СПОСОБ ИСПЫТАНИЙ ЖИДКОСТНЫХ КЛИМАТИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ С ПРИНУДИТЕЛЬНОЙ КОНВЕКЦИЕЙ Российский патент 2022 года по МПК F24H15/104 F24H3/02 G01K17/06 G01N25/20 G01M99/00 

Изобретение относится к области теплофизических измерений, в частности, для определения рабочих характеристик климатических приборов, служащих для поддержания теплового микроклимата в помещениях, и может быть использовано при проведении испытаний приборов, приближенных к реальным эксплуатационным условиям, включая научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы при их разработке и испытания при постановке на производство и серийном выпуске.

Для поддержания теплового микроклимата в помещениях широко используются жидкостные климатические приборы, работающие по принципу отдачи воздуху помещений тепла или холода от жидкого теплоносителя, протекающего через прибор. Чаще всего используется подача в прибор внешнего заранее подготовленного по температуре теплоносителя. К таким климатическим приборам относятся конвекторы, в которых теплообмен происходит преимущественно за счет конвекции воздуха вблизи прибора. Конвекция может быть, как естественной, так и принудительной за счет принудительной подачи воздуха помещения к теплообменной поверхности прибора. В последнее время большое распространение получили конвекторы с принудительной конвекцией, обладающие повышенным теплообменом и, как следствие, повышенной тепло- и/или холодопроизводительностью. Принудительную конвекцию организуют с помощью использования вентиляторных устройств, подающих воздух внутрь прибора, который потом возвращается в помещение.

Климатические приборы могут иметь различные конструктивные решения, как по способам организации теплообмена, так и по способам подачи теплоносителя (см., например, [1-5]). Например, в патенте [4] внешний жидкий теплоноситель не применяют, а тепло или холод передаются внешнему воздуху за счет использования внутреннего аммиачного теплового насоса.

Как уже указано, наиболее эффективными являются климатические приборы с принудительной конвекцией, которая не только интенсифицирует теплообмен в самом приборе, но также может способствовать распространению нагретого или охлажденного воздуха внутри помещения и обеспечивать близкие к равномерным по объему параметрам теплового микроклимата.

Теплообмен внутри прибора и в помещении при принудительной конвекции, во многом зависит от конструктивных особенностей прибора и протекающих газодинамических и теплообменных процессов как в приборе, так и вне него. Эффективность использования прибора с принудительной конвекцией для поддержания теплового микроклимата должна проверяться не только расчетами, но и испытаниями работающего прибора в лабораторных условиях. Причем эффективность должна проверяться в условиях, как можно приближенных к эксплуатационным.

Влияние использования отопительных приборов на тепловой микроклимат помещений постоянно обсуждается во многих публикациях. Чаще всего для исследования данного влияния применяются результаты численного моделирования (см., например, [6-8]). Однако использование численного моделирования ограничено применимо в качестве замены испытаний сложных технических устройств в реальных условиях их эксплуатации, поскольку с помощью задания набора расчетных граничных условий практически невозможно воспроизвести все существующие эксплуатационные особенности. Наиболее достоверным способом являются лабораторные испытания климатических приборов.

Основными целевыми параметрами испытаний являются измеряемые теплотехнические характеристики климатического прибора. К таким характеристикам относятся тепло производительность (тепловая мощность) прибора при его работе в режиме отопления и холодопроизводительность (холодильная мощность) при работе в режиме охлаждения (кондиционирования) воздуха.

Кроме того, при испытаниях климатического прибора с принудительной конвекцией должна быть протестирована его газодинамическая эффективность, т.е. способность поддерживать тепловой микроклимат помещения в целом за счет использования принудительной конвекции и распределения по объему помещения выходящего из прибора подготовленного воздуха.

Испытания климатических приборов, как правило, проводятся в специальных камерах, которые по своим теплозащитным и геометрическим характеристикам должны соответствовать реальным условиям эксплуатации помещений в зданиях.

В патенте [5] предлагается способ измерения тепловой энергии, отдаваемой или поглощаемой различными климатическими приборами. Для этого в климатический прибор подают и отводят из него теплоноситель и измеряют температуру подаваемого и отводимого теплоносителя, а также расход теплоносителя через прибор. По измеренным величинам температуры и расхода вычисляют энергию, отдаваемую или поглощаемую прибором. Целью известного способа является расчет энергобаланса единичного прибора в общем балансе энергопотребления здания в процессе эксплуатации отопительной системы. Недостатком способа является то, что он не является способом испытаний рабочих характеристик отдельных климатических приборов, а является только способом контроля их энергобаланса в процессе эксплуатации. Данный способ не позволяет определить эффективность климатических приборов с принудительной конвекцией.

Известен также способ испытаний климатических приборов [9], взятый за прототип предложенного изобретения. Способ предназначен для проведения измерений номинальной теплопроизводительности климатических приборов, которая может соответствовать поддержанию некоторой нормируемой температуры воздуха в помещении.

Способ заключается в том, что климатический прибор устанавливают и эксплуатируют в теплоизолированной испытательной камере с терморегулируемыми внутренними поверхностями. Терморегулирование осуществляют для поддержания постоянной температуры воздуха внутри камеры, которая должна соответствовать условиям испытаний.

При испытаниях на вход климатического прибора подают, а на выходе отводят нагретый жидкий теплоноситель с постоянным расходом. Температура теплоносителя на входе также задается. В процессе испытаний измеряют расход жидкого теплоносителя и его температуру на входе и на выходе из прибора. В контрольной точке внутри камеры измеряют температуру воздуха. При подаче нагретого теплоносителя должен происходить нагрев воздуха в контрольной точке, но его температуру в этой точке поддерживают постоянной. Для этого чрез специальные устройства внутренние поверхности камеры охлаждают водой.

При постоянной поддерживаемой в контрольной точке температуре воздуха по измеренным значениям расхода жидкого теплоносителя и его температуры на входе и выходе прибора проводят расчет его теплопроизводительности (теплового потока, поступающего из прибора в отапливаемое помещение). Измерения и расчеты проводят несколько раз при различном температурном напоре (разнице между средней температурой жидкого теплоносителя в климатическом приборе и температурой в контрольной точке).

Способ-прототип используется на практике для тестирования номинальной (паспортной) теплопроизводительности отопительных приборов с различными схемами движения теплоносителя.

Недостатками способа-прототипа являются следующие:

1. Способ предназначен для определения только номинальной теплопроизводительности, соответствующей стандартным условиям при заранее заданной и поддерживаемой температуре воздуха в контрольной точке. При этом измеренная номинальная паспортная теплопроизводительность может не достигаться при эксплуатации отопительного прибора в различных условиях. Способ не позволяет определить характеристики прибора в условиях, приближенных к реальным, с переменными во времени внешними тепловыми воздействиями на помещение. Способ не позволяет установить влияние отопительного прибора на изменение температуры воздуха в помещении при изменении условий эксплуатации помещения.

2. Способ предназначен для испытаний только отопительного оборудования в виде радиаторов и конвекторов отопления со свободной конвекцией. Климатические приборы, выполняющие функции кондиционирования (охлаждения) воздуха в помещении, по данному способу испытаны быть не могут и не может быть определена их холодопроизводительность (тепловой поток, отбираемый прибором из кондиционируемого помещения).

3. Способ не предназначен для проведения испытаний отопительных приборов с принудительной конвекцией, в частности, для установления их газодинамической эффективности. Газодинамическая эффективность приборов с принудительной конвекцией достигается не только за счет того, что в приборе имеет место повышение коэффициента теплообмена воздуха с протекающим в приборе теплоносителем, но также и за счет того, что подготовленный в отопительном приборе воздух принудительно выходит из него и за счет распространения может влиять на локальные параметры теплового микроклимата в помещении, а также и на теплопроизводительность самого прибора.

Задачей и техническим результатом от использования предлагаемого изобретения является расширение возможностей испытаний жидкостных климатических приборов с принудительной конвекцией, включающее:

- испытания как отопительных, так и приборов для кондиционирования воздуха, и приборов с совмещенными функциями;

- определение кроме теплопроизводительности, также и холодопроизводительности приборов, снабженных функцией охлаждения (кондиционирования) воздуха;

- обеспечение испытаний приборов (в частности их теплопроизводительности и холодопроизводительности) применительно к условиям, приближенным к реальным условиям эксплуатации помещений;

- определение по результатам испытаний газодинамической эффективности приборов с принудительной конвекцией.

Для достижения поставленной цели и технического результата испытания должны быть обеспечены соответствующими условиями и методикой.

Предлагаемый способ испытаний жидкостного климатического прибора с принудительной конвекцией включает в себя:

1. Установку прибора в тетюизолированной герметичной камере, подачу на входы прибора и отвод из его выходов потоков жидкого теплоносителя, измерение температуры воздуха в контрольной точке внутри камеры, измерение расхода и температуры теплоносителя в потоках, входящих и выходящих из прибора, а по измеренным величинам расхода и температуры определение эффективности прибора в виде его теплопроизводительности при работе в режиме нагрева воздуха.

Приведенная в п. 1 совокупность признаков является частью необходимых для реализации заявленного способа признаков, являющихся общими со способом-прототипом. В приведенной совокупности признаков подача и отвод потоков жидкого теплоносителя и измерение их температуры и расхода, в отличие от прототипа, сформулированы во множественном числе, поскольку в жидкостные климатические приборы в общем случае могут подаваться несколько потоков теплоносителя с различной температурой и расходом (т.н. многотрубные климатические приборы). Для многотрубных климатических приборов каждая подача и отвод теплоносителя и измерение его параметров является общей с прототипом. Измерение температуры в контрольной точке, а также температуры и расхода теплоносителя проводят в течение всего периода испытаний. При этом частота (периодичность) измерений не является определяющей. Главное, чтобы количества распределенных во времени измерений было достаточно для статистической обработки результатов.

2. Проведение испытаний в камере, разделенной дополнительной ограждающей конструкцией на две герметичные секции.

Использование данного признака необходимо для того, чтобы обеспечить возможность проведения испытаний в условиях, приближенных к реальным условиям эксплуатации помещения, в котором может быть установлен климатический прибор. Вся камера является теплоизолированной, что соответствует минимальным тепловым потокам между находящимися в одинаковых тепловых условиях смежными помещениями здания. Секция, не содержащая прибор, является вспомогательной и служит для создания в ней внешних (уличных) температурных условий, которые могут воздействовать на помещение.

Дополнительная ограждающая конструкция, разделяющая секции, должна иметь термическое сопротивление, которое позволило бы обеспечить между секциями теплообмен, соответствующий реальным наружным ограждающим конструкциям, используемым в зданиях. Термическое сопротивление дополнительной ограждающей конструкции может соответствовать, например, термическому сопротивлению реального утепленного массивного наружного ограждения здания или термическому сопротивлению светопрозрачных ограждающих конструкций.

3. Проведение испытаний для различных температурных режимов, поддерживаемых в секции, не содержащей прибор, для чего в ней с помощью климатического оборудования на длительное время задают требуемую температуру воздуха.

Использование данного признака также необходимо для того, чтобы обеспечить возможность проведения испытаний в условиях, приближенных к реальным условиям эксплуатации помещения, в котором может быть установлен прибор. Задание в секции, не содержащей прибор, соответствующего температурного режима позволяет создавать требуемые в испытании для секции, содержащей прибор, внешние температурные условия и/или их изменения во времени. Условие того, что требуемую температуру воздуха при испытаниях задают на длительное время, обеспечивает достижение установившегося теплового режима в помещении с учетом влияния на него тепловой инерции ограждающих конструкций. В зависимости от программы испытаний количества необходимых измерений и тепловой инерции ограждающих конструкций тепловой режим может устанавливаться на период времени в несколько суток. Конкретная величина этого времени может быть получена с помощью расчетов нестационарного теплопереноса в теплозащитном ограждении секции, содержащей прибор.

4. Дополнительную подачу в секцию, содержащую прибор, переменной во времени тепловой мощности.

Использование данного признака также необходимо для того, чтобы обеспечить возможность проведения испытаний в условиях, приближенных к реальным условиям при эксплуатации помещений. Подача в секцию, содержащую прибор, переменной во времени дополнительной тепловой мощности служит для реализации различных нестационарных тепловых воздействий на помещение, возникающих при его эксплуатации.

5. Проведение измерения температуры в контрольной точке в центре объема секции, содержащей прибор.

В способе-прототипе измерение температуры воздуха в контрольной точке служит для того, чтобы с помощью системы управления в процессе испытаний ее можно было бы поддерживать постоянной за счет водяного охлаждения поверхности стен камеры.

В предложенном изобретении отсутствует необходимость поддержания постоянной температуры в контрольной точке. При проведении испытаний по предлагаемому способу температура в контрольной точке является фактической температурой в помещении, достигаемой при использовании прибора. Она зависит от температурного режима в секции, не содержащей прибор (т.е. от внешних температурных условий), от изменения во времени дополнительной тепловой мощности, подаваемой в секцию, содержащую прибор, а также от конструкции и режима работы климатического прибора. Величина температуры в контрольной точке используется для расчетов газодинамической эффективности климатического прибора. Кроме того, величина температуры в контрольной точке показывает способность испытуемого климатического прибора поддерживать стабильную температуру воздуха в испытательной камере в приближенных к реальным нестационарных климатических условиях вне помещения. Измерение температуры в контрольной точке проводят в центре объема секции, содержащей прибор, поскольку эта точка обобщенно характеризует влияние климатического прибора на тепловой микроклимат всего помещения.

6. Измерение температуры воздуха в секции, содержащей прибор, кроме контрольной точки в нескольких различных по высоте и по площади секции дополнительных точках.

Данные измерения, проводимые в нескольких точках, включая точки входа и выхода воздуха из прибора, служат для определения газодинамической эффективности испытываемого прибора. В предлагаемом изобретении для определения газодинамической эффективности вместо сложных измерений давления воздуха, скорости воздушных потоков, их температуры и обработки и интерпретации данных используется метод сравнения температуры в нескольких различных точках секции. Кроме того, многоточечное измерение температуры может дать дополнительную детальную информацию о неоднородности распределения температуры по объему помещения.

7. Дополнительное определение по результатам испытаний в качестве эффективности испытуемого прибора кроме его теплопроизводительности, также и холодопроизводительности при работе в режиме охлаждения воздуха, а также определение газодинамической эффективности в виде доли байпасирования между выходящим и входящим в прибор потоком воздуха, и эффективности распространения в вертикальном направлении воздуха, выходящего из прибора.

При этом теплопроизводительность определяют для отопительных приборов, как это делается в способе-прототипе, холодопроизводительность определяют для приборов, служащих для кондиционирования (охлаждения) воздуха, а холодопроизводительность и теплопроизводительность определяют для приборов с совмещенными функциями отопления и кондиционирования воздуха.

Теплопроизводительность и холодопроизводительность прибора за период измерений может быть рассчитана по формуле (1)

где i - номер измерения, m_i - расход теплоносителя, кг/с, , - абсолютная величина изменения энтальпии теплоносителя между входом и выходом из прибора, рассчитанная по его измеренным температурам, Дж/кг, - оператор усреднения расчетной величины по всем измерениям в течение периода измерений. Теплопроизводительность и холодопроизводительность, а также соответствующие измерения проводят для разных температурных режимов, устанавливаемых в секции, не содержащей прибор.

Определяемая в результате испытаний доля байпасирования прибора с принудительной конвекцией показывает, какая часть выходящего из прибора воздуха захватывается вблизи прибора вентиляторной системой, создающей принудительную конвекцию, и возвращается к теплообменной поверхности прибора. Увеличение доли байпасирования приводит к снижению холодопроизводительности и теплопроизводительности прибора, а также к снижению конвективного теплообмена в объеме помещения, в целом. Чем ниже доля байпасирования, тем более эффективно работает прибор.

Определяемая в результате испытаний эффективность распространения в вертикальном направлении воздуха, выходящего из прибора, показывает, насколько создаваемая прибором принудительная конвекция способствует организации в помещении циркуляционных потоков и перемешиванию воздуха. При малой «дальнобойности» струи подготовленного воздуха, выходящего из прибора, вблизи прибора образуется зона повышенной циркуляции с аномальной температурой. В результате в помещении образуются зоны с выраженными неоднородностями температуры, приводящие к ухудшению теплового микроклимата в объеме помещения, а также снижаются холодопроизводительность или теплопроизводительность прибора.

Долю байпасирования и эффективность распространения в вертикальном направлении воздуха, выходящего из прибора, определяют также для разных температурных режимов, устанавливаемых в секции, не содержащей прибор.

8. В качестве требуемой температуры воздуха в секции, не содержащей прибор, устанавливают температуру, соответствующую различным наружным климатическим температурным условиям.

Данный признак является дополнительным к признаку по п. 3 и уточняет его содержание. В общем случае в секции, не содержащей прибор, могут быть заданы любые, представляющая интерес для конкретных испытаний, температуры воздуха. При испытаниях наибольший интерес представляют реальные климатические температурные условия вне здания. К таким условиям могут быть отнесены, например: температура наружного воздуха, соответствующая самой холодной пятидневке в году для данного региона; самая высокая температура в году; температура наружного воздуха для межсезонья; переменная во времени температура, соответствующая суточным ее колебаниям, и др.

9. Подачу в секцию, содержащую прибор, дополнительной переменной во времени тепловой мощности, соответствующей воздействию солнечного излучения через светопрозрачные ограждающие конструкции на внутренние части помещения зданий.

Данный признак является дополнительным к признаку по п. 4 и уточняет его содержание.

В общем случае в секцию, содержащую прибор, может быть подана любая, представляющая интерес для конкретных испытаний, дополнительная тепловая мощность. Предлагаемая в данном пункте подача дополнительной тепловой мощности, соответствующей воздействию солнечного излучения через светопрозрачные ограждающие конструкции, является использованием в испытаниях наиболее важного механизма дополнительных тепловых поступлений в помещения. Наибольший интерес это может представлять при испытаниях климатических приборов, выполняющих функции кондиционирования (охлаждения) воздуха в летнее время.

Дополнительная тепловая мощность может подаваться в различные участки секции, содержащей прибор, различными способами, например, с помощью направленных инфракрасных излучателей (имитация коротковолнового оптического излучения, проникающего через светопрозрачную ограждающую конструкцию) а также инфракрасными излучателями с поверхности дополнительной ограждающей конструкции (имитация длинноволнового инфракрасного излучения, поглощаемого остеклением и отдаваемого в помещение). Для локализации подаваемой мощности в объеме секции, не содержащей прибор, могут быть использованы различного рода нагреватели, например, водяные, пленочные, электрокабельные и пр.

10. Проведение для каждого отдельного температурного режима расчета газодинамической эффективности прибора в виде доли байпасирования как средней за период измерений величины по формуле (2)

где i - номер измерения, T_0i,°С температура, измеренная в контрольной точке, T_вхi - температура, измеренная в точке входа воздуха в прибор, T_вых,i - температура, измеренная в точке выхода воздуха из прибора, - оператор усреднения расчетной величины по проведенным измерениям.

Данный признак является дополнительным к признаку по п. 7 и дает один из возможных вариантов расчета доли байпасирования по трем точкам измерения температуры - в контрольной точке, в точках входа и выхода воздуха из прибора.

Если величина доли байпасирования равна нулю, то воздух подается на прибор с такой же температурой как в контрольной точке (в центре помещения) и работа прибора максимально эффективна. Если же доля байпасирования равна единице (Т_вхi=Т_выхi) то прибор не создает воздухообмена в помещении и не оказывает влияния на тепловой микроклимат.Величина доли байпасирования может изменяться в зависимости от различных условий, например, тепловыделения в помещении, температуры теплоносителя и, в первую очередь, от скорости работы вентиляторов и конструкции прибора.

11. Проведение для каждого отдельного температурного режима расчета газодинамической эффективности прибора в виде эффективности распространения воздуха, выходящего из прибора в вертикальном направлении, как средней за период измерений величины по формуле (3)

где - температура, измеренная над прибором на высоте расположения контрольной точки.

Данный признак также является дополнительным к признаку по п. 7 и дает один из возможных вариантов расчета эффективности распространения воздуха, выходящего из прибора в вертикальном направлении, по трем точкам измерения температуры - в контрольной точке, в точке выхода воздуха из прибора и в точке над ним на высоте расположения контрольной точки.

Температуры T_0i и измеряются на одной высоте, поэтому в отсутствии распространения принудительной конвекции в помещении их величины близки друг к другу, что соответствует малой эффективности подъема струи воздуха вентилятором прибора. Если же над прибором температура близка к температуре воздуха Т_выхi, то это означает что вентиляторы прибора обеспечивают достаточно удаленный выброс струи воздуха, а следовательно и циркуляцию в помещении в целом.

Близкие к нулю значения η сопровождаются высокими значениями χ, и наоборот.

Обе эти величины характеризуют эффективность прибора в части обеспечения воздухообмена с помещением, и, как показывают результаты исследований, связаны с холодопроизводительностью или теплопроизводительностью прибора.

Способ испытаний жидкостного климатического прибора с принудительной конвекцией осуществляют следующим образом.

Климатический прибор устанавливают в теплоизолированной камере, разделенной дополнительной ограждающей конструкцией на две герметичные секции. Прибор устанавливают в рабочей секции, геометрические параметры которой имитируют эксплуатируемое помещение здания, например, высотой на уровне 3 м и площадью на уровне 20-25 м². Прибор устанавливают таким образом, как он может быть расположен в реальном помещении, например, на выносе вблизи дополнительной ограждающей конструкции, разделяющей секции, или вблизи нее заглубленным в пол (внутрипольный климатический конвектор). Дополнительная ограждающая конструкция по величине термического сопротивления должна соответствовать оболочке здания, в котором может находиться помещение с эксплуатируемым климатическим прибором.

В камере, не содержащей прибор, с помощью дополнительного климатического оборудования создают требуемые для испытаний температурные режимы. Температурные режимы задают в зависимости от проводимой программы испытаний. Режимы могут включать в себя различные климатические испытания, например, на наружную температуру, соответствующую самой холодной пятидневке в году, самой высокой температуре летом, среднесуточной температуре в межсезонье (весна, осень) и пр. При испытаниях могут задаваться стационарные во времени внешние температурные условия или в масштабе реального времени переменные температурные условия, например, суточные колебания наружной температуры.

При испытаниях одного и того же прибора, в зависимости от программы испытаний, в секции, не содержащей прибор, последовательно может быть задано несколько требуемых наружных температурных режимов, например, зимний, летний, межсезонье, суточные колебания температуры и др. Для каждого температурного режима (стационарного с постоянной температурой или режима с задаваемой по требуемому алгоритму переменной температурой), с помощью управления работой дополнительного климатического оборудования в секции, не содержащей прибор, поддерживают требуемую величину температуры воздуха во времени.

Продолжительность задания температурных режимов устанавливают исходя из условий того, что она должна включать в себя непосредственно время, в течение которого проводят необходимые измерения для данного температурного режима, плюс характерное время установления теплового режима в дополнительной ограждающей конструкции между секциями. Например, если требуемая задаваемая температура воздуха в секции, не содержащей прибор, является переменной и служит для испытаний в условиях суточных колебаний наружной температуры, то время проведения измерений должно составлять не менее 1-2 суток. Если испытания проводятся в условиях переменных солнечных теплопоступлений в секцию, содержащую прибор, то требуемое время проведения измерений может составлять не менее 1 суток. При испытаниях с постоянной температурой внутри секции, не содержащей прибор, требуемое время проведения измерений не должно быть ниже нескольких часов.

Характерное время установления теплового режима в дополнительной конструкции между секциями зависит от ее конструктивного исполнения и используемых материалов. Оно может быть определено расчетным путем при решении задачи нестационарного теплопереноса для конструкции подобного типа или определено с помощью измерения нестационарных тепловых потоков при изменениях температурного режима в секции, не содержащей прибор, или в иных лабораторных условиях.

Для всех режимов испытаний измерения начинают проводить после начала запуска температурного режима в секции, не содержащей прибор, по истечении характерного времени установления теплового режима в дополнительной ограждающей конструкции

После установления в секции, не содержащей прибор, требуемого температурного режима, если это предусмотрено программой испытаний, в секции с прибором могут начать физическое моделирование различных возможных нестационарных тепловых поступлений, которые оказывают влияние на эффективность и результативность работы прибора. Основное влияние оказывают нестационарные поступления внутрь помещения тепла через светопрозрачные ограждающие конструкции, которые могут повлиять на характер распределения температурного поля внутри помещения, на поле переносящих тепло конвективных потоков внутри помещения и, как следствие, на его эффективность в виде теплопроизводительности и холодопроизводительности.

Подобные испытания возможно проводить в условиях постоянного заданного расхода теплоносителя через прибор и при постоянной его температуре на входе в прибор. В этом случае прослеживается прямое влияние дополнительных теплопоступлений на теплопроизводительность прибора с принудительной конвекцией и на его газодинамическую эффективность. Теплопоступления от солнечного излучения через светопрозрачные ограждающие конструкции в основном формируются за счет направленного коротковолнового излучении (видимый свет), проникающего через стекло и теплоты, отдаваемой нагретыми солнцем светопрозрачными конструкциями внутрь помещения. При испытаниях необходимо принимать во внимание оба этих механизма, поскольку они сравнимы по мощности. Подачу тепла можно проводить ИК излучателями или непосредственно на нагреваемые поверхности с помощью пленочных или других нагревателей. При расчете мощности дополнительно подаваемых теплопоступлений необходимо учитывать суточный график теплопоступлений от солнца на фасад здания, а также оптические свойства светопрозрачного ограждения в виде его светового фактора (доли солнечной энергии, поступающей на фасад и прошедшей через светопрозрачную ограждающую конструкцию). При испытаниях, учитывающих солнечные теплопоступления, измерения целесообразно проводить в течение не менее двух суток, когда чередуются режимы с теплопоступлениями и без них и можно проследить динамику характеристик климатического прибора при смене внешних тепловых нагрузок.

В процессе установления в секции, не содержащей прибор, каждого требуемого температурного режима, но не позже начала измерений в климатический прибор начинают подачу и отвод из него потоков подготовленного по температуре жидкого теплоносителя.

Одновременно с началом подачи теплоносителя или с незначительной задержкой после ее начала начинают проводить измерения температуры жидкого теплоносителя во входных и выходных потоках, а также расхода теплоносителя. Измерения могут проводить периодически с определенным шагом по времени, например, с шагом в несколько минут. Величина шага должна быть меньше периода гистерезисных колебаний температуры в секции, не содержащей прибор.

За период каждого цикла испытаний одновременно с измерениями температуры жидкого теплоносителя во входящих и выходящих потоках и его расхода проводят измерения температуры воздуха в нескольких точках по объему секции, содержащей прибор, включая контрольную точку в центре объема секции. Такие измерения должны проводиться в точке входа воздуха в прибор, в точке выхода воздуха из прибора, а также над прибором на высоте расположения контрольной точки. Полученные данные по температурам теплоносителя, по его расходу, а также по измеренным температурам воздуха используются для расчетов полученных за период измерений по формуле (1) теплопроизводительности и холодопроизводительности прибора, расчетов по формуле (2) доли байпасирования воздуха на приборе, и расчетов по формуле (3) эффективности распространения воздуха, выходящего из прибора в вертикальном направлении.

Измерения температуры могут также проводить в ряде других точек, например, на разной высоте и в различных зонах секции. Полученные в них данные могут быть использованы как дополнительные для детальной характеристики параметров теплового микроклимата в помещении, обеспечиваемого климатическим прибором, например, стабильности температуры воздуха, наличия зон с аномальной температурой, неоднородности распределения температуры воздуха по помещению.

Даваемые формулами (1) - (3) величины параметров являются средними за период измерений величинами. Поскольку результаты включают измерения за достаточно большой период времени до несколько суток, то полученные таким образом результаты удовлетворяют задаче и техническому результату, поставленным при разработке предложенного способа, включающими:

- выполнение испытаний для отопительных приборов с принудительной конвекцией, приборов для кондиционирования воздуха и приборов с совмещенными функциями.

- расширение возможностей испытаний климатических приборов с принудительной конвекцией за счет определения по результатам испытаний газодинамической эффективности.

- испытания приборов в условиях, приближенных к реальным условиям эксплуатации помещений.

Получаемые в результате использования предложенного способа целевые параметры в виде теплопроизводительности, холодопроизводительности, доли байпасирования и эффективности распространения воздуха на практике могут быть использованы в качестве сравнительных характеристик различных моделей климатических приборов, а также в качестве критериев эффективности при проведении научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ.

В качестве примера реализации предложенного способа ниже приведены результаты испытаний внутрипольного климатического конвектора длиной 2,1 м с тангенциальными вентиляторами для созданий принудительной конвекции, имеющими диаметр 100 мм. Испытания проведены при установке конвектора в секции, имитирующей типичное жилое помещение с размерами (ДхШхВ) 5×4×3 м. Секция с конвектором отделена от секции без конвектора дополнительной ограждающей конструкцией. В качестве основного элемента ограждающей конструкции использовано светопрозрачное ограждение, применяемое на строительном объекте, на котором планируется установка конвекторов. Конвектор установлен вблизи и параллельно дополнительной ограждающей конструкции на установочной глубине 16 см ниже уровня пола. Испытания проведены для тестирования работы конвектора, работающего в режиме кондиционирования (охлаждения) помещения в экстремальных условиях повышенной наружной температуры и дополнительных тепловых поступлений за счет солнечного облучения светопрозрачного фасада. Для этого в секции, не содержащей конвектор, с помощью электронагревательных приборов устанавливалась постоянная температура воздуха, равная +32°С, а в секцию, содержащую конвектор, с помощью инфракрасных нагревателей подавали дополнительные теплопоступления, соответствующие воздействию солнечного излучения на светопрозрачную конструкцию площадью 6,5 м², имеющую солнечный фактор 0,46. Интенсивность, изменение во времени и продолжительность солнечного излучения соответствовали ясной погоде в г. Москва на 31 июля.

Было выполнено два испытания, отличающихся по способу установки конвектора:

- испытание 1. Конвектор установлен таким образом, что воздух, нагнетаемый вентиляторами, поступает в конвектор со стороны дополнительной ограждающей конструкции и, пройдя через конвектор, возвращается в помещение.

- испытание 2. Воздух забирается конвектором из помещений и выпускается со стороны дополнительной ограждающей конструкции.

Результаты обрабатывались за весь период дополнительных теплопоступлений в секцию.

По итогам испытаний получены следующие результаты:

Холодопроизводительность:

Испытание 1 - 1,56кВт; Испытание 2 - 1,71кВт.

Доля байпасирования:

Испытание 1 - 0,47; Испытание 2 - 0,34.

Эффективность распространения воздуха в вертикальном направлении: Испытание 1 - 0,49; Испытание 2 - 0,43.

Кроме этих параметров определены два параметра теплового микроклимата в помещении:

Пиковое (максимальное) за период измерений значение температуры в контрольной точке:

Испытание 1 - 28,5°С; Испытание 2 - 28,5°С.

Среднее значение температуры в центре секции на высоте 2,5 м:

Испытание 1 - 31,9°С; Испытание 2 - 26,1°С.

По результатам испытаний получено, что при эксплуатации испытанного конвектора в режиме кондиционирования воздуха имеет значение способ его установки.

Второй способ установки конвектора (испытание 2) более эффективен, так как обеспечивает лучшее перемешивание воздуха в помещении, что следует из более низких значений доли байпасирования и температуры в центре помещения на высоте 2,5 м, а также большей достигаемой холодопроизводительностью. При этом при обоих способах установки конвектора в центре помещения (в контрольной точке) максимальные значения температуры одинаковы.

При первом способе установки конвектора достигнуто более высокое значение эффективности распространения воздуха в вертикальном направлении, что связано с более свободным распространением потока воздуха в центр помещения. В данном случае более высокая эффективность распространения приводит к повышенному значению температуры в верхней части центра помещения.

Источники информации

1. Патент RU 2154775 дата опубликования 20.08.2000

2. Патент RU 2119129 дата опубликования 20.09.1998

3. Патент РФ 2319078. Дата публ. 10.03.2008

4. Патент РФ 2490560 дата опубликования 20.08.2013

5. Патент RU 2561365, дата опубликования 27.08.2015

6. П.В. Яковлев, Ю.А. Аляутдинова, Е.А. Горбанева Влияние отопительных приборов на микроклимат помещений /Вестник АГТУ. 2009. №1 (48). С.19-21. https://cyberleninka.ru/article/n/vliyanie-otopitelnyh-priborov-na-parametry-mikroklimata-pomescheniy/viewer

7. Лепеш Г.В., Спроге Г.А., Однодворец Ю.В. Имитационное моделирование дифференцированного обогрева вентилируемого помещения комплексом современных отопительных приборов / Технико-технологические проблемы сервиса №1(31) 2015. С.31-37.

https://cyberleninka.ru/article/n/imitatsionnoe-modelirovanie-differentsirovannogo-obogreva-ventiliruemogo-pomescheniya-kompleksom-sovremennyh-otopitelnyh-priborov/viewer

8. Дацюк Т.А., Ивлев Ю.П., Пухкал В.А. Результаты моделирования микроклимата жилых помещений при различных типах отопительных приборов / Инженерно-строительный журнал, №6, 2013. С.12-21.

https://isguru.ru/stati/otoplenie/15768-sravnitelnye-issledovaniya-po-oczenke-effektivnosti-raboty-otopitelnyh-priborov/

9. ГОСТ Р 53583-2009 Приборы отопительные методы испытаний. М.: Стандартинформ. 2009.

Изобретение относится к области теплофизических измерений, в частности, для определения рабочих характеристик климатических приборов, служащих для поддержания теплового микроклимата в помещениях, и может быть использовано при проведении испытаний приборов, приближенных к реальным эксплуатационным условиям, включая научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы при их разработке и испытания при постановке на производство и серийном выпуске. Испытания приборов проводят в теплоизолированной герметичной камере, разделенной ограждающей конструкцией на две секции. В секции, не содержащей прибор, с помощью климатического оборудования на длительное время создают температурные условия, соответствующие различным климатическим температурным условиям. В секцию, содержащую прибор, дополнительно подают переменную во времени тепловую мощность, соответствующую различным тепловым поступлениям в помещения зданий, включая теплопоступления от воздействия солнечного излучения через светопрозрачные ограждающие конструкции. В процессе испытаний на входы прибора подают жидкий теплоноситель, измеряют его расходы и температуру на входах и выходах. Одновременно проводят измерения температуры воздуха в различных по площади и по высоте точках секции, содержащей прибор, включая контрольную точку в центре объема секции. По результатам измерений расхода жидкого теплоносителя и его температуры на входах и выходах определяют эффективность работы прибора в виде его теплопроизводительности при работе в режиме нагрева воздуха и холодопроизводительности при работе в режиме охлаждения воздуха. По измеренным величинам температуры в различных точках секции, содержащей прибор, дополнительно определяют его газодинамическую эффективность. В качестве газодинамической эффективности определяют долю байпасирования между выходящим из прибора и входящим в него воздухом и эффективность распространения в вертикальном направлении воздуха, выходящего из прибора. Технический результат - расширение возможностей испытаний жидкостных климатических приборов с принудительной конвекцией, включающее выполнение испытаний для отопительных приборов с принудительной конвекцией, приборов для кондиционирования воздуха и приборов с совмещенными функциями, расширение возможностей испытаний климатических приборов с принудительной конвекцией за счет определения по результатам испытаний газодинамической эффективности, испытания приборов в условиях, приближенных к реальным условиям эксплуатации помещений. 4 з.п. ф-лы.

1. Способ испытаний жидкостного климатического прибора с принудительной конвекцией, включающий установку прибора в теплоизолированной герметичной камере, подачу на входы прибора и отвод из его выходов потоков жидкого теплоносителя, измерения температуры воздуха в контрольной точке внутри камеры, измерения расхода и температуры теплоносителя в потоках, входящих и выходящих из прибора, а по измеренным величинам расхода и температуры определение эффективности прибора в виде его теплопроизводительности при работе в режиме нагрева воздуха, отличающийся тем, что испытания проводят в камере, разделенной дополнительной ограждающей конструкцией на две герметичные секции, испытания проводят для различных температурных режимов, задаваемых в секции, не содержащей прибор, для чего в ней с помощью климатического оборудования на длительное время задают требуемую температуру воздуха, в секцию, содержащую прибор, дополнительно подают переменную во времени тепловую мощность, измерения температуры в контрольной точке проводят в центре объема секции, содержащей прибор, температуру воздуха в секции, содержащей прибор, кроме контрольной точки измеряют в нескольких различных по высоте и по площади секции дополнительных точках, а в качестве эффективности прибора дополнительно определяют его холодопроизводительность при работе в режиме охлаждения воздуха и газодинамическую эффективность в виде доли байпасирования между выходящим и входящим в прибор потоком воздуха и в виде эффективности распространения в вертикальном направлении воздуха, выходящего из прибора.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в секции, не содержащей прибор, в качестве требуемой температуры воздуха устанавливают температуру, соответствующую различным климатическим температурным условиям.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в секции, содержащей прибор, дополнительно подаваемую переменную во времени тепловую мощность задают соответствующей воздействию солнечного излучения через светопрозрачные ограждающие конструкции на внутренние части помещения зданий.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для каждого отдельного температурного режима, устанавливаемого в секции, не содержащей прибор, долю байпасирования рассчитывают по формуле (1)

где i - номер измерения,

T_0i, °С - температура, измеренная в контрольной точке,

T_вхi, °С - температура, измеренная в точке входа воздуха в прибор,

T_выхi, °С - температура, измеренная в точке выхода воздуха из прибора,

- оператор усреднения расчетной величины по проведенным измерениям.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для каждого отдельного температурного режима, устанавливаемого в секции, не содержащей прибор, эффективность распространения воздуха, выходящего из прибора в вертикальном направлении, рассчитывают по формуле (2)

где ,°С - температура, измеренная над прибором на высоте расположения контрольной точки.