DE3336587A1

DE3336587A1 - Messverfahren zur zeitsparenden und genauen ermittlung des waermedurchlasswiderstandes ebenflaechiger bauteile beliebiger art

Info

Publication number: DE3336587A1
Application number: DE19833336587
Authority: DE
Inventors: Karl Ing.(grad.) 8000 München Speidel
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1983-10-07
Filing date: 1983-10-07
Publication date: 1985-04-25

Description

Beschreibung

Der Wärmedurchlaßwiderstand von Umfassungswänden, Flachdächern, Fenstern und sonstigen umschließenden Bauteilen hat seit Beginn der Energiekrise eine ständig zunehmende Bedeutung erlangt. Er bildet nämlich die Ausgangsbasis für die Ermittlung des k-Wertes, der für die Heizungskosten eine wichtige Rolle spielt.

Bedauerlicherweise fehlte bisher ein praxisgerechtes Gerät zur zeitsparenden Präzisionsmessung des Wärmedurchlaßwiderstandes direkt am Objekt, und man war deshalb gezwungen, die Rechenwerte der DIN 4108 "Wärmeschutz im Hochbau" kritiklos zu übernehmen, obwohl in Fachkreisen schon längst bekannt war, daß die dort angegebenen Wärmeleitzahlen nur Näherungswerte darstellen, die beispielsweise den Feuchtegehalt des jeweiligen Baustoffes nur in Form eines pauschalen Zuschlags berücksichtigen. Diese Sachlage ist nicht nur. für Bauphysiker, sondern auch für Architekten und Heizungsingenieure völlig untragbar. Ganz besonders wirkt sich die Lücke im Bereich der Altbaubeurteilung und -Sanierung aus, wo oft bereits der Vergangenheit angehörende Werkstoffe und Konstruktionsprinzipien anzutreffen sind.

Das einzige - dem Anmelder bekannt gewordene" - Meßverfahren, das nicht nur im Labor, sondern auch am fertigen Bauwerk Verwendung finden kann, benutzt.eine sogenannte Wärmeflußmeßplatte aus Gummi, in die hintereinandergeschaltete Thermoelemente so einvulkanisiert sind, daß die Warmlötstellen auf einer Seite und die Kaltlötstellen auf der anderen Seite liegen. Die gesamte Therrnospannung ist der Oberflächen-Temperaturdifferenz ungefähr proportional. Die quadratische Meßplatte wird auf der Warmseite des Bauteils fixiert und dann mit Abdeckplatten umgeben, die dazu dienen, eine schädliche Isothermenverzerrung im Randbezirk der Meßplatte zu verhindern.

Weil keine Vorkehrungen zur Stabilisierung des Temperaturgefälles zwischen der Warm- und der Kaltseite des Bauteils getroffen sind, kann sich kein stationärer Wärmestrom ausbilden, der die Voraussetzung für eine exakte Messung darstellen würde. Ferner

... . ,
ergibt sich das Problem, daß im -Sommerhalbjahr .keine verwertba-

ren Temperaturdifferenzen zwischen Raum- und AuQenluft vorhanden sind; man 'ist deshalb gezwungen, die Messung im Winterhalbjahr durchzuführen und bevorzugt Frostperioden zu wählen.

Als weiterer Nachteil ist die ziemlich umständliche Befestigung der Meßplatte und der Abdeckplatten auf der Bauteil-Oberfläche zu erwähnen - zumal im Falle einer rauhen Struktur.

Das erfindungsgemäße Verfahren vermeidet diese Schwächen und erlaubt Präzisionsmessungen zu jeder beliebigen Jahreszeit. Es eignet sich somit nicht nur für wissenschaftliche, sondern auch für praktische Anwendung durch Bausachverständige, Architekten, Heizungsfachleute, Fertighaushersteller etc.

Die Ausbildung eines stationären Wärmestromes wird mit Hilfe zweier Leichtmetall-Hohlplatten erzwungen, die auf beiden Seiten des zu beurteilenden Bauteils angebracht werden. Beide Platten sind gleichartig konstruiert, sie enthalten eine mäanderförmige Kupferrohrschlange mit direktem Wärmeübergangskontakt" zur bauteilseitigen Plattenoberfläche und eine verschleißgeschützte Wärmedämmschicht auf der entgegengesetzten Seite. Die Plattengröße sollte möglichst nicht unter 500 χ 500 mm liegen. Durch Abschrägung der Ecken gewinnt man Raum für diagonal angeordnete Befestigungslaschen. Der Plattenrand wird mit einem weichen Schaumgummiprofil - vorzugsweise Compriband - versehen, das gegen die oftmals rauhe Bauteil-Oberfläche gepreßt wird und das unerwünschte Eindringen der Umgebungsluft oder des etwaigen Regenwassers in den Spaltraum verhindert.

Das Temperaturgefälle zwischen den beiden Hohlplatten und damit auch zwischen den beiden Bauteil-Oberflächen wird dadurch erzeugt, daß man die Rohrschlange der einen Platte an die Kaltwasserleitung, die der anderen an die Warmwasserleitung anschließt Die Wasserzuführung von der nächsten Zapfstelle erfolgt zweckmäßigerweise über leichte Kunststoffschläuche von 1/2 Zoll Nennweite. Als Warmplatte wird man im Winterhalbjahr vorteilhaft die raumseitige, im Sommerhalbjahr die außenseitige Platte wählen, weil auf diese Weise die jeweiligen Temperaturdifferen-

/ 5 COPY

zen zur Umgebungsluft bzw. zur Bauteil-Oberfläche nicht sehr kraß sind. Dadurch verkürzt sich die Zeitspanne bis zur Erreichung des stationären Zustandes.

Weil die Kaltwasserversorgung eines Bauwerks während der Gesamtdauer der erfindungsgemäßen Messung nur extrem niedrige Temperaturschwankungen erwarten läßt, wird die Kaltplatten-Temperatur als Bezugstemperatur genutzt. Die von der Warmplatte zur Kaltplätte strömende Wärme-Energie wird von dem zirkulierenden Kaltwasser je nach örtlicher Situation zu einem Abfluß oder ins Freie geführt. Die Strömungsgeschwindigkeit läßt sich dem Wärmedurchlaßwiderstand des Bauteils anpassen; der Höchstwert dürfte bei der Messung von Einfach-Verglasungen erforderlich sein.

Die Warmplatte besitzt vorteilhaft ein feinregulierbares Mischventil, das sowohl mit Warm-, als auch mit Kaltwasser versorgt wird und auf diese Weise die Einstellung eines ganz bestimmten Temperaturniveau¹s ermöglicht. Beträgt beispielsweise die Kaltplatten-Temperatur + 15,O⁰C, kann man die Warmplatten-Temperatur auf + 25,0⁰C einregulieren und damit das besonders praktische Temperaturgefälle von 10,0 K erzielen.

Die Messung des zunächst unbekannten Wärmedurchlaßwiderstandes des Bauteils erfolgt dadurch, daß man eine Meßscheibe mit möglichst genau bekanntem Durchlaßwiderstand zwischen die raumseitige Leichtmetall-Hohlplatte und die Bauteil-Oberfläche bringt und das Temperatur-Teilgefälle zwischen den beiden Meßscheiben-Oberflächen ermittelt. Dieser Wert verhält sich zum Temperatur-Gesamtgefälle zwischen den Bauteil-Oberflächen wie der Durchlaßwiderstand der Meßscheibe zum Durchlaßwiderstand des Bauteils + Meßscheibe. Im Interesse einer möglichst geringen Isothermenve'rzerrung wird man für die Meßscheibe einen Werkstoff mit verhältnismäßig großer Wärmeleitzahl wählen und dadurch bei der ohnehin geringen Dicke einen sehr niedrigen Durchlaßwiderstand erreichen. Ein zusätzlicher Vorteil kann in vielen Fällen die Eliminierbarkeit des Meßscheibenwertes aus-der Verhältnisrechnung sein, ohne dabei einen nennenswerten Fehler zu machen. Dies gilt vor allem für Bauteile mit relativ hohem Durchlaßwiderstand.

Beträgt beispielsweise der Meßscheiben-Widerstand 0,02 m²K/W und das Temp.Teilgefälle 0,25 K, dann ergibt sich bei einem Temperatur-Gesamtgefälle von 10,00 K ein Wärmedurchlaßwiderstand des Bauteils von 0,80 m²K/W (vereinfacht) und von 0,78 m²K/W (rechnerisch korrekt). Der Fehler fällt mit 2,5% nicht ins Gewicht, wenn es sich um eine normale Praxismessung handelt.

Diese Überlegung ist in erster Linie dann von Bedeutung, wenn man das Wärmedurchlaßverhalten eines Bauteils' über eine Digital-Anzeige direkt wiedergeben möchte. Für diese Aufgabe bietet sich nicht so sehr der Wärmedurchlaßwiderstand, sondern viel eher dessen Reziprokwert, die Wärmedurchlaßzahl W/n^K^an. Diese ist dem Temperatur-Teilgefälle an der Meßscheibe ungefähr proportional, wenn die Durchlaßzahl der Meßscheibe einen weitaus höheren Wert hat als die Durchlaßzahl des zu messenden Bauteils.

Für die Bestimmung des Teilgefälles eignen sich beispielsweise zwei Gruppen kleiner NTC-Meßwiderstände mit gleichartiger Charakteristik, die auf beiden Seiten der Meßscheibe symmetrisch zum Zentrum angeordnet werden. Durch Reihenschaltung der jeweiligen Gruppen-Elemente läßt sich nicht nur die Langzeitstabilität verbessern, sondern auch der Widerstand zwecks Meßstromreduzierung beträchtlich vergrößern.

Die beiden Gruppen werden als Zweige einer Ausschlag-Brücken-.schaltung verwendet, die mit einer stabilisierten Gleichspannung versorgt wird und bei Temperaturgleichheit auf den Wert Null justierbar ist. Da die Widerstandskennlinie bei NTCs gekrümmt ist, muß eine Linearisierung des infrage kommenden Meßbereiches erfolgen. Bei alternativem Einsatz von Platin-Folienwiderständen ergäbe sich der Vorteil einer nahezu linearen Kennlinie bei allerdings kleinerem Temperaturkoeffizienten.

Eine zweite Brückenschaltung zeigt das Temperatur-Gesamtgefälle zwischen den beiden Bauteil-Oberflächen an. Die dafür nötigen Sensoren werden im Zentrum der bauteilseitigen Hohlplattenflachen federnd angebracht, damit eine Verfälschung durch etwaige Luftpolster vermieden wird. Das Meß-Ergebnis erscheint - nach Umschaltung - auf der ohnehin vorhandenen Digital-Anzeige in K, im Gegensat«- zum Resultat der ersten Brückenschaltung, das in

copy / 7

W/m²K wiedergegeben wird, wenn man den jeweils passenden Verstär kungsfaktor wählt. Auf die zusätzlichen Möglichkeiten einer selbsttätigen Regelung des Temperatur-Gesamtgefälles und der zugehörigen Verstärkung soll hier nicht näher eingegangen werden. Auch der durchaus realisierbare Druck der Meßwerte bedarf keiner besonderen Erwähnung.

Die Zuverlässigkeit des erfindungsgemäßen Meßverfahrens hängt fast ausschließlich von der Erzielung eines stationären Wärmestromes im Nahbereich der Systemachse ab; die geringfügige Isothermenkrümmung in der peripheren Zone ist praktisch ohne Belang

Zeichnungen :

Figur I stellt einen oberflächenparallelen Schnitt durch die Leichtmetall-Hohlplatte dar. Auf dem Basisblech 1 mit quadratischer Grundform und abgeschrägten Ecken ist das dünnwandige Kupferrohr 2 in symmetrischer Anordnung so verlegt, daß die Zufluß-Öffnung 3 strömungsmäßig nur eine geringe Distanz vom Plattenzentrum aufweist. Die Abfluß-Öffnung A befindet sich in der Nähe von 3. Die Kupferrohrschlange 2 ist mit dem Basisblec.h so verlötet, daß ein guter Wärmeübergang ermöglicht wird. Die Befestigungswinkel 5 sind mit je zwei Bohrungen zur wahlweisen Verwendung versehen, weil in manchen Anwendungsfällen das Setzen der Schraubdübel durch eine Stahlbewehrung behindert sein kann.

Die Meßscheibe 6 hat einen Durchmesser von etwa 150 bis 180 mm und eine Dicke von ungefähr 3 bis 4 mm. Sie besteht aus einem homogenen Werkstoff mit möglichst genau bekannter Wärmeleitzahl und besitzt folglich einen ganz bestimmten Wärmedurchlaßwiderstand, der sich in m²K/W ausdrücken läßt. Die temperaturabhängigen Meßwiderstände 7 erlauben eine ziemlich exakte Ermittlung des Temperatur-Teilgefälles der Meßscheibe; die Meßwiderstände S dienen zur Feststellung des Temperatur-Gesamtgefälles zwischen den Bauteil-Oberflächen. Bei Verwendung eines elektronisch stabilisierten Netzgerätes wird man bevorzugt dünne Platin-Meßfühler Pt 100 oder Pt 1000 einsetzen, weil in diesem Falle der höhere Stromverbrauch der Brückenschaltungen - im Vergleich

hochohmigen NTC-Me8fühlern - keine Rolle spielt, und der Vorteil der günstigeren Widerstandskennlinie sowie der Langzeitstabilität voll genutzt werden kann.

Figur II zeigt einen Querschnitt durch die gesamte Meßvorrichtung in funktionsfähigem Zustand. Die beiden Leichtmetall-Hohlplatten sind am Bauteil 9 in einander genau gegenüberliegender Position befestigt und mit Hilfe der Weichschaumprofile 10 gegen störende Umgebungsluft- oder Niederschlagseinflüsse abgedichtet. Die Wärmedämmschichten 11 tragen zur Stabilisierung der Plattentemperaturen und damit des Temperatur-Gesamtgefälles bei. Die Meßscheibe 6 steht in direkter Berührung mit der Bauteil-Oberfläche, die erforderlichenfalls zuvor eben geschliffen werden kann. Bei Messungen mit besonders hohen Ansprüchen - im wissenschaftlichen Bereich -. ist grundsätzlich die Möglichkeit gegeben, eine zweite gleichartige Meßscheibe auf der anderen Seite des Bauteils anzuordnen und den Meßwert durch Umschaltung in die Digitalanzeige einzugeben, damit beide Ergebnisse miteinander verglichen werden können. Bei Übereinstimmung ist das Bestehen eines stationären Wärmeflusses sicher nachgewiesen.

^/ O

Claims

Meßverfahren zur zeitsparenden und genauen Ermittlung des Wärmedurchlaßwiderstandes ebenflächiger Bauteile beliebiger Art Patentansprüche :

1. Meßverfahren zur Ermittlung des Wärmedurchlaßwiderstandes ebenflächiger Bauteile, dadurch gekennzeichnet,. daß dem Bauteil mit Hilfe zweier einander gegenüberliegender Leichtmetall-Hohlplatten, von denen eine mit kaltem und die andere mit warmem - vorzugsweise gemischtem - Leitungswasser durchströmt ist, nach relativ kurzer Zeit ein stationärer Wärmestrom aufgezwungen wird, der sich vor allem in der Systemachse einstellt und dort an einer dünnen Meßscheibe mit bekanntem Wärmedurchlaßwiderstand ein Temperatur-Teilgefälle hervorruft, dessen Verhältnis zum Temperatur-Gesamtgefälle zwischen den Bauteil-Oberflächen die Berechnung des unbekannten WärmedurchhL'aßwiderstandes oder auch die digitale Anzeige der unbekannten .Wärmedurchlaßzahl des Bauteils mit beachtlicher Genauigkeit ermöglicht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Leichtmetall-Hohlplatten mit mäanderförrnig verlegten Kupferrohren geringen Querschnitts, die mit der bauteilseitigen Plattenoberfläche in direktem Wärmeübergangskontakt stehen, in der Weise ausgestattet sind, daß die Zentralbereiche der Platten in der Vorlaufzone der Wasserzirkulation liegen und infolgedessen nur minimalen Temperaturschwankungen ausgesetzt sind.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Leichtmetall-Hohlplatten auf ihrer bauteilabgewandten Oberfläche mit einer verschleißgeschützten Wärmedämmschicht versehen sind, die den Einfluß der Umgebungsluft, der Solarstrahlung und der Niederschläge weitgehend ausschaltet.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Plattenränder mit Weichschaumprofilen belegt sind, die sich an die Bauteil-Oberflächen anschmient?ii©uv^' \

/ 2

und dadurch das Eindringen der Umgebungsluft in den Zwischenraum mit ausreichender Sicherheit verhindern.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßscheibe auf beiden Seiten symmetrisch zum Zentrum mit je einem Satz aus NTC-Meßfühlern, die vorteilhaft in ALU-Schaum eingebettet sind, bestückt ist, wobei jeder Satz zweckmäßigerweise in Reihe geschaltet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßscheibe auf beiden Seiten im Zentrum mit je einem Pt 100 - Flachfühler bestückt ist, wenn man nicht in Reihe geschalteten Gruppen den Vorzug geben will.

7. Verfahren nach Ansprüchen 4 und 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet , daß beide Leichtmetall-Hohlplatten im Zentrum ihrer bauteilseitigen Oberfläche mit geeigneten Wärmemeßfühlern bestückt sind, die durch Federkraft gegen die Bauteil- bzw. Meßscheiben-Oberfläche gedrückt werden.

8. Verfahren nach Ansprüchen 4,7 und 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet , daß das Temperatur-Teilgefälle der Meßscheibe und das Temperatur-Gesamtgefälle des Bauteils durch zwei Meßbrückenschaltungen wahlweise in eine analoge Gleichspannung umgesetzt und digital angezeigt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 4 und weiteren Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Digital-Anzeige mit Hilfe einer nur wenig aufwendigen Schaltungsergänzung den Zahlenwert der Wärmedurchlaßzahl bei entsprechender Abstimmung mit dem Temperatur-Gesamtgefälle direkt angibt.

10. Verfahren nach Anspruch 1 und weiteren Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet , daß die Messung des Wärmedurchlaßwiderstandes völlig unabhängig von Jahreszeit bzw. Klima vorgenommen werden kann und damit einem schon seit langem bestehenden Bedürfnis gerecht wird.

/ 3