Устройство для измерения теплового сопротивления отопительной системы отдельного помещения
Техническое решение относится к области теплофизических измерений. Целью предложенного технического решения является создание недорогого устройства для измерения теплового сопротивления. Технический результат достигается тем, что в устройство для измерения теплового сопротивления отопительной системы отдельного помещения, содержащее m датчиков для измерения средней температуры воздуха помещения, n датчиков для измерения средней температуры контура помещения, датчик температуры внешней среды и датчик температуры теплового источника, выходы которых связаны с входами микропроцессорного контроллера и устройство обработки данных, причем изменение тепловой энергии воздушной массы, заключенной в помещении заданного объема и системы контура помещения определяется как: dQ1/dt=R ист(Тист-T1)-Ck(T 1-T2)-Rвнеш(T1-Твнеш ); dQ2/dt=Ck(T1-T2 )-Rсм(Т2-Тсм), где Rист - тепловое сопротивление; Rвнеш - сопротивление теплопередачи во внешнюю среду; Ck - теплоемкость контура; Т ист - температура источника; T1 - усредненная температура воздуха в помещении; Т2 - усредненная температура контура; Твнеш - температура внешней среды; Rcм - сопротивление теплопередачи в соседнее помещение; Тcм - температура воздуха смежного помещения, введем соотношения: Q1=C1T1V1 ; Q2=C2T2V2, где C1, C2 - удельные теплоемкости воздуха и контура соответственно; V1, V2 - объемы помещения и контура соответственно, считаем, что температура смежных помещений совпадает с температурой отдельного помещения, а температуры теплоносителя и внешней среды не зависят от времени, система уравнений сводится к системе алгебраических уравнений, описывающих поведение температур: dT1/dt=[Rист (Tист-T1)]/C1V1-[C k(T1-T2)]/C1V1 -[Rвнеш(T1-Твнеш)]/С1 V1 dT2/dt=[Ck(T1-T 2)]/C2V2, причем измеренные температуры подставляются в уравнения, которые при этом сводятся к алгебраическим уравнениям и из их решения находится тепловое сопротивление. Предлагаемое техническое решение может быть использовано в системах мониторинга, контроля, учета и управления теплопотреблением для измерения теплового сопротивления отопительной системы и мощности теплопередачи.
Техническое решение относится к области теплофизических измерений.
Система отопления предназначена для создания и поддержания в помещениях объекта (здания, сооружения, части здания) температурной обстановки, соответствующей комфортной для человека или отвечающей требованиям технологического процесса.
Температура в помещении зависит от тепловой мощности системы отопления, а также от расположения теплопередающих, теплообразующих устройств, теплофизических свойств наружных и внутренних ограждений, интенсивности других источников поступления и потерь теплоты. В холодное время года помещение в основном теряет теплоту через наружные ограждения и, в какой-то мере, через внутренние ограждения, отделяющие данное помещение от смежных помещений, имеющих более низкую температуру воздуха. Кроме того, теплота расходуется на нагревание наружного воздуха, который проникает в помещение через неплотности ограждений естественным путем или в процессе работы системы вентиляции. В установившемся (стационарном) режиме потери равны поступлениям теплоты.
Известно устройство определения коэффициента теплоотдачи (см., Тепло- и массообмен, Теплотехнический эксперимент, Справочник, Под общей редакцией В.А.Григорьева и В.М.Зорина, 1982, Москва, Энергоатомиздат, стр.427), при котором измеряют величину теплового потока датчиком теплового потока, температуру поверхности, обтекаемую средой, и температуру среды.
Основным законом теплоотдачи является закон Ньютона-Рихмана, согласно которому тепловой поток Q=
F(Tп-Tcp), передаваемый в условиях конвективного теплообмена, пропорционален площади теплоотдающей поверхности и разности температур между поверхностью и омывающей ее средой, где Q - тепловой поток; - коэффициент теплоотдачи; Тп - температура поверхности; Тср - температура среды; F - площадь поверхности, причем коэффициент теплоотдачи определяют из этого соотношения.
Недостатком известного технического решения является его невысокая точность, определяемая конкретными условиями применения.
Известно устройство учета расхода тепловой энергии отопительного прибора (см., патент RU 
2095769 МПК G01K 17/20, публикация от 10.11.1997), содержащий блок вычисления коэффициента теплоотдачи, вычисляемый по прямолинейной зависимости от разности температур.
Однако все попытки приводили к усложнению определения коэффициента теплоотдачи или понижению точности его определения.
Известно устройство для определения сопротивления теплопередаче оконных блоков (см., ГОСТ 26602.1-99, Методы определения сопротивления теплопередаче), содержащее испытываемый образец, датчики поверхностей участков испытываемого образца, стационарный режимы испытания образца осуществляют за счет создания постоянного во времени перепада температур по обеим сторонам образца теплового потока (или тепловой мощности на его создание), датчики температур воздуха до и после испытываемого образца, и устройство обработки с вычислением значений термического сопротивления и сопротивления теплопередаче.
Недостаток известных технических решений заключается в низких потребительских свойствах за счет низких точности и достоверности. Наличие этого недостатка вызвано тем, что в известные устройства никак не учитываются потери, обусловленные тем, что часть тепловой энергии уходит от источника тепловой энергии и наружного теплообменника в окружающую среду, а часть поступающей в исследуемый объект тепловой энергии уходит по исследуемому объекту в стороны от главного направления распространения теплового потока по исследуемому объекту (это явление называется боковым теплообменом).
Целью предложенного технического решения является создание простого и недорогого устройства, для измерения теплового сопротивления с учетом индивидуальных особенностей отопительной системы отдельного помещения при повышении точности измерения, снижение стоимости и трудозатрат при внедрении и эксплуатации.
Для решения поставленной задачи требуется знать поведение вычисляемых коэффициентов в сравнительно узком диапазоне температур.
1. для температуры окружающей среды от -45 до +10°С;
2. для температуры помещения от +10 до +30°С;
3. для температуры источника тепла от +10 до +80°С.
Для практических расчетов подбираются участки графиков (зависимости коэффициентов), приближенно считающиеся линейными, причем количество значений коэффициентов неограниченно и зависит от поведения графика в выбранном диапазоне температур. Коэффициенты измеряются (вычисляются) в рамках предварительных экспериментов (наладки системы) и потом используются для практических вычислений в процессе эксплуатации. В процессе эксплуатации коэффициенты используются для вычисления фактического потребления помещением тепловой энергии или пропорции фактического потребления по отношению к общему потреблению объектом покупной тепловой энергии.
Технический результат достигается тем, что в устройство для измерения теплового сопротивления (или коэффициента теплопередачи) отопительной (тепловой) системы отдельного помещения, содержащее m датчиков для измерения средней температуры воздуха помещения и n датчиков для измерения средней температуры контура помещения, а также датчик температуры внешней среды и датчик температуры теплового источника, выходы которых связаны с входами микропроцессорного контроллера для сбора и передачи информации, шина связи которого подключена к входной шине устройства обработки данных, причем изменение тепловой энергии воздушной массы, заключенной в помещении заданного объема и системы контура помещения определяется как:
dQ1/dt=Rист(Тист -T1)-Ck(T1-T2)-R внеш(T1-Твнеш)
dQ 2/dt=Ck(T1-T2)-Rсм (Т2-Тсм),
где Rист - тепловое сопротивление; Rвнеш - сопротивление теплопередачи во внешнюю среду; Ck - теплоемкость контура; Т ист - температура источника; T1 - усредненная температура воздуха в помещении; Т2 - усредненная температура контура; Твнеш - температура внешней среды; Rсм - сопротивление теплопередачи в соседнее помещение; Тсм - температура воздуха смежного помещения,
введем соотношения:
Q1=C1 T1V1,
Q2=C 2T2V2,
где C1 , C2 - удельные теплоемкости воздуха и контура соответственно,
V1, V2 - объемы помещения и контура соответственно, считаем, что температура смежных помещений совпадает с температурой отдельного помещения, а температуры теплоносителя и внешней среды не зависят от времени, система уравнений сводится к системе алгебраических уравнений, описывающих поведение температур:
dT1/dt=[R ист(Tист-T1)]/C1V 1-[Ck(T1-T2)]/C1 V1-[Rвнеш(T1-Твнеш )]/С1V1
dT2/dt=[C k(T1-T2)]/C2V2 , причем измеренные температуры подставляются в уравнения, которые при этом сводятся к алгебраическим уравнениям и из их решения находится тепловое сопротивление.
Сущность предложенного технического решения заключается в следующем: тепловой режим помещения приводится в неравновесное состояние, при этом температуры воздуха и контура изменяются во времени. Полученные температурные зависимости обрабатываются с помощью предложенной математической модели. Результатом обработки является нахождение значения теплового сопротивления источника.
После монтажа устройства на месте эксплуатации проводится серия наладочных экспериментов с целью определения коэффициентов для дальнейшей эксплуатации. Результаты экспериментов и вычисленные коэффициенты с привязкой к диапазонам измеряемых температур заносятся в базу данных и используются в дальнейшем для вычисления потребленной объектом покупной тепловой энергии.
Сравнение предлагаемого решения с известными техническими решениями показывает, что оно обладает новой совокупностью существенных признаков, которые совместно с известными признаками позволяют успешно реализовать поставленную цель.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен общий вид предлагаемого технического решения, на фиг.2 - экспериментальные кривые для нахождения теплового сопротивления.
Состав устройства:
11 - 1m датчики температуры воздуха помещения (размещенные в замкнутом объеме помещения);
2 1 - 2n датчики температуры контура помещения (размещенные на поверхности контура: потолок, пол и внутренние стены помещения);
3. датчик температуры теплового источника;
4. датчик температуры внешней среды;
5. микропроцессорный контроллер;
6. устройство обработки данных;
7. индикатор (дисплей);
Устройство работает следующим образом.
Датчики измеряют температуры воздуха 11 - 1m , контура 21 - 2n, источника тепла 3 и внешней среды 4. Микропроцессорный контроллер 5 запрашивает данные, например, с температурных датчиков 21 - 2n размещенных на стенах и перекрытиях (изолированные от воздуха помещения) в нескольких местах с тем, что бы можно было получить усредненный интегральный коэффициент, связанный с теплоемкостью стен и перекрытий, а также одновременно с датчиков 11 - 1m, размещенных в воздухе помещения, на теплоносителе 3 и во внешней среде 4.
Температурный режим помещения приводится в неустойчивое состояние, например воздух и стены помещения охлаждаются за счет притока холодного воздуха из внешней среды. При этом за счет инерционности контура охлаждение стен меньше, чем охлаждение воздуха. Затем система помещения приводится в естественное состояние, и происходит нагревание объема воздуха и стен за счет притока тепла от отопительных источников.
Периодичность снятия показаний датчиков устанавливается опытным путем. Полученные показания архивируются, сформированная база данных обрабатывается, согласно, предложенному математическому аппарату.
Предлагаемое техническое решение может быть использовано в системах мониторинга, контроля, учета и управления теплопотреблением, как отдельного помещения, так и здания в целом за счет создания простого и недорогого устройства для измерения теплового сопротивления отопительной системы и мощности теплопередачи. Позволяет снизить стоимость и трудозатраты при внедрении и эксплуатации.
Устройство для измерения теплового сопротивления отопительной системы отдельного помещения, содержащее m датчиков для измерения средней температуры воздуха помещения и n датчиков для измерения средней температуры внутреннего ограждения помещения, а также датчик температуры внешней среды и датчик температуры теплового источника, выходы которых связаны с входами микропроцессорного контроллера для сбора и передачи информации, шина связи которого подключена к входной шине устройства обработки данных.
