CN104535109A

CN104535109A - 一种矿井井下热环境评价方法及其装置

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Publication number: CN104535109A
Application number: CN201410812233.1A
Authority: CN
Inventors: 菅从光; 刘桂平; 张辉; 秦帆
Original assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Current assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Priority date: 2014-12-23
Filing date: 2014-12-23
Publication date: 2015-04-22

Abstract

本发明公开了一种矿井井下热环境评价装置，包括测量模块、数据传输线、数据采集电路组件、数据转换电路、单片机模块、显示模块、电源、复位模块和按键模块。本发明还公开了一种矿井井下热环境评价方法，其特征是由所述测量模块、数据采集电路组件、数据传输线及数据转换电路采集到的矿内风流温度、评价辐射温度、矿内相对湿度、矿内大气压力、矿内风流速度以及按键模块输入的人体新陈代谢率、服装热阻这六个参数作为输入信号，在单片机模块中利用获取的信息建立PMV-PPD的矿工热环境评价模型，智能化地得出PMV-PPD热环境舒适度指标与评价结果。本发明集成化程度高，并能客观智能化地评价出矿井井下热环境舒适度。

Description

一种矿井井下热环境评价方法及其装置

技术领域

本发明属于环境评价技术领域，具体涉及一种矿井井下热环境评价方法及其装置。

背景技术

煤炭行业经过几百年的发展，通过长期实际操作与大量研究数据，各国的研究者和相关部门总结出大量简单实用、便于操作的经验指标参数及评价方法。目前国内外用于评价高温高湿环境中人体热舒适的指标，主要分为直接指标、理论指标、经验指标及生理性控制指标。直接指标是选择空气温度、流速、湿度、辐射热四个因素中的一个主要因素作为气象条件的指数。对于高温气象条件的监测和评价，一直以干球温度为主要指标。但对高温、强烈热辐射环境及高温高湿作业，由于气象条件各物理因素的综合作用，干球温度单一因素不能完全反映热辐射及湿度对人体的影响。第二类是理论指标，这类评价指标主要包括作用温度、热应力指数等。第三类是通过经验得出的指标，例如有效温度、湿球黑球温度等，第四类是以生理学控制指标作为评价依据，比如以人的体温、表皮温度及失水量来评价。

上述参数在长时间的实践操作中经受了考验，为防止和预防矿井热害的发生、发展发挥了巨大的作用。但是随着矿井热害的进一步发展，上述一些参数指标往往只是从单一因素或简单组合去评价，只注重客观环境因素或者人体主观热反应，没有能够很好的综合众多影响因素，综合主客观因素的结合，不能客观有效地评价矿井井下热环境及矿工热舒适性。

发明内容

本发明的目的之一在于克服现有技术的缺陷，针对传统从单一因素或简单组合去评价矿井井下热环境舒适度而设计，结合美国ASHRAE标准推荐的7级标尺以及Fanger教授提出的预计平均热感觉投票PMV和PPD，提出一种矿井井下热环境评价方法及其装置，可以综合主客观影响因素，有效地评价矿井井下热环境及矿工热舒适性。

本发明提供一种矿井井下热环境评价方法，包括如下步骤：

A.装置初始化。

B.利用测量模块中的温度测量元件、湿度测量元件、压力测量元件、风速测量元件对矿井井下热环境进行测量，通过数据采集电路组件进行数据采集、数据传输线进行数据传输、数据转换电路进行数据采集信号转换。

C.根据获取的矿井井下热环境数据采集信号以及人体新陈代谢率和服装热阻值建立PMV-PPD的矿工热环境评价模型。

D.计算所述PMV-PPD矿工热环境评价模型下的热舒适性指标PMV值和PPD值，并分析；

E.通过显示模块对矿井井下PMV-PPD热环境舒适性指标及评价结果进行显示。

所述根据获取的数据采集信号以及人体新陈代谢率和服装热阻值建立PMV-PPD的矿工热环境评价模型具体包括：

首先，结合影响因素(人的活动、衣着、空气温度、相对湿度、空气风速与辐射温度等因素)，建立矿工的热舒适性方程，结合矿井高温高湿的特点，推导出适合矿工的热平衡方程式：

\begin{matrix} M - W - 7.897 h_{c} (P_{a} - P_{s}) \frac{1}{1 + 0.143 f_{cl} h_{c} I_{cl}} - 0.42 [(M - W) - 58.15] - 1.72 \times 10^{- 5} M (5867 - P_{a}) - \\ 0.0014 M (34 - t_{a}) - 3.4 \times 10^{- 8} f_{cl} [{(t_{cl} + 273)}^{4} - {(t_{r} + 273)}^{4}] - f_{cl} h_{c} (t_{cl} - t_{a}) = 0 \end{matrix}

其中，M是人体代谢产生的热量，W是人体所作的机械功，h_C是对流换热系数，P_a是人体周围空气的水蒸气分气压，P_s是皮肤表面的水蒸气分气压，f_cl是着装面积系数，I_cl是服装热阻，t_a是人体周围环境温度，t_cl是服装表面温度，t_r是环境的平均辐射温度。

其次，确定矿工热舒适性的评价指标PMV，以及PMV值的计算公式：

\begin{matrix} PMV = [0.303 \exp (- 0.036 M) + 0.028] {M - W - 7.897 h_{c} (P_{a} - P_{s}) \frac{1}{1 + 0.143 f_{cl} h_{c} I_{cl}} \\ - 0.42 [(M - W) - 58.15] - 1.72 \times 10^{- 5} M (5867 - P_{a}) - 0.0014 M (34 - t_{a}) - 3.4 \times 10^{- 8} \\ f_{cl} [{(t_{cl} + 273)}^{4} - {(t_{r} + 273)}^{4}] - f_{cl} h_{c} (t_{cl} - t_{a}) \end{matrix}

最后，确定矿工热舒适性的评价指标PPD，以及PPD值的计算公式：

PPD＝100-95exp[-(0.3353PMV⁴+0.2179PMV²)]

本发明还提供一种进行矿井井下热环境评价的装置，设置所述评价装置组成包括：由温度测量元件、湿度测量元件、压力测量元件、风速测量元件构成的测量模块、数据传输线、数据采集电路组件、数据转换电路、单片机模块、显示模块、电源与复位模块和按键模块。

由所述测量模块、数据采集电路组件、数据传输线及数据转换电路获得矿井井下热环境采集信号，包括：由所述温度测量元件测量矿内风流温度和评价辐射温度、所述湿度测量元件测量矿内相对湿度、所述压力测量元件测量矿内大气压力、所述风速测量元件测量矿内风流速度，由所述数据采集电路组件将测量数据采集，由所述数据传输线将数据传输，由所述数据转换电路将采集数据转换为信号。

以所述矿井井下热环境采集信号以及通过按键模块输入的人体新陈代谢率和服装热阻值作为单片机模块的输入信号，在单片机模块中针对所述输入信号建立PMV-PPD的矿工热环境评价模型，计算所述PMV-PPD矿工热环境评价模型下的热舒适性指标PMV值和PPD值并分析，通过显示模块对矿井井下PMV-PPD热环境舒适性指标及评价结果进行显示。

本发明的有益效果在于：

1.克服了干球温度单一因素不能完全反映热辐射及湿度对人体影响的缺点，采用能够反映人的活动、衣着、空气温度、相对湿度、空气风速与辐射温度等因素综合影响的PMV和PPD指标客观有效的评价矿工热舒适性及矿井热环境。

2.结合人体热舒适性方程，建立了基于PMV-PPD的矿工热环境评价模型，在输入基本数据矿内空气温度、空气风速、平均辐射温度、大气压力及相对湿度等进行计算，即可输出热舒适性指标及评价结果。

附图说明

图1所示为本发明矿井井下热环境评价装置的结构框图。

具体的实施方式

下文将结合附图详细描述本发明的实施例。应当注意的是，下述实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。

图1所示为本发明矿井井下热环境评价装置的结构框图。

本发明提供一种矿井井下热环境评价方法，包括如下步骤：

A.装置初始化。

\begin{matrix} M - W - 7.897 h_{c} (P_{a} - P_{s}) \frac{1}{1 + 0.143 f_{cl} h_{c} I_{cl}} - 0.42 [(M - W) - 58.15] - 1.72 \times 10^{- 5} M (5867 - P_{a}) - \\ 0.0014 M (34 - t_{a}) - 3.4 \times 10^{- 8} f_{cl} [{(t_{cl} + 273)}^{4} - {(t_{r} + 273)}^{4}] - f_{cl} h_{c} (t_{cl} - t_{a}) = 0 \end{matrix}

\begin{matrix} PMV = [0.303 \exp (- 0.036 M) + 0.028] {M - W - 7.897 h_{c} (P_{a} - P_{s}) \frac{1}{1 + 0.143 f_{cl} h_{c} I_{cl}} \\ - 0.42 [(M - W) - 58.15] - 1.72 \times 10^{- 5} M (5867 - P_{a}) - 0.0014 M (34 - t_{a}) - 3.4 \times 10^{- 8} \\ f_{cl} [{(t_{cl} + 273)}^{4} - {(t_{r} + 273)}^{4}] - f_{cl} h_{c} (t_{cl} - t_{a}) \end{matrix}

PPD＝100-95exp[-(0.3353PMV⁴+0.2179PMV²)]

实施例1

表1某矿区皮带掘进头沿程测点实测风流热力参数表

表2利用本发明矿井井下热环境评价方法及其装置得到的测评结果表

续表2利用本发明矿井井下热环境评价方法及其装置得到的测评结果表

本发明克服了现有技术的缺陷，针对传统从单一因素或简单组合去评价矿井井下热环境舒适度而设计，结合美国ASHRAE标准推荐的7级标尺以及Fanger教授提出的预计平均热感觉投票PMV和PPD，提出一种矿井井下热环境评价方法及其装置，可以综合主客观影响因素，有效地评价矿井井下热环境及矿工热舒适性。

本文虽然已经给出了本发明的一些实施例，但是本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明精神的情况下，可以对本文的实施例进行改变。上述实施例只是示例性的，不应以本文的实施例作为本发明权利范围的限定。

Claims

1.一种矿井井下热环境评价方法，其特征在于，包括如下步骤：

A.装置初始化；

B.利用测量模块中的温度测量元件、湿度测量元件、压力测量元件、风速测量元件对矿井井下热环境进行测量，通过数据采集电路组件进行数据采集、数据传输线进行数据传输、数据转换电路进行数据采集信号转换；

C.根据获取的矿井井下热环境数据采集信号以及人体新陈代谢率和服装热阻值建立PMV-PPD的矿工热环境评价模型；

2.如权利要求1所述的一种矿井井下热环境的评价方法，其特征在于，所述根据获取的数据采集信号以及人体新陈代谢率和服装热阻值建立PMV-PPD的矿工热环境评价模型具体包括：

首先，结合影响因素，建立矿工的热舒适性方程，结合矿井高温高湿的特点，推导出适合矿工的热平衡方程式：

\begin{matrix} M - W - {7.897 h}_{c} (P_{a} - P_{s}) \frac{1}{1 + 0.143 f_{cl} h_{c} I_{cl}} - 0.42 [(M - W) - 58.15] - 1.72 \times 10^{- 5} M (5867 - P_{a}) - \\ 0.0014 M (34 - t_{a}) - 3.4 \times 10^{- 8} f_{cl} [{(t_{cl} + 273)}^{4} - {(t_{r} + 273)}^{4}] - f_{cl} h_{c} (t_{cl} - t_{a}) = 0 \end{matrix}

其中，M是人体代谢产生的热量，W是人体所作的机械功，h_C是对流换热系数，P_a是人体周围空气的水蒸气分气压，P_s是皮肤表面的水蒸气分气压，f_cl是着装面积系数，I_cl是服装热阻，t_a是人体周围环境温度，t_cl是服装表面温度，t_r是环境的平均辐射温度；

\begin{matrix} PMV = [0.303 \exp (- 0.036 M) + 0.028] {M - W - 7.897 h_{c} (P_{a} - P_{s}) \frac{1}{1 + 0.143 f_{cl} h_{c} I_{cl}} \\ - 0.42 [(M - W) - 58.15] - 1.72 \times 10^{- 5} M (5867 - P_{a}) - 0.0014 M (34 - t_{a}) - 3.4 \times 10^{- 8} \\ f_{cl} [{(t_{cl} + 273)}^{4} - {(t_{r} + 273)}^{4}] - f_{cl} h_{c} (t_{cl} - t_{a}) \end{matrix}

PPD＝100-95exp[-(0.3353PMV⁴+0.2179PMV²)]

3.一种进行矿井井下热环境评价的装置，其特征在于：

设置所述评价装置组成包括：由温度测量元件、湿度测量元件、压力测量元件、风速测量元件构成的测量模块、数据传输线、数据采集电路组件、数据转换电路、单片机模块、显示模块、电源与复位模块和按键模块；

由所述测量模块、数据采集电路组件、数据传输线及数据转换电路获得矿井井下热环境采集信号，包括：由所述温度测量元件测量矿内风流温度和评价辐射温度、所述湿度测量元件测量矿内相对湿度、所述压力测量元件测量矿内大气压力、所述风速测量元件测量矿内风流速度，由所述数据采集电路组件将测量数据采集，由所述数据传输线将数据传输，由所述数据转换电路将采集数据转换为信号；