Τηλεπισκόπηση θερμικού περιβάλλοντος εσωτερικού χώρου από το εξωτερικό του κτιρίου μέσω ανοίγματος παραθύρου με χρήση κάμερας υπερύθρων

Από RemoteSensing Wiki

Παρούσα αναθεώρηση της 22:35, 7 Μαρτίου 2024

Πρωτότυπος τίτλος: Remote sensing of indoor thermal environment from outside the building through window opening gap by using infrared camera

Συγγραφείς: Xiaomeng Chen, Ziwei Zou, Fulin Hao, Yang Wang, Chuansong Mei, Yuhan Zhou, Da Wang, Xudong Yang

Πηγή: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0378778823002050?via%3Dihub

Περίληψη

Η έρευνα επικεντρώνεται στη σημασία της διερεύνησης της εσωτερικής θερμοκρασίας των κατοικιών για την κατανόηση της άνεσης και της υγείας των κατοίκων. Προτείνεται μια νέα μέθοδος μέτρησης, χρησιμοποιώντας κάμερα υπερύθρων στην περιοχή ανοίγματος του παραθύρου, για εξ αποστάσεως αξιολόγηση της θερμοκρασίας. Η μέθοδος αυτή φαίνεται να είναι αποτελεσματική και άνετη σε σύγκριση με την παραδοσιακή μέθοδο μέτρησης με αισθητήρες. Πειράματα επιβεβαιώνουν την ακρίβεια της μεθόδου, αν και υπάρχουν περιορισμοί σε συγκεκριμένες συνθήκες ψύξης. Η νέα μέθοδος παρέχει υποσχόμενες πληροφορίες για την κατανόηση της θερμοκρασίας σε επίπεδο κοινότητας και πόλης.

Εισαγωγή

Εστιάζοντας στη σχέση του θερμικού περιβάλλοντος εσωτερικών χώρων με την άνεση και την υγεία των ανθρώπων, επισημαίνεται ο κίνδυνος από ακραίες θερμοκρασίες, τονίζοντας τη σημασία της εσωτερικής θερμοκρασίας για την υγεία. Η έλλειψη δεδομένων και η ποικιλία στις μελέτες επισημαίνονται, με επίκεντρο την ανάγκη για περισσότερες έρευνες στον τομέα. Εξετάζεται η πρακτική λήψη δεδομένων θερμοκρασίας, ενώ προτείνεται η χρήση υπέρυθρης θερμογραφίας για τη μέτρηση αυτής της θερμοκρασίας από απόσταση. Η πειραματική μελέτη επικεντρώνεται στην αξιολόγηση της νέας μεθόδου, παρουσιάζοντας αναλυτικά αποτελέσματα και συζητώντας τους περιορισμούς της προσέγγισης.

2. Μεθοδολογία

Η έρευνα επικεντρώνεται στην ανάλυση της υπέρυθρης θερμογραφίας στο διάκενο ανοίγματος του παραθύρου σε πολυώροφα κτίρια. Παρατηρείται διαφορά στη θερμοκρασία αυτού του διακενού σε σχέση με άλλες επιφάνειες του κτιρίου κατά το άνοιγμα του παραθύρου. Η υπόθεση ότι η υπέρυθρη θερμοκρασία αντικατοπτρίζει το εσωτερικό θερμικό περιβάλλον εξετάζεται με πειραματική μελέτη. Τα ερωτήματα περιλαμβάνουν το εάν η υπέρυθρη θερμοκρασία αντικατοπτρίζει την θερμοκρασία του χώρου, τον βαθμό αντανάκλασης της θερμοκρασίας του δωματίου από την υπέρυθρη θερμογραφία, και τους παράγοντες που επηρεάζουν την ακρίβεια αυτής της μεθόδου. Σε μια κλιματιζόμενη αίθουσα δοκιμών πραγματοποιήθηκε πείραμα με στόχο να εξεταστεί η δυνατότητα και η σκοπιμότητα τηλεπισκόπισης του εσωτερικού θερμικού περιβάλλοντος χρησιμοποιώντας υπέρυθρες κάμερες εκτός του κτιρίου.

''Εικ.1. Υπόθεση ανίχνευσης του εσωτερικού θερμικού περιβάλλοντος μέσω μιας υπέρυθρης εικόνας στο διάκενο ανοίγματος του παραθύρου.

2.1 Πειραματική εγκατάσταση

Το πείραμα πραγματοποιήθηκε στην πανεπιστημιούπολη του Πανεπιστημίου Tsinghua στο Πεκίνο, Κίνα. Χρησιμοποιήθηκε ένα δωμάτιο με εξωτερικούς τοίχους από σκυρόδεμα, με ένα μεγάλο παράθυρο στον νότιο τοίχο. Για τον έλεγχο της εσωτερικής θερμικής κατάστασης, χρησιμοποιήθηκε σύστημα ψύξης και θέρμανσης. Αισθητήρες θερμοκρασίας τοποθετήθηκαν σε διάφορες θέσεις μέσα στο δωμάτιο για την παρακολούθηση της θερμοκρασίας. Επιπλέον, χρησιμοποιήθηκε υπέρυθρη κάμερα για τη μέτρηση της θερμοκρασίας από απόσταση, ενώ τα δεδομένα καταγράφηκαν σε τακτικά χρονικά διαστήματα.

Εικ. 2. Φωτογραφία της αίθουσας δοκιμής: (α) εξωτερική όψη και (β) εσωτερική όψη.

Εικ. 3. Θέσεις αισθητήρων θερμοκρασίας αέρα T1–T7, αισθητήρων θερμοκρασίας επιφάνειας εσωτερικών επιφανειών δωματίου B1–B6 και αισθητήρων θερμοκρασίας επιφάνειας διαχωριστικών τοίχων P1 και P2.

2.2 Πειραματική διάταξη

Το πείραμα πραγματοποιήθηκε τον Ιούνιο του 2021, χρησιμοποιώντας την υπερύθρων κάμερα VarioCAM HiRes της Jenoptik. Η κάμερα τοποθετήθηκε σε απόσταση 5 m από το παράθυρο ανοίγματος, ενώ τα πειράματα διεξήχθησαν τη νύχτα για να αποφευχθεί η επίδραση της ηλιακής ακτινοβολίας. Κατά τη διάρκεια των πειραμάτων, οι υπέρυθρες εικόνες καταγράφηκαν κάθε περίπου 60s. Εξετάστηκε η επίδραση του μεγέθους του ανοίγματος του παραθύρου στην ακρίβεια της τηλεπισκόπησης, με το βαθμό ανοίγματος να μειώνεται σταδιακά από 100% σε 10% κατά τη διάρκεια της καταγραφής. Επίσης, εξετάστηκε η πιθανή επίδραση της διαφοράς θερμοκρασίας μεταξύ εσωτερικού και εξωτερικού περιβάλλοντος, χειριζόμενη το εσωτερικό θερμικό περιβάλλον με διάφορους τρόπους λειτουργίας. Για να διατηρηθεί η θερμοκρασία του δωματίου σταθερή κατά τη διάρκεια της νυχτερινής κινηματογράφησης, η θέρμανση ή η ψύξη πραγματοποιήθηκε 10 ώρες πριν από την έναρξη του πειράματος. Αυτό έγινε για να διασφαλιστεί ότι η θερμοκρασία σε κάθε σημείο μέτρησης δεν θα διακυμάνθει περισσότερο από 1 °C κατά τη διάρκεια του πειράματος.

2.3. Διαδικασία επικύρωσης

Η πειραματική μελέτη έχει ως στόχο την επικύρωση της σκοπιμότητας και της ακρίβειας της μεθόδου. Με τη χρήση υπέρυθρης εικόνας και τοποθέτησης αισθητήρων θερμοκρασίας σε διάφορες θέσεις στο εσωτερικό της αίθουσας, εξάγονται υπέρυθρες θερμοκρασίες σε συγκεκριμένα σημεία, οι οποίες συγκρίνονται με τις μετρούμενες θερμοκρασίες. Η διαδικασία επικύρωσης περιγράφεται λεπτομερώς, χρησιμοποιώντας MATLAB για την επεξεργασία εικόνων υπερύθρων με διάφορους βαθμούς ανοίγματος παραθύρου.

Εικ. 4. Πρόοδος επικύρωσης (το OG είναι ο βαθμός ανοίγματος παραθύρου).

3. Αποτελέσματα

3.1. Προσδιορισμός θερμοκρασίας με υπέρυθρες ακτίνες

Στο Σχήμα 5(α), παρουσιάζεται μια υπέρυθρη εικόνα πλήρους μεγέθους κατά τη διάρκεια της θέρμανσης, με το παράθυρο πλήρως ανοικτό. Η ανάλυση δεδομένων από μια ορθογώνια περιοχή οδηγεί στη χωρική κατανομή της θερμοκρασίας εσωτερικού χώρου (Σχήμα 5(γ), αποκαλύπτοντας σταθερή κατακόρυφη διαστρωμάτωση της θερμοκρασίας κατά τη θέρμανση.

Στο Σχήμα 6(α) παρουσιάζεται η οριζόντια κατανομή της υπέρυθρης θερμοκρασίας σε διάφορα ύψη, ενώ το Σχήμα 6(β) αποκαλύπτει την αύξηση της θερμοκρασίας κατά μήκος του ύψους. Η υπέρυθρη θερμοκρασία αυξάνεται κατά 1,6 °C με το ύψος, αναδεικνύοντας την ομοιόμορφη οριζόντια και τη σταδιακά αυξανόμενη κατανομή στην κατακόρυφη κατεύθυνση.

Η ίδια μέθοδος χρησιμοποιήθηκε για την ανάλυση της υπέρυθρης εικόνας κατά τη μεταβατική λειτουργία και τη ψύξη (Σχήμα 7). Η υπέρυθρη θερμοκρασία εμφανίζει σχετικά ομοιόμορφη οριζόντια κατανομή με μικρή αύξηση στην κατακόρυφη κατεύθυνση.

Στο Σχήμα 8 παρουσιάζεται ο πίνακας υπέρυθρης θερμοκρασίας κατά τη λειτουργία ψύξης, με κατανομή που συνάδει με τη ροή του κρύου αέρα, δημιουργώντας ανομοιόμορφη κατανομή και κατακόρυφα και οριζόντια (Σχήμα 8 (γ) και (δ)). Η ανάλυση των τριών συνθηκών λειτουργίας αποκαλύπτει ότι τα δεδομένα υπέρυθρης θερμοκρασίας στο άνοιγμα του παραθύρου παρέχουν πληροφορίες για τη χωρική κατανομή της θερμοκρασίας, χρήσιμες για την κατανόηση του θερμικού περιβάλλοντος. Ωστόσο, η ακρίβεια της υπέρυθρης θερμοκρασίας συγκρίθηκε με τα μετρημένα δεδομένα θερμοκρασίας για επιπρόσθετη επιβεβαίωση.

Εικ. 5. Υπέρυθρη εικόνα δωματίου σε λειτουργία θέρμανσης σε βαθμό ανοίγματος παραθύρου 100%: (α) αρχική εικόνα, (β) διάκενο ανοίγματος στόχου και (γ) ανιχνευόμενη μήτρα χωρικής κατανομής θερμοκρασίας.

Εικ. 6. Ανιχνευόμενη υπέρυθρη θερμοκρασία (IRT) σε λειτουργία θέρμανσης σε βαθμό ανοίγματος παραθύρου 100%: (α) οριζόντια κατανομή και (β) κατακόρυφη κατανομή.

Εικ. 7. Υπέρυθρη εικόνα σε μεταβατική λειτουργία σε βαθμό ανοίγματος παραθύρου 100%: (α) υπέρυθρη εικόνα του κενού ανοίγματος παραθύρου, (β) ανιχνευόμενη μήτρα χωρικής κατανομής θερμοκρασίας, (γ) οριζόντια κατανομή θερμοκρασίας και (δ) κατακόρυφη θερμοκρασία διανομή.

Εικ. 8. Υπέρυθρη εικόνα σε λειτουργία ψύξης δωματίου σε βαθμό ανοίγματος παραθύρου 100%: (α) υπέρυθρη εικόνα του κενού ανοίγματος παραθύρου, (β) ανιχνευόμενη μήτρα χωρικής κατανομής θερμοκρασίας, (γ) οριζόντια κατανομή θερμοκρασίας και (δ) κατακόρυφη κατανομή θερμοκρασίας.

3.2. Σύγκριση μεταξύ της θερμοκρασίας υπερύθρων και των μετρούμενων δεδομένων

3.2.1. Λειτουργία θέρμανσης

Στο Σχήμα 9 παρουσιάζονται τα δεδομένα των αισθητήρων θερμοκρασίας κατά τη διάρκεια της θέρμανσης σε διάφορες θέσεις του δωματίου. Εξετάζεται η επίδραση του βαθμού ανοίγματος του παραθύρου (OG) στην ακρίβεια αναγνώρισης, μεταβάλλοντας σταδιακά το άνοιγμα από πλήρες (OG = 100%) σε σχεδόν κλειστό (OG = 10%). Η χρονική κλίμακα για τη λήψη φωτογραφιών με διάφορα επίπεδα ανοίγματος παραθύρου υποδεικνύεται με κάθετες διακεκομμένες γραμμές. Τα σημεία της επιφανειακής θερμοκρασίας παρουσιάζονται με διακεκομμένες γραμμές διαφορετικού χρώματος, ενώ τα σημεία της θερμοκρασίας του αέρα είναι αναπαρασταμένα με φυσαλίδες διαφορετικού χρώματος. Επιπλέον, η θερμοκρασία της σφαίρας στο κέντρο του δωματίου εμφανίζεται με μαύρες φυσαλίδες. Το πείραμα διήρκεσε 10 λεπτά, με τη λήψη υπέρυθρων εικόνων για διάφορα επίπεδα ανοίγματος του παραθύρου.

Κατά τη διάρκεια του πειράματος, το θερμικό περιβάλλον ήταν σχετικά σταθερό, με μικρή διακύμανση της μετρούμενης θερμοκρασίας, που δεν ξεπέρασε τους 0,5 °C. Η υψηλότερη θερμοκρασία καταγράφηκε στην επιφάνεια της οροφής, λόγω της άμεσης ηλιακής ακτινοβολίας και της φυσικής ροής συναγωγής από τη θέρμανση του θερμαντικού σώματος.

Οι επιφανειακές θερμοκρασίες στους διάφορους τοίχους και το δάπεδο εξετάστηκαν κατά τη διάρκεια του πειράματος, με τις υψηλότερες θερμοκρασίες να παρατηρούνται στον δυτικό (πράσινη διακεκομμένη γραμμή) και νότιο τοίχο (μπλε διακεκομμένη γραμμή). Αντίστοιχα, το δάπεδο εμφάνισε τη χαμηλότερη επιφανειακή θερμοκρασία (περίπου 28,5 °C). Τα σημεία στον εσωτερικό αέρα κατά μήκος της κεντρικής γραμμής του δωματίου παρουσίασαν σταθερή κατακόρυφη κλίση θερμοκρασίας, με τη θερμοκρασία της σφαίρας (στο ύψος των 1,3 m) να είναι περίπου 1 °C υψηλότερη από τη θερμοκρασία του αέρα σε κοντινό σημείο. Αυτό ενδεχομένως οφείλεται στην επίδραση των θερμών επιφανειών του τοίχου και της οροφής στη θερμοκρασία της σφαίρας.

Τα μετρούμενα σημεία θερμοκρασίας κατά τη διάρκεια λήψης της κάμερας με πλήρες άνοιγμα του παραθύρου (100%) παρουσιάζονται στο Σχήμα 10. Τα σημεία αναπαριστούν θερμοκρασίες εσωτερικών επιφανειών του δωματίου, θερμοκρασίες αέρα, επιφανειακές θερμοκρασίες διαχωριστικού τοίχου και θερμοκρασία σφαίρας. Οι θερμοκρασίες αέρα και επιφανειών παρουσιάζουν μονότονη αύξηση κατά μήκος της κατακόρυφης κατανομής, εκτός από τους δυτικό και ανατολικό τοίχο στο ύψος 1,3 m, που επηρεάζονται από ηλιακή ακτινοβολία. Η κατανομή της υπέρυθρης θερμοκρασίας συγκρίνεται με τις μετρούμενες θερμοκρασίες, επιβεβαιώνοντας την ακρίβεια του ανιχνευτή. Σε ύψος 1,0 m, η μέση διαφορά μεταξύ υπέρυθρης θερμοκρασίας και επιφανειακών θερμοκρασιών διαχωριστικού τοίχου ήταν 0,2 °C. Σε ύψος 1,3 m, η μέση διαφορά μεταξύ υπέρυθρης θερμοκρασίας και θερμοκρασιών αέρα ήταν 0,5 °C. Σε ύψος 1,8 m, η διαφορά ήταν 0,2 °C.

Εικ. 9. Μετρημένα δεδομένα της θερμοκρασίας του εσωτερικού αέρα, της θερμοκρασίας της υδρογείου και της θερμοκρασίας επιφάνειας των εσωτερικών επιφανειών του δωματίου σε λειτουργία θέρμανσης (14 Ιουνίου 2021): Το OG είναι ο βαθμός ανοίγματος παραθύρων (100%–10%).

Εικ. 10. Σύγκριση μεταξύ της κατακόρυφης κατανομής των μετρούμενων δεδομένων θερμοκρασίας και της κατακόρυφης κατανομής της θερμοκρασίας υπερύθρων (IRT) σε πλάτος παραθύρου 0,18 m σε λειτουργία θέρμανσης σε βαθμό ανοίγματος παραθύρου 100% (14 Ιουνίου 2021, 19: 33).

3.2.2. Μεταβατική λειτουργία

Στο Σχήμα 11, παρουσιάζεται η θερμοκρασία του δωματίου κατά τη διάρκεια φυσικών συνθηκών, χωρίς τη λειτουργία συσκευών θέρμανσης/κλιματισμού. Παρατηρείται μικρή κάθετη κλίση θερμοκρασίας. Κατά τη διάρκεια της κινηματογράφησης, η μέση διαφορά θερμοκρασίας αέρα μεταξύ χαμηλού ύψους (0,08 m) και μεσαίου ύψους (1,3 m) ήταν 1,1 °C, ενώ η διαφορά μεταξύ μεσαίου ύψους (1,3 m) και υψηλού ύψους (1,8 m) ήταν 0,5 °C. Η διαφορά θερμοκρασίας επιφανειακής επιφάνειας μεταξύ οροφής και δαπέδου ήταν περίπου 2,8 °C. Η θερμοκρασία της σφαίρας ήταν κατά μέσο όρο 0,3 °C υψηλότερη από τη θερμοκρασία του κοντινού αέρα, επηρεαζόμενη από τις θερμές επιφάνειες οροφής και τοίχων.

Στο Σχήμα 12, παρουσιάζεται η χωρική κατανομή των θερμοκρασιών στις 19:25, με πλήρες άνοιγμα του παραθύρου. Η γραμμή τάσης (μπλε διακεκομμένη) αντιπροσωπεύει την κατακόρυφη κατανομή των θερμοκρασιών του αέρα, του διαχωριστικού τοίχου και των επιφανειών δαπέδου και οροφής. Στο χαμηλότερο ύψος, η κατακόρυφη κατανομή των υπέρυθρων θερμοκρασιών συμφωνεί με τις μετρούμενες θερμοκρασίες δωματίου, ενώ αποκλίνει ελαφρώς μετά το 1,3 m λόγω της θερμής οροφής, θερμαινόμενης από ηλιακή ακτινοβολία. Παρά την απόκλιση σε υψηλότερο ύψος, η υπέρυθρη θερμοκρασία συμφωνεί καλά με τις μετρήσεις των θερμοκρασιών αέρα και επιφάνειας του διαχωριστικού τοίχου. Συγκεκριμένα, σε ύψος 1,0 m, η διαφορά υπέρυθρης θερμοκρασίας και μέσης θερμοκρασίας διαχωριστικού τοίχου είναι 0,2 °C. Σε ύψος 1,3 m, η διαφορά υπέρυθρης θερμοκρασίας και μέσης θερμοκρασίας αέρα είναι 0,5 °C, ενώ σε ύψος 1,8 m, η διαφορά μεταξύ υπέρυθρης θερμοκρασίας και θερμοκρασίας αέρα είναι 0,2 °C.

Εικ. 11. Δεδομένα μέτρησης της θερμοκρασίας του εσωτερικού αέρα, της θερμοκρασίας της σφαίρας και της επιφανειακής θερμοκρασίας των εσωτερικών επιφανειών του δωματίου σε μεταβατική λειτουργία (16 Ιουνίου 2021): OG είναι ο βαθμός ανοίγματος του παραθύρου (100%-10%).

Εικ. 12. Σύγκριση των κατακόρυφων κατανομών των μετρούμενων δεδομένων θερμοκρασίας και της θερμοκρασίας υπερύθρων (IRT) σε πλάτος παραθύρου 0,18 m σε μεταβατική λειτουργία σε βαθμό ανοίγματος παραθύρου 100% (16 Ιουνίου, 19:25).

3.2.3. Λειτουργία ψύξης

Στο Σχήμα 13 παρουσιάζονται τα δεδομένα μετρήσεων θερμοκρασίας κατά τη διάρκεια της περιόδου ψύξης. Κατά τη ψύξη, η οροφή, λόγω της ροής ψυχρού πίδακα από το πηνίο ανεμιστήρα, εμφάνισε τη χαμηλότερη θερμοκρασία, ενώ οι νότιοι και δυτικοί τοίχοι παρουσίασαν υψηλότερες θερμοκρασίες λόγω της ηλιακής ακτινοβολίας. Ο εσωτερικός αέρας εμφάνισε ομοιόμορφες τιμές θερμοκρασίας λόγω της αποτελεσματικής ροής πίδακα, κυμαίνονται στο εύρος 20,5 °C-21,5 °C.

Εικ. 13. Μετρημένα δεδομένα της θερμοκρασίας του εσωτερικού αέρα, της θερμοκρασίας της υδρογείου και της θερμοκρασίας επιφάνειας των εσωτερικών επιφανειών του δωματίου σε μεταβατική λειτουργία (15 Ιουνίου 2021): Το OG είναι ο βαθμός ανοίγματος παραθύρων (100%–10%).

Στη λειτουργία ψύξης, η εσωτερική θερμοκρασία παρουσίασε ασύμμετρη κατανομή, καθοδηγούμενη από τη ροή του ψυχρού πίδακα. Η υπέρυθρη θερμοκρασία υπερεκτίμησε τη θερμική κατάσταση του χώρου, διαφέροντας από τις μετρούμενες θερμοκρασίες επιφάνειας και αέρα. Στο ύψος 1,0 m, η υπέρυθρη θερμοκρασία ήταν υψηλότερη από την επιφανειακή θερμοκρασία κατά 0,9 °C, ενώ στο ύψος 1,3 m παρουσίασε διαφορά 0,2 °C από τη θερμοκρασία του αέρα (εικ.14). Η επικύρωση των αποτελεσμάτων με δύο πειράματα επανάληψης επιβεβαίωσε παρόμοια παρατηρησιμότητα, ενώ πιθανή εξήγηση για τις αποκλίσεις παρέχεται στην ενότητα 4.2.

Εικ. 14. Σύγκριση των κατακόρυφων κατανομών των δεδομένων θερμοκρασίας που μετρήθηκαν και της υπέρυθρης θερμοκρασίας (IRT) σε πλάτος παραθύρου 0,18 m σε μεταβατική λειτουργία σε βαθμό ανοίγματος παραθύρου 100%: (α) πείραμα στις 15 Ιουνίου, (β) πείραμα αναπαραγωγής I στις 17 Ιουνίου και (γ) πείραμα αντιγραφής II στις 24 Ιουνίου.

Στο Σχήμα 15 παρουσιάζονται τα απόλυτα σφάλματα μέτρησης των θερμοκρασιών υπερύθρων σε σύγκριση με τις μετρούμενες θερμοκρασίες δωματίου σε τρεις διαφορετικές λειτουργίες. Κατά τη θέρμανση και τη μεταβατική λειτουργία, τα απόλυτα σφάλματα κυμαίνονταν από -0,5 °C έως -0,1 °C, ενώ κατά τη ψύξη κυμαίνονταν από 0,2 °C έως 1,3 °C. Οι μετρήσεις υπερύθρων παρουσίαζαν σχετικά χαμηλότερες τιμές σε σύγκριση με τις μετρούμενες θερμοκρασίες κατά τη θέρμανση και τη μεταβατική λειτουργία, ενώ κατά τη ψύξη παρατηρούνταν υψηλότερες τιμές, με τα απόλυτα σφάλματα να κυμαίνονται στο εύρος 0,2 °C έως 1,3 °C.

Εικ. 15. Απόλυτα σφάλματα μέτρησης μεταξύ της θερμοκρασίας υπερύθρων και των μετρούμενων θερμοκρασιών δωματίου σε βαθμό ανοίγματος του παραθύρου 100% σε τρεις συνθήκες λειτουργίας.

3.3. Επίδραση του βαθμού ανοίγματος του παραθύρου

Έγινε ανάλυση της επίδρασης του βαθμού ανοίγματος των παραθύρων στην ακρίβεια της μεθόδου, λαμβάνοντας υπόψη την πραγματική συμπεριφορά κατοίκων που συχνά δεν ανοίγουν πλήρως τα παράθυρα. Η μείωση του βαθμού ανοίγματος των παραθύρων εξετάστηκε σε διάφορες λειτουργίες HVAC, αναλύοντας υπέρυθρες εικόνες σε διάφορα μεγέθη ανοίγματος.

Καθώς ο βαθμός ανοίγματος του παραθύρου μειώνεται, παρατηρείται μείωση της πληροφορίας από την υπέρυθρη εικόνα στο διάκενο του παραθύρου. Ακόμη και με μείωση στο 10%, όπου ήταν ορατή μόνο μια στήλη πληροφοριών θερμοκρασίας, η επίδραση στην ακρίβεια αναγνώρισης υπέρυθρης θερμοκρασίας δεν φαίνεται σημαντική, όπως δείχνει η κατακόρυφη κατανομή θερμοκρασίας κοντά στο πλαίσιο του παραθύρου.

Πίνακας 2. Υπέρυθρες εικόνες σε λειτουργία θέρμανσης με βαθμό ανοίγματος παραθύρου που κυμαίνεται από 75% έως 10%.

Πίνακας 3. Υπέρυθρες εικόνες σε μεταβατική λειτουργία με βαθμό ανοίγματος παραθύρου που κυμαίνεται από 75% έως 10%.

Πίνακας 4. Υπέρυθρες εικόνες σε λειτουργία ψύξης με βαθμό ανοίγματος παραθύρου που κυμαίνεται από 75% έως 10%.

4. Συζήτηση 4.1. Σχέση των τριών θερμοκρασιών

Η υπέρυθρη θερμοκρασία που ανιχνεύεται στο διάκενο του ανοίγματος του παραθύρου αντανακλά τη χωρική κατανομή των θερμοκρασιών της επιφάνειας του αέρα και του διαχωριστικού τοίχου, κυρίως όταν το δωμάτιο βρίσκεται σε σταθερή θερμική κατάσταση. Η λειτουργία της κάμερας υπερύθρων βασίζεται στην ανίχνευση των υπέρυθρων ακτίνων που εκπέμπονται από την επιφάνεια του αντικειμένου, προσφέροντας έναν τρόπο εξ’ αποστάσεως μέτρησης. Ως εκ τούτου, η υπέρυθρη θερμοκρασία αντανακλά τη θερμοκρασία της επιφάνειας του διαχωριστικού τοίχου. Σε πρακτικές εφαρμογές, όπου οι θερμοκρασίες επιφάνειας διαχωριστικών τοίχων συνήθως πλησιάζουν τις θερμοκρασίες του εσωτερικού αέρα, η υπέρυθρη τηλεπισκόπηση μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να ανιχνευθεί η θερμοκρασία του εσωτερικού αέρα από το διάκενο του ανοίγματος του παραθύρου.

4.2. Επιρροή της κατάστασης λειτουργίας HVAC και του βαθμού ανοίγματος παραθύρων

Η ανίχνευση υπερύθρων δείχνει υψηλή ακρίβεια όταν το δωμάτιο θερμαίνεται από καλοριφέρ ή βρίσκεται σε φυσική κατάσταση. Σε αυτές τις περιπτώσεις, η υπέρυθρη εικόνα στο διάκενο του ανοίγματος του παραθύρου αντανακλά την κατακόρυφη κλίση της θερμοκρασίας του αέρα με σχετικά χαμηλό απόλυτο σφάλμα, κοντά στα 0,5 °C. Ωστόσο, κατά τη ψύξη από fan coil, η υπέρυθρη θερμοκρασία υπερεκτιμά σημαντικά τη θερμοκρασία του δωματίου, υπερβαίνοντας το 1 °C. Οι υποθέσεις του Planck αναφορικά με την ένταση ακτινοβολίας ενδέχεται να εξηγούν την υπερεκτίμηση για ψυχρές επιφάνειες. Σημαντικό είναι ότι, παρά το μερικό ή πλήρες άνοιγμα του παραθύρου, η ακρίβεια της ανίχνευσης υπερύθρων παραμένει σταθερή, υποδηλώνοντας ότι μπορεί να πραγματοποιηθεί αποτελεσματική ανίχνευση της θερμοκρασίας του δωματίου ακόμα και με ελαφρώς ανοικτό παράθυρο.

4.3. Περιορισμοί και μελλοντικές μελέτες

Η πειραματική μελέτη διεξήχθη σε ελεγχόμενες εργαστηριακές συνθήκες με σκοπό να αξιολογηθεί η αποτελεσματικότητα μιας υπέρυθρης κάμερας για την ανίχνευση του εσωτερικού θερμικού περιβάλλοντος μέσω του ανοίγματος του παραθύρου. Παρόλα αυτά, πρέπει να ληφθούν υπόψη ορισμένοι παράγοντες στο μέλλον, όπως η πιθανή μεταβολή της θερμικής κατάστασης σε πραγματικό δωμάτιο, η επίδραση πηγών θερμότητας και η σταθερότητα του κτιρίου. Επιπλέον, προτείνεται η διερεύνηση των επιπτώσεων από την απόσταση και τη γωνία της κάμερας, καθώς και πιθανών παρεμβολών όπως δέντρα ή δίχτυα παραθύρων. Η μελέτη προετοιμάζει το έδαφος για περαιτέρω επαλήθευση της μεθόδου σε πραγματικά κτίρια με όλες τις σχετικές παραμέτρους.

5. Συμπεράσματα

Η μελέτη παρουσιάζει μια νέα μέθοδο για την ασύρματη μέτρηση των εσωτερικών θερμοκρασιών μέσω υπέρυθρης κάμερας, εξαλείφοντας την ανάγκη για τοποθέτηση αισθητήρων. Η μέθοδος αυτή δίνει τη δυνατότητα άμεσης μέτρησης της θερμοκρασίας εντός του χώρου χωρίς την ανάγκη εισόδου σε αυτόν. Επιπλέον, η τεχνική αυτή προσφέρει πληροφορίες σχετικά με τη χωρική κατανομή των θερμοκρασιών που δεν επιτυγχάνονται με παραδοσιακούς αισθητήρες. Οι πειραματικές μετρήσεις διενεργήθηκαν σε εργαστηριακές συνθήκες, επιβεβαιώνοντας την εφικτότητα και ακρίβεια της μεθόδου, υπογραμμίζοντας όμως την ανάγκη περαιτέρω ερευνών σε πραγματικά κτίρια.