DE19822102A1 - Komfortsensor - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Messung der Empfindungstemperatur mit Mitteln (10) zur Simulation des menschlichen Körpers und mit einem Temperaturfühler (14). Ein solcher, häufig als Komfortsensor bezeichneter Sensor wird dazu benutzt, den Komfort für den Menschen in seiner Umgebung zu bewerten bzw. zu messen, wozu meist die von unterschiedlichen Faktoren abhängende Empfindungstemperatur gemessen wird. Dazu ist es erforderlich, ein den menschlichen Körper möglichst gut simulierendes Sensorelement zu verwenden. Dieses sollte möglichst klein sein und schnell auf Änderungen der die Empfindungstemperatur beeinflussenden Faktoren reagieren. Dazu ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß der Sensor einen den Temperaturfühler (14) umschließenden Hohlkörper (10) aus gut wärmeleitendem Material aufweist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen im allgemeinen als Komfortsensor bezeichneten Sensor gemäß dem Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Der menschliche Körper steht in ständigem Wärmeaustausch mit seiner Umgebung. Ist der menschliche Gesamtenergieumsatz (die körpereigene Wärmeproduktion) bei einer Körpertemperatur von 37°C im Einklang mit den Wärmeverlusten zur Umgebung, so fühlt er sich komfortabel (behaglich). Muß der Mensch innerlich zu viel "verbrennen", um die Körpertemperatur zu halten, so ist sein Komfortempfinden "zu kalt". In erster Linie wird der thermische Komfort (die Behaglichkeit) - also die Bilanz zwischen Gesamtwärmeproduktion und Verlusten durch Wärmeaustausch mit der Umgebung - durch folgende Parameter bestimmt:

• 1. körperliches Aktivitätsniveau (Grundumsatz, Metabolismus)
• 2. Stärke der Bekleidung
• 3. mittlere Temperatur aller Raumumschließungsflächen
• 4. Lufttemperatur
• 5. Luftgeschwindigkeit
• 6. Luftfeuchte.

Die ersten beiden Größen (1 und 2) sind persönliche Parameter, die sich durch das eigene Verhalten in Grenzen ändern. Es gibt allerdings typische Werte für beide Größen, die recht gut für Büros und für die Wohnraumsituation zutreffen.

Zu 1:
Für die Aktivität sind z. B. typische Situationen "entspanntes Stehen" oder "leichte, vorwiegend sitzende Tätigkeit", die durch den Gesamtenergieumsatz 1,2 met bzw. 70 W/m² charakterisiert sind. Dabei ist 1 met die Einheit für den Gesamtenergieumsatz "entspanntes Sitzen" mit 58 W/m². Die Flächeneinheit bezieht sich auf die menschliche Körperoberfläche.

Zu 2:
Für typische Büro- bzw. Wohnraumbekleidung gilt eine Maßzahl von 1 clo, das entspricht einem Wärmeleitwiderstand von 0,155 m²K/W.

Alle weiteren Größen 3-6 sind Umgebungsparameter, die von den persönlichen Parametern unabhängig sind.

Zu 3:
An erster Stelle steht die mittlere Temperatur der Raumumschließungsflächen T_R. Genau genommen ist es eine mittlere Strahlungstemperatur, die der Wärmestrahlung aller Raumumschließungsflächen und sonstiger Strahler in der Umgebung (z. B. Sonne und Heizstrahler) zugeordnet werden kann. Für die Raumumschließungsflächen gehen in komplexer Weise ein die Festkörpertemperatur der Umschließungsflächen, die Emissionsgrade von Umschließungsflächen und die Geometriefaktoren (Raumwinkel) für Umschließungsflächen. Da die meisten im Gebäude befindlichen Oberflächen thermisch "schwarz" sind (Emissionsgrad ε ≈ 0,9), wird im folgenden vereinfachend von der mittleren Temperatur der Raumumschließungsflächen T_R gesprochen, wenn auch im Hintergrund immer die komplexe Auswertung aller drei oben erwähnten Einflüsse gemeint ist. Sonne und Heizstrahler können auch in die mittlere Temperatur der Raumumschließungsflächen eingerechnet werden (erhöhte T_R, die die gleiche Zustrahlung verursacht).

Zu 4:
Die Lufttemperatur T_L wird am genauesten mit einer möglichst kleinen blanken Meßspitze ermittelt (siehe unten), um alle Strahlungseinflüsse zu eliminieren. Dies ist gut zu realisieren durch ein blankes Thermoelement oder durch blanke Meßröhrchen.

Zu 5:
Die Luftgeschwindigkeit v hat für den thermischen Komfort große Bedeutung. Auch bei homogener Lufttemperaturverteilung von beispielsweise 22°C können sich bereits Luftgeschwindigkeiten ab 0,2-0,3 m/s negativ auf den thermischen Komfort auswirken.

Zu 6:
Die Luftfeuchte ist für die thermische Behaglichkeit beheizter Räume nur von untergeordneter Bedeutung, spielt allerdings für die Lufthygiene eine größere Rolle (z. B. Schimmel- und Milbenbildung bei zu feuchter Luft, Atembeschwerden und Anfälligkeit für Erkältungskrankheiten bei zu trockener Luft).

Die "Meßvorschriften", nach denen unterschiedliche Umgebungsbedingungen und persönliche Parameter (Kleidung, Aktivität) zu gleichem persönlichem Komfort führen, sind in ISO 7726 enthalten. Mit einem Meßgerät (z. B. dem sog. Comfy-Test) kann unter allen Bedingungen der Grad des Komforts ermittelt werden (Meßwert PMV: Predicted Mean Vote, PMV < 0: zu kühl, PMV = 0: komfortabel, PMV < 0: zu warm).

Die oben aufgeführten wichtigen Einflüsse (mittlere Temperatur der Raumumschließungsflächen T_R, Lufttemperatur T_L und Luftgeschwindigkeit v) sind die äußeren Parameter (siehe Fig. 1), bei denen die Linien für verschiedene Luftgeschwindigkeiten überall den gleichen Komfort beschreiben (PMV = 0). Eine zu niedrige T_R kann durch eine erhöhte Lufttemperatur T_L ausgeglichen werden (Bereich rechts unten in Fig. 1) und umgekehrt (Bereich links oben). Dabei beeinflußt die Luftgeschwindigkeit insbesondere bei niedrigen Lufttemperaturen stark den Komfort: Bei ca. 20°C Lufttemperatur muß eine Erhöhung der Luftgeschwindigkeit von 0,1 auf 0,3 m/s durch eine Erhöhung der Strahlungstemperatur um mehr als 4°C ausgeglichen werden, um weiterhin den gleichen Komfort beizubehalten. Dagegen spürt man die Unterschiede in den Luftgeschwindigkeiten nicht, wenn die Lufttemperatur bei 26-27°C liegt (Überkreuzungspunkt rechts unten in Fig. 1). Dies ist beispielsweise bei der Startphase der Warmluftheizung im Automobil erfahrbar, wo es einen Temperaturbereich gibt, bei dem die eingeblasene Luft nicht spürbar ist, da der Mensch keinen Sensor für Luftgeschwindigkeit auf der Haut hat, sondern Luftgeschwindigkeit immer im Zusammenhang mit der gefühlten Lufttemperatur über Abkühlung und Erwärmung interpretiert.

Für das weitere ist es sinnvoll, eine Empfindungstemperatur (operational temperature) zu definieren. Für die unterschiedlichsten äußeren Parameter gibt es eine sogenannte Empfindungstemperatur, die den gleichen thermischen Komfort beschreibt. Gemäß der ISO 7726 kommt man wie folgt zu dieser Empfindungstemperatur:

• - Man bestimmt den Komfort bei den jeweils gegebenen, völlig unterschiedlichen Werten von Strahlungstemperatur T_R und Lufttemperatur T_L (gegebenenfalls mit einer Luftgeschwindigkeit größer als 0,1 m/s) und bei definierten typischen persönlichen Parametern (Kleidung, Aktivität).
• - Man erhält einen bestimmten PMV-Wert für den resultierenden Komfort.
• - Man ermittelt rechnerisch oder experimentell für den gleichen PMV Wert die Wertepaare T'_R = T'_L bei ruhender Luft (natürliche Konvektion).
• - Das Ergebnis ist die Empfindungstemperatur T_E = (T'_R = T'_L).

Der Punkt P(.) in Fig. 1 beschreibt diesen Definitionspunkt (für PMV = 0). Die Empfindungstemperatur gilt für beliebige PMV-Werte (zu kalt, komfortabel oder zu warm). Der Punkt P(.) in Fig. 1 beschreibt den Sonderfall, bei dem die Empfindungstemperatur auch gleichzeitig die Komforttemperatur ist.

Der Vorteil für die Definition einer Empfindungstemperatur ist offensichtlich: Der Mensch hat ein gutes Gefühl und Urteilsvermögen für den "Bedarf an Komforttemperatur (als Sonderfall der Empfindungstemperatur), z. B. 18°C bei körperlicher Hausarbeit, 21°C im Wohnzimmer oder 24°C im Badezimmer. Unter der Größe "PMV" ist ebenso schwer etwas vorstellbar wie für den Einfluß von Luftzug oder von recht unterschiedlichen (inhomogenen) Strahlungsbedingungen.

Die Empfindungstemperatur berücksichtigt auch den Einfluß von Heizstrahlern in der richtigen Weise. Diese einseitige Zustrahlung wird in der gleichen Weise berücksichtigt, wie beispielsweise eine erwärmte Wand oder die Zustrahlung von der Sonne durch ein Fenster.

Ergänzend ist zu bemerken, daß in gut isolierten modernen Wohnräumen nur mit kleinen Konvektionsströmen zu rechnen ist (< 0,2 m/s), so daß dort in der Regel den Einfluß der Luftgeschwindigkeit auf den Komfort vernachlässigt werden kann, wodurch die Messung der Empfindungstemperatur vereinfacht wird, weil dann (z. B. bei Batteriebetrieb energiesparend) nur das geeignete Mittel aus T_R und T_L gemessen werden muß.

Im Niedertemperaturbereich (T < 300°C) erfolgt die Zustrahlung von Wärme und deren Absorption in einem Spektralbereich mit einer Wellenlänge < 3 µm mit Schwerpunkt um 8-10 µm. In diesem Bereich strahlen z. B. wasserdurchflossene Heizkörper, Ölradiatoren, Raum- und Fensterflächen und Fußbodenheizungen; diese sind dabei in der Regel thermisch schwarz (ε = 0,9). Auch die Absorptionsgrade der Empfänger (Haut und Kleidung) sind in diesem Spektralbereich hoch (α in der Regel < 0,8).

Hochtemperaturstrahler (Heizungen mit mehr als 1000°C Strahlertemperatur oder die Sonnenwärme) emittieren einen wesentlichen Teil ihrer Strahlung bei kürzeren Wellenlängen (~ 1-3 µm). Dort haben Stoffe und auch die menschliche Haut im allgemeinen einen verringerten Absorptionsgrad. So zeigt z. B. Fig. 2 eine aus der spektralen Absorption verschiedener Textilien berechnete mittlere Absorption von Textilien (1). Daneben zeigt Fig. 2 die spektrale Absorption von menschlicher Haut (2). Im nahen Infrarot (bis ~ 1,5 µm) zeigen beide Kurven einen deutlich verringerten Absorptionsgrad. Beiden Kurven ist gemeinsam, daß der Absorptionsgrad bei Wellenlängen oberhalb 2500 nm bis etwa auf 0,9 zunimmt. Eine annähernd korrekte Messung des Komforts bei Anwendung von Hochtemperaturstrahlern ist nur dann zu erwarten, wenn der Absorptionsgrad des Sensors etwa dem spektralen Absorptionsgrad von Haut und Stoffen angepaßt ist.

Die Temperaturmessung für die Raumheizung mit Hilfe der üblichen Temperaturmesser ist normalerweise ein undefiniertes Mittel aus der mittleren Temperatur der Raumumschließungsflächen T_R und der Lufttemperatur T_L. Diese Temperaturmessung berücksichtigt in der Regel weder die Art der Strahlung noch die Luftgeschwindigkeit. Dies gilt beispielsweise für die meisten Raum- und Heizkörperfühler zur Heizungsregelung.

Dagegen handelt es sich bei einem Komfortsensor der eingangs genannten Art um ein Meßgerät zur Messung des Komfortparameters PMV bzw. der Empfindungstemperatur. Ein derartiger Komfortsensor ist z. B. unter dem Namen "Comfy-Test" bekannt geworden. Die bekannten Komfortsensoren dieser Art sind allerdings für den täglichen Gebrauch in Gebäuden zu groß und zu unhandlich, da sie eine Länge von ca. 20 cm aufweisen. Außerdem sind sie sehr teuer. Diese bekannten professionellen Meßgeräte beruhen auf folgendem Prinzip: Man simuliert den stehenden bzw. sitzenden menschlichen Körper durch ein Ellipsoid von ca. 20 cm Länge, heizt das Ellipsoid auf eine Temperatur in der Nähe der Körpertemperatur auf und bestimmt seine Verlustleistung. Diese wird maßstäblich auf die Verlustleistungen eines Menschen abgebildet:

• - Sehr kleine Verlustleistungen signalisieren "zu warm",
• - eine mittlere Verlustleistung, die dem Grundenergieumsatz entspricht, signalisiert für den komfortablen Bereich "gerade richtig" und
• - eine große Verlustleistung signalisiert "zu kalt".

Eine Anordnung mit einem eingangs genannten Sensor ist auch aus der US 5,436,852 bekannt. Dort wird der menschliche Körper durch einen zylindrischen massiven Aluminiumblock simuliert, in dessen Zentrum ein Temperaturfühler angeordnet ist. Mittels mehrerer verschiedener Sensoren werden unterschiedliche Parameter gemessen, woraus danach die Empfindungstemperatur berechnet wird. Aufgrund der massiven Ausgestaltung des den menschlichen Körper simulierenden Sensors, der notwendigen Verwendung mehrerer Sensoren und der aufwendigen Berechnung der Empfindungstemperatur weist diese bekannte Anordnung jedoch eine relativ große thermische Trägheit auf, d. h. die Anzeigegeschwindigkeit dieser Anordnung ist relativ gering.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den eingangs genannten Sensor zwecks Messung der Empfindungstemperatur sowohl bei ruhiger Luft als auch unter Berücksichtigung der Luftgeschwindigkeit zu verbessern und hinsichtlich seines Aufbaues zu vereinfachen.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch einen in Anspruch 1 angegebenen Sensor gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Sensor werden alle Strahlungsarten, die Lufttemperatur und je nach Ausgestaltung auch die Luftgeschwindigkeit berücksichtigt. Durch die Ausgestaltung der Mittel zur Simulation des menschlichen Körpers als Hohlkörper wird gegenüber der aus der US 5,436,852 bekannten Anordnung eine deutlich geringere thermische Trägheit und folglich eine höhere Anzeigegeschwindigkeit erreicht. Mehrere unterschiedliche Sensoren zur Messung der einzelnen Parameter und eine aufwendige Berechnung der Empfindungstemperatur ist bei dem erfindungsgemäßen Sensor nicht erforderlich. Es wird außerdem eine genügend einheitliche mittlere Temperatur des Hohlkörpers gewährleistet. Das gut wämeleitende Material, das z. B. Aluminium oder Kupfer mit einer Wandstärke von ca. 0,5 bis 1 mm sein kann, dient zum Ausgleich von unterschiedlichen Zustrahlungen aus allen Richtungen.

Die Ausgestaltung gemäß Anspruch 2 gewährleistet die Messung der mittleren Temperatur des Hohlkörpers.

Die Weiterbildung gemäß Anspruch 3 beruht auf einer Erkenntnis aus Fig. 1, die einen ersten Hinweis auf das Gewicht der Einflüsse von Strahlungstemperatur T_R und Lufttemperatur T_L bezüglich des Wärmeaustausches mit der Umgebung gibt. Aus dieser Figur ist zu entnehmen, daß bei kleinen Luftgeschwindigkeiten beide Temperaturarten T_R und T_L etwa einen gleichen Einfluß ausüben, da die dort gezeigte Gerade eine Neigung von etwa 45° besitzt. Der Anteil beträgt also jeweils etwa 50%. Aus Untersuchungen der Strahlungsverluste und der Konvektionsverluste bei einer Kugel in Abhängigkeit von ihrem Durchmesser ergibt sich eine in Fig. 3 dargestellte bekannte Aufteilung. Der Bereich oberhalb der Linie 3 bezieht sich auf Verluste durch Konvektion und der Bereich unterhalb dieser Linie auf Verluste durch Strahlung. Demnach ergibt sich z. B. für große Kugeldurchmesser eine Aufteilung von Konvektion zu Strahlung etwa in einem Verhältnis 1 : 2, so wie man dies für eine große ebene Fläche erwartet. Bei kleinsten Durchmessern dagegen besteht der Wärmeverlust fast ausschließlich aus Konvektionsverlusten, während die Strahlung nur einen relativ geringen Einfluß besitzt.

Der interessante Bereich in Fig. 3 liegt in einem Kugeldurchmesserbereich von ca. 2 bis 5 cm. Dort verhalten sich die Luft- und Strahlungsverluste in ihren Anteilen so, wie man es beim Menschen bezüglich der Komfortbeeinflussung erwartet, d. h. die Anteile betragen jeweils etwa 50%. Auf dieser Erkenntnis beruht die oben genannte Dimensionierung und somit auch die in Anspruch 4 dargestellte bevorzugte Größe des Hohlkörpers. Die gefundenen optimalen Durchmesser für den kugelförmigen Hohlkörper beruhen auf Versuchen, bei denen die sich einstellende Kugeltemperatur unter allen verschiedenen Luft- und Strahlungstemperaturen zwischen 12°C und 30°C ermittelt wurde, wobei der Kugeldurchmesser von 1 bis 5 cm variiert wurde. Für diese Versuche galten die Standardbedingungen:

• - CLO = 1 (typische Büro- und Haushaltskleidung in der Übergangs- und Winterzeit),
• - MET = 1,2 (leichte, vorwiegend sitzende Tätigkeit oder entspanntes Stehen),
• - WME = 0 (keine nennenswerte äußere Arbeitsleistung),
• - Luftgeschwindigkeit = 0,1 m/s (ruhende Luft) und
• - relative Luftfeuchte = 50%.

Ein ellipsoidförmig ausgestalteter Hohlkörper kommt dem menschlichen Körper noch näher. Der Sensor gemäß den vorstehend beschriebenen Ausgestaltungen ist insbesondere geeignet zur Messung der Empfindungstemperatur, wenn der Einfluß der Luftgeschwindigkeit auf den Komfort vernachlässigt werden kann.

Die Ausgestaltung gemäß Anspruch 6 ist insbesondere geeignet, um bei der Messung der Empfindungstemperatur zusätzlich die Luftgeschwindigkeit zu berücksichtigen. Sie weist zudem gegenüber den bekannten Komfortsensoren eine kleine Bauform auf, da Heizquelle und Temperaturfühler in einem Bauteil vereinigt werden können. Die Temperatur der temperaturkonstanten Heizquelle ist in etwa gleich der Körpertemperatur eines Menschen, d. h. etwa 37°C. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß bei einer konstanten Temperatur von 34°C besonders gute Werte erzielt werden können. Der definierte Wärme- bzw. Heizwiderstand zwischen der temperaturkonstanten Heizquelle und dem Hohlkörper ist so groß, daß sich auf dem Hohlkörper eine Temperatur einstellt, die etwa einem Mittelwert zwischen der außerhalb des Hohlkörpers herrschenden Temperatur und der Temperatur der Heizquelle entspricht, und zwar bei ruhiger Luft. Sobald jedoch die Windgeschwindigkeit ungleich Null ist, wird Wärme vom Hohlkörper abgenommen, so daß der Hohlkörper abkühlt. Dies bedeutet, daß bei sinkenden Temperaturen die Heizquelle so viel Leistung nachschieben muß, daß die konstant geforderten 34°C erhalten bleiben. Der gleiche Vorgang spielt sich ab, wenn bei ruhender Luft, d. h. bei Windstille, die Außentemperatur abkühlt und somit auch die Temperatur des Hohlkörpers fällt. Es wurde bereits oben darauf hingewiesen, daß die Luftgeschwindigkeit einen großen Einfluß auf die Behaglichkeit hat, sofern sie die Geschwindigkeitsgrenze von etwa 0,2 m/s erreicht und überschreitet. In gut wärmegedämmten, geschlossenen Wohnräumen ist nicht mit nennenswerten Luftgeschwindigkeiten zu rechnen, es gibt jedoch Situationen mit Zugluft, in denen die Luftgeschwindigkeit berücksichtigt werden sollte, z. B. in Wintergärten, Wohnräumen in Verbindung mit offenen Treppenhäusern oder in Räumen mit Dauerlüftung. Unter derartigen Bedingungen ist der erfindungsgemäße Komfortsensor gemäß Anspruch 6 mit Vorteil anwendbar. Hierbei werden nämlich die beiden nachfolgenden Meßprinzipien kombiniert:

• - Geeignete Größe eines Hohlkörpers (Kugel oder Ellipsoid) und Konfektionierung des Hohlkörpers für die richtige Bewertung von Strahlung und Lufttemperatur und
• - interne Aufheizung einer Heizquelle auf eine bestimmte Temperatur und Wärmedämmung (Wärmewiderstand) zwischen dieser Heizquelle und der äußeren Oberfläche des Hohlkörpers, um aus der Verlustleistung das richtige Maß für den Einfluß der Luftgeschwindigkeit auf den Komfort zu erhalten.

Bei der Kombination dieser beiden genannten Meßprinzipien wurden in die folgenden Parameter in großen Bereichen variiert:

Kugelparameter:

• - äußerer Kugeldurchmesser (1,5 bis 4,5 cm)
• - Temperatur des Kugelinneren (30°C bis 38°C)
• - Stärke der Wärmedämmung zwischen Heizer und äußerer Schale, Wärmewiderstand (30 bis 150 K/W).

äußere Parameter:

• - Strahlungstemperatur T_R (12°C bis 30°C)
• - Lufttemperatur T_L (12°C bis 30°C)
• - Luftgeschwindigkeit vel (0 bis 0,8 m/s).

Bei diesen Versuchen wurden die nachfolgend genannten typischen persönlichen Parameter festgehalten:

• - leichte Arbeitskleidung (CLO = 1)
• - mittleres Aktivitätsniveau (MET = 1,2)
• - mittlere Raumluftfeuchte (RH = 50%).

Wie die Versuche gezeigt haben, gelingt es, für diesen großen Variationsbereich der äußeren Parameter eine befriedigende lineare Korrelation zwischen der Verlustleistung des Kugelthermostaten und der Empfindungstemperatur zu erhalten. Eine gute Anpassung ist in Fig. 7 dargestellt, die weiter unten erläutert wird.

Auch bei einem Sensor gemäß Anspruch 6 ist der Hohlkörper vorteilhafterweise kugelförmig, vorzugsweise mit einem Durchmesser von 3 cm, oder ellipsoidförmig ausgestaltet. Größere Kugeldurchmesser führen zu höheren Verlustleistungen. Bei kleineren Kugeldurchmessern werden die maximalen Temperaturabweichungen der linearen Anpassung größer. Hierdurch läßt sich bei einem Kugeldurchmesser von etwa 2 bis 4 cm und bei einer Temperatur der Heizquelle von 32°C bis 38°C immer ein passender Wärmewiderstand finden, bei dem die Abweichungen minimal sind und eine befriedigende lineare Beziehung zwischen der Kugelverlustleistung und der Empfindungstemperatur vorliegt.

Die Merkmale des Anspruches 7 zeigen eine besonders einfache und preiswerte Bauweise für die temperaturkonstante Heizquelle.

Durch die Merkmale des Anspruches 8 ergibt sich ein einfacher, integrierter Aufbau, wobei Heizer und Thermostat in einem Bauteil vereinigt sind, angeschlossen mit einem Zweileitersystem in einer einfachen Operationsverstärkerschaltung.

Als Wärmewiderstand werden gemäß Anspruch 9 vorzugsweise Kunststoffolien oder Kleidungsstoffe vorgesehen, die vorteilhaft direkt zwischen der Heizquelle und dem Hohlkörper angeordnet sind. Derartige Wärmewiderstände sind preiswert und können schnell und einfach montiert werden.

Eine besonders einfache Bauweise ist in Anspruch 10 angegeben. Dabei werden die beiden Kugelhälften auf einfache Weise ohne besondere Befestigungsmittel von dem mittleren kreisförmigen Teller zusammengehalten, auf dem praktisch jeder beliebige Temperaturfühler befestigt werden kann.

Aus dem Aufbau eines wärmeleitenden Sensorhohlkörpers aus Aluminium oder Kupfer ergibt sich automatisch eine gewisse Trägheit der Temperatureinstellung, die einige Minuten betragen kann. Für eine Beschleunigung der Einstellung bei wechselnden Umgebungsbedingungen, z. B. Einschalten eines Heizstrahlers, wird in Übereinstimmung mit Anspruch 11 zum momentanen Temperaturwert ein Betrag addiert, der der augenblicklichen Änderung des Temperaturwertes proportional ist. Damit ist eine Beschleunigung der Anzeige mindestens um den Faktor 5 möglich. Die Einstellzeit reduziert sich typisch auf unter eine Minute.

Weiterhin kann eine Befestigungsvorrichtung mit einem großen Wärmeleitwiderstand vorgesehen sein. Diese Ausbildung beruht auf der Erkenntnis, daß der Sensor so aufgestellt werden sollte, daß seine Temperatur durch seine äußere Befestigung möglichst wenig beeinflußt wird. Die Befestigung kann hängend oder stehend auf einer Spirale erfolgen. Die Spirale hat den Vorteil einer Verlängerung des Weges für die Wärme und bietet andererseits eine stoßgedämpfte Lagerung des Sensors.

Vorteilhafterweise weist die äußere Oberfläche des Hohlkörpers eine einem bekleideten Menschen vergleichbare spektrale Absorption auf. Diese Ausgestaltung wird angewendet, wenn alle Strahlungsarten richtig bewertet werden sollen, z. B. auch Hochtemperaturstrahler und/oder Sonnenstrahlung. Damit wird erreicht, daß der Sensor auf Strahlung ähnlich reagiert wie ein bekleideter Mensch.

Die Oberfläche des Hohlkörpers kann auch durch eine spezielle Kombination aus hellen und dunklen Flächenanteilen, vorzugsweise weiß-matten und schwarzen Flächenanteilen, vorteilhafterweise im Verhältnis von ca. 60% zu 40% ausgestaltet sein. Eine derartige Bauweise ergibt eine ausreichend gute Übereinstimmung der spektralen Absorption. Die schwarz-weißen Flächenanteile können z. B. durch entsprechende Farbauftragungen erzielt werden. Bei der Auftragung der Farbe ist einmal auf ausreichende Farbschichtdicke zu achten und zum anderen auf eine anteilige gleichmäßige Verteilung beider Farben, z. B. in Form eines Streifen- oder Punktmusters.

Im Prinzip kann die Verteilung der schwarzen und weißen Farbmuster auf der Oberfläche auf vielfältige Weise erfolgen, z. B. schwarze Punkte auf weißem Grund oder weiß- schwarzes Streifenmuster. Die Anzahl vertikaler Streifenmusterpaare (weiß-schwarz) ist dabei ungerade (3, 5, usw.) zu wählen, weil damit eine wesentlich bessere Raumwinkel-Mittelung zu erreichen ist als mit einer geraden Anzahl von Streifenmustern.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert: Es zeigen:

Fig. 1 bis 3 bekannte Diagramme gemäß dem Stand der Technik und

Fig. 4 bis 9 schematische Darstellungen verschiedener Ausführungsbeispiele der Erfindung, wobei

Fig. 4 einen kugelförmigen Komfortsensor für ruhende Luft,

Fig. 5 einen kugelförmigen Komfortsensor für bewegte Luft,

Fig. 6 eine zugehörige Schaltungsanordnung,

Fig. 7 ein Diagramm der Empfindungstemperatur T_E als Funktion der Kugelverlustleistung KVL,

Fig. 8 einen ellipsoidförmigen Komfortsensor in zwei Ansichten und

Fig. 9 die spektrale Absorption A von teilweise mit Stoff bedeckter Haut und eines entsprechend angepaßten Sensors in Abhängigkeit von der Wellenlänge zeigen.

Fig. 1 zeigt Linien gleichen Komforts (PMV = 0) bei kleinen Luftgeschwindigkeiten v für verschiedene Luft- und Strahlungstemperaturen T_L, T_R (Grundumsatz = 1,2 MET, Bekleidung = 1,0 CLO). Auf der Ordinate ist die mittlere Temperatur T_R der Raumumschließungsflächen (Strahlungstemperatur) aufgetragen. Auf der Abszisse ist die Lufttemperatur T_L aufgetragen. Die Linie a gilt für eine Luftgeschwindigkeit v = 0,1 m/s, die Linie b für eine Luftgeschwindigkeit v = 0,3 m/s und die Linie c für die Luftgeschwindigkeit v = 0,6 m/s. Der Punkt P ist der Definitionspunkt der Empfindungstemperatur (knapp 22°C) für alle Zustände dieses Diagramms. In diesem Fall (PMV = 0) ist die Empfindungstemperatur identisch mit der Komforttemperatur. Bei Lufttemperaturen < 25°C besteht eine große Zugempfindlichkeit.

In Fig. 2 ist auf der Ordinate die Absorption A und auf der Abszisse die Wellenlänge λ in Nanometer aufgetragen. Die Absorption ist gleich Eins minus die Reflexion. Die Kurve 1 zeigt einen mittleren Wert der Absorption für Textilien, die Kurve 2 zeigt die Absorption der menschlichen Haut.

Fig. 3 zeigt im rechten Teile eine Kugel, bei welcher die Pfeile 4 Verluste durch Strahlung und die Pfeile 5 Verluste durch Konvektion bedeuten. Das Diagramm zeigt die relative Verteilung von Konvektion und Strahlung in Abhängigkeit vom Kugeldurchmesser D. Die Bereiche oberhalb der Linie 3 zeigen Verlustanteile durch Konvektion und die Bereiche unterhalb dieser Linie zeigen Verlustanteile durch Strahlung.

Der Kugelsensor 10 für ruhende Luft gemäß Fig. 4 besitzt eine Hülle, die aus zwei Kugelhälften 11, 12 zusammengesetzt ist, die von einem mittleren Kreisteller 13 zusammengehalten werden. Als Material dient z. B. Aluminium oder Kupfer mit einer Wandstärke von 0,5 bis 1 mm. An dem Kreisteller 13 ist ein Temperaturfühler 14 gut wärmeleitend befestigt. Die Meßdrähte 19 werden durch eine Spirale 20, die als stehende Befestigung dient, nach außen herausgeführt. Wenn man die Kugeltemperatur eines solchen Sensors mit einem Sensordurchmesser von 2,6 cm als Sensortemperatur definiert und mißt, so zeigt sich eine hervorragende Übereinstimmung von Sensor- und Empfindungstemperatur.

Fig. 5 zeigt einen Komfortsensor in Kugelform für bewegte Luft. An dem Kreisteller 13 ist ein speziell konfektionierter Heizwiderstand 14 befestigt, der im vorliegenden Ausführungsbeispiel als handelsüblicher Leistungs-NTC (Widerstand mit negativer Temperatur-Charakteristik) ausgebildet ist. Die Befestigung erfolgt über zwei Schrauben 15, die den NTC-Widerstand 14 über ein Joch 16 gegen den Kreisteller 13 drücken. Das Joch 16 und die Schrauben 15 sind ebenso wie der Kreisteller 13 und die Kugelhälften 11, 12 gut wärmeleitend ausgebildet. Direkt zwischen dem NTC-Widerstand 14 und dem Joch 16 einerseits und der anliegenden Fläche des Kreistellers 13 andererseits sind definierte Wärmewiderstände 17 angeordnet. Der NTC-Widerstand 14 ist über zwei Cu-Elektroden 18 an eine in Fig. 6 dargestellte Schaltungsanordnung geführt. Der Leistungs-NTC 14 heizt sich auf 34°C auf und wird auf dieser Temperatur konstant gehalten. Die Wärmedämmung zwischen dem Heizwiderstand 14 und dem Hohlkörper 10 wird durch die direkt an den Elektroden 18 anliegenden Wärmewiderstände 17 hergestellt. Vorzugsweise werden dazu Kunststoffolien oder Kleidungsstoffe beim Einklemmen des NTC-Widerstandes 14 zwischen den Elektroden 18 des NTC-Widerstandes 14 und der äußeren Einfassung verwendet. Versuche ergaben, daß jeweils zwei Lagen eines Bauwollstoffes den richtigen Wärmewiderstand bildeten. Zwei Anschlußdrähte 19 des NTC-Widerstandes 14 dürfen den definierten Wärmewiderstand nicht nennenswert beeinflussen. Sie sind zweckmäßig aus dünnen Kupferdrähten, z. B. 0,1 bis 0,2 mm Durchmesser, zu fertigen, gegebenenfalls als Spirale auszuführen, um den Wärmewiderstand zu erhöhen. Um einerseits die Verlustleistung gleichmäßig auf die Oberfläche der Hülle 10 zu verteilen und andererseits auch äußere Strahlungsinhomo­ genitäten auszugleichen, besteht die äußere Oberfläche des Komfortsensors, d. h. die Hülle 10, aus gut wärmeleitendem Material. Die Halterung des Komfortsensors geschieht im vorliegenden Ausführungsbeispiel durch eine Spirale 20 am Fußpunkt, die die beiden Zuleitungsdrähte 19 aufnimmt. Die Spirale 20 selbst beeinflußt den Wärmehaushalt des Komfortsensors nur in geringem Maße und ist wie eine federnde Antenne abbruchsicher stoßgeschützt. Auch eine hängende Anordnung mit Draht oder Faden ist denkbar.

Die in Fig. 6 gezeigte Schaltungsanordnung zur Ansteuerung des NTC-Widerstandes 14 kombiniert in einfacher Weise die Aufgabe, die notwendige Heizleistung zur Verfügung zu stellen und diese unter allen Lastbedingungen bei konstanter NTC-Temperatur zu halten. Der eingesetzte Operationsverstärker 21 ist dabei erfindungsgemäß so geschaltet, daß unter allen Lastbedingungen der Strom I durch den NTC-Widerstand 14 proportional der anliegenden Spannung U ist. Damit ist nach dem Ohmschen Gesetz der Widerstand des NTC unter allen Lastbedingungen gleich, womit auch dessen Temperatur konstant gehalten wird, da es für den NTC 14 einen eindeutigen Zusammenhang zwischen Temperatur und Widerstand gibt. Die Werte der Widerstände R₂ und R₅ bestimmen maßgeblich den gewünschten Soll-Widerstand, d. h. die gewünschte Arbeitstemperatur, des NTC-Widerstandes 14. Die Spannung am NTC-Widerstand 14 erhöht sich durch die positive Rückkopplung immer so weit, bis sie durch den strommessenden Widerstand R₅ gegengekoppelt wird. Die Widerstände R₁ und R₃ sind die bestimmenden Ableitwiderstände der Eingänge des Operationsverstärkers 21 und sind etwa gleich ausgeführt. Der Widerstand R₄ ist ein Schutzwiderstand, der sowohl den Verstärkerausgang als auch den Leistungs-NTC-Widerstand 14 vor Stromüberlastung schützt, ohne die Funktion der Schaltung im normalen Arbeitsbereich zu beeinflussen.

Wesentliches Merkmal der Sensorheizung ist also die Kombination des Leistungs-NTC 14 mit der beschriebenen Schaltungsanordnung. Der Vorteil dieser Anordnung liegt darin, daß der Leistungs-NTC 14 im Sensorgehäuse einfach über ein Zweileitersystem angeschlossen werden kann, das alle Aufgaben der Heizung und Thermostatisierung simultan übernimmt. Eine getrennte Temperaturmessung und eine sonst übliche Leistungsregelungs-Schaltung erübrigt sich.

Zur Messung der Leistung wird die Spannung U anschließend quadriert und durch den Soll-Widerstand des NTC dividiert. Dies geschieht analog durch einen bekannten Schaltkreis und durch Auswertung in einem Mikroprozessor.

Diese gemessene Leistung wird gemäß Fig. 7 durch lineare Beziehung in eine Empfindungstemperatur umgesetzt. Auch dies geschieht wieder analog oder durch Auswertung in einem Mikroprozessor. Das in Fig. 7 dargestellte Diagramm zeigt die Abhängigkeit der Empfindungstemperatur T_E in °C von der Verlustleistung eines kugelförmig ausgebildeten Komfortsensors bei einer großen Variation der äußeren Komfortparameter (mittlere Temperatur der Raumumschließungsflächen 12 . . . 30°C, Lufttemperatur 12 . . . 30°C, Luftgeschwindigkeit 0 . . . 0,8 m/s). Das Diagramm zeigt eine einfach-lineare Korrelation zwischen der Empfindungstemperatur einerseits und der Kugelverlustleistung andererseits. Dabei liegt der Kugeldurchmesser in einem Größenbereich von etwa 3 cm und die Heizwiderstandstemperatur etwa bei der Körpertemperatur eines Menschen, d. h. bei 34°C. Der für diese Widerstandstemperatur und diesen Kugeldurchmesser optimale Wärmewiderstand zur äußeren Kugelschale beträgt 96,5 K/W. Der thermische Emissionsgrad für die Abstrahlung einer Kugeloberfläche beträgt ε = 0,95. Die Kugelverlustleistung bleibt in dem angegebenen Temperaturbereich unter 250 mW und liegt im Komfortbereich typisch bei 100 mW. Die Punkte zeigen jeweils die Empfindungstemperatur bei entsprechenden Kugelverlustleistungen, während die durchgezogene Linie die lineare Regression darstellt.

Wie oben bereits erwähnte, sollte ein Komfortsensor bei Einsatz von Hochtemperaturstrahlern spektral angepaßt werden. Diese Verhältnisse sind in Fig. 8 und Fig. 9 dargestellt. Fig. 8 zeigt einen Komfortsensor, dessen Hohlkörper 22 eine von der Kugelform abweichende, annähernd elliptische Bauform aufweist. Dadurch wird die Strahlungs-Empfangscharakteristik von Wärmestrahlung an die einer stehenden oder sitzenden Person angeglichen. Dabei sind die Abmessungen so zu gestalten, daß die Oberfläche des elliptischen Komfortsensors vorzugsweise gleich der einer Kugel im beschriebenen Durchmesserbereich von etwa 3 cm, vorzugsweise 2,5 bis 2,8 cm liegt.

Fig. 9 zeigt die spektrale Absorption A von teilweise mit Stoff bedeckter Haut und eines entsprechend angepaßten Sensors in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ in Nanometern. Für normale sitzende Tätigkeit im Büro oder im Haus ist etwa 80% der menschlichen Hautoberfläche mit Stoff bedeckt, so daß sich eine mittlere spektrale Absorption (80% Stoff plus 20% Haut) entsprechend der Kurve 1 in Fig. 9 ergibt. Um zu erreichen, daß der Komfortsensor auf Strahlung ähnlich reagiert wie der bekleidete Mensch, muß seine Oberfläche eine vergleichbare spektrale Absorption besitzen. Dies kann z. B. gemäß der Erfindung durch eine Kombination einer weißen, matten Acrylfarbe mit einer schwarzen Farbe (ε = 0,95) im Verhältnis 60% weiß und 40% schwarz erreicht werden. So zeigt die Kurve 2 in Fig. 9 die Absorption A bei einem Sensor, dessen Hülle zu 60% aus weißen und zu 40% aus schwarzen Flächenanteilen besteht. Wie daraus zu ersehen ist, wird eine ausreichend gute Übereinstimmung des spektralen Absorption erreicht. Das in Fig. 8 dargestellte elliptische Ausführungsbeispiel besitzt dementsprechend 40% schwarze, schraffiert dargestellte Flächenanteile 23 und 60% nicht schraffiert dargestellte weiße Flächenanteile 24.

Claims (12)

1. Sensor zur Messung der Empfindungstemperatur mit Mitteln (10) zur Simulation des menschlichen Körpers und mit einem Temperaturfühler (14), dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel einen den Temperaturfühler (14) umschließenden Hohlkörper (10) aus gut wärmeleitendem Material aufweisen.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturfühler (14) in gut wärmeleitender Verbindung mit dem Hohlkörper (10) angeordnet ist.

3. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Hohlkörpers (10) so groß ist, daß die Konvektions- und Strahlungsverluste bezüglich des Wärmeaustausches mit der Umgebung etwa gleich groß sind.

4. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlkörper (10) kugelförmig mit einem Durchmesser von etwa 1 bis 5 cm, vorzugsweise etwa 3 cm, oder ellipsenförmig ausgestaltet ist.

5. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturfühler (14) ein Thermoelement, ein Halbleiterfühler oder ein NTC-Widerstand ist.

6. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturfühler (14) eine temperaturkonstante Heizquelle ist und daß der Temperaturfühler (14) über einen definierten Wärmewiderstand (17) wärmeleitend mit dem Hohlkörper (10) verbunden ist.

7. Sensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Heizquelle (14) ein Leistungs-NTC vorgesehen ist zum Aufheizen auf die menschliche Körpertemperatur.

8. Sensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der NTC (14) derart mit einem Operationsverstärker (21) zusammengeschaltet ist, daß unter allen Lastbedingungen der Strom (I) durch den NTC (14) proportional der anliegenden Spannung (U) ist.

9. Sensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Wärmewiderstand (17) Kunststoff-Folien oder Kleidungsstoffe vorgesehen sind, die direkt zwischen dem als Heizquelle (14) dienenden NTC-Widerstand und dem Hohlkörper (10) angeordnet sind.

10. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei den Hohlkörper (10) bildende Halbkugelschalen (11, 12) vorgesehen sind, die von einem mittleren kreisförmigen Teller (13) aus dem gleichen Material wie der Hohlkörper (10) zusammengehalten werden, und daß der Temperaturfühler (14) auf dem kreisförmigen Teller (13) angeordnet ist.

11. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schaltungsanordnung vorgesehen ist zur Addition eines der augenblicklichen Änderung des Temperaturwertes proportionalen Betrages und einem momentan gemessenen Temperaturwert.

12. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Hohlkörpers (10) kombiniert ist aus Flächenanteilen heller und dunkler Farbe.