Методы, используемые для определения ТФС объектов делят на три основных вида: нестационарные, стационарные и комплексные [32-40]. Методы нестационарного определения ТФС являются наиболее перспективными, за счёт простоты, небольшого времени проведения эксперимента и т.п. При установлении ТФС в отличие от стационарных используют меньшее время и меньше тепловой энергии. ТМНК (температурные методы неразрушающего контроля) из вышеперечисленных занимают ведущее место при изучение ТФС. МНК имеют широкий функционал возможностей, высокую результативность, достоверность. Комплексные методы позволяют определять одновременно из одного эксперимента, при использование одной установки несколько теплофизических свойств в широком интервале температур. При сохранении времени на проведение эксперимента комплексные методы позволяют получить более полную информацию о ТФС объекта подвергаемого исследованию. Большинство используемых методов имеют ограничения, к которым можно отнести:

сложные уравнения для расчёта ТФС; сложность определения реальных граничных условий при исследование с теоретическими условиями; большая длительность процедуры исследования (не менее двух суток); применимы лишь для стационарного режима, который наступает лишь через несколько суток после начала нагрева конструкции; не применимость способов для определения ТФС свето-прозрачных конструкций; низкая функциональная возможность контроля ТФС исследуемой конструкции ( наличие ограничения вызвано тем, что размеры известного устройства определяют применение только для локального участка ограждающей конструкции, что бы определить данные коэффициенты всего объекта в целом потребуется большое количество времени, так же для проведения одного измерения требуется время от одних суток, такая длительность исследования существенным образом влияет на стоимость проводимых работ); неудобство эксплуатации установок (большие габариты, множество различных функциональных взаимосвязанных узлов); не применимость для исследования ТФС в нестационарных условиях, имеющих место в реальных условиях эксплуатации зданий и сооружений; сложная обработка результатов измерений, для чего требуется сложная аппаратура (это приводит к значительному удорожанию проведения измерений); необходимость наличия информации о конструкции (составе) исследуемого ограждения и неточность расчета погрешности определения ТФС.

Основная часть. Существующие методы определения сопротивления теплопередаче и коэффициента теплопередачи устанавливают данные коэффициенты, только определённого участка исследуемой поверхности, чтобы определить данные ТФС всего объекта в целом потребуется большое количество времени, так для проведения одного измерения требуется время от одних суток. Такая длительность исследования существенным образом влияет на стоимость проводимых работ. В ходе проведения исследования так же необходимо обеспечивать создание специальных условий (стабильную температуру на внутренней и наружной поверхности исследуемого объекта) в течение всего времени исследования, что как следствие, определяет высокую энергоёмкость проводимого  исследования.

Анализ существующих методов определения ТФС исследуемого объекта показал, что возможна разработка установки, которая будет определять ТФС объекта МНК с использованием современных средств управления и обработки информации за более короткий промежуток времени – нестационарным способом. В литературе [17-21, 24-40] отмечается, что нестационарные способы определения ТФС являются наиболее перспективными, за счёт простоты и небольшого времени проведения исследования. Основываясь на проведѐнном анализе был разработан алгоритм для энергоэффективного исследования ТФС объекта МНК представленный на рис.1.

Рис.1 – Блок-схема алгоритма определения ТФС объекта.

Блок схема состоит из 16 блоков. В 1 определяются значения необходимые для дальнейшего проведения исследования, а именно, мощность источника теплоснабжения, общая площадь исследуемого объекта по внешнему обмеру, объём исследуемого объекта по внешнему обмеру, температура поддержания внутри исследуемого объекта во время проведения исследования, диапазон температуры поддержания внутри исследуемого объекта, время проведения исследования, время задержки до момента включения установки. В 2 происходит запуск таймера отсчёта времени проведения исследования. В 3 проверяется условие «время проведения исследования больше или равно текущему времени проведения исследования», при выполнении условия управление передаётся блоку 4 в котором производится включение подачи теплоснабжения на разогрев температуры внутри исследуемого объекта, затем в 5 происходит запись показания окружающей температуры вне исследуемого объекта в память устройства. Затем в 6 происходит запуск подсчёта времени работы установки в активном режиме. В 7 происходит проверка условия «время проведения исследования больше или равно текущему времени проведения исследования» при выполнении условия в 8 проверяется условие «текущая температура внутри объекта больше или равна сумме заданной температуре с заданным диапазоном поддержания температуры» при невыполнении условия происходит возврат в 6, при выполнении условия в 9 производится остановка подачи теплоснабжения, в 10 производится запись показания окружающей температуры вне исследуемого объекта в память устройства, далее в 11 производится остановка на паузу времени подсчёта работы установки в активном режиме в течение заданного времени поддержания. В 12 производится проверка условия «время проведения исследования больше или равно заданному времени проведения исследования» при выполнении условия в 13 проверяется условие «текущая температура внутри объекта меньше или равно заданной температуре за вычетом из неё заданного диапазона поддержания температуры» при выполнении возврат в 4, при не выполнении в 14, где производится остановка подсчёта времени работы установки в активном режиме. В 15 производится запись показания окружающей температуры вне исследуемого объекта в память устройства, в 16 производится расчёт значений (коэффициента теплопередачи, сопротивления теплопередачи и удельной тепловой характеристики) всего исследуемого объекта в целом.

По выше приведенному алгоритму в среде программирования OWEN LOGIK была разработана программа представленная на рис.2

Рис.2 -Блок-схема программы для управления установкой по определению ТФС объектов.

Заключение. Достоинствами разработанного алгоритма управления автоматизированной установкой по определению теплофизических свойств объектов являются – возможность определения параметров объекта исследования без нарушения его конструкции, методом неразрушающего контроля, а так же низкая энергоёмкость эксперимента по сравнению с существующими аналогами.

Для создания энергоэффективной системы автономного теплоснабжения необходимо учитывать все возмущающие воздействия на тепловой режим отапливаемого помещения, либо объекта. 

Тепловой режим отапливаемых помещений определяется как результат совокупного влияния непрерывно изменяющиеся внешних и внутренних возмущающих воздействий [2,3]. Решений являющихся оптимальными для самых различных условий и характеристик объектов управления просто быть не может. К внешним воздействиям относится изменения температуры наружного воздуха, скорость и направление ветра, интенсивности солнечной радиации, влажности воздуха. К внутренним возмущающие воздействия в жилых зданиях относятся выделения теплоты от работы электрических и осветительных приборов, тепло выделяемое людьми и т.д. [2-6].

Так же согласно [7-17] исследованиям проводимым в настоящее время необходимо знать теплофизические свойства (ТФС) ограждающих конструкций зданий и сооружений.

Оценка ТФС зданий важна не только для целей автоматизации и создание комфортного микроклимата и энергосбережения но, и например для определения допустимого времени устранение аварийных ситуаций, для определения тепло потерь здания при отсутствии проектной документации, и вообще каких-либо достоверных данных о материалах ограждений многослойных конструкций.

Так же согласно [1] инерционность зданий в большей степени влияет на результаты погодозависимого управления отоплением, современные контроллеры должны учитывать этот влияющие фактор. 

Инерционность здание определяется значением постоянной времени здания, которая находится в диапазоне от 10 часов у панельных домов, до 35 часов у кирпичных домов [4,5]. Устройство управления определяет на основании постоянные временные здания комбинированную температуру наружного воздуха, которая используется в качестве корректирующего сигнала. Но так же необходимо учитывать тот фактор, что с течением времени ТФС объекта подвержены изменениям, следовательно постоянная времени объекта так же подвержена изменениям [7-17].

И так для учёта внешних воздействий, таких как температуры наружного воздуха, скорость и направление ветра, интенсивности солнечной радиации, влажности воздуха необходимо различное климатическое оборудование [2].

Согласно [1] ветер существенно влияет на температуру помещения, особенно в зданиях расположенных на открытых территориях, алгоритм управления учитывающий влияние ветра обеспечивает до 10 % экономии тёплой энергии.

Для учёта возмущающего воздействия на объект теплоснабжения – скорости воздушного потока используют термоанемометры.

Они предназначены для высокоточного измерения скорости воздушного потока [18].

Рабочий диапазон составляет от 0.3 м/с до 20 м/с.

Погрешность составляет   1 %.

Межповерочный интервал составляет – 1 год

На рис. 1 представлен внешний вид термоанемометра.

Рис. 1 – Термоанемометр

Для определения окружающей температуры за пределами объекта теплоснабжения в настоящее время с учётом импорта замещения большинство фирм используют термосопротивления для измерения температуры воздуха фирмы

ОВЕН. В основном это термопреобразователи сопротивления ДТС125Л с выходным сигналом в виде тока от 4 до 20 мА. На рис. 2 представлен внешний вид ДТС125л [19].

Рис. 2 – Термопреобразователи сопротивления ДТС125Л.

Выпускаются данные преобразователи нескольких типов: 50М,100М, 50П, 100П, Рt100, Рt500, Рt1000.

Погрешность от 0.5% до 1%.

Рабочий диапазон температур лежит в пределах от -50°С до 125 °С

Межповерочный интервал – 2 года

Так же для исключения неточности учёта при прямом или косвенном попадании солнечных лучей используются защитные экраны для данных датчиков температур [20]. На рис. 3 представлен экран для защиты от солнечных лучей.

Рис. 3 – Экран для защиты от солнечных лучей.

Для определения влажности воздуха вне отапливаемого объекта используют канальные датчики влажности пассивные или активные российской фирмы THERMOKON [21].

Канальный датчик влажности предназначен для измерения относительной влажности. Разработан для систем управления и мониторинга.

На рис. 4 представлен внешний вид датчика.

Рис.4- Внешний вид датчика определения влажности воздуха.

Рабочий диапазон составляет от 0%до 100%.

Погрешность составляет   2 %.

Межповерочный интервал составляет – 2 года

Для определения интенсивности солнечной радиации в диапазоне от 0 Вт/м² до 1000Вт/м² в основном применяются датчики QLS60.

На рис. 5 представлен внешний вид датчика по определению солнечной радиации.

Рис. 5 – Внешний вид датчика солнечной радиации.

Рабочий диапазон составляет от 0 Вт/м² до 1000Вт/м².

Погрешность составляет   1 %.

Межповерочный интервал составляет [21] – 1 год

В связи с дороговизной оборудования по определению солнечной радиации, в настоящее время используется пофосадное регулирование с учётом солнечной радиации поступающей в помещение.

Установка, настройка, а затем через определённое время поверка климатического оборудования учитывающего внешние возмущающие воздействия и дополнительного оборудования вносятся дополнительные затраты, что отражается на стоимости необходимого оборудования при его установке и эксплуатации.

Так же необходимо проведение поверки через межповерочный интервал, что бы убедиться в том, что датчики работают исправно и не вносят дополнительную погрешность в систему управления тепловым режимом объекта.

В нерабочее время в общественно-административных и производственных зданиях температура внутреннего воздуха может быть значительно снижена, то есть возможен так называемый режим прерывистого отопления, для реализация которого следует обеспечить восстановление нормируемой температуры к началу использования помещения или к началу рабочего дня при этом возникает вопрос оптимального способа разогрева с минимально допустимой температуры к оптимальной. То есть необходимо определить вид кривой по которой необходимо ввести температурный режим здания, чтобы потребления тепловой энергии в этом процессе были бы минимальны. Для выхода в нужный момент времени необходимо учитывать все влияющие факторы на тепловой режим здания, так как только в этом случае удастся достичь наиболее точного времени момента включения системы теплоснабжения на разогрев к нужному моменту времени [1]. На рис. 6 представлен температурный режим объекта при прерывистой системе теплоснабжения.

Рис. 6 – Температурный режим объекта при прерывистой системе теплоснабжения

В настоящее время на практике обычно применяют системы управления осуществляющие только учёт в основном возмущения температуры наружного воздуха это так называемые погодные регуляторы температуры, но
при тепловизионом обследование объектов рис.7 наглядно видны участки ограждений, на которых здание особо сильно теряет тепло.

Рис.7 – Тепловизионное обследование объекта.

К таким участкам в первую очередь относятся окна. По данным [22] теплопотери через ограждающие конструкции распределяются следующим образом: стены – 30%, кровля – 14 %, пол -12 %, окна- 44%.

Данные потери в основном связаны с инфильтрацией. Теплопотери на инфильтрацию зависят как правило от инфильтрации в помещение холодного наружного воздуха и его температуры, а так же скорости воздушного потока снаружи. Воздух в помещение поступает через ограждающие конструкции, имеющие пористые структуры, но основная его часть поступает через неплотности окон, при учёте лишь окружающей температуры и не учёте остальных мало влияющих факторов могут возникнуть в некоторых условиях перетопы, а в других недотоп, что в свою очередь приведёт к неоптимальному регулированию теплового режима объекта.

Согласно данным [23] инфильтрация увеличивает градиент падения температуры на 0,4 – 1°С в час.

При использование данных видов климатического оборудования учитывающих внешние возмущающие воздействия в канал управления теплоснабжением вносится общая погрешность Х используемого климатического оборудования.

 (1)

где - погрешность определённого средства измерения (датчик температуры, влажности, скорости ветра и т.д.)

Проведя расчёт вносимой погрешности с использованием климатического оборудования учитывающего внешние воздействия:

В следствии всего вышеописанного видятся следующие проблемы при построение технических средств энергосбережения. Для учёта всех возмущающих воздействий требуется дорогое климатическое оборудование которое требует установки, наладки и подключения к управляющему устройству, так же для исключения неправильности показаний климатического оборудования устанавливаемого вне отапливаемого объекта необходимо периодически проводить поверку данного оборудования что требует дополнительных вложений. 

С учётом вышеизложенного мы пришли к выводу, что при исключении внешнего климатического оборудования можно уменьшить расходы на теплоснабжение не менее чем на 3%. При этом себестоимость установки и эксплуатации оборудования сократится.

Однако остаётся вопрос, каким образом без использования внешнего климатического оборудования учесть все влияющие факторы на тепловой режим объекта, при этом производить оптимальное управление его тепловым режимом.