DE1921570C3 - Passiver Temperaturfühler - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf einen passiven Temperaturfühler eines thermostatischen Systems zur Steuerung der Raumbeheizung od. dgl. mit Sollwert-Einstellung.

Die üblichen Temperaturfühler dieser Art (vgl. z. B. DE-PS 11 80 592) sind so ausgelegt, daß sie auf die Temperatur der in einem Raum befindlichen Luft ansprechen. Sie müssen so angeordnet werden, daß die Raumluft an ihnen vorbeistreichen kann. In der Regel sind sie mit einer blanken Metalloberfläche versehen und in einem mit Schlitzen ausgestatteten Gehäuse untergebracht.

Wenn in Abhängigkeit von einem solchen Temperaturfühler die Raumbeheizung gesteuert wird, kann die Temperatur der Raumluft auf einem gewünschten Wert gehalten werden.

Es hat sich aber gezeigt, daß das Behaglichkeitsempfinden eines Menschen, der sich in einem derart temperaturgesteuerten Raum befindet, noch von zahlreichen anderen Faktoren abhängt, insbesondere von der einfallenden Wärmestrahlung, die von der Sonne oder von den Heizkörpern ausgeht, von der Wärmestrahlung, die von kalten Fenstern und kalten Wänden ausgeht, von der Geschwindigkeit der Luftströmung innerhalb des Raumes und vom Aktivitätsniveau des bo Menschen selbst, also z. B. davon, ob er ruhig am Schreibtisch sitzt oder schwere körperliche Arbeit leistet.

Aufgrund wissenschaftlicher Untersuchungen ist eine »Wärmekomfort-Gleichung« aufgestellt worden, welehe die verschiedenen Faktoren miteinander verknüpft und davon ausgeht, daß sich der Zustand größten Wohlbefindens dann einstellt, wenn an der Hautoberfläche eine vorgegebene Gleichgewichtstemperatur heriji-ht, die sich aufgrund der Verbrennungsvorgänge im menschlichen Körper und einer gewissen Wärmeabfuhr zum Raum hin einstellt Man kann daher in einem Diagramm, in welchem die mittlere Strahlungstemperatur über der Raumtemperatur aufgetragen ist, für unterschiedliche Luftgeschwindigkeiten, Aktivitätsniveaus oder Bekleidungen Kurven des größten Behaglichkeitsgefühls zeichnen (Fanger in ASHRAE-Transactions Vol.73, Part II, 1967 - Reprints. 10).

Die Erkenntnis, daß das Aktivitätsniveau einen wesentlichen Einfluß auf die jeweiligen Komfortbedingungen hat, führte zu einem Vorschlag (DE-AS 17 53 205), einen aktiven Fühler zu entwickeln, der mit Hilfe eines Heizelements die Verbrennungswärme des Körpers nachbildet Hierdurch wird jedoch der Fühler kompliziert; insbesondere benötigt er zusätzlich Zuleitungen für das Heizelement

Ferner sind Thermometer bekannt (Brad tk e — Liese »Hilfsbuch für raum- und außenklimatische Messungen« 1937, Seiten 26, 27), die einen kugelförmigen Fühler mit einem Durchmesser von 10 cm aufweisen und eine kombinierte Temperatur messen, welche sowohl von der Konvektionswärme als auch von der Strahlungswärme abhängen und aus diesem Grund eine Strahlung aufnehmende geschwärzte kugelige Fühleroberfläche besitzen. Hiermit erfolgt jedoch keine Steuerung der Raumbeheizung.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Temperaturfühler anzugeben, der die Aufrechterhaltung eines Wärmekomfort-Bereichs in einem Wohnraum ermöglicht, einen sehr einfachen Aufbau hat und leicht montierbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Vereinigung der Merkmale gelöst, daß die in an sich bekannter Weise für den Wärmeaustausch durch Konvektion und durch Strahlung ausgebildete Fühleroberfläche so beschaffen ist, daß das Verhältnis C zwischen dem Produkt aus der der Temperaturstrahlung ausgesetzten Oberfläche As (in m²) und dem Emissionsfaktor ε einerseits und dem Produkt aus der der Konvektion ausgesetzten Fläche Ak (in m²) und dem Beiwert F (in iy-°C-'-²⁵-m-²) der Wärmeübergangszahl andererseits zwischen 0,1 und 0,3, vorzugsweise zwischen 0,14 und 0,25, liegt, und daß der Fühler Mittel zur Befestigung an der Wand hat und auf der der Wand zugekehrten Seite reflektierende Eigenschaften oder eine Abdeckung gegen Strahlung besitzt.

Ein solcher Fühler ist nicht nur gegenüber der Temperatur der vorbeistreichenden Luft, sondern auch gegenüber der Wärmestrahlung empfindlich. Hierbei ist die Empfindlichkeit gegenüber der Konvektionswärme und der Strahlungswärme so ausgewogen, daß bei kleineren Werten der Strömungsgeschwindigkeit der Luft (insbesondere unter 0,3 m/s) für verschiedene Größen des Aktivitätsniveaus eine außerordentlich gute Annäherung an das optimale Wohlbefinden einer im Raum befindlichen Person erzielt werden kann.

Das Aktivitätsniveau, das bei sitzender Arbeit durch etwa 50 kcal/h · m² und bei schwerer körperlicher Arbeit durch etwa den dreifachen Wert charakterisiert ist, kann, sofern dies gewünscht ist, durch die Sollwerteinstellung berücksichtigt werden.

Obwohl der Fühler in einfacher Weise an der Wand montiert werden kann, ist der Einfluß der Temperaturstrahlung von der Wand auf den Fühler ausgeschaltet. Die Höhe über dem Boden sollte etwa 1 bis 1,25 m betragen, weil dies die Höhe ist in der sich der Hauptteil

eines Menschen beim Aufenthalt im Raum befindet. Reflektierende Eigenschaften erhält die der Wand zugekehrte Oberfläche beispielsweise, indem sie blank oder auf Hochglanz poliert ist.

Der Emissionsfaktor ε ist für die Beschaffenheit verschiedener Oberflächen tabellarisch erfaßt Der Beiwert F, der durch Multiplikation mit der vierten Wurzel der Temperaturdifferenz die Wärmeübergangszahl ergibt, ist für einige Oberflächenformen der Literatur zu entnehmen, sei es direkt, wie für einen Menschen (Fanger, a. a.O., Seite 9, Gleichung 28), sei es indirekt durch Berechnung, wie für eine lotrechte ebene Wand (»Hütte«, 27. Auflage, I. Band, 1948, Seite 595). Beide Werte lassen sich aber in jedem Fall experimentell bestimmen.

Vorzugsweise ist der Fühler so beschaffen, daß die Fühlerflächen, die horizontale Strahlung aufnehmen, und die Fühlerflächen, die vertikale Strahlung aufnehmen, etwa im gleichen Verhältnis wie die entsprechenden Flächen beim Menschen stehen. Hiermit läßt sich die Wärmekomfort-Regelung noch weiter verbessern. Strahlungseinflüsse einer Deckenheizung beispielsweise werden nur im gleichen Verhältnis berücksichtigt, wie sie auch der Mensch empfindet.

Die der Wand zugekehrte Seite des Fühlers kann auch durch eine Isolierschicht abgedeckt sein.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Hierbei dienen die F i g. 1 bis 3 der allgemeinen Erläuterung, während sich die Fig.4 bis 7 mit Ausführungsbeispielen des erfindungsgemälien Fühlers befassen. Im einzelnen zeigt

Fig. 1 in schematischer Darstellung einen Raum mit einem Fühler,

Fig.2 in einem Diagramm die Abhängigkeit zwischen der Raumtemperatur U und der mittleren Strahlungstemperatur /M«rzur Erzielung eines Wärmekomfort-Bereichs,

Fig. 3 einen Fühler in Verbindung mit einem thermostatisch gesteuerten Ventil,

F i g. 4 eine Ausführungsform des Fühlers in Seitenansicht,

Fig.5 eine zweite Ausführungsform in räumlicher Darstellung,

Fig.6 die Ausführung der Fig. 5 im Horizontalschnitt und

Fig. 7 eine dritte Ausführungsform im senkrechten Schnitt.

In Fig. 1 ist ein Raum 1 veranschaulicht, der durch Wände 2, einen Boden 3, eine Decke 4 und ein Fenster 5 begrenzt ist. Ein Fühler 6 ist in einer Höhe von 1,25 m angebracht. Er ist über eine Steuerleitung 7 mit einem thermostatisch gesteuerten Ventil 8 eines Heizkörpers 9 verbunden. Der Fühler 6 steht einerseits unter dem Einfluß der Temperatur I_n der im Raum befindlichen Luft, die durch Konvektion an ihm vorbeistreicht, und andererseil'; unter dem Einfluß der mittleren Strahlungstempi"ratur Imrt, die vom Zustand der Wandflächen, der FtnSterflächen, der Heizkörpei flächen und so weiter abfängt, soweit deren Strahlung den Fühler erreicht, Infolgedessen nimmt der Fühler die Temperatur if ar», w<)b^i die nachstehende Gleichung erfüllt sein muß

As-'-<'{T_UKi-Tj)-A_K-F \l_f-t„

-I₁₁) = 0,

wobei die Einzelnen Bezeichnungen die folgende

Bedeutung haben:

As der Strahlung ausgesetzte Flächein m² .

Ak der Konvektion ausgesetzte Fläche in m²

ε Emissionsfaktor, eine dimensionslose Materialkonstante

σ 5,775· 10-⁸in W-°K-*-m-²

F Beiwert, der zusammen mit dem Faktor \tf— t_ä\⁰²ⁱ die Wärmeübergangszahi ergibt und die Dimension W-°C-'-²⁵-m²hat

Tmrt Absolutwert der mittleren Strahlungstemperatur

in°K
ίο Tr Absolutwert der Fühlertemperatur in ° K

tf Fühlertemperaturin ° C

ta Temperatur der Raumluft in °C, kurz auch »Raumtemperatur« genannt.

In dieser Gleichung sind lediglich die Werte As, Ak, ε und F wählbar, σ ist eine Konstante, die Temperaturen können sich in Abhängigkeit von den jewe'ligen Verhältnissen ändern. Faßt man die willkürlich wählbaren Werte im Verhältnis

zusammen, wobei dieses Verhältnis die Dimension W- '· ⁰C-²⁵^m² hat, dann lassen sich im Raum mit verblüffend großer Genauigkeit Wärmekomfort-Bedingungen einregeln, wenn gilt

0.1<C<0,3.

Eine noch genauere Einhaltung der Wärmekomfort-Bedingungen ergibt sich, wenn

0,14<C<0,25.

In F i g. 2 sind Linien größten Wohlbefindens über der Raumtemperatur i_a in Abhängigkeit von der mittleren Strahlungstemperatur tMRT aufgetragen. Die voll ausgezogenen Kurven 1 und II gelten für einen sitzend am Schreibtisch arbeitenden Menschen mit mittelschwerer Kleidung, wobei die Kurve I einer Geschwindigkeit der Konvektionsluftströmung von weniger als 0,1 m/s und die Kurve II einer Luftgeschwindigkeit von 0,3 m/s zugeordnet ist. Da höhere Luftgeschwindigkeiten ohnehin als unangenehm empfunden werden, sollte das Regelsystem Arbeitspunkte annähernd auf den Linien 1 und II bzw. in dem dazwischen liegenden schraffierten Bereich einzustellen gestatten. Die gestrichelt gezeichneten Linien III und IV geben die Kurven optimalen Wohlbefindens für einen schwer körperlich arbeitenden, stehenden Menschen mit mittelschwerer Kleidung an,

so wobei wiederum die Luftgeschwindigkeit bei der Kurve III unter 0,1 m/s und bei der Kurve IV bei 0,3 m/s liegt. Man erkennt, daß die Neigung der Kurven I und III bzw. II und IV annähernd gleich sind, ddß also die Berücksichtigung des Aktivitätsniveaus des Menschen durch eine Parallelverschiebung der Komfort-Kurven erzielt werden kann.

Wird der Temperaturfühler so ausgelegt, wie es erfindungsgemäß vorgeschlagen wird, ergibt sich eine von der Raumtemperatur und der mittleren Strahlungstemperatur derart abhängige Fühlertemperatur, daß sich Arbeitspunkte im wesentlichen im angezeigten Komfort-Bereich ergeben. Durch eine Verstellung des Sollwerts des thermostatischen Systems kann hierbei die erwähnte Parallelverschiebung und damit die Berücksichtigung des Aktivitätsniveaus des Menschen eingeführt werden.

Ein nach der bisherigen Art arbeitendes thermostatisches System würde, wenn der Sollwert auf den Punkt a.

<i

ζ. Β. 24° C, eingestellt wäre, diese Raumtemperatur unter allen Umständen aufrechtzuerhalten versuchen (wie es durch die senkrechte Linie durch a angedeutet ist), auch wenn die mittlere Strahlungstemperatur zu- oder abnimmt. Bei Verwendung des erfindungsgemäßen Fühlers dagegen verschiebt sich bei einer Änderung der Strahlungstemperatur der Arbeitspunkt auf einen anderen Wert, z. B. b. Steigt die mittlere Strahlungstemperatur von 20 auf 26°C, muß die Raumtemperatur zur Beibehaltung des optimalen Wohlbefindens von 24 auf 20° C abgesenkt werden.

Fig.3 zeigt schematisch ein von einem Fühler 10 thermostatisch geregeltes Ventil, das dem Ventil 8 in Fig.! entsprechen kann. Der Fühler 10 hat die Form eines Ellipsoids, dessen Oberfläche sowohl der Strahlung als auch der Konvektion ausgesetzt ist. Die Ellipsoidform stellt sicher, daß die von der senkrechten Strahlung getroffene Fläche zur von der horizontalen Strahlung getroffenen Fläche etwa im gleichen Verhältnis steht, wie die entsprechenden Flächen beim Menschen. Es sei ausgenommen, daß der Fühler 10 mit einem Flüssigkeits-Dampf-Gemisch gefüllt ist, so daß der von der Fühlertemperatur abhängige Dampfdruck über ein Kapillarrohr 11 in einem Arbeitselement 12 des thermostatischen Systems wirken kann. Das Arbeitselement 12 besitzt eine Balgdose 13, die auf einen Schaft 14 eines Ventils 15 wirkt. Das Ventil hat einen Sitz 16 und einen mit dem Schaft 14 verbundenen Verschlußkörper 17. Eine Sollwertfeder 18, die mit einem verstellbaren Widerlager 19 verstellt werden kann, wirkt dem Druck im Innern des Arbeitselements 12 entgegen. Infolgedessen stellt sich das Ventil auf einen bestimmten Wert ein. Steigt die Temperatur des Fühlers 10, sei es aufgrund der erhöhten Strahlungstemperatur, sei es aufgrund der erhöhten Raumtemperatur, so schließt das Ventil, und umgekehrt.

Fig.4 zeigt einen kugelförmigen Fühler 31, der mittels einer Befestigungsvorrichtung 32 unmittelbar an einer Wand 33 angebracht ist. Die der Wand zugekehrte Fläche 34 der Kugel ist blank und nimmt keine Strahlungsenergie auf. Die der Kugel abgewandte Fläche 35 der Kugel hat die Strahlung absorbierende Eigenschaften. Infolgedessen wird die Fläche 34 zwar von der Konvektionsströmung beeinflußt, nicht aber von der Strahlung, die von der Wand 33 ausgeht.

Die F i g. 5 und 6 zeigen einen Fühler 36, der mittels einer U-förmigen Halterung 37 an einer Wand 38 befestigt ist. Der Fühler selbst ist flach ausgebildet, besitzt eine ebene Rückwand 39, eine ebene Stirnwand 40 und schräge Übergangsflächen 41. Raumluft strömt, wie die Pfeile in F i g. 5 andeuten, einerseits durch den zwischen Fühler 36 und Halterung 37 gebildeten Hohlraum und andererseits längs der Außenseite des Fühlers, wobei die schrägen Übergangsflächen 41 als die Strömung wirbelfrei führende Leitflächen dienen. Nur die vorderen Flächen 40 und 41 werden von der Strahlung betroffen. Die Rückwand 39 ist durch die Halterung 37 mit niedrigem Emissionskoeffizienten gegen Strahlung abgedeckt. Falls befürchtet wird, daß die Halterung 37 ihrerseits in nicht vernachlässigbarem Maße Strahlung abgibt, kann die Rückwand 39 auch blank ausgeführt werden.

F i g. 7 zeigt einen Fühler 42, der mittels einer Isolierung 43 an einer Wand angebracht ist. Die Isolierung 43 stellt sicher, daß keinerlei Strahlungseinflüsse von der Wand auf den Fühler gelangen. Vom Fühler 42 ist nur die Vorderwand 44 wirksam; sie ist sowohl der Konvektionsslrömung als auch der Strahlung ausgesetzt. Sie kann mit einer Oberfläche versehen sein, die einen Emissionsfaktor unter 0,8 hat, oder mit einer Oberfläche, die nur abschnittsweise Strahlung absorbiert, im übrigen aber die Strahlung reflektiert

Die Fühler können statt der Flüssigkeits-Dampf-Füllung auch eine reine Flüssigkeitsfüllung haben. Das Erfindungsprinzip läßt sich auch mit Bimetall-Fühlern oder mit anderen bekannten Fühlern ausführen, deren Form und Oberflächenbeschaffenheit die beschriebene Anpassung erfahren hat. Der Fühler kann auch die Form eines Hohlzylinders haben. Ferner kann der Fühler im wesentlichen flach sein und einen sich zumindest zu zwei gegenüberliegenden Seiten hin verjüngenden Querschnitthaben.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Passiver Temperaturfühler eines thermostatischen Systems zur Steuerung der Raumbeheizung od. dgl., mit Sollwert-Einstellung, gekennzeichnet durch die Vereinigung der Merkmale, daß die in an sich bekannter Weise für den Wärmeaustausch durch Konvektion und durch Strahlung ausgebildete Fühleroberfläche so beschaffen ist, daß das Verhältnis C zwischen dem Produkt aus der der Temperaturstrahlung ausgesetzten Oberfläche As (in m²) und dem Emissionsfaktor e einerseits und dem Produkt aus der der Konvektion ausgesetzten Fläche Ak (in m²) und dem Beiwert F (in W-°C-^l25-m-²) je,- Wärmeübergangszahl andererseits zwischen 0,1 und 0,3, vorzugsweise zwischen 0,14 und 0,25, liegt, und daß der Fühler Mittel (32;37; 43) zur Befestigung an der Wand hat und auf der der Wand zugekehrten Seite (34; 39) reflektierende Eigenschaften oder eine Abdeckung (37) gegen Strahlung besitzt.

2. Fühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fühlerflächen, die horizontale Strahlung aufnehmen, und die Fühlerflächen, die vertikale Strahlung aufnehmen, etwa im gleichen Verhältnis wie die entsprechenden Flächen beim Menschen stehen.

3. Fühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß er auf der der Wand zugekehrten Seite durch eine Isolierschicht (43) abgedeckt ist.