Прості оптичні датчики для вимірювання радіаційної температури в приміщенні
Тепловий комфорт у приміщенні залежить від кількох факторів, але особливо від радіаційної та конвективної теплової взаємодії між тілом людини та його оточенням. Конвективна частина цієї теплової взаємодії пов’язана з температурою та вологістю повітря, тоді як радіаційна частина обумовлена температурою навколишніх поверхонь. Визначення рівня теплового комфорту та відповідне керування системами опалення й охолодження є важливим для ефективного енергоспоживання. Для цього використовують кімнатні термостати, які, однак, мають фундаментальне обмеження: вони вимірюють лише температуру повітря, нехтуючи впливом температури навколишніх поверхонь на комфорт людини. Це призводить до проблем з комфортом і неефективності використання енергії.
Середня радіаційна температура (t̄r) являє собою цілісну міру ефективної температури навколишнього середовища, яка враховує сукупний вплив випромінювального теплообміну між поверхнями та мешканцями. Щоб точно оцінити рівень комфорту в приміщенні, важливо вимірювати t̄r у режимі реального часу. На додачу до підвищення рівня комфорту, t̄r-регулювання може знизити споживання енергії, особливо в радіаційних системах «клімат-контролю» (підігрів підлоги, охолодження стелі), які останніми роками привертають увагу завдяки кращій енергоефективності та меншим експлуатаційним витратам порівняно з повітряними системами. Радіаційні системи регулюють t̄r у кімнаті шляхом підвищення або зниження температури поверхні, а вже згодом нагріті або охолоджені поверхні активують конвекцію. Таким чином, для досягнення оптимальної ефективності ці системи потребують точного керування на основі вимірювання t̄r у реальному часі. Однак відсутність практичного методу вимірювання t̄r для таких цілей автоматизації стримує їхнє застосування.
В даний час для вимірювання t̄r потрібні дорогі прилади лабораторного типу, такі як балансомір (тип актинометра, використовується для вимірювання різниці між приходом та витратою променистої енергії) або датчик чорної кулі (термометр всередині чорної кулі, який показує, наскільки «спекотно» з урахуванням випромінювання). Проте датчики чорної кулі мають кілька недоліків: великий час відгуку, великі фізичні розміри, вимагають додаткових вимірювань швидкості повітря та чутливі до конвективних помилок, а балансоміри є дорогими та залежними від напрямку, тому їх використання для вимірювання t̄r обмежується лише дослідженнями.
t̄r у просторі можна розрахувати, якщо відомі температури поверхонь та відповідні площі й кути огляду. В останні роки показано можливість використання оптичних датчиків для вимірювання t̄r. У таких дослідженнях використовували тепловізійні камери високої роздільної здатності або методи зшивання зображень. Однак вони мають свої недоліки: камери високої роздільної здатності є дорогими і створюють проблеми конфіденційності, а системи зі скануванням потребують кількох хвилин для завершення одного вимірювання, механізмів сканування та датчиків відстані.
У новій роботі [1] американські дослідники представляють метод вимірювання довгохвильової середньої радіаційної температури в приміщенні з використанням недорогих інфрачервоних датчиків із низькою роздільною здатністю, усуваючи потребу в механізмах повороту-нахилу. Дослідники використали чотири інфрачервоні датчики OMRON D6T−2L-01A (±0.5 °C, поле зору 90° як у горизонтальному, так і у вертикальному напрямках). Кожен датчик був підключений до тестової плати OMRON (2JCIE-EV01-AR1), яка, у свою чергу, була підключена до плати Arduino MKR Wi-Fi 1010 (ABX00023), яка передавала дані на сервер. Розподіл температури поверхні на стінах і горизонтальних поверхнях розраховують з 2D теплових даних за допомогою геометричних (гомографічних) перетворень. Дослідники розробили просту та обчислювально-ефективну техніку для отримання гомографічних матриць шляхом позначення кутів спостережуваних стін. Запропонований метод із використанням інфрачервоних теплових датчиків розміром 32 × 32 пікселі випробувано в чотирьох різних реальних середовищах для кількох випадків у діапазоні середніх радіаційних температур від 18 °C до 27 °C. Розглянуто конфігурації з чотирма оптичними датчиками (по одному на кожній стіні), двома датчиками та установку з одним датчиком. Результати запропонованого методу узгоджуються з результатами, отриманими за допомогою стандартизованого радіометра в межах ±0.5 °C і перевершують результати традиційних датчиків чорної кулі. Очікується, що цей метод здійснить революцію в зондуванні приміщень, усунувши потребу в дорогому обладнанні.
1. Evren, F., Biswas, S. & Graves, R. Measuring mean radiant temperature for indoor comfort assessment using low-resolution optical sensors. Nat Commun 16, 1215 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-024-55122-z