地采暖地板檢測儀器設計與研究

（山東建筑大學 信息與電氣工程學院，濟南 250101）

0 引言

建筑節(jié)能是解決我國能源問題的根本途徑，而減少室內輸熱能耗是建筑節(jié)能的有效方法[1,2]。近年來，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[3,4]。地板采暖試驗中證明，實木復合地板具有熱傳導性能優(yōu)良、儲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，因而成為優(yōu)良的建筑物室內地熱采暖材料[5]。

而實木復合地板是由多種材料復合或多種材料層積構成的生物質材料，其導熱品質特性難以跟蹤和預測[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)能設計和產品驗收的需求，需要對實木復合地板的導熱效能進行分析研究。

根據(jù)模擬地板熱傳導過程的環(huán)境，本文設計兩腔恒溫法地板導熱性能檢測裝置。通過對該裝置的控制系統(tǒng)進行硬件設計、軟件設計，系統(tǒng)可安全、可靠的自動運行，能直觀顯示被測地板的導熱效能曲線。該測量裝置和系統(tǒng)為地板導熱規(guī)律提供了先進的分析方法，滿足工業(yè)上對于價格適中、易于操作、高性能的地板導熱效能測量儀器的要求。

1 儀器結構及工作原理

1.1 儀器結構

地采暖地板檢測裝置主要由金屬材料、絕熱層及測試平臺組成。下腔內裝有溫度傳感器、可調速風扇、加熱器和制冷器，分別負責下腔溫度的數(shù)據(jù)采集、腔內空氣流速的調整和腔內溫度的實時控制。上、下腔之間測試平臺中心位置，設有80mm×80mm的開口，使受測試件放入測試平臺后，上下兩腔形成封閉狀態(tài)。檢測裝置結構圖和實體圖如圖1所示。

1.2 工作原理

圖1 地板導熱規(guī)律分析儀示意圖及實體圖

設備通過將厚度一定的方形地板試樣放入試樣測試平臺，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，使檢測室下腔長時間穩(wěn)定于70℃，此時，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，試樣的上表面設置傳感器，采集試樣各點的溫度，獲取地板上表面溫度變化曲線，從而建立起地板導熱規(guī)律的數(shù)學模型。

2 控制系統(tǒng)硬件設計

2.1 電氣控制設計

設備供電電壓為單相交流220V，50Hz，額定功率0.8kW。面板按鍵設置開關、復位、制冷啟動、制熱啟動。開關鍵按下，交流接觸器主觸點吸合，設備整體上電；復位按鍵按下，將系統(tǒng)的中央微處理單元CPU復位；制冷、制熱按鍵按下，分別手動啟動制冷壓縮機、風扇以及電加熱器。相應按鍵按下時，按鍵對應的指示燈亮起。其電氣控制原理如圖2所示。

技術及工藝參數(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，中性線為藍色，保護線為藍綠色；控制信號線采用0.5平鍍鋅軟線，多色，不同用途線纜分開，24V接紅線，GND接黑，信號線接綠線；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，復位按鍵為綠色，制冷按鍵為藍色，制熱按鍵為紅色。

圖2 地采暖檢測設備電氣控制原理圖

為保證設備運行的安全性，程序運行之前需進行下述準備工作，如圖3所示。檢查電控柜內空開是否閉合（向上為閉合狀態(tài)）。

圖3 地采暖檢測設備電氣安全操作圖

2.2 檢測系統(tǒng)檢測及控制部分設計

地采暖地板檢測設備中，檢測及控制部分的系統(tǒng)框圖如圖4所示。

圖4 地采暖檢測設備控制原理圖

溫度傳感器實時采集地板上表面溫度，通過RS232串口通訊方式，將溫度傳送給下位機。下位機通過PID模糊控制算法調節(jié)固態(tài)調壓器兩端輸入電壓，進而通過控制下腔溫度變化，使其達到長時間穩(wěn)定于70℃，且誤差小于0.5℃。其中，該設備通過壓縮機和加熱器分別實現(xiàn)制冷和制熱的作用，滿足設備工作原理所需要的恒定溫度。

為保證試件溫度數(shù)據(jù)采集的準確性，在受測試件上表面的相應位置放有2個DS18B20溫度傳感器，并與計算機控制系統(tǒng)相連，負責接收受測試件表面的溫度數(shù)據(jù)。DS18B20傳感器優(yōu)點很多，具有全數(shù)字溫度轉換及輸出；先進的單總線數(shù)據(jù)通信；最高12位分辨率，精度可達土0.5℃；12位分辨率時的最大工作周期為750ms；可選擇寄生工作方式；檢測溫度范圍為-55℃～+125℃（–67°F～+257°F）；內置EEPROM，限溫報警功能；64位光刻ROM，內置產品序列號，方便多機掛接；TO-92、SOP-8等多樣封裝形式，適應不同硬件系統(tǒng)。

3 控制系統(tǒng)軟件設計與實現(xiàn)

建筑物采暖地板導熱效能的測試分為2步進行，第1步在觸摸屏上進行，主要完成系統(tǒng)參數(shù)設定、溫度控制和測試數(shù)據(jù)的采集；第2步在計算機上進行，計算機通過RS232串口同測試儀器連接，讀取系統(tǒng)的測試數(shù)據(jù)，完成測試數(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)設定界面，如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)參數(shù)設定圖

參數(shù)設定界面的各項參數(shù)在儀器出廠時都已調試完成，點擊“開始實驗”按鈕進入系統(tǒng)運行監(jiān)控界面進行導熱效能的測試。

在參數(shù)設定界面點擊“開始實驗”按鈕后，進入系統(tǒng)運行監(jiān)控界面，如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)運行監(jiān)控圖

【】【】

點擊“開啟”按鈕后，系統(tǒng)運行自動開始，點擊“停止”按鈕后，系統(tǒng)暫停運行，再點擊“開始”則系統(tǒng)測試繼續(xù)進行。

3.2 數(shù)據(jù)分析界面

選取試驗中一組實木復合板測試數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)從測試儀器中讀取到PC機中，生成導熱效能檢測原始記錄數(shù)據(jù)，如圖7所示。

圖7 導熱效能檢測原始記錄

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℃，同時表中很好地展示出采暖地板溫度隨時間變化的關系。根據(jù)表中數(shù)據(jù)，對測試地板的導熱效能進行曲線擬合分析和整個測試過程的直觀曲線顯示，如圖8所示，計算出被測試件傳熱過程中能耗損失，優(yōu)選出導熱效能符合國際標準的合格產品，對規(guī)范地板市場及節(jié)約建筑物室內能耗具有重要意義。

4 結論

圖8 地板導熱效能數(shù)據(jù)曲線擬合圖

本文根模擬地采暖地板熱傳導過程的環(huán)境，設計出兩腔恒溫法地板導熱性能檢測裝置。通過對該裝置的控制系統(tǒng)進行硬件設計，解決了地采暖地板能效檢測儀精度不高、安全性低的問題。同時，設計開發(fā)了與上位機通訊、利用上位機實時顯示溫度曲線等人機交互功能。通過理論分析和實驗驗證，檢測系統(tǒng)可自動運行，直觀顯示被測地板溫度隨時間變化的關系。該測量裝置和系統(tǒng)為地板導熱規(guī)律提供了先進的分析方法，同時為建筑物室內供熱節(jié)能提供了研究方向。

[1]曾祥才,朱冬生.淺談建筑節(jié)能技術[J].建筑節(jié)能,2007,35(1):15-19.

[2]汪光燾.民用建筑節(jié)能管理規(guī)定[J].建筑節(jié)能,2006,27(5):4-6.

[3]張群力,高巖,狄洪發(fā).低溫熱水型相變蓄能地板采暖房間動態(tài)熱性能研究[J].太陽能學報,2015,36(4):943-949.

[4]蔣麗穎.地板采暖節(jié)能優(yōu)勢分析[J].黑龍江科技信息,2011(11):46-46.

[5]程獻寶,朱德成,孫柏玲,等.多層實木復合地板產品的質量控制措施[J].木材工業(yè),2015,29(3):51-54.

[6]周玉成,侯曉鵬,韓寧,等.實木復合地板導熱性能的檢測及建模方法[J].木材工業(yè),2007,21(4):9-11.

[7]雷勇,李澤滔.溫室溫度系統(tǒng)的自適應模糊PID控制[J].控制工程,2014(s1):23-27.

[8]陸炯,韋黎明.PID閉環(huán)調節(jié)在雙變頻離心機電氣控制上的應用[J].電氣自動化,2012,34(5):67-69.