Felületfűtések teljesítményének számítása, mérése

• 
• 

Részletek

2008. október 01. szerda, 00:00

 

A felületfûtések, felülethûtések népszerûsége töretlen, ezért egyre több gyártó fejleszt ilyen rendszereket. Ezek mûszaki paramétereit méréssel szükséges meghatározni és ellenõrizni. A cikk egy, a közelmúltban a PTE PMMK Épületgépészeti Tanszékén zajlott mérést ismertet.

A felületfűtések/hűtések alkalmazása napjainkban nagyon gyakori. Ennek a népszerűségnek több oka is van, a teljesség igénye nélkül ezek közül néhány:

• Ezeknek a rendszereknek a teljesítménye korlátozott, ezért szükség volt arra, hogy az épületek fokozottabb hőszigetelése következtében azok fajlagos teljesítményigénye csökkenjen.

• A belső felületek hőmérséklete télen növekszik, nyáron csökken, így kedvezőbb hőérzet alakul ki. Az alkalmazott nagy felületek miatt kevésbé alakulnak ki diszkomfort-problémák. Előnyt jelent, hogy nincs szükség a levegő mesterséges áramoltatására, ezért huzatproblémák sem jelentkeznek.

• A mai jól szigetelt épületeknél gyakran a nyári túlmelegedés is problémát jelent, ezért nem lehet a hűtést kikerülni. Ilyenkor előnyös, hogy ugyanazzal a rendszerrel mind a fűtés, mind a hűtés feladatát meg lehet oldani.

• Az e rendszerekben alkalmazott műanyag csövek minősége ma már nem vet fel kérdéseket, áruk a nagy mennyiségű alkalmazás miatt csökkent. Épületgépészeti alkalmazásuk mára általánossá vált.

A népszerűség révén egyre több gyártónál jelennek meg felületfűtési rendszerek, ezért igény van arra is, hogy az új rendszerek műszaki paramétereit méréssel meghatározzák, ellenőrizzék. Ilyen feladatot végeztünk el a közelmúltban a PTE PMMK Épületgépészeti Tanszékén. Erről a munkáról szeretnék a cikkben beszámolni.

A mérõkör leírása

A mérést radiátor mérésére szolgáló, szabványos kialakítású, nyitott mérőkabinban végeztük. A vizsgálat tárgyát képező falfűtési rendszert a kabin hátsó falán, illetve mennyezetén helyeztük el. A kabin 1 m magas lábakon áll, méretei:

• magasság = 2,75 m,

• szélesség = 2,50 m,

• mélység = 1,50 m.

Homlokfelületén nyitott a vizsgálóhelyiség felé. A vizsgálóhelyiség elegendően nagy méretű ahhoz, hogy a mérés közben a fűtőtest teljesítménye ne változtassa számottevően a helyiséghőmérsékletet. Vizsgálat közben a helyiség hőmérséklete a szabvány értelmében nem változhat meg 3 K-nél többet. A vizsgálókabint a belső fal mellé helyeztük el. A kabin méreteinek felvételénél az volt az irányadó, hogy olyan lehatárolt térben tudjuk elhelyezni a fűtőfelületet, ahol zavaró légmozgás nem lép fel.

A fűtőközeg-puffertároló felmelegítése gázkazánnal történik. Ez zárt kört alkot, amely hőcserélővel van leválasztva a mérésre szolgáló nyitott körről. A pontos méréshez szükséges, hogy a fűtőközeg jellemzőit pontos értéken tudjuk tartani a mérés alatt. Az előremenő vízhőmérséklet szabályozása értéktartó szabályozóval történik.

A mérés során meghatároztuk a fűtővíz előremenő és visszatérő hőmérsékletét, valamint a kabin átlagos levegőhőmérsékletét. A vízhőmérsékletek méréséhez PT100 típusú ellenállás-hőmérőket használtunk fel, a mérés mérésadatgyűjtővel történt.

A tömegáram mérését a kis vízmennyiség miatt mérleg és stopper segítségével végeztük. A fűtőfelületen átáramló fűtővíz mennyiségét hitelesített mérlegre vezettük, ahol a meghatározott idő alatt átfolyt vízmennyiséget pontosan meg tudjuk állapítani. A vízmennyiség beállítására a kifolyásnál elhelyezett szelep szolgál.

A vizsgálati mérést a stacioner állapot beállta után kezdtük. Stacioner állapotról akkor beszélünk, ha a hőmérsékletek és az áramló fűtővízmennyiség legalább 15 percen keresztül állandóak. A mérés akkor megfelelő, ha a legalább tízpercenként leolvasott vízmennyiségek eltérése a mérés alatt kisebb mint 2%. A hőmérsékletek eltérése az adott középértéktől max. ±0,5 K lehet.

A hőmérséklet mérése folyamatosan, 5 másodperces időközönként történt, hogy a trendeket követni lehessen, illetve hogy az állandósult állapotot utólag ellenőrizni lehessen. A méréshez egy HP 3497A Data Acquisition / Control Unit típusú mérésadatgyűjtő egységet használtunk, amely 20 csatornás analóg kártyával volt kibővítve. A mérésadatgyűjtő össze volt kapcsolva egy PC-vel, amelyen a Hochschule Technik + Architektur Luzern főiskolán készített, OSKI elnevezésű adatgyűjtő program futott.

A program feladata többek közt a mérésadatgyűjtő vezérlése, a PC és a mérésadatgyűjtő közti kommunikáció, a mért elektromos jelek fizikai jellemzőkké való átszámítása, azok megjelenítése, illetve az adatok eltárolása fájlban. A fájl formátuma táblázatkezelőbe beolvasható. A mérési adatok feldolgozása és a diagramok elkészítése táblázatkezelőben történt. Az 1. ábra a rendszert mutatja be mérés közben.

A mérési eredmények feldolgozása

Az ötmásodperces adatrögzítés következtében nagyszámú adatot mértünk. Terjedelmi okokból nem látjuk értelmét az adatok a táblázatos megjelenítését.

A mérési eredmények rögzítésénél a mérési időpontok rögzítése is megtörtént. Az eredmények csak akkor értékelhetőek precízen, ha az állandósult állapotok kialakulását megvárjuk. A pontosabb eredmények érdekében hosszabb állandósult állapotú időszak rögzített értékeinek átlagát használtuk fel a kiértékeléshez. Az időszak kiválasztásához grafikusan ábrázoltuk az egyes jellemzők időbeli változását. Az 1. táblázat tartalmazza a feldolgozott adatsor kezdő és befejező időpontját.

Az alábbiakban az egyes táblázati sorok és paraméterek értelmezését kívánjuk megtenni. A hőmérsékletek az adott időszakban mért értékek számtani átlagai:

Termovíziós képek

Néhány esetben a méréssel párhuzamosan termovízió segítségével képeket is készítettünk (2. és 3. ábra). Az alkalmazott 3021 ST hr nevű 8-tól 14 μm-ig terjedő hősugárzási tartományban dolgozó, beépített hosszú életű Stirling-hűtővel rendelkező hőkamera 0,03 K hőmérsékletfelbontásával a nagy felbontással mérendő alacsony hőmérsékletű mérésekhez (mint pl. az épületek hőtérképezése) kiválóan alkalmas. A gyártó által kifejlesztett nagy teljesítményű és sokoldalú termográfiai szoftvercsalád különösön az ipari alkalmazásokhoz szolgál. A szoftver alapcsomagja (a hőkamerák tartozéka) a tárolt hőképek kiértékelésére és a képdokumentálásra alkalmas. A program segítségével kijelölt területek hőmérsékletstatisztikáját készítettük el (4. ábra).

Számítógépes szimuláció

A számítógépes szimulációban Szikra Csaba egyetemi adjunktus, a BMGE Épületenergetikai és Épületgépészeti Tanszékének munkatársa volt segítségünkre. A szimulációhoz a Blocon–Heat2 nevű programot használtuk. Az alkalmazott modell kétdimenziós időben állandó hőtranszportfolyamat volt. A program a hőtranszportfolyamat differenciálegyenletét numerikus formában a véges differenciák módszerével oldja meg. Az egyenleteket egy háló segítségével diszkrét egyenletekké alakítja, majd a mezőn a peremfeltételekből kiindulva relaxációs algoritmust alkalmaz. A peremfeltételek:

• oldalirányban a hőleadó felületen változó hőátadási tényező, mely értéke a felület és a környezet hőmérsékletétől függ,

• a szigetelőlemez oldalán állandó hőátadási tényező,

• a hőleadásra merőleges zárófelületeken másodfajú peremfeltétel zéró hőáramsűrűséggel,

• a vakolatban elhelyezett falfűtéscsövek felületén állandó hőmérséklet. A négyzetháló segítségével diszkrét egyenletekként modellezett rendszerben a kör keresztmetszetű cső közelében, a háló sűrűsödik (5. ábra). A háló sűrítése okán a cső felületén pontosabban modellezhető a cső és a vakolat közötti hőtranszportfolyamat.

A cső felett 6 mm gipszvakolatot feltételezésével adódtak a leginkább megfelelő számítási eredmények. Nem volt pontos információnk a gipszvakolat hővezetési tényezőjéről, ennek értékét a számításnál 0,19 [W/mK] értékre vettük fel. Ekkor a hőmérsékletek mindössze 0,3%=0,1 °C körül tértek el a mért értéktől. Nagyobb eltérés csak az átlaghőmérsékletben van, de ennek oka a peremfeltétel (q = 0 oldalirányban) miatt van. Ez a hiba csökkenthető lenne, ha tovább növelnénk a csövek számát, bár így sem túl magas, csak 1,83%-os.

Az eredmények értékelése

A mérés során több alkalommal ütköztünk abba a problémába, hogy a frissen elkészült felületek még nem kiszáradtak ki, ezért a mérési eredmények markánsan különböztek a kiszáradás után mérhető eredményektől. Természetesen a kiértékelésnél nem használtuk a hibásnak ítélt méréseket. A mérés jóságát a leginkább a q' teljesítménytényező állandóságán lehet lemérni. Ennek változása csupán azért következik be, mert a külső hőátadási tényező némiképpen függ a felületi hőmérséklettől.

A mért eredmények jól illeszkednek az irodalomban található értékekhez. A mérés talán legnagyobb hibája abból adódik, hogy nem túl nagy felületek mérése történt. Így a mért teljesítmények alacsonyak, ami a mérés hibáját növeli. A kis felületeknél már befolyásolja az eredményeket az is, hogy a széleken oldalirányú hőáramok is kialakulnak. A vakolt falfelület mért, hőfényképről és szimulációval meghatározott értékei jól összevágnak, ez annak lehetőségét veti fel, hogy pusztán szimulációval is készüljenek számítások arra vonatkozóan, hogy egyes paraméterek hogyan befolyásolják a fajlagos teljesítményt. A maximális és minimális felületi hőmérséklet nagy különbsége felveti azt a kérdést, hogy nem célszerű-e ennél a rendszernél sűrűbb fektetést alkalmazni a teljesítmény növelésére.