максимальное время проведения измерений.
Проводят тепловизионное обследование путем измерения температурного поля Т(x,y) поверхности с пространственным периодом (шагом - Δа), определяемым размерами минимального дефекта конструкции:
дmin
дmin
где Δx, Δу - геометрические размеры минимального дефекта контролируемой конструкции,
определяют приведенное сопротивление теплопередаче по всей поверхности исследуемого объекта в произвольных координатах (x,у):
R(x,y)=аT(x,y)+b,
где
01
01
02
02
01
01
02
02
а=[R(x,y)-R(x,y)]/[T(x,y)-Т(х,y)]
01
01
01
01
b=R(x,y)-aT(xy).
пр
Определяют сверхнормативные потери тепла -  через теплоизоляцию на основе измеренного приведенного сопротивления - R(x,y) определяют согласно следующим равенствам:
,
где  - общий коэффициент сверхнормативной теплопередачи здания, Вт/кв.м. град С;
d
D - градусосутки отопительного периода, принимаемые в зависимости от типа;
- общая площадь наружных ограждающих конструкций, включая покрытие (перекрытие верхнего этажа и цокольное перекрытие);
- приведенный инфильтрационный (условный) коэффициент сверхнормативной теплопередачи здания, Вт/кв.м. град.С, который определяется через объемные характеристики здания (для настоящей заявки на изобретение примем ),
- приведенный трансмиссионный коэффициент сверхнормативной теплопередачи здания, Вт/кв.м. град С,
где β - коэффициент, учитывающий дополнительные теплопотери, связанной с ориентацией ограждений по сторонам горизонта, с ограждением угловых помещений, с поступлением холодного воздуха через входы в здание, для общественных зданий принимаемый равным 1,1;
w
F
A, А - площади соответственно стен и окон;
,  - приведенные сопротивления теплопередаче соответственно, стен и окон, соответственно,;
, где
,  - нормативное приведенное сопротивление теплопередаче стен и окон, соответственно, определяемое, например, в соответствии с СНиП-2-3-79 «Строительная теплотехника»
Определяют энергоэффективность (кпд) по отношению к сверхнормативным потерям тепла объекта следующим образом:
,
вх
при этом величина Q определяется по показаниям приборов-расходомеров, например, марки Лебедь КР-01 (выпускаются ООО «Техно-АС», г.Коломна).
Осуществляют формирование управляющего воздействия (например, электрического импульса) для интеллектуализации энергосбережения:
U=1 - постепенное, плавное, снижение подводимой энергии до наступления момента η=1-δ;
δ - некоторая допустимая малая величина - заранее определенная норма сверхнормативный потерь на уровне погрешности измерения;
U=0 - сигнал о несоответствии ограждающей конструкции нормативным требованиям (повышенная влажность и т.п.). При необходимости - повышение теплоизоляционных свойств;
U=0 - снижение подводимой энергии.
дmin
дmin
Геометрические размеры минимального дефекта контролируемой конструкции Δx, Δy измеряют, например, следующим образом:
- производят послойную препарацию образцов контролируемой конструкции,
дi
дi
- измеряют размеры всех дефектов, содержащихся в образце, выявленных в результате препарации: Δх, Δу,
дmin
дmin
- определяют размеры минимального дефекта контролируемой конструкции (Δх, Δу), решая систему уравнений:
где
дi
дi
дmin
дmin
δ - вероятность того, что (Δх, Δy)≥(Δх, Δy)
i
дi
дi
p(ΔX) - функция распределения величин Δх, Δy.
Координаты контура на поверхности контролируемого объекта определяют, например, следующим образом:
- измеряют разброс температурного поля по различным участкам исследуемой поверхности по результатам тепловизионного обследования с точностью, определяемой величиной изменения температуры (ΔТдеф), обусловленной минимальным дефектом конструкции,
- по результатам проведенных измерений определяют те участки поверхности L(x,y), в области которых выполняется условие:
где
L(х,y) - контур области,
(х,у) - координаты контура области,
Тмах - наибольшая температура внутри области L(x,y),
Tmin - наименьшая температура внутри области L(х,у),
ΔТдеф - изменение температуры поверхности, обусловленной минимальным дефектом,
Dyч - размер участка L(x,y) по исследуемой поверхности,
Нконстр - толщина исследуемой конструкции,
1
2
n
Нконстр=H+H+·+Н,
n - количество слоев конструкции,
тн
тв
q
Оптимальный интервал последовательного измерения температуры (τ) (τ) и теплового потока (τ) на исследуемой конструкции определяют путем решения уравнения
.
f(T) - плотности распределения длительностиво времени информационного сигнала,
τ - временной интервала измерения,
Р - вероятность пропуска информационного сигнала,
0
Т - временная разрешающая способность измерительных датчиков,
Температурные поля и тепловой поток измеряют, например, приборами:
Измерители плотности тепловых потоков и температуры 10…100-канальные по ГОСТ 25380.ИТП-МГ4.03/Х(1) «Поток»*, (ранее поставлялся как ИТП-МГ4.03-10 «Поток»)ИТП-МГ4.03/Х(П) «Поток»* (ранее поставлялся как ИТП-МГ4.03-100 «Поток»). Утвержден тип СИ. Внесен в Госреестр под №42424-09
0
0
Координаты (х, у) определяются путем решения системы уравнений:
Технический результат достигается за счет применения устройства. Устройство интеллектуального энергосбережения на основе инструментального многопараметрового мониторингового энергетического аудита содержит два расходомера, при этом вход первого расходомера подключен к системе входа теплоносителей в обследуемый объект, вход другого - к системе выхода теплоносителей из обследуемого объекта, а выходы расходомеров подключены к входам блока определения энергоэффективности контролируемого объекта, регулятор тепловой энергии, выход которого подключен к входу системы ввода тепловой энергии (система трубопроводов), а один входов подключен к выходу источника тепловой энергии (например, котельной), вход которого подключен к выходу системы вывода тепловой энергии (системе трубопроводов) из контролируемого объекта, и датчик температуры контролируемого объекта, выполненный с возможностью измерения температуры контролируемого объекта,
и снабжено
комплектом датчиков регистрации температуры (2),
комплектом датчиков регистрации теплового потока (3),
блоком определения (мониторинга) сопротивления теплопередаче контролируемого объекта (12),
блоком принятия решения интеллектуального энергосбережения (13), построенного на основе блоков сравнения,
при этом выходы комплектов датчиков регистрации температуры и теплового потока подключены к входу блока определения (мониторинга) сопротивления теплопередаче контролируемого объекта,
выход которого подключен к входу блока определения энергоэффективности контролируемого объекта (11), построенного на основе блоков вычитания, деления и сравнении,
второй выход блока определения энергоэффективности контролируемого объекта подключен к входу блока принятия решения интеллектуального энергосбережения,
два выхода которого подключены к соответствующим входам регулятора тепловой энергии (например, на основе автоматизированных запорных вентилей),
блок определения (мониторинга) сопротивления теплопередаче контролируемого объекта (12) снабжен
счетчиком времени измерения (14),
блоком вычисления сопротивления теплопередаче (15), построенного на основе блоков суммирования, деления и сравнения,
вторым блоком вычисления сопротивления теплопередаче (16), построенного на основе блоков суммирования, деления и сравнения,
блоком вычисления изменения сопротивления теплопередаче (17), построенного на основе блоков суммирования,
блоком сравнения изменения сопротивления теплопередаче (18),
блоком присвоения сопротивления теплопередаче (19), построенного на основе блоков сравнения, присвоения и суммирования,
счетчиком периода времени (20),
блоком сравнения (21),
при этом
входы блока определения (мониторинга) сопротивления теплопередаче контролируемого объекта (12), к которым подключены выходы комплектов датчиков регистрации температуры и комплектов датчиков регистрации теплового потока, являются входами счетчика времени измерения (14) и соединены с первыми входами блоков вычисления сопротивления теплопередаче (15, 16),
два выхода счетчика времени измерения подключены к соответствующим входам блоков вычисления сопротивления теплопередаче (15, 16),
выходы блоков вычисления сопротивления теплопередаче (15, 16) подключены к двум входам блока вычисления изменения сопротивления теплопередаче (17),
выход блока вычисления изменения сопротивления теплопередаче (17) подключен к входу блока сравнения изменения сопротивления теплопередаче (18),
третий выход счетчика времени измерения (14) подключен к входу блока сравнения (21),
выходы блока сравнения (21) подключены к входам счетчика периодов времени (20) и блока присвоения сопротивления теплопередаче (19),
выходы блока сравнения изменения сопротивления теплопередаче (18) подключены к входам блоков счетчика периодов времени (20) и присвоения сопротивления теплопередаче (19),
выход блока счетчика периодов времени (20) подключен к третьему входу счетчика времени измерения (14),
выход блока присвоения сопротивления теплопередаче (19) подключен к входу блока определения энергоэффективности контролируемого объекта (11), а датчик температуры контролируемого объекта выходом подключен к входу регулятора тепловой энергии.
В качестве комплектов датчиков регистрации температуры и теплового потока использованы измерители плотности тепловых потоков и температуры 10…100-канальные.
Устройство включает тепловизионную систему (22), выход которой подключен к блоку определения энергоэффективности.
Сущность изобретения и возможность достижения технического результата будут более понятны из последующего описания со ссылками на позиции чертежей, где:
На фиг.1 приведены фотографии конструкций с реальными дефектами в виде областей нарушения сплошности (расслоения)
i
дmin
дmin
На фиг.2 приведены, в качестве примера, гистограммы распределения размеров областей нарушения сплошности p(ΔX). Таким образом, осуществляется измерение геометрических размеров минимального дефекта контролируемой конструкции Δх, Дy,
На фиг.3 приведена, в качестве примера, термограмма одной из поверхностей исследуемого объекта.
На фиг.4 приведена функциональная схема регистрации термограммы для измерения температурного поля Т(х,у).
На фиг.5 отмечен контур области L(х,у) на термограмме поверхности.
На фиг.6 приведена схема устройства блока (12) интеллектуального энергосбережения.
На фиг.7 приведен график реального изменения температуры с 26.04.2011 г. по 01.05.2011 г.
На фиг.8 приведен график модельного эксперимента зависимости термического сопротивления от времени интегрирования.
На фиг.9 приведен график модельного эксперимента зависимости погрешности определения термического сопротивления от времени интегрирования при отсутствии тренда, т.е. только при условии действия шумов.
На фиг.10 приведен график модельного эксперимента зависимости погрешности определения термического сопротивления от величины тренда температуры и времени интегрирования.
На фиг.11 приведен график модельного эксперимента зависимости погрешности определения термического сопротивления от времени интегрирования при наличии совокупного действия факторов: шумов и величины тренда.
На фиг.12 приведены реальные реализации во времени температуры на наружной и внутренней поверхностях многослойной конструкции.
На рис.13 приведен состав конструкции на которой проводились экспериментальные исследования с теплотехническими и геометрическими характеристиками слоев.
На рис.14 приведен экспериментальный график изменения сопротивления теплопередаче от величины i,
На фиг 15 приведена функциональная схема устройства интеллектуального энергосбережения,
На фигурах приняты следующие обозначения:
1 - контролируемый объект,
2 - комплект контактных датчиков регистрации температуры,
3 - комплект контактных датчиков регистрации теплового потока,
4 - система ввода тепловой энергии в контролируемый объект,
5 - система вывода тепловой энергии из контролируемого объекта,
6 - источник тепловой энергии,
7 - регулятор тепловой энергии,
8 - датчик температуры внутреннего воздуха контролируемого объекта,
9, 10 - расходомеры (например, Лебедь),
11 - блок определения энергоэффективности контролируемого объекта по критерию сверхнормативных потерь,
12 - блок определения (мониторинга) сопротивления теплопередаче контролируемого объекта,
13 - блок принятия решения интеллектуального энергосбережения,
14- счетчик времени измерения,
15 - блок вычисления сопротивления теплопередаче,
16 - второй блок вычисления сопротивления теплопередаче,
17 - блок вычисления изменения сопротивления теплопередаче,
18 - блок сравнения изменения сопротивления теплопередаче,
19 - блок присвоения сопротивления теплопередаче,
20 - счетчик периода времени,
21 - блок сравнения,
22 - тепловизионная система
23 - поле обзора тепловизионной системы,
24 - мгновенной линейное поле зрения (геометрическая разрешающая способность) тепловизионной системы,
деф
А - размеры минимального дефекта ((геометрическая разрешающая способность),
S - расстояние от тепловизионной системы до объекта контроля,
L - толщина исследуемого слоя,
Температурные поля и тепловой поток измеряют, например, приборами: Измерители плотности тепловых потоков и температуры 10…100-канальные по ГОСТ 25380.ИТП-МГ4.03/Х(I) «Поток»*, (ранее поставлялся как ИТП-МГ4.03-10 «Поток»)ИТП-МГ4.03/Х(II) «Поток»* (ранее поставлялся как ИТП-МГ4.03-100 «Поток»). Утвержден тип СИ. Внесен в Госреестр под №42424-09 (КБ «Стройприбор», г.Челябинск).
Блоки (11-21) выполнены на основе стандартных микропроцессорных элементов, микросхем и микропроцессорных сборок с перепрограммируемыми запоминающими устройствами (см. например, Угрюмов Е.П. Цифровая схемотехника: учебн. пособие для вузов. - 3-е изд. перераб. и доп. - СПб.: - БХВ - Петербург, 2010.)
В качестве примера (фиг.3) приведена термограмма одной из поверхностей исследуемого объекта. Данная термограмма зарегистрирована с пространственным периодом (шагом - Δа), определяемым размерами минимального дефекта конструкции:
На основе данной термограммы измеряют температурное поле Т(х,у) исследуемой поверхности.
На фиг.4 приведена функциональная схема регистрации термограммы для измерения температурного поля Т(х,у). Регистрация осуществляется следующим образом.
Тепловизионная система размещается перед контролируемой поверхностью на расстоянии, обеспечивающем:
- во первых - одновременное наблюдение максимальной площади контролируемой поверхности с учетом поля обзора тепловизионной системы,
- во-вторых - достоверную регистрацию минимального по размерам локального участка изменения температуры (возможного дефектного участка) поверхности контролируемой поверхности.
При этих условиях расстояние от тепловизионной системы до контролируемой поверхности определяется следующим образом:
S≥Aдеф/(2Ntg(γ/2)),
где S - расстояние от тепловизионной системы 6 до фурменной зоны 3,
Адеф - характерный размер участка с локальным изменением температуры (дефектный участок),
N - коэффициент, определяющий достоверность регистрации локального участка (обычно на практике принимают N=3-10),
γ - угол мгновенного линейного поля зрения оптической системы тепловизионного прибора 6 (угловая разрешающая способность. Обычно, на практике, γ=5-10 угл.мин.),
tg - тригонометрическая функция «тангенс».
По результатам измерения температурного поля Т(х,у) исследуемой поверхности измеряют разброс температурного поля по различным участкам исследуемой поверхности с точностью, определяемой величиной изменения температуры (ΔТдеф), обусловленной минимальным дефектом конструкции, и температурного поля Т(х,у) исследуемой поверхности. Определяют координаты контура поверхности L(х,у), в области которых выполняется условие:
,
где
L(х,у) - контур области,
(х,у) - координаты контура области,
Тмах - наибольшая температура внутри области L(x,y),
Tmin - наименьшая температура внутри области L(x,у),
ΔТдеф - изменение температуры поверхности, обусловленной минимальным дефектом,
Dуч - размер участка L(х,у) по исследуемой поверхности,
Нконстр - толщина исследуемой конструкции,
1
2
n
Нконстр=Н+Н+…+Н,
n - количество слоев конструкции,
1
2
n
H,H,…Н - толщины слоев конструкции.
На фиг.5 отмечен контур области L(x,y). Координаты контура определяются, например, с использованием математических моделей построения по точкам и воспроизведения кривых.
Анализ формы объектов представляет собой одну из основных задач распознавания образов и имеет определенное значение для решения задач машинной графики в интерактивном режиме. Анализ формы оказывается полезным во всех случаях, когда требуется принять некоторое решение на основе формы наблюдаемых объектов.
Рассмотрим два подхода к распознаванию формы объектов.
При использовании первого подхода рассматриваем объект в целом и принимаем решение, исходя из его общей структуры.
При втором подходе исследуется контур силуэта: обычно определяются углы, выступы, впадины и другие точки с высокими значениями кривизны.
Дальнейший анализ контура проводиться несколькими способами. Простейшая методология предусматривает получение несложного представления контура, например, в цепном коде. При использовании более развитой методологии контур аппроксимируется участками гладких кривых (например, В-сплайнами). Последнее предпочтительно в тех случаях, когда данные зашумлены, а также при использовании признаков, отражающих особенности значительной части контура. Первый подход более уместен при работе с данными, отличающимися низким уровнем шума, и использовании локальных признаков. Широкое применение аппроксимации многоугольниками объясняется не только связанной с ней возможностью обнаруживать максимумы кривизны, но и тем, что ее реализация оказывается проще реализации других методов построения кривых по точкам.
Отыскание кривой, проходящей через заданное множество точек, составляет задачу интерполирования, а отыскание кривой, проходящей вблизи заданного множества точек - задачу аппроксимации. Разработан метод, предусматривающий использование кусочно-полиномиальных функций различных типов. При решении задач аппроксимации уделяется внимание выбору критерия, характеризующего качество приближения.
Для решения поставленной задачи разработан метод интерполирования с помощью многочленов.
1
1
2
2
n
n
Пусть (х,у), (х,у), …, (x,у) - последовательность точек, заданных на плоскости, причем х=х при i=j. Для таких точек можно непосредственно написать формулу интерполяционного многочлена (n-1)-ной степени:
интерполяционный многочлен можно представить в более строгом виде:
Из приведенного выражения следует, что значение y умножается на дробь, равную 1 при х=х и 0 при остальных значениях х, принимаемых им в заданных координатах. Частному случаю n=2 соответствует уравнение линии, соединяющей две точки:
Следует отметить некоторые недостатки, присущие разработанному методу: существенные колебания, которые может претерпевать кривая, построенная между двумя точками. Однако достоинства метода - простота, достаточно простые формулы и т.п. перекрывают недостатки
0
0
Определяют геометрические координаты точки (х, у) области L(х,у) путем решения системы уравнении:
0
0
В районе центра определенных участков L(х,у) с координатами (х, у) устанавливают на наружной и внутренней поверхностях датчики температуры и теплового потока, которые с определенным выше временным интервалом регистрируют и сохраняют в памяти значения температуры и теплового потока. При этом количество датчиков практически не ограничено.
На фиг.6 показана схема устройства, реализующего способ определения сопротивления теплопередаче.
н
i
в
i
0
0
тн
тв
из
в
j
н
j
qв
qн
из
На наружную и внутреннюю поверхность контролируемого объекта (1) устанавливаются датчики температуры и теплового потока (2, 3), которые последовательно измеряют значения температуры T(t), T(t) на противоположных сторонах конструкции в области с координатами контура L(x,y) вблизи точки с координатами (х, у), с временными интервалами (τ) и (τ), соответственно, в течение времени (τ) и тепловой поток на внутренней стороне конструкции q(t) и наружной стороне конструкции на противоположной стороны q(t) с временными интервалами (τ) и (τ), соответственно, последовательно во времени в течение интервала времени (τ), при этом интервал времени измерения определяется следующим образом
из
0
из
,
τ={τ; iхΔτ}
где
0
τ - начальное время измерения,
i=1…М - номер интервала измерения,
из
Δτ - период интервала измерения,
М - наибольший номер интервала измерения,
0
0
Датчики устанавливаются по всей выделенной области L(х,у) в близи точки с координатами (х, у). В качестве примера, некоторые реализации представлены на фиг.7. Под наружной поверхностью конструкции будем понимать поверхность, обращенную к внешней климатической среде.
Измеренные значения температуры и теплового потока в цифровом виде с блоков (2) и (3) поступают на два входа блока определения (мониторинга) сопротивления теплопередаче контролируемого объекта (12), где осуществляется определение сопротивления теплопередаче контролируемого объекта (1). С выхода блока (12) значение величины сопротивления теплопередаче контролируемого объекта поступает на первый вход блока определения энергоэффективности контролируемого объекта (11), на два вторых входа поступает информация о величине вводимой и выводимой тепловой энергии с блоков (4, 5) контролируемого объекта (1). С выхода блока (11) информация о сверхнормативных потерях тепловой энергии и коэффициенте полезного действия (определение приведено в настоящей заявке) поступает в блок (13) - принятия решения интеллектуального энергосбережения, где формируются сигналы управления и на вход регулятора тепловой энергии (7), который осуществляет оптимальное дозирование тепловой энергии в объект (1) в зависимости от сигналов блоков (11) и (13).
Блок определения (мониторинга) сопротивления теплопередаче контролируемого объекта (12) работает следующим образом.
i
i
i+1
i
i+1
max
max
max
max
Значения температуры и теплового потока в цифровом виде с блоков (2) и (3) поступают на два входа счетчика времени измерения (t), который в зависимости от текущего времени измерения переключает эти сигналы на вход блока (15) - t=t, либо вход блока (16) - t=t. В этих блоках осуществляется определение текущего значения сопротивления теплопередаче по вышеприведенным формулам, соответственно, в моменты времени t=t и t=t. Значения сопротивлений теплопередаче остуают в блок вычисления изменения сопротивления теплопередаче (17), где производится определение величины γ, которая поступает в блок сравнения изменения сопротивления теплопередаче (18). В этом блоке производится сравнение γ и γ. Если γ≤γ сигнал поступает в блок присвоения сопротивления теплопередаче (19), где осуществляется присвоение итоговому значению сопротивления теплопередаче , т.е. тому значению сопротивления теплопередаче, которое было определено последнее при . Если γ>γ, т.е. предыдущее и последующее значения сопротивления теплопередаче отличаются больше допустимого (γ), то сигнал с блока (18) передается в блок второго счетчиком периода времени (20) и работа всей схемы повторяется в новом цикле.
i
i
max
i
ax
i
max
max
Одновременно в блок сравнения (21) поступает с блока (14) текущее время (t). В блоке (21) производится сравнение текущего времени (t) с максимальным значением времени (t), которое определено как время максимальной продолжительности контроля для данной конструкции и времени года. В теоретическом обосновании приведен пример определения этого значения времени. При t<tm сигнал с блока (21) поступает на второй вход счетчиком периода времени (20) и работа всей схемы повторяется в новом цикле. При t≥t наступает окончание работы и сигнал с блока (21) поступает в блок (19) - блок присвоения сопротивления теплопередаче (19), где осуществляется присвоение итоговому значению сопротивления теплопередаче , т.е. тому значению сопротивления теплопередаче, которое было определено последнее при t=t. Последняя ситуация может возникнуть при большом уровне шумов и помех в процессе проведения контроля. Значение сопротивления теплоередаче в блока (19) передается в блок (11) - блок определения энергоэффективности контролируемого объекта. Тепловизионное устройство (22) Тепловизионная система размещается перед контролируемой поверхностью на расстоянии, обеспечивающем:
- во первых - одновременное наблюдение максимальной площади контролируемой поверхности с учетом поля обзора тепловизионной системы,
- во-вторых - достоверную регистрацию минимального по размерам локального участка изменения температуры (возможного дефектного участка) поверхности контролируемой поверхности. Информация о температурном поле передается в блок (11).
Проведем теоретическое обоснование предлагаемого способа измерениия сопротивления теплопередачи многослойной конструкции в реальных условиях и устройства для его осуществления.
Как известно, температура на поверхности земли, а значит на поверхностях, построенных на поверхности земли, изменяется в течение суток по периодическому закону (это следует из законов вращения Земли и вращения Солнца вокруг Земли). На фиг.7, например, приведен график изменения температуры с 26.04.2011 г. по 01.05.2011 г.
В идеальном случае, при отсутствии шумов, эти изменения можно представить следующей формулой:
здесь:
0
Т - постоянное среднее значение температуры,
m
Т - амплитуда колебания,
t - текущее значение времени,
Тсут - период суток (24 часа).
В реальных условиях, на поверхности земли на температуру влияет большое количество случайных шумов и помех (ветер, туман, облака и т.п.). Представив эти влияния как случайные воздействия, температуру на поверхности Земли можно записать в виде:
здесь
σ(x(t)) - функция случайной величины, влияющая на температуру,
х - параметр, определяемый доверительной вероятностью.
Аналогичный закон изменения может быть применен для описания величины теплового потока (Q) на поверхности конструкции на поверхности Земли:
Как известно, термического сопротивление (R) конструкции определяется формулой:
где
вн
Т - температура на внутренней поверхности конструкции,
нар
Т - температура на наружной поверхности конструкции,
q - величина теплового потока через конструкцию.
Данная формула выведена из условия стационарности процесса теплопередаче через конструкцию.
По определению, форму (4) выводится из решения стационарного дифференциального уравнения теплопередаче в материале.
Как известно, стационарность процесса теплопередачи определяется как условие прохождения через материал одинакового количества тепла через равные промежутки времени.
Таким образом, для того, чтобы пользоваться формулой (4) необходимо определить тот интервал времени, в течение которого тепловой поток, а, следовательно, и термическое сопротивление не будет изменяться.
В общем виде, это условие можно записать в виде выражения:
Здесь δR - погрешность изменения термического сопротивления вследствие недостаточности стационарности процесса.
0
Решая неравенство (5) при известном значении δR относительно t определяется минимальный временной интервал, который обеспечивает стационарность процесса теплопередаче.
Рассмотрим пример использования (5) для определения «временного интервала стационарности» и термического сопротивления конструкции в реальных условиях эксплуатации.
Если предел интегрирования принять кратным суткам, т.е.
0
сут
t=nT,
где n=1, 2, …N.
Подставляя в (5) значения (2) и (3) получим:
Учитывая, что для наружных ограждающих конструкций температура на внутренней поверхности практически не изменяется, а при интегрировании случайной величины σ(x(t)) в течение достаточно большого времени
То можно записать
ш
0вн
0нар
0
На фиг.8 приведен график (8) модельного расчета (2), (3), (5). При расчетах предполагалось, что шумы имеют случайный характер и описываются нормальным законом распределения. Отношение сигнал/шум предполагалось больше 2, что соответствует реальным условиям (Тm/σ≥2). Т=20 град.С., Т=-4 град.С., q=8 Вт/кв.м.
На фиг.9 приведен график модельного эксперимента зависимости погрешности определения термического сопротивления от времени интегрирования при отсутствии тренда, т.е. только при условии действия шумов.
Как видно из графика фиг.8, 9, в соответствие с результатами теоретических исследований величина термического сопротивления сходится к истинному значению и уже через 3 суток ошибка определения термического сопротивления не превышает 8%, что вполне приемлемо для практического использования.
Для практической реализации описанного выше способа достаточно измерять температурные истории последовательно в течение времени увеличивая временной интервал, вычислять термическое сопротивление и принять за искомый результат то значение термического сопротивления, которое отличается от предыдущего значения на величину заранее заданной погрешности.
Рассмотрим влияние тренда изменения температуры на наружной поверхности и теплового потока.
Для этого представим (2) в виде
а
где коэффициенты  и b определяют величину тренда.
m
m
Для наглядности теоретических исследований положим, что между сутками средняя температура изменяется на величину ΔТ, а величина теплового потока изменяется на величину Δq
Для этих условий можно записать уравнения трендов температуры и теплового потока:
m
суm
0
q=-Δq(t/T)+q
Определим зависимость термического сопротивления от величины трендов температуры и теплового потока при условии, что величина шумов незначительна.
Подставляя (10) и (9) в (8) и, производя интегрирование, получим:
0вн
0нар
0
Т=20 град.С, Т=-4 град.С, q=8 Bт/кв.м.
Результаты расчетов по формуле (11) приведены на фиг.10 - график модельного эксперимента зависимости погрешности определения термического сопротивления от величины тренда температуры и времени интегрирования.
Из фиг.10 видно, что величина тренда 2 град./сутки приводит к погрешности определения термического сопротивления не более 6%, что вполне приемлемо для практики.
При практическом использовании предлагаемого способа определения термического сопротивления необходимо определять оптимальное время регистрации температурных историй: с одной стороны, чем больше время, тем меньше влияние шумов и меньше погрешность определения термического сопротивления. С другой стороны, если имеется тренд температуры, то увеличение интервала времени ведет к увеличению погрешности.
Результаты теоретического моделирования погрешности определения термического сопротивления с учетом всех вышеуказанных факторов приведены на фиг.11- график модельного эксперимента зависимости погрешности определения термического сопротивления от времени интегрирования при наличии совокупного действия факторов: шумов и величины тренда.
Анализ результатов, приведенных на фиг.11 позволяет сделать следующие выводы:
1. Погрешность определения термического сопротивления по предлагаемому способу не превышает 10%, что вполне приемлемо для практики.
2. Существует оптимальное время регистрации температурных историй (время проведения контроля). Это время, по результатам теоретического моделирования лежит в диапазоне 2,5-4 суток. Оптимальность определялась по условию минимума погрешности определения термического сопротивления.
Проведено экспериментальное подтверждение эффективности предлагаемого способа измерения сопротивления теплопередачи многослойной конструкции в реальных условиях и устройства для его осуществления.
На фиг.12 приведены экспериментальные, полученные с реальной многослойной конструкции, временные истории (значения в различные последовательные моменты времени) температуры и теплового потока, замеренные на поверхности.
На фиг.13 - приведен состав многослойной конструкции на которой проводились экспериментальные исследования с теплотехническими и геометрическими характеристиками слоев.
Далее осуществляется регистрация температурного поля Т(х,у) с поверхности контролируемого объекта (фиг.3)
На рис.14 приведен график изменения сопротивления теплопередаче от величины i.
Экспериментальные исследования и численное моделирование позволили осуществить расширенное сравнение эксплуатационных и технических характеристик способов интеллектуального энергосбережения: заявляемого и принятого в качестве прототипа (таблице 1).
Таблица 1.
№ пп
Параметр
Численные значения параметра
Способ по предлагаемому изобретение
Способ - ближайший аналог (прототип)
Способ-аналог
1
2
3
4
5
1
Эффективность энергосбережения
До 14%
До 7%
До 2-4%
2
Допустимая погрешность входных данных
До 18%
До 5%
До 5%
3
Погрешность результатов управления
Не более 7% (возможно снижение погрешности до 4%)
До 30% (снижение погрешности практически невозможно)
До 100% (снижение погрешности принципиально невозможно)
3
Однозначность управляющих решений
Метод обеспечивает единственность решения (результата)
Возможно (вероятность 30%) вторичные решения - локальные минимумы
Метод обеспечивает единственный результат, но с недопустимой погрешностью (100%)
4
Квалификация оператора
Средняя и низкая (на уровне
Высокая (один из операторов -
Не определяется
среднетехнического образования)
расчетчик должен иметь высшее образование)
5
Затраты на энергообеспечение строительный конструкици
Экономия до 18%
Экономия до 7%
Экономия 3-5%
6
Вероятность отсутствия управляющего решения
Отсутствует
Имеется вследствие величины погрешности входных данных
Не определяется
7
Вычислительные мощности и сложность математического аппарата
Низкие
Высокая из-за необходимости решения обратной задачи нестационарной теплопроводности
Не определяется
Подтверждено, что предлагаемый способ обеспечивает следующие технические преимущества перед его аналогами и прототипами:
- позволяет оперативно с высокой эффективностью осуществлять энергосбережение строительных конструкций с учетом как теплоносителя и комфортности условий проживания, так и величины сверхнормативных потерь тепловой энергии;
- снижает возможность аварий строительных конструкций за счет своевременных и достоверных управленческих решений;
- повышает надежность эксплуатации строительных объектов (с продлением остаточного ресурса эксплуатации за счет оптимизации энергоэффективности);
- снижает затраты на энергоснабжение строительной констукции до 18%;
- Позволяет использовать более простые, дешевые, и соответственно, более надежные устройства регистрации первичной (входной) информации, реализующие погрешность входных данных до 18%, в отличие от прототипа, где требуются дорогие входные преобразователи с низкой погрешностью;
- Исключает субъективизм в процессе принятия решения, в т.ч. при проведении расчетов, которые осуществляются автоматически без участия операторов;