DE3423731A1

DE3423731A1 - Verfahren zur ueberwachung der thermischen zustaende in raeumen und vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens

Info

Publication number: DE3423731A1
Application number: DE19843423731
Authority: DE
Inventors: György 5014 Kerpen Borbely; Rudolf Dr. 6238 Hofheim Faymonville
Original assignee: Battelle Institut eV
Current assignee: BORBELY, GYOERGY, DIPL.-ING., 8134 POECKING, DE
Priority date: 1984-06-28
Filing date: 1984-06-28
Publication date: 1986-01-09

Description

Beschreibung Verfahren zur Überwachung der thermischen Zustände in Räumen und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung der thermischen Zustände in Räumen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 4.
Ein derartiges Verfahren dient zur Erfassung der thermischen Änderungen in einem Raum, wobei die ausgewerteten Meßdaten zur Verstellung der Leistungen von Heizung, Lüftung oder Klimaanlagen verwendet werden.
Raumlufttemperaturfühler sind bekannt und werden entweder direkt an Stellventilen angeordnet oder sind an einem beliebigen Punkt im Raum angeordnet und durch einen Regler mit den Stellgliedern verbunden.
Nachteilig bei diesen bekannten Temperaturfühlern ist, daß sie überwiegend nur die Lufttemperatur im Raum messen, wodurch wesentliche thermische Anderungen im Raum nur bedingt oder nur mit großer zeitlicher Verzögerung erfaßt werden können. Beispielsweise wird die Erwärmung einer Wand durch Sonneneinstrahlung erst dann vom Fühler wahrgenommen, wenn sich die Lufttemperatur im Raum aufgrund der Erwärmung der Wand ändert. Dies ist nicht nur hinsichtlich des Energieverbrauchs von Nachteil, sondern mindert weiter das Wohlbefinden des Raumnutzers.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der die Empfindlichkeit der Überwachung der thermischen Zustände in einem Raum wesentlich erhöht wird.
Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 und 4 gekennzeichnete Erfindung gelöst.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren können Temperaturänderungen in einem Raum wesentlich schneller registriert werden, wodurch bereits Steuermaßnahmen für die Stellorgane eingeleitet werden können, bevor sich die Temperaturänderung in nachteiliger Weise für den Raumnutzer auswirkt.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
So können je nach Wunsch in vorteilhafter Weise die verschiedensten, die Raumtemperatur beeinflussenden Parameter mit in das Verfahren einbezogen werden. Hierdurch ergibt sich eine hohe Flexibilität des Verfahrens bzw. der Vorrichtung, so daß die Vorrichtung für die verschiedensten Anwendungsfälle und Betriebsarten, wie Nachtabsenkung, Frostfreiheit, Feuer und/oder Einbruchmeldung usw., geeignet ist.
Der Sollwert ist als Maß für die menschliche Wärmeabgabe eng mit den individuellen Bedingungen verknüpft und auch für rhythmische Tages- oder Jahreszeitänderungen ausgelegt.
Er kann automatisch nach einem eingestellten Parameter "NORMAL" oder geringfügig abweichend "KALT" oder "WARM" eingestellt oder auch von dem Helligkeitsgrad im Raum geführt werden.
Die Sollwert-Einstellung kann aus einem mobilen Gerät an die verschiedenen Auswerteinheiten dratlos erfolgen oder bei einer im Aufenthaltsbereich angeordneten Auswerteinheit in diese integriert sein.
Die Fühlereinheit zur Erfassung der verschiedenen, die Raumtemperatur beeinflussenden Faktoren wird im Raum so angeordnet, daß die im Aufenthaltsbereich herrschenden Bedingungen möglichst vollständig erfaßt werden. Als günstigste Stelle wurde der geometrische Mittelpunkt des auf die Decke des Raumes projizierten Aufenthaltsbereichs oder mit kleinem Fehler die Mitte der Decke bestimmt.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 verschiedene Annäherungen zur Durchführung des Verfahrens, Fig. 2 eine schematische Ansicht eines Raums mit den zur Durchführung des Verfahrens erforderlichen Einrichtungen, Fig. 3 den schematischen Aufbau eines Fühlers zur Erfassung der verschiedenen Faktoren und zur Erzeugung entsprechender Signale, Fig. 4a die Meßphase des Infrarotstrahlungsfühlers, Fig. 4b die Vergleichsphase des Infrarotstrahlungsfühlers, und Fig. 5 ein Blockschaltbild einer Auswerteinheit.
In Fig. 1 sind die für die Behaglichkeit in einem Raum maßgebenden Faktoren dargestellt. Dabei wird die Solltemperatur in einer ersten Annäherung durch die in dem Raum ausgeübte Tätigkeit und die Kleidung der im Raum befindlichen Person bestimmt. Die Ist-Temperatur bestimmt sich durch die Lufttemperatur und die mittlere Strahlungstemperatur.
In einer weiteren möglichen Annäherung wird zur Bestimmung der Ist-Temperatur die Luftfeuchte mit herangezogen.
In einer dritten Annäherung wird zur Bestimmung der Ist-Temperatur weiter die Luftgeschwindigkeit mit herangezogen.
In einer vierten Annäherung wird zu den oben angegebenen Faktoren zur Bestimmung der Ist-Temperatur weiter die Luftgüte mit herangezogen.
In einer weiteren fünften Annäherung wird zur Bestimmung der Soll-Temperatur der Tagesrhythmus mit herangezogen und in einer weiteren sechsten Annäherung zur Bestimmung der Soll-Temperatur die Jahreszeit mit berücksichtigt.
Eine siebte und achte Annäherung ermöglicht durch Einbindung entsprechender Fühler in das System eine Anpassung des Systems hinsichtlich Frostfreiheit und überwachung sowie hinsichtlich der Nachtabsenkung.
Fig. 2 zeigt schematisch einen hinsichtlich der in Fig. 1 gezeigten Faktoren zu überwachenden Raum 10. Der Raum umfaßt in üblicher Weise einen einstellbaren Radiator 12, ein in einer Wand 14 angeordnetes, einstellbares Lüftungsgitter 16 und ein in der Decke 20 angeordnetes Lüftungsgitter 18. Weiter ist an der Decke 20 vorzugsweise im geometrischen Mittelpunkt des auf die Decke 20 projizierten Aufenthaltsbereichs ein Fühler 22 zur Schaffung der Signale entsprechend den gemessenen Faktoren für die Auswerteinheiten 24 der Stellglieder 26 am Radiator 12 bzw. an den Lüftungsgittern 16, 18 vorgesehen. Ein mobiler oder fest eingebauter Sollwertgeber 28 stellt den Sollwert an den verschiedenen Auswerteinheiten 24 ein, wobei die erfaßten Signale in der Auswerteinheit 24 je nach Bedarf unterschiedlich verstärkt werden können.
In Fig. 3 ist die zur Erfassung der verschiedenen Faktoren, wie Lufttemperatur, Strahlungstemperatur, Luftbewegung, Luftgüte und Luftfeuchtigkeit, dienende Vorrichtung dargestellt.
Sie umfaßt ein Gehäuse 30 mit einer vorderen ersten Kammer 32. Die erste Kammer 32 weist ein dem Raum gewandtes Fenster 34 mit einer Infrarotoptik 36, vorzugsweise in Form einer Fresnel-Linse, ein auf der Rückseite mit dem vorderen Fenster 34 fluchtendes Fenster 38, das mit einer zweiten hinteren Kammer 40 in Verbindung steht, sowie eine Lufteintrittsöffnung 42 auf. In der hinteren Kammer 40 ist eine mittels eines Motors 44 angetriebene drehbare, als Ventilator ausgebildete Lichtunterbrecherscheibe 46 vorgesehen, die zur optischen Achse 48 der Infrarotoptik 36 versetzt angeordnet ist. Weiter ist in der hinteren Kammer 40 eine Luftaustrittsöffnung 50 angeordnet. Die Lichtunterbrecherscheibe 46 befindet sich in dem zwischen der Lufteintrittsöffnung 42 und der Luftaustrittsöffnung 50 ausgebildeten Luftkanal 52. Weiter sind in dem Luftkanal 52 die Fühler zur Erfassung der verschiedenen -Faktoren, wie Lufttemperatur, Luftbewegung, Luftfeuchtigkeit und Luftgüte, vorgesehen, wobei lediglich ein Lufttemperaturfühler 54 und ein Luftgütefühler 56 dargestellt sind.
Auf der Rückseite der zweiten Kammer 40 ist auf der optischen Achse 48 im Brennpunkt der Infrarotoptik 36 ein Infrarotfühler 58 angeordnet. Rings um den Infrarotfühler 58 ist zur Schaffung einer Referenzstrahlung für den Infrarotfühler 58 eine thermostabilisierte Referenzfläche 60 angeordnet, deren Temperatur höher als die Raumtemperatur ist.
Um die Referenzstrahlung mit der Raumstrahlung vergleichen zu können, ist die Lichtunterbrecherscheibe 46 auf ihrer Rückseite hochreflektierend, d.h. spiegelnd ausgebildet.
Fig. 4a zeigt die Stellung der Lichtunterbrecherscheibe 46 in der Meßphase der Raumstrahlung und Fig. 4b zeigt die Stellung der Lichtunterbrecherscheibe 46 in der Vergleichsphase, in der die Referenzstrahlung dem Infrarotfühler 58 über die verspiegelte Rückseite der Lichtunterbrecherscheibe 46 und Filter 47 zugeführt wird.
Die von der beschriebenen Vorrichtung erfaßten Signale werden den verschiedenen Auswerteinheiten 24 am Radiator 12 bzw. den Lüftungsgittern 16, 18 zugeführt und entsprechend vorgegebenen Verstärkungsfaktoren verstärkt und zur Schaffung eines Stellsignals für die einzelnen Stellglieder 26 mit einem Sollwert kombiniert. Ein Blockschaltbild einer Auswerteinheit 24 ist schematisch in Fig. 5 dargestellt. Es umfaßt einen Lufttemperaturverstärker 62, einen Strahlungstemperaturverstärker 64 und ggf. Verstärker 66, 68 für ein Luftfeuchtigkeitssignal und ein Luftgütesignal. Die Verstärkungsfaktoren der einzelnen Verstärker 62 bis 68 werden mit geeigneten Einrichtungen, z.B. Potentiometern, je nach Bedarf bestimmt. Die verstärkten Signale werden einer wei- teren Verarbeitungseinheit 70 zugeführt, in der sie miteinander kombiniert und mit einem Sollwert-Signal verglichen werden. Die Verarbeitungseinheit 70 liefert ein Ausgangssignal für die entsprechenden Stellglieder 26 des Radiators 12 und der Lüftungsgitter 16, 18.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. der Vorrichtung wird durch die Kombination der verschiedenen für die Klimatisierung eines Raums maßgeblichen Faktoren mit der Strahlungstemperatur eines Raumbereichs eine wesentlich genauere Regelung der Raumtemperatur als bisher erreicht, wodurch die Behaglichkeit für eine im Raum befindliche Person in hohem Maße gesteigert und der Energieverbrauch gesenkt wird.

Claims

Verfahren zur Überwachung der thermischen Zustände in Räumen und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens Patentansprüche 1Verfahren zur Überwachung der thermischen Zustände in Räumen, bei dem man die Lufttemperatur erfaßt und das erfaßte Signal mittels einer Übertragungseinrichtung einem Regler für die Beheizung des Raums zuführt, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß man zusätzlich die Strahlungstemperatur eines Raumbereichs erfaßt und mit dem erfaßten Lufttemperatur-Signal kombiniert.
2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß man weiter die Luftfeuchtigkeit erfaßt und das erfaßte Signal mit dem Lufttemperatur-Signal und dem Strahlungstemperatur-Signal kombiniert.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e k e n n -z e 1 c h n e t , daß man die Luftgüte erfaßt und das erzeugte Signal mit dem Lufttemperatur-Signal, dem Strahlungstemperatur-Signal und dem Luftfeuchtigkeits-Signal kombiniert.
4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einemder Ansprüche 1 bis 3, g e k e n n z e i c h n e t durch ein Gehäuse (30) mit einer ersten Kammer (32), die ein dem Raumbereich zugewandtes vorderes Fenster (34) mit einer Infrarotoptik (36) zur Erfassung der im Raum (10) herrschenden Infrarotstrahlung, eine Lufteintrittsöffnung (42) und ein zweites hinteres Fenster (38) aufweist, das mit einer zweiten hinter der ersten Kammer (32) angeordneten Kammer (40) in Verbindung steht, wobei in der zweiten Kammer (40) eine mittels eines Motors (44) angetriebene drehbare, als Ventilator ausgebildete Lichtunterbrecherscheibe (46) und hinter der Lichtunterbrecherscheibe (46) ein Infrarotfühler (58) sowie eine Luftaustrittsöffnung (50) mit einem Lufttemperaturfühler (54) vorgesehen sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß die dem Infrarotfühler (58) zugewandte Rückseite der Lichtunterbrecherscheibe (46) als hochreflektierende Fläche ausgebildet ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Rückseite der zweiten Kammer (40) eine thermostabile Referenzfläche (60) aufweist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gek e n n z e i c h ne t , daß die Infrarotoptik (36) als Fresnel-Linse ausgebildet ist, der Einfallswinkel der erfaßten Infrarotstrahlung etwa 1800 beträgt, und daß der Infrarotfühler (58) im Brennpunkt der Infrarotoptik (36) angeordnet ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß in dem zwischen der Lufteintrittsöffnung (42) und der Luftaustrittsöffnung (50) ausgebildeten Luftkanal (52) ein Luftfeuchtigkeitsfühler vorgesehen ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß in dem zwischen der Lufteintrittsöffnung (42) und der Luftaustrittsöffnung (50) ausgebildeten Luftkanal (52) ein Luftgütefühler (56) vorgesehen ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß im Gehäuse (30) ein Sensor (80) zur Erfassung der Luftbewegung vorgesehen ist