DE69112161T2

DE69112161T2 - Verfahren und Vorrichtung zum Berechnen der Wärmeempfindlichkeit.

Info

Publication number: DE69112161T2
Application number: DE69112161T
Authority: DE
Inventors: Akihiko Kon
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 1990-09-21
Filing date: 1991-09-20
Publication date: 1996-04-25
Anticipated expiration: 2011-09-21
Also published as: JPH04131653A; EP0476691A3; US5228779A; EP0476691A2; EP0476691B1; DE69112161D1; DK0476691T3; JP2588792B2

Description

Der Erfindung zugrundeliegender allgemeiner Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Berechnen der Wärmeempfindlichkeit, z. B. einer Äguivalenztemperatur (Teq), die von einem menschlichen Körper wahrgenommen wird.
Eine Äquivalenztemperatur Teq wird als ein Bewertungsindex einer thermischen Umgebung verwendet, die von einem menschlichen Körper wahrgenommen wird, d. h. als eine Wärmeempfindlichkeit.
Als ein erstes Verfahren zum Erhalten dieser Äquivalenztemperatur Teq wurde ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem eine Äquivalenztemperatur Teq*, die im wesentlichen gleich der Äquivalenztemperatur Teq ist, durch das Messen einer Strahlungstemperatur Tr, einer Lufttemperatur Ta und einer Luftgeschwindigkeit Vafr unter Verwendung verschiedener Sensoren und dem Durchführen einer vorbestimmten arithmetischen Verarbeitung der gemessenen Werte erhalten wird. Dieses Verfahren erfordert ein kompliziertes arithmetisches Verarbeiten, und die Verarbeitungszeit wird unerwünscht lang.
Unter diesen Umständen wurde als ein zweites Verfahren zum Erhalten der Äquivalenztemperatur Teq ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem eine Heizeinrichtung in einem Modul- Hauptkörper aufgenommen ist und der Betrag der zur Heizeinrichtung zuzuführenden Leistung gesteuert wird, um eine Temperatur (Sensortemperatur) Tcr des Modul-Hauptkörpers stets auf einem konstanten Wert (z. B. 36.5ºC) zu halten. Gemäß diesem Verfahren kann die Äquivalenztemperatur Teq* durch Messen des Betrags der Leistung, die der Heizeinrichtung zuzuführen ist, und Durchführen einer vorbestimmten arithmetischen Verarbeitung des gemessenen Wertes berechnet werden.
Bei dem vorstehend beschriebenen zweiten Verfahren ist jedoch die Luftstromempfindlichkeit des Meßabschnittes viel größer als die des menschlichen Körpers, wie ersichtlich ist, da ein Umgebungsmeßabschnitt, der durch den Modul- Hauptkörper und die Heizeinrichtung gebildet wird, viel kleiner als ein menschlicher Körper ist.
Dieser Unterschied bzgl. der Luftstromempfindlichkeit zeigt, daß die Äquivalenztemperaturen Teq und Teq* bei einer Luftgeschwindigkeit von weniger als 0.1 m/s im wesentlichen gleich zueinander bleiben, jedoch voneinander abweichen, falls die Luftgeschwindigkeit auf 0.1 m/s oder mehr erhöht wird. Im einzelnen wird die Äquivalenztemperatur Teq* bei einer Luftgeschwindigkeit von 0.1 m/s oder mehr niedriger als die Äquivalenztemperatur Teq. Demzufolge kann keine genaue Messung durchgeführt werden.
Gemäß dem vorstehend beschriebenen zweiten Ausführungsbeispiel besteht jedoch ein kritischer Nachteil, insofern als keine genaue Messung durchgeführt werden kann, wenn die Luftgeschwindigkeit Vair hoch ist, und zwar trotz des Vorteils, daß die Strahlungstemperatur Tr, die Lufttemperatur Ta und die Luftgeschwindigkeit Vair integral gemessen werden können, d. h., dem Vorteil, daß das arithmetische Verarbeiten vereinfacht werden kann.
Zum Beispiel beschreibt EP-A-0 495 117, das einen Stand der Technik gemäß Artikel 54 (3) EPC wiedergibt, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Berechnen einer Wärmeempfindlichkeit, bei denen eine Wärmeenergie einer Heizeinrichtung zugeführt wird, um so eine Temperatur eines Sensors, der für die Heizeinrichtung vorgesehen ist, bei einer vorbestimmten Einstelltemperatur zu halten. Die Wärmeempfindlichkeit wird auf der Grundlage einer Lufttemperatur, eines Bekleidungs- Wärmewiderstands, der vorbestimmten Einstelltemperatur und der Wärmeenergie berechnet.

Darstellung der Erfindung

Die Erfindung wurde ausgeführt, um die vorstehend beschriebenen Probleme zu lösen und hat als ihre Aufgabe gemäß dem ersten Aspekt (Anspruch 1) und dritten Aspekt (Anspruch 3) der vorliegenden Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Berechnen der Wärmeempfindlichkeit vorzusehen, bei denen eine Einstelltemperatur θ(th) auf Grundlage einer Lufttemperatur Ta und eines Bekleidungs-Wärmewiderstands Icl berechnet wird, eine Wärmeenergie Hθ(th) zur Heizeinrichtung zugeführt wird, die eine Sensortemperatur Tcr einstellen kann, um so die Einstelltemperatur θ(th) gleich der Sensortemperatur Tcr einzustellen, und die Wärmeempfindlichkeit auf Grundlage der Lufttemperatur Ta, des Bekleidungs- Wärmewiderstands Icl, der Einstelltemperatur θ(th) und der Wärmeenergie Hθ(th) berechnet wird.
Gemäß dem zweiten Aspekt (Anspruch 2) und vierten Aspekt (Anspruch 4) der vorliegenden Erfindung wird bei dem Verfahren und der Vorrichtung des ersten und dritten Aspekts eine Äquivalenztemperatur Teq* als Wärmeempfindlichkeit auf 5der Grundlage der Lufttemperatur Ta, der Einstelltemperatur θ(th), der Wärmeenergie Hθ(th) und Koeffizienten b&sub1; bis b&sub4; gemäß Gleichung (a)
Teq* = b&sub1; + b&sub2; × θ(th) + b&sub3; × Ta - b&sub4; × Hθ(th) ... (a)
berechnet wird.
Gemäß dem ersten und dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird deshalb die Einstelltemperatur θ(th) auf der Grundlage der Lufttemperatur Ta und des Bekleidungs-Wärmewiderstands Icl bestimmt und die Wärmeenergie Hθ(th) wird zur Heizeinrichtung geführt, um die Einstelltemperatur θ(th) gleich der Sensortemperatur Tcr zu setzen. D. h., die Sensortemperatur Tcr wird gesteuert, um gleich der Einstelltemperatur θ(th) zu sein, die nicht konstant ist und sich abhängig von den Umgebungsbedingungen ändert. Die Wärmeempfindlichkeit wird dann auf Grundlage der Lufttemperatur Ta, des Bekleidungs-Wärmewiderstands Icl, der Einstelltemperatur θ(th) und der Wärmeenergie Hθ(th) berechnet.
Zudem wird gemäß dem zweiten und vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung die Aquivalenztemperatur Teq* als Wärmeempfindlichkeit durch die praktisch ausgedrückte Gleichung (a) berechnet.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm, das einen Berechnungsabschnitt in einer Wärmeempfindlichkeits-Berechnungsvorrichtung darstellt, die in Fig. 2 gezeigt ist;
Fig. 2 ist ein Blockdiagramm, das die Wärmeempfindlichkeits-Berechnungsschaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt; und
fig. 3(a) bis 3(d) sind schematische Langsschnittansichten, die eine Anordnung eines Umgebungsmeßabschnitts zeigen.

Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels

Eine Wärmeempfindlichkeits-Berechnungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend in Einzelheiten beschrieben.
Fig. 2 stellt ein Ausführungsbeispiel dieser Wärmeempfindlichkeits-Berechnungsvorrichtung dar. Eine Wärmeempfindlichkeits-Berechnungsvorrichtung 1 umfaßt einen Eingangsabschnitt 2, einen Berechnungsabschnitt 3 und einen Anzeige-/Ausgangsabschnitt 4. Der Eingangsabschnitt 2 empfängt nicht nur einen Bekleidungs-Wärmewiderstand Icl als einen Einstellwert, sondern auch eine Lufttemperatur Ta und eine Sensortemperatur Tcr von einem Umgebungsmeßabschnitt 5 als Erfassungswerte. Diese Einstell- und Erfassungswerte werden dann von dem Eingangsabschnitt 2 zum Berechnungsabschnitt 3 geführt. Der Berechnungsabschnitt 3 erhält dann einen Einstelltemperaturwert θ(th) eine Heizeinrichtungsleistung Hθ(th) als Wärmeenergie und eine Äguivalenztemperatur Teq*.
Im einzelnen wird im Berechnungsabschnitt 3, wie in Fig. 1 dargestellt, der Einstelltemperaturwert θ(th) mittels der nachfolgenden Gleichung (1) auf Grundlage der Lufttemperatur Ta und des Bekleidungs-Wärmewiderstands Icl unter Verwendung eines Einstelltemperatur-Berechnungsabschnitts 3-1 berechnet. Es ist anzumerken, daß Werte a&sub1; und a&sub2; in Gleichung (1) später beschrieben werden.
θ(th) = a&sub1; + a&sub2; × Ta ... (1)
Danach mißt ein Heizeinrichtungs-Steuer-/Berechnungs-Abschnitt 3-2 die Heizleistung Hθ(th) (W) während des Durchführens der PID-Steuerung oder Fuzzy-Steuerung, um die Einstelltemperatur θ(th) gleich der Sensortemperatur Tcr zu setzen. Die erhaltene Heizeinrichtungsleistung Hθ(th) (W) wird über den Eingangsabschnitt 2 dem Umgebungsmeßabschnitt 5 zugeführt.
Der Umgebungsmeßabschnitt 5 wird nachfolgend näher beschrieben. Wie dies in z. B. Fig. 3(a) dargestellt ist, weist der Umgebungsmeßabschnitt 5 einen sphärischen Modul- Hauptkörper 5-11, eine Heizeinrichtung 5-12, die in dem Modul-Hauptkörper 5-11 angeordnet ist, und einen Temperatursensor 5-13 auf, der auf dem Modul-Hauptkörper 5-11 angeordnet ist. Der Modul-Hauptkörper 5-11 besteht aus einem Metall mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise aus Kupfer oder Aluminium. Die Außenfläche des Modul-Hauptkörpers 5-11 ist so ausgebildet, daß sie eine hohe Emissions- bzw. Ausstrahlungswirkung aufweist, um so bezüglich einer Strahlungstemperatur Tr empfindlich zu sein. Es ist anzumerken, daß der Modul-Hauptkörper 5-11 des Umgebungsmeßabschnitts 5 eine hemisphärische Form, eine zylindrische Form oder eine elliptische Form aufweisen kann, wie dies in den Fig. 3(b), 3(c) und 3(d) dargestellt ist.
Die vorstehend genannte Heizeinrichtungsleistung Hθ(th) wird der Heizeinrichtung 5-12 des Umgebungsmeßabschnitts 5 zugeführt. Der Modul-Hauptkörper 5-11 wird dann durch die Heizeinrichtung 5-12 aufgeheizt und so gesteuert, daß die Sensortemperatur Tcr, die durch den Temperatursensor 5-13 erfaßt wird, gleich der Einstelltemperatur θ(th) wird.
Danach wird in einem Äquivalenztemperatur-Berechnungsabschnitt 3-3 eine Äquivalenztemperatur Teq* mittels der nachfolgenden Gleichung (2) auf Grundlage der Lufttemperatur Ta, des Bekleidungs-Wärmewiderstands Icl, der Einstelltemperatur θ(th) und der Heizeinrichtungsleistung Hθ(th) berechnet. Es ist anzumerken, daß b&sub1;, b&sub2;, b&sub3; und b&sub4; in Gleichung (2) später beschrieben werden.
Teq* = b&sub1; + b&sub2; × θ(th) + b&sub3; × Ta - b&sub4; × Hθ(th) ...(2)
Die Äquivalenztemperatur Teq*, die durch den Äquivalenztemperatur-Berechnungsabschnitt 3-3 erhalten wird, wird dem Anzeige-/Ausgangsabschnitt 4 zugeführt, um angezeigt zu werden.
Entsprechend der Wärmeempfindlichkeits-Berechnungs-vorrichtung 1 dieses Ausführungsbeispiels wird, wie vorstehend beschrieben, die Einstelltemperatur θ(th) auf Grundlage des Bekleidungs-Wärmewiderstands Icl und der Lufttemperatur Ta erhalten und die Heizeinrichtungsleistung Hθ(th), die der Heizeinrichtung 5-12 zuzuführen ist, wird so gesteuert, daß die Sensortemperatur Tcr mit der Einstelltemperatur θ(th) übereinstimmt, wodurch die Äquivalenztemperatur Teq* so auf Grundlage der Lufttemperatur Ta, des Bekleidungs-Wärmewiderstands Icl, der Einstelltemperatur θ(th) und der Heizeinrichtungsleistung Hθ(th) berechnet wird. Selbst falls die Luftgeschwindigkeit Vair hoch ist, stimmt daher die Äquivalenztemperatur Teq* mit der Äquivalenztemperatur Teq, die von einem menschlichen Körper wahrgenommen wird, mit einer hohen Genauigkeit überein. Dies ermöglicht eine genaue Messung einer Äquivalenztemperatur.
Der Mechanismus, der die Koinzidenz bzw. Übereinstimmung zwischen der Aquivalenztemperatur Teq* und der Äquivalenztemperatur Teq mit einer hohen Genauigkeit ermöglicht, wird zusätzlich nachfolgend beschrieben.
Nimmt man an, daß die Heizeinrichtungsleistung, die dem Umgebungsmeßabschnitt 5 zugeführt werden soll, durch H dargestellt wird, wird die Heizeinrichtungsleistung H durch Umgebungsbedingungen (die Lufttemperatur Ta, die Strahlungstemperatur Tr sowie die Luftgeschwindigkeit Vafr) verringert. Falls die Oberflächentemperatur des Modul- Hauptkörpers 5-11 T (ºC) ist, dann gilt
H=Hr × (T-Tr)+A × Vair" × (T-Ta), ... (3)
wobei Hr ein Strahlungstemperatur-Übertragungskoeffizient und A der intrinsische bzw. Eigenfaktor des Umgebungsmeßabschnitts 5 ist.
Gleichung (3) kann zu Gleichung (4) umgeschrieben werden:
Tr-A/Hr × Vair"×(T-Ta)=T-1/Hr×H. ... (4)
Die Äquivalenztemperatur Teq, die von einem menschlichen Körper wahrgenommen wird, wird durch Gleichung (5) definiert:
Falls T= 36.5 eingesetzt ist und sowohl die linke als auch die rechte Seite der Gleichung (4) mit einem Koeffizienten von 0.45 multipliziert wird und zu beiden Seiten der nachfolgende Ausdruck
nachfolgend addiert wird, ist dann aus dem Vergleich zwischen den Gleichungen (4) und (5) ersichtlich, daß der resultierende Wert im wesentlichen gleich der Äquivalenztemperatur Teq ist. Deshalb wird Gleichung (4) zu Gleichung (6) umgeschrieben:
Die Differenz bzw. der Unterschied zwischen den Gleichungen (6) und (5) beruht auf
Da der Umgebungsmeßabschnitt 5 klein ist, wird dessen Luftgeschwindigkeitsempfindlichkeit unvermeidlich größer als die eines menschlichen Körpers. D. h., wegen des Oberflächeneffekts des Umgebungsmeßabschnitts 5 wird dessen Luftgeschwindigkeits-Empfindlichkeitsanteil größer als der eines menschlichen Körpers, so daß
gilt. Da dieses Ungleichheitszeichen durch die arithmetische Verarbeitung bleibt, kann keine genaue Äquivalenztemperatur erhalten werden.
Um zu bewirken, daß die Luftgeschwindigkeitsempfindlichkeit des Umgebungsmeßabschnitts 5 mit der eines menschlichen Körpers übereinstimmt, wurden deshalb bei diesem Ausführungsbeispiel die Gleichungen (6) und (5) hinsichtlich sowohl der Temperaturdifferenzen (36.5 - Ta) als auch der Luftgeschwindigkeits-Empfindlichkeits koeffizienten neu durchdacht. Als ein Ergebnis wurde herausgefunden, daß eine solche Übereinstimmung durch das Steuern der Wärmeenergieinformation bzw. Heizeinrichtungsleistung Hθ(th) erzielt werden kann, die dem Umgebungsmeßabschnitt 5 bei einer Temperatur von θ(th)ºC anstelle von 36.5ºC zugeführt wird, um so die nachfolgende Gleichung zu bilden:
Da n in dem Bereich von 0.1 bis 1.0 m/s von 0.35 bis 0.6 variiert bzw. sich ändert, kann Vair&sup0;.&sup5; Vair" gebildet bzw. bewiesen werden und die Einstelltemperatur θ(th) kann gegeben werden durch
Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Einstelltemperatur θ(th) auf der Basis des Bekleidungs-Wärmewiderstands Icl und der Lufttemperatur Ta erhalten, und die Heizeinrichtungsleistung Hθ(th), die zur Heizeinrichtung 5-12 zu führen ist, wird gesteuert, um zu bewirken, daß die Sensortemperatur Tcr mit der Einstelltemperatur θ(th) übereinstimmt, wodurch so die Aquivalenztemperatur Teq* durch Berechnen der nachfolgenden Formel aufgrund der Lufttemperatur Ta, des Bekleidungs-Wärmewiderstands Icl, der Einstelltemperatur θ(th) und der Heizeinrichtungsleistung Hθ(th) erhalten wird:
Deshalb kann eine Äquivalenztemperatur genau gemessen werden, selbst wenn die Luftgeschwindigkeit Vair in einem normalen Bürogebäude hoch ist.
Falls in Gleichung (8)
gilt, dann gilt θ(th) = a&sub1;+a&sub2;×Ta.
Falls in Gleichung (9)
gilt, dann gilt
Teq*=b&sub1; + b&sub2;×θ(th) +b&sub3; × Ta-b&sub4; × Hθ(th).
Wie aus der vorstehenden Beschreibung ersichtlich ist, wird die Sensortemperatur Tcr gemäß der Wärmeempfindlichkeits- Berechnungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung gesteuert, um gleich der Einstelltemperatur θ(th) zu sein, die nicht konstant ist und sich abhängig von Umgebungsbedingungen ändert, und die Wärmeempfindlichkeit wird auf Grundlage der Lufttemperatur Ta, des Bekleidungs-Wärmewiderstands Icl, der Einstelltemperatur θ(th) und der Wärmeenergieinformation bzw. Wärmeenergie Hθ(th) berechnet. Selbst falls die Luftgeschwindigkeit Vair hoch ist, stimmt deshalb die berechnete Wärmeempfindlichkeit mit der durch einen menschlichen Körper wahrgenommenen Wärmeempfindlichkeit mit einer hohen Genauigkeit überein, was eine genaue Messung der Wärmeempfindlichkeit ermöglicht.

Claims

1. Ein Verfahren zum Berechnen einer Wärmeempfindlichkeit, gekennzeichnet durch die Schritte:

Berechnen einer Einstelltemperatur θ(th) auf der Grundlage einer Lufttemperatur Ta und eines Bekleidungs-Wärmewiderstands Icl;

Zuführen einer Wärmeenergie Hθ(th) zu einer Heizeinrichtung (5-12), die eine Sensortemperatur Tcr so einstellen kann, daß die Einstelltemperatur θ(th) und die Sensortemperatur Tcr gleichgesetzt werden; und Berechnen der Wärmeempfindlichkeit auf der Grundlage der Lufttemperatur Ta, des Bekleidungs-Wärmewiderstands Icl, der Einstelltemperatur θ(th) und der Wärmeenergie Hθ(th).

2. Ein Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine Äquivalenztemperatur Teq* als Wärmeempfindlichkeit auf der Grundlage der Lufttemperatur Ta, der Einstelltemperatur θ(th), der Wärmeenergie Hθ(th) und von Koeffizienten b&sub1; bis b&sub4; entsprechend Gleichung (a) berechnet wird:

Teq*=b&sub1;+b&sub2;×θ(th)+b&sub3;×Ta-b&sub4;×Hθ(th) ... (a)

3. Eine Vorrichtung zum Berechnen einer Wärmeempfindlichkeit, die hinsichtlich eines Umgebungsmeßabschnittes (5) mit einer Heizeinrichtung (5-12) angeordnet ist, die eine Sensortemperatur Tcr einstellen kann, gekennzeichnet durch

eine Einstelltemperatur-Berechnungseinrichtung (3-1) zum Berechnen einer Einstelltemperatur θ(th) auf der Grundlage einer Lufttemperatur Ta und eines Bekleidungs- Wärmewiderstands Icl;

eine Wärmeenergie-Zuführeinrichtung (3-2) zum Zuführen einer Wärmeenergie Hθ(th) zu der Heizeinrichtung (5-12) so, daß die Einstelltemperatur θ(th) und die Sensortemperatur Tcr gleichgesetzt werden; und

eine Wärmeempfindlichkeits-Berechnungseinrichtung (3- 3) zum Berechnen der Wärmeempfindlichkeit auf der Grundlage der Lufttemperatur Ta, des Bekleidungs-Wärmewiderstands Icl, der Einstelltemperatur θ(th) und der Wärmeenergie Hθ(th).

4. Eine Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Wärmeempfindlichkeits-Berechnungseinrichtung (3-3) eine Äquivalenztemperatur Teq* als Wärmeempfindlichkeit auf der Grundlage der Lufttemperatur Ta, der Einstelltemperatur θ(th), der Wärmeenergie Hθ(th) und von Koeffizienten b&sub1; bis b&sub4; entsprechend Gleichung (a) berechnet:

Teq*=b&sub1;+b&sub2;×θ(th)+b&sub3;×Ta-b&sub4;×Hθ(th) ... (a)