Mērsistēma

Sistēma testējamo konstruktīvo risinājumu parametru ilgtermiņa monitoringam esošajos testēšanas stendos Latvijas klimatiskajos apstākļos

Lai nodrošinātu izstrādājamo komplekso būvkonstruktīvo risinājuma atlasītu elementu ilgtermiņa testēšanu Latvijas klimatiskajos apstākļos ir izstrādāta nepieciešamās monitoringa sistēmas koncepcija un tā ir realizēta LU Botāniskajā dārzā izveidotajos testēšanas stendos.

Sistēmas uzbūve

Energoefektivitātes izpētei stendos uzstādīta vides parametru mērsistēma, kas sastāv no datu savākšanas iekārtas (Data logger), sensoru ieeju salāgošanas moduļa (Interface module), programmējamā ieeju salāgošanas moduļa (Programm Interface) saules starojuma sensora pieslēgšanai un datortīkla komutatora (TCP/IP router), kurš savukārt pieslēgts globālajam tīmeklim (Internet). Šādas sistēmas elementi jau realizēti esošajos testēšanas stendos. Attēlā 1. parādīts sistēmas elementu realizācijas piemērs esošajā frēzbaļķu stendā (LOG).

Mērsistēmas blokshēma parādīta attēlā 2. Sistēmai katrā stendā ir pieslēgti sensori, kuri mēra aptuveni 40 dažādus stenda vides un jaudas parametrus. Sensoru veidu uzskaitījums sniegts tabulā 1.2. Mērsensoru reģistrējamie parametri apkopoti tabulā 2., bet sensoru izvietojuma piemērs keramisko bloku ārsienas testēšanas stendā parādīts attēlā 3.

Attēls 1. LOG stendā uzstādītās mērsistēmas elementi.

Attēls 2. Mērsistēmas blokshēma.

Tabula 1. Izmantotie sensoru veidi:

Sensora tips	Apzīmējums	Mērvienība
Elektroenerģija	ELE	kWh
Elektroenerģija	POW	W
Siltumenerģija	ELE.HP	kWh
Temperatūra	T	°C
Mitrums	H	%
Gaisa plūsma	V	cm/s
Siltuma plūsma	Q	W/m²
Spiediens	P	Pa, mBar
Spiedienu diference	P.DIF	Pa
Saules starojums	SOL	W/m²

Tabula 2. Mērsistēmas reģistrējamie parametri:

Apzīmējums	Apraksts
ELE	Elektroenerģijas patēriņš (kWh)
POW	Momentānā aktīvā jauda (W)
ELE.HP	Siltumsūkņa gaiss-ūdens siltumenerģija (kWh)
TH-AIR.LOFT	Temp./mitruma sensors bēniņos
TH-CEILING	Temp./mitruma sensors griestos aiz ārēja vates slāņa
TH-FLOOR	Temp./mitruma sensors grīdā aiz ārējā vates slāņa
TH-WALL.CONSTR	Temp./mitruma sensors bloka dobumā (vidū)
TH-WALL.WOOL	Temp./mitruma sensors sienā pirms akmens vates slāņa
TH-WINDOW	Temp./mitruma sensors pie loga aplodas
TH-WINDOW	Temp./mitruma sensors pie durvju aplodas
TH-AIR.UNDER	Temp./mitruma sensors zem stenda
TH-AIR.FAC	Temp./mitruma sensors ventilējamajā fasādē
TH-AIR.ROOM-1	Temp./mitruma sensors telpas vidū. 0.1m no griestiem.
TH-AIR.ROOM-2	Temp./mitruma sensors telpas vidū. h=1.7 m
TH-AIR.ROOM-3	Temp./mitruma sensors telpas vidū. h=1.1 m
TH-AIR.ROOM-4	Temp./mitruma sensors telpas vidū. h=0.6 m
TH-AIR.ROOM-5	Temp./mitruma sensors telpas vidū. h=0.1 m
TH-AIR.ROOM-6	Temp./mitruma sensors 0.1 m no ārsienas. h=1.1 m
TH-AIR.ROOM-ADD	Papildus temp./mitruma sensors telpā
Q-WALL	Siltuma plūsmas blīvums uz ārsienas iekšējās virsmas
V-AIR.ROOM-1,-2,-3,-4	Gaisa plūsmas telpā (izvietojums precizējams)
P-AIR.ROOM	Gaisa spiediens telpā
P.DIF-AIR.ROOM/AIR	Gaisa spiediena starpība stars telpu un āru
SOL-AIR.ROOM	Saules starojuma telpā (izvietojums precizējams)

Attēls 3. Sensoru izvietojuma piemērs CER stendā

Elektroenerģijas parametri tiek mērīti, izmantojot viedo elektroenerģijas patēriņa (KWh) skaitītāju, kurš ir pieslēgts, izmantojot ModBus (RS-485) datu apmaiņas protokolu. Siltumsūkņa gaiss-ūdens saražotā siltumenerģijas jauda tiek nolasīta no tajā iebūvētā impulsu devēja (ELE.HP).

Datu savākšanas iekārta

Datu savākšanas iekārta ir centrālais elements jebkurā vides parametru mērsistēmā. No izvēlētās datu savākšanas iekārtas ir atkarīga iegūto datu precizitāte, to nolasīšanas biežums, iespēja veikt datu savākšanu vienlaicīgi no daudziem sensoriem, vēsturiski saglabāto datu apjoms, iespēja attālināti piekļūt datiem, attālināti veikt datu apstrādi un analīzi, kā arī attālināti veikt pašas iekārtas konfigurācijas izmaiņas.

Energoefektivitātes pētījumu stendos izvietoto sensoru izejas dati periodiski (reizi 1 minūtē) tiek ierakstīti datu savākšanas iekārtā. Katrā stendā ir uzstādīta atsevišķa datu savākšanas iekārta, kā arī atsevišķa iekārta ir pieslēgta lokālajai meteostacijai.

Kā datu savākšanas iekārta energoefektivitātes stendos tiek izmantots Thermo Fisher Scientific datu savācējs DT82I [1], kas parādīts attēlā 4. Tā ir zema energopatēriņa datu savākšanas iekārta, kas ir aprīkota ar USB zibatmiņas pieslēgumvietu, 18-bitu izšķirtspēju, paplašināmu ieeju skaitu un iebūvētu LCD displeju. DT82I dubultkanālu koncepcija pieļauj līdz pat 4 izolētā vai 6 kopējā lietojuma analogām ieejām, kas var tikt izmantotas dažādās kombinācijās. Iekārta atbalsta ModBus sensoru pieslēgšanu, tā ir aprīkota ar FTP un WEB saskarnēm.Tajā ir iebūvētas komutējamas 12V un 5V regulējama sprieguma izejas sensoru barošanai.

Sensoru pieslēgšana ir iespējama, izmantojot analogos un digitālos ieejas/izejas kanālus, liela ātruma skaitītāju ieejas, fāzes kodētāja ieejas un programmējamos virknes sensoru kanālus. Datu savākšanas iekārta nodrošina temperatūras, sprieguma, strāvas, 4 – 20 mA strāvas cilpu, pretestības, frekvences, digitālo, seriālo signālu savākšanu, pārrēķināšanu, un saglabāšanu.

Attēls 4. Datu savākšanas iekārta DT82I

Iekārta nodrošina līdz 10 miljoniem datu punktu ierakstu saglabāšanu ar vēlāku šo datu nosūtīšanu uz USB zibatmiņu vai FTP serveri. Iekārta ir savienojama ar citām iekārtām, izmantojot RS232 vai Ethernet pieslēgumus. Tajā saglabātajiem datiem var piekļūt caur Internetu, izmantojot iebūvēto WEB saskarni. Lietošanas ērtībai iekārta ir aprīkota ar dEX intuitīvo grafisko saskarni, kas dod iespēju veikt iekārtas konfigurāciju, apskatīt reālā laika un vēsturiski saglabātos datus ciparu, tabulu un grafiskā attēlojumā. Šīs saskarnes ekrāna kopijas piemērs parādīts attēlā 5.

Attēls 5. DT82Z dEX saskarnes ekrānuzņēmuma piemērs

Mērsistēmā izmantotie sensori

Elektroenerģijas skaitītājs

Mērsistēmā iekļauts 230V/400V 50HZ trīsfāzu daudzfunkciju elektroenerģijas un jaudas skaitītājs SHARK 100 [2] ar ModBus (RS-485) komunikācijas pieslēgumu datu saglabāšanas iekārtai (attēls 6.). Skaitītājs nodrošina sprieguma, strāvas, jaudas, frekvences, enerģijas un citu parametru mērīšanu. Elektroenerģijas mērījumu precizitāte ir 0,2%. Elektroenerģijas skaitītājs tiek izmantots energoefektivitātes pētījumu stendos uzstādīto siltumsūkņu, sildītāju un citu iekārtu elektroenerģijas patēriņa un momentānās jaudas mērīšanai.

Attēls 6. Elektroenerģijas skaitītājs SHARK 100

Digitālais relatīvā mitruma un temperatūras sensors

Sensors Sensirion SHT75 [3] tiek izmantots relatīvā mitruma un temperatūras mērīšanai dažādās energoefektivitātes stendu vietās (skat. attēlu 7.).

Attēls 7. Sensoru Sensirion SHT75 izskats (a) un tā blokshēma (b)

Sensors sastāv no vienā korpusā integrētiem maz gabarīta sensora elementiem un signālu procesora. Sensors nodrošina pilnībā kalibrētu izejas signālu digitālā formātā. Unikāls kapacitatīvais sensora elements tiek izmantots relatīvā mitruma mērīšanai, bet temperatūras mērīšanai tiek izmantots lentveida spraugas sensors. Sensorā pielietota CMOSens® tehnoloģija, kas nodrošina teicamu mērījumu ticamību un ilgtermiņa stabilitāti. Abi sensori ir pieslēgti pie 14-bitu analogi-digitālā pārveidotāja un virknes (seriālā) izejas interfeisa. Tas nodrošina lielisku signāla kvalitāti, lielu ātrdarbību un nejūtību pret ārējiem traucējumiem. Katrs sensors ir individuāli kalibrēts. Kalibrēšanas koeficients ir ieprogrammēts mikroshēmas OTP atmiņā un tiek izmantots sensoru signālu iekšējai kalibrēšanai. Virknes interfeiss un iekšējā sprieguma regulēšana nodrošina sensora vienkāršu un ātru integrēšanu sistēmā. Īpaši jāatzīmē sensora mazais izmērs un zemais elektroenerģijas patēriņš – 3 mW. Šī sensora raksturlielumi apkopoti tabulā 3.

Tabula 3. Mitruma un temperatūras sensora galvenie raksturlielumi:
Relatīvais mitrums

Parameter	Condition	min	type	max	units
Resolution		0.4	0.05	0.05	%RH
Resolution		8	12	12	bit
Accuracy	type		1.8		%RH
Repeatability			0.1		%RH
Hysteresis			1		%RH
Nonlinearity	raw data		<<1		%RH
Nonlinearity	linearized		8		%RH
Response Time	tau 63%		8		s
Operating		0		100	%RH

Temperatūra

Parameter	Condition	min	type	max	units
Resolution		0.04	0.01	0.01	°C
Resolution		12	14	14	bit
Accuracy			0.3		°C
Repeatability			0.1		°C
Operating Range		-40		123.8	°C
Response Time	tau 63%	5		30	s

Diferenciālā spiediena sensors

Diferenciālā spiediena sensors Sensirion SDP1000-L05 [4] tiek izmantots atmosfēras spiedienu starpības mērīšanai stenda iekšienē un ārpus (skat. attēlu 8.).

Maza diapazona diferenciālā spiediena sensors ir raksturojams ar unikālu dinamisko diapazonu, nulles nobīdi un lielisku ilgtermiņa mērījumu stabilitāti. Neraugoties uz sensora analogo izejas signālu, iekšējā linearizācija un temperatūras kompensācija tiek veikta digitāli. Tas nodrošina lielisku precizitāti un izšķirtspēju līdz pat 0,05 Pa un mazu gaisa temperatūras atkarību.

Attēls 8. Sensora Sensirion SDP1000 izskats (a) un tā blokshēma (b)

Sensora lieliskā veiktspēja ir panākta pielietojot CMOSens® sensoru tehnoloģiju, kurā vienā mikroshēmā ir apvienoti sensora elements ar pastiprinātāju un analogi/digitālais pārveidotājs. Diferenciālais spiediens tiek mērīts, izmantojot termisko sensora elementu. Salīdzinājumā ar citiem termālajiem diferenciālā spiediena sensoriem, SDP1000 sensoram mērījumu veikšanai ir nepieciešams ļoti mazs gaisa daudzums. Salīdzinot ar membrānas tipa sensoriem, SDP1000 sensors nodrošina paplašinātu mērījumu diapazonu, labāku kompensācijas stabilitāti un uzlabotu reproducējamības (atkārtojamības) izlīdzinājumu zemākajā spiediena diapazonā. Sensors ir noturīgs pret spiediena lēcieniem un nejūtīgs pret montāžas orientāciju. Sensora galvenie parametri apkopoti tabulā 4.

Tabula 4. Sensora galvenie raksturlielumi:

Parameter	min	type	max	units
Measurement range	-5		125	Pa
Measurement range	-0.02		0.5	Inch water
Power supply	4.75	5.00	5.25	V
Full scale output		4.00		V
Zero Pressure Output		0.250		V
Accuracy		0.2	0.3	% FS
Repeatability		0.3	0.5	% m.v.
Resolution < 30% FS	0.05	0.1	0.2	Pa
Resolution 30...70% FS
Resolution > 70% FS

Saules starojuma sensors

Saules starojuma sensors (piranometrs) Hukseflux LP02 [5] (skat. attēlu 9.) ir izvietots energoefektivitātes stenda loga vidusdaļā un tiek izmantots stendā caur logu ienākošā saules starojuma intensitātes mērīšanai.

Attēls 9. Saules starojuma sensors Hukseflux LP02.

Sensors paredzēts saules starojuma 180° redzes leņķī iedarbības uz plakanu virsmu mērīšanai. Mērījuma rezultāts tiek izteikts W/m² mērvienībās. Sensors var tikt izmantots āra un iekštelpas tiešā un atstarotā saules starojuma mērīšanai, tā pgalvenie raksturlielumi apkopoti tabulā 5.

Tabula 5. Saules starojuma sensora galvenie raksturlielumi:

Parameter	Value
Response time for 95 % response	18 s
Sensitivity	10-40 µV/Wm^-2
Non-Linearity	< ± 2.5%
Directional response for beam radiation	within ± 25 W/m²
Spectral selectivity	± 5% (305 to 2000 nm)
Tilt response	within ± 2%
Expected voltage output	0.1 to + 50 mV in natural sunlight
Sensor resistance	Between 40 and 60 Ohms
Power required	Zero (passive sensor)
Range	0-2000 Wm^-2

Gaisa ātruma sensors

Aktīvais gaisa ātruma mērītājs Delta OHM HD103T [6] ar karstās stieples tipa sensoru ir paredzēts gaisa plūsmu ātruma un virzienu mērīšanai energoefektivitātes stendu iekšienē (skat. attēlu 10.), tā galvenie raksturlielumi apkopoti tabulā 6.

Attēls 10. Gaisa ātruma mērsensors Delta OHM HD103T.

Tabula 6. Sensora galvenie raksturlielumi:

Parameter	Value
Air speed	0.08...5m/s
Output selectable by a jumper	0...20mA 4...20mA 0...5V 0...10V
Power supply	230 Vac
Working temperature	0...80°C
Probe working humidity	5...75%RH

Siltuma plūsmas sensors

Leibnica Hannoveres universitātes Elektrotehnoloģiju institūta ražotais siltuma plūsmas sensors 150-S tiek pielietots siltuma plūsmas un materiālu siltuma caurlaidības mērīšanai (skat. attēlu 11.). Sensors ir izgatavots plānas plāksnes formā, kā rezultātā, izvietojot sensoru, tiek panākta minimāla iejaukšanās testējamās telpas un būvkonstrukcijas termodinamikā. Sensora korpuss ir lokans, kas ļauj sensoru izvietot arī uz noapaļotām virsmām.

Sensora pamatā ir termoelements, kurš ģenerē ΔT proporcionālu elektrisko spriegumu caur termopāra siltajiem un aukstajiem savienojumiem. Lai varētu iegūt mērāmu spriegumu, sensors sastāv no liela skaita virknē slēgtiem termopāriem, kas ir izvietoti vienmērīgi pa visu sensora laukumu.

Enerģijas plūsma tiek mērīta abos virzienos, kā rezultātā sensors ģenerē pozitīvu vai negatīvu spriegumu. Siltuma plūsmas blīvums (W/m²) tiek definēts kā caur virsmas laukuma vienību (m²) pārvadītā enerģija laika vienībā – jauda (W).

Atēls 11. Siltuma plūsmas sensors 150-S.

Caur sensoru ejošā siltuma plūsma ir apgriezti proporcionāla termiskajai pretestībai(1/R), kas reizināta ar ap sensoru nomērītajai temperatūrai (ΔT).

Atmosfēras absolūtā spiediena sensors

Atmosfēras absolūtā spiediena sensors BOSCH BMP085 [7] tiek izmantots mērstendu iekštelpas gaisa spiediena mērīšanai (skat. attēlu 12.).

Attēls 12. Atmosfēras absolūtā spiediena sensors BMP085.

Tas ir augstas precizitātes, īpaši zema energopatēriņa sensors ar absolūto precizitāti 2,5 hPa un trokšņu līmeni zemāku par 0,03 hPa. Tā energopatēriņa strāva ir mazāka par 3 µA.

Sensors BMP085 sastāv no pjezopretestības sensora, analogi-digitālā pārveidotāja un vadības shēmas ar E²PROM atmiņu un seriālā I²C interfeisa. Sensors procesoram nosūta spiediena un temperatūras nekompensētās vērtības, E²PROM atmiņā ir saglabāti 176 biti individuālo kalibrēšanas datu, kas tiek izmantoti nobīdes, temperatūras atkarības un citu parametru korekcijai. Sensora galvenie raksturlielumi apkopoti tabulā 7.

Tabula 7. Sensora galvenie raksturlielumi:

Šādas koncepcijas sistēma ir izmēģināta un sekmīgi darbojas esošajos testēšanas stendos un tādējādi, papildinot un uzlabojot, var tikt izmantota testējot izsdrādājamo komplekso risinājumu elementus Latvijas klimatiskajos apstākļos. Piemēram jau pašlaik sistēma tiek papildināta ar vairākiem sensoriem atsevišķu patērētāju jaudu mērījumiem, caurplūdes siltuma daudzuma mērītājiem un virsmu temperatūras mērsensoriem.

Izmantotie informācijas avoti

Jaunumi

februāris, 2016.

2016. gada 26. februārī notika Zinātniski praktiskais seminārs
Ēku energoefektivitātes un ilgtspējas aktuālās problēmas.
oktobris, 2015.

Turpinot ilgtermiņa monitoringu stendos uzsākta kārtējā (trešā) apkures sezona, veicot kontrolmērījumus dažādo būvju energopatēriņa salīdzināšanai vienādos ekspluatācijas apstākļos.
septembris, 2015.

Augustā sekmīgi pabeigti projektā plānotie pētījumi. To rezultāti konspektīvi atspoguļoti sadaļā "Rezultāti", kā arī publikācijās.
jūnijs, 2015.

ES būvniecības nedēļas ietvaros izveidotajā poligonā Latvijas un ārvalstu būvniecības nozares speciālisti un valsts pārvaldes iestāžu pārstāvji tika iepazīstināti ar projekta galvenajiem rezultātiem (programma).

Pasākumu atklāja Latvijas Valsts standartizācijas biroja vadītājs I. Pilmanis. Ar pētījumu pamatnostādnēm un mērķiem iepazīstināja projekta vadītājs A. Jakovičs. Atlasītus pētījumu rezultātus prezentēja S. Gendelis, bet M. Ščepanskis iepazīstināja ar daudzveidīgajām darbu perspektīvām šajā jomā.

Pēc tam pasākuma dalībnieki iepazinās ar esošajiem stendiem, uzstādītajām mērsistēmām un dažādām standartizētām būvju energoefektivitātes un termiskā komforta izpētes metodēm.
marts, 2015.

Ir pievienotas jaunas fotogrāfijas.
marts, 2015.

LU VTPMM laboratorija piedalījās 29. starptautiskajā būvniecības industrijas izstādē "Māja I 2015", kas notika 12.-15. martā. Apmeklētāji tika iepazīstināti ar jaunākajiem ESF projekta Nr. 2013/0027/1DP/1.1.1.2.0/13/APIA/VIAA/007 rezultātiem.
marts, 2015.

Pie rezultātiem ir pievienota 2014./15. g. detalizēta apkures sezonas datu analīze.
ferbuāris, 2015.

4. februārī LU FMF Zeļļu ielā 8 notika kārtējais zinātniski praktiskais seminārs (programma).

Visas prezentācijas un fotogrāfijas apkopotas sadaļā publicitāte.
novembris, 2014.

Ir uzsākta apkures sezona, apkure ar uzstādītiem 19°C tiek nodrošināta ar dažādiem gaiss-gaiss, gaiss-ūdens un elektrisko sildītājiem.
augusts, 2014.

Uzsākti gaiss-ūdens siltum- sūkņa ar zemas temperatūras kapilārā paklāja tipa siltummaini izmēģinājumi dzesēšanas režīmā.
jūlijs, 2014.

Pabeigta zaļā jumta tehnoloģiju demonstrējumu un izmēģinājumu stenda izveide LU Botāniskajā dārzā.
jūnijs, 2014.

Sadaļā publicitāte ir pievienots "Rīta panorāmas" sižets.
jūnijs, 2014.

Ir pievienots testēšanas stendos esošās mērsistēmas apraksts un dažādu tehnoloģiju apskati.
maijs, 2014.

22. maijā LU FMF notika zinātniski praktiskais seminārs, kurā klātesošie tika iepazīstināti ar 2013./14.g. apkures sezonas pētījumu rezultātiem stendos.

Prezentācijas no semināra var aplūkot sadaļā Publicitāte.
februāris, 2014.

Projekta pētījumu pirmos rezultātus A. Jakovičs postera veidā prezentēja World Sustainable Energy Days (WSED 2014), kas 25.–28. februārī notika Velsā (Austrija).
februāris, 2014.

LU Botāniskajā dārzā notika seminārs par t.s. zaļajiem jumtiem. Klausītājus ar to pamatnostādnēm iepazīstināja Adriāns Torrehons no Mondragonas universitātes Spānijā un Armands Liede no SIA "Jumti un Fasādes".