（山東建筑大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，濟(jì)南 250101）

0 引言

建筑節(jié)能是解決我國(guó)能源問(wèn)題的根本途徑，而減少室內(nèi)輸熱能耗是建筑節(jié)能的有效方法[1,2]。近年來(lái)，因地板采暖較其他傳統(tǒng)采暖方式，具有環(huán)保清潔、散熱快、能耗低、節(jié)省空間等優(yōu)點(diǎn)[3,4]。地板采暖試驗(yàn)中證明，實(shí)木復(fù)合地板具有熱傳導(dǎo)性能優(yōu)良、儲(chǔ)熱與熱輻射效果俱佳、地板表面溫度分布比較均勻等優(yōu)點(diǎn)，因而成為優(yōu)良的建筑物室內(nèi)地?zé)岵膳牧蟍5]。

而實(shí)木復(fù)合地板是由多種材料復(fù)合或多種材料層積構(gòu)成的生物質(zhì)材料，其導(dǎo)熱品質(zhì)特性難以跟蹤和預(yù)測(cè)[6]。為了提高儀器安全性及地采暖地板節(jié)能效率，滿足節(jié)能設(shè)計(jì)和產(chǎn)品驗(yàn)收的需求，需要對(duì)實(shí)木復(fù)合地板的導(dǎo)熱效能進(jìn)行分析研究。

根據(jù)模擬地板熱傳導(dǎo)過(guò)程的環(huán)境，本文設(shè)計(jì)兩腔恒溫法地板導(dǎo)熱性能檢測(cè)裝置。通過(guò)對(duì)該裝置的控制系統(tǒng)進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)，系統(tǒng)可安全、可靠的自動(dòng)運(yùn)行，能直觀顯示被測(cè)地板的導(dǎo)熱效能曲線。該測(cè)量裝置和系統(tǒng)為地板導(dǎo)熱規(guī)律提供了先進(jìn)的分析方法，滿足工業(yè)上對(duì)于價(jià)格適中、易于操作、高性能的地板導(dǎo)熱效能測(cè)量?jī)x器的要求。

1 儀器結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 儀器結(jié)構(gòu)

地采暖地板檢測(cè)裝置主要由金屬材料、絕熱層及測(cè)試平臺(tái)組成。下腔內(nèi)裝有溫度傳感器、可調(diào)速風(fēng)扇、加熱器和制冷器，分別負(fù)責(zé)下腔溫度的數(shù)據(jù)采集、腔內(nèi)空氣流速的調(diào)整和腔內(nèi)溫度的實(shí)時(shí)控制。上、下腔之間測(cè)試平臺(tái)中心位置，設(shè)有80mm×80mm的開(kāi)口，使受測(cè)試件放入測(cè)試平臺(tái)后，上下兩腔形成封閉狀態(tài)。檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)圖和實(shí)體圖如圖1所示。

1.2 工作原理

圖1 地板導(dǎo)熱規(guī)律分析儀示意圖及實(shí)體圖

設(shè)備通過(guò)將厚度一定的方形地板試樣放入試樣測(cè)試平臺(tái)，并置于下腔中，采用PID模糊控制算法[7]，控制電熱管熱量輸出，使檢測(cè)室下腔長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定于70℃，此時(shí)，試樣底面和四周均處于密閉狀態(tài)，有效防止散熱。然后，溫度恒定的熱源從下向地板試樣傳遞熱量，試樣的上表面設(shè)置傳感器，采集試樣各點(diǎn)的溫度，獲取地板上表面溫度變化曲線，從而建立起地板導(dǎo)熱規(guī)律的數(shù)學(xué)模型。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 電氣控制設(shè)計(jì)

設(shè)備供電電壓為單相交流220V，50Hz，額定功率0.8kW。面板按鍵設(shè)置開(kāi)關(guān)、復(fù)位、制冷啟動(dòng)、制熱啟動(dòng)。開(kāi)關(guān)鍵按下，交流接觸器主觸點(diǎn)吸合，設(shè)備整體上電；復(fù)位按鍵按下，將系統(tǒng)的中央微處理單元CPU復(fù)位；制冷、制熱按鍵按下，分別手動(dòng)啟動(dòng)制冷壓縮機(jī)、風(fēng)扇以及電加熱器。相應(yīng)按鍵按下時(shí)，按鍵對(duì)應(yīng)的指示燈亮起。其電氣控制原理如圖2所示。

技術(shù)及工藝參數(shù)要求[7]：

交流接觸器選用單相2P，控制線圈交流220V；直流電源模塊采用24V/5A，安裝電源轉(zhuǎn)接板；繼電器控制線圈為24V；主電路接線采用1平鍍鋅軟線，相線為紅色，中性線為藍(lán)色，保護(hù)線為藍(lán)綠色；控制信號(hào)線采用0.5平鍍鋅軟線，多色，不同用途線纜分開(kāi)，24V接紅線，GND接黑，信號(hào)線接綠線；接線處壓接端子；按鍵選用直徑12mm的不銹鋼按鍵，自帶LED指示燈顯示，電源按鍵為紅色，復(fù)位按鍵為綠色，制冷按鍵為藍(lán)色，制熱按鍵為紅色。

圖2 地采暖檢測(cè)設(shè)備電氣控制原理圖

為保證設(shè)備運(yùn)行的安全性，程序運(yùn)行之前需進(jìn)行下述準(zhǔn)備工作，如圖3所示。檢查電控柜內(nèi)空開(kāi)是否閉合（向上為閉合狀態(tài)）。

圖3 地采暖檢測(cè)設(shè)備電氣安全操作圖

2.2 檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)及控制部分設(shè)計(jì)

地采暖地板檢測(cè)設(shè)備中，檢測(cè)及控制部分的系統(tǒng)框圖如圖4所示。

圖4 地采暖檢測(cè)設(shè)備控制原理圖

溫度傳感器實(shí)時(shí)采集地板上表面溫度，通過(guò)RS232串口通訊方式，將溫度傳送給下位機(jī)。下位機(jī)通過(guò)PID模糊控制算法調(diào)節(jié)固態(tài)調(diào)壓器兩端輸入電壓，進(jìn)而通過(guò)控制下腔溫度變化，使其達(dá)到長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定于70℃，且誤差小于0.5℃。其中，該設(shè)備通過(guò)壓縮機(jī)和加熱器分別實(shí)現(xiàn)制冷和制熱的作用，滿足設(shè)備工作原理所需要的恒定溫度。

為保證試件溫度數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性，在受測(cè)試件上表面的相應(yīng)位置放有2個(gè)DS18B20溫度傳感器，并與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)相連，負(fù)責(zé)接收受測(cè)試件表面的溫度數(shù)據(jù)。DS18B20傳感器優(yōu)點(diǎn)很多，具有全數(shù)字溫度轉(zhuǎn)換及輸出；先進(jìn)的單總線數(shù)據(jù)通信；最高12位分辨率，精度可達(dá)土0.5℃；12位分辨率時(shí)的最大工作周期為750ms；可選擇寄生工作方式；檢測(cè)溫度范圍為-55℃～+125℃（–67°F～+257°F）；內(nèi)置EEPROM，限溫報(bào)警功能；64位光刻ROM，內(nèi)置產(chǎn)品序列號(hào)，方便多機(jī)掛接；TO-92、SOP-8等多樣封裝形式，適應(yīng)不同硬件系統(tǒng)。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

建筑物采暖地板導(dǎo)熱效能的測(cè)試分為2步進(jìn)行，第1步在觸摸屏上進(jìn)行，主要完成系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定、溫度控制和測(cè)試數(shù)據(jù)的采集；第2步在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行，計(jì)算機(jī)通過(guò)RS232串口同測(cè)試儀器連接，讀取系統(tǒng)的測(cè)試數(shù)據(jù)，完成測(cè)試數(shù)據(jù)的保存、分析和打印等功能。

3.1 數(shù)據(jù)采集界面

觸摸屏上的系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定界面，如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定圖

參數(shù)設(shè)定界面的各項(xiàng)參數(shù)在儀器出廠時(shí)都已調(diào)試完成，點(diǎn)擊“開(kāi)始實(shí)驗(yàn)”按鈕進(jìn)入系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)控界面進(jìn)行導(dǎo)熱效能的測(cè)試。

在參數(shù)設(shè)定界面點(diǎn)擊“開(kāi)始實(shí)驗(yàn)”按鈕后，進(jìn)入系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)控界面，如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)控圖

【】【】

點(diǎn)擊“開(kāi)啟”按鈕后，系統(tǒng)運(yùn)行自動(dòng)開(kāi)始，點(diǎn)擊“停止”按鈕后，系統(tǒng)暫停運(yùn)行，再點(diǎn)擊“開(kāi)始”則系統(tǒng)測(cè)試?yán)^續(xù)進(jìn)行。

3.2 數(shù)據(jù)分析界面

選取試驗(yàn)中一組實(shí)木復(fù)合板測(cè)試數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)從測(cè)試儀器中讀取到PC機(jī)中，生成導(dǎo)熱效能檢測(cè)原始記錄數(shù)據(jù)，如圖7所示。

圖7 導(dǎo)熱效能檢測(cè)原始記錄

從表中可以看出，4.5h后地采暖地板溫度值不再變化，且與3.5h相比溫度差在0.5℃，同時(shí)表中很好地展示出采暖地板溫度隨時(shí)間變化的關(guān)系。根據(jù)表中數(shù)據(jù)，對(duì)測(cè)試地板的導(dǎo)熱效能進(jìn)行曲線擬合分析和整個(gè)測(cè)試過(guò)程的直觀曲線顯示，如圖8所示，計(jì)算出被測(cè)試件傳熱過(guò)程中能耗損失，優(yōu)選出導(dǎo)熱效能符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的合格產(chǎn)品，對(duì)規(guī)范地板市場(chǎng)及節(jié)約建筑物室內(nèi)能耗具有重要意義。

4 結(jié)論

圖8 地板導(dǎo)熱效能數(shù)據(jù)曲線擬合圖

本文根模擬地采暖地板熱傳導(dǎo)過(guò)程的環(huán)境，設(shè)計(jì)出兩腔恒溫法地板導(dǎo)熱性能檢測(cè)裝置。通過(guò)對(duì)該裝置的控制系統(tǒng)進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，解決了地采暖地板能效檢測(cè)儀精度不高、安全性低的問(wèn)題。同時(shí)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了與上位機(jī)通訊、利用上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示溫度曲線等人機(jī)交互功能。通過(guò)理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，檢測(cè)系統(tǒng)可自動(dòng)運(yùn)行，直觀顯示被測(cè)地板溫度隨時(shí)間變化的關(guān)系。該測(cè)量裝置和系統(tǒng)為地板導(dǎo)熱規(guī)律提供了先進(jìn)的分析方法，同時(shí)為建筑物室內(nèi)供熱節(jié)能提供了研究方向。

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