CN109470366A - 一种基于三维辐射环境的热舒适测评系统 - Google Patents

一种基于三维辐射环境的热舒适测评系统 Download PDF

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杜晶
刘京
肖秋珂
李彪
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    • G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry

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Abstract

本发明提供一种基于三维辐射环境的热舒适测评系统，属于热舒适测评技术领域。本发明系统包括数据采集端、数据记录端、数据处理端；所述数据采集端在同一高度H的上、下、东、西、南、北六个方向上，分别各设置一个长波辐射通量密度传感器和一个短波辐射通量密度传感器；所述数据记录端的辐射通量密度记录仪用于记录和存储所获得的辐射通量密度数据；同时，数据记录端能够根据需要设置数据采集端的采样间隔；从数据记录端获得的辐射通量密度数据通过移动储存模块导入到数据处理端的服务器中，服务器对导入的辐射通量密度数据进行处理获得热舒适参数。本发明解决了现有热舒适测评技术准确度不高或成本较高的问题。本发明可用于热舒适测评。

Description

一种基于三维辐射环境的热舒适测评系统
技术领域
本发明涉及一种热舒适测评系统，属于热舒适测评技术领域。
背景技术
随着城市化的不断发展及城市人口数量的逐步增加，城市空间内的热环境和热舒适是国内外专家学者关注的重点，而室外辐射环境是其中的一个重要组成部分和热点问题，辐射对热舒适的影响不可小觑。其中，平均辐射温度是由辐射环境决定的一个重要参数，它对于衡量室外辐射环境对热舒适的影响起着关键作用，同时也是计算生理等效温度、通用热气候指数等热舒适指标的必要输入量。
目前，计算平均辐射温度的方法主要由三种：一是球体温度计测量法，二是表面温度法，三是六方向法。球体温度计测量法的优点是操作简单、仪器价格较低；缺点在于，此方法无法区分长、短波辐射的影响，也不能辨别它们的方向，除此之外，在寒冷季节，球体易受室外低温空气的影响，导致其对辐射的敏感性降低，造成测量的极度不准确。表面温度法通过测量太阳辐射强度、空气温度和人体周围实体的表面温度，考虑人体对各方向角系数和吸收率来计算平均辐射温度，由于表面温度的测量分为直接测量和间接测量，直接接触式的测量通常会受到太阳辐射加热了热电阻的影响，而利用红外热像仪等仪器进行非接触的间接测量准确性较低，所以此方法在本领域的应用率较低。六方向法是一种测量三维辐射通量密度的方法，它通过测量来自上、下、东、西、南、北六个方向的长、短波辐射通量密度来计算平均辐射温度，是一种准确的得到平均辐射温度的方法。但是，要想实现对三维长、短辐射通量密度的测量，国际上通常采用三套来自荷兰Kipp&Zonen公司的可同时测量两个方向长、短波辐射通量密度的CNR4辐射传感器来实现，但是其价格昂贵，不便于推广应用；而其他能满足测量精度要求的长波或短波辐射通量密度传感器，一般只能测量一个辐射参数，无法实现对三维辐射环境的测量。
因此，现有通过计算平均辐射温度，对热舒适测评的技术，不是准确度不高，就是价格太昂贵。
发明内容
本发明为解决现有热舒适测评技术准确度不高或成本较高的问题，提供了一种基于三维辐射环境的热舒适测评系统。
本发明所述一种基于三维辐射环境的热舒适测评系统，包括：数据采集端、数据记录端、数据处理端；
所述数据采集端包括，支持框架、六个长波辐射通量密度传感器以及六个短波辐射通量密度传感器；支持框架在同一高度H的上、下、东、西、南、北六个方向上，分别各设置一个长波辐射通量密度传感器和一个短波辐射通量密度传感器，长波辐射通量密度传感器和短波辐射通量密度传感器用于辐射通量密度数据的采集；
所述数据记录端包括，辐射通量密度记录仪和设备通讯模块；
所述数据采集端采集的辐射通量密度数据通过设备通讯模块传递至辐射通量密度记录仪，所述辐射通量密度记录仪用于记录和存储所获得的辐射通量密度数据；同时，数据记录端能够根据需要设置数据采集端的采样间隔；
数据处理端包括服务器和移动储存模块，从数据记录端获得的辐射通量密度数据通过移动储存模块导入到服务器中，服务器用于对导入的辐射通量密度数据进行处理获得平均辐射温度，并利用平均辐射温度获得热舒适参数。
作为对上述技术方案的进一步阐述：
进一步的，朝向上方向和下方向的四个辐射通量密度传感器位于支持框架在H高度平面的中部，其他朝向东、西、南、北方向的八个辐射通量密度传感器均位于支持框架的四周并朝向外；朝向东、西、南、北方向的八个辐射通量密度传感器中，任意相邻两个之间的距离在0.3m～0.5m之间。
进一步的，所述高度H为1.1米。
进一步的，所述支持框架底部设置有万向轮。
进一步的，系统还包括供电装置；所述供电装置用于为数据记录端的辐射通量密度记录仪提供电能支持，供电装置采用太阳能供电装置。
进一步的，所述对导入的辐射通量密度数据进行处理获得平均辐射温度的具体方法为，采用六方向法进行如下计算获得Tmrt：
其中，
式中，Tmrt：平均辐射温度；人体吸收的总短波辐射通量密度；人体吸收的总长波辐射通量密度；αl：人体对长波辐射的吸收率，也即长波辐射发射率，0.97；σ：史蒂芬·玻尔兹曼常数，5.67*10-8W/(m2·K4)；αk：人体对短波辐射的吸收率，0.7；Wi：人体对六个方向的视角系数，上、下方向取0.06，东、西、南、北方向取0.22；Ki：传感器测得的短波辐射通量密度；Li：传感器测得的长波辐射通量密度；i＝1,...,6。
进一步的，所述辐射通量密度记录仪能够实时显示辐射通量密度数值。
进一步的，所述热舒适参数包括标准有效温度SET*、生理等效温度PET、通用热气候指数UTCI。
本发明最为突出的特点和显著的有益效果是：
本发明所涉及的一种基于三维辐射环境的热舒适测评系统，通过设计合理，分别将六个长波辐射通量密度传感器、六个短波辐射通量密度传感器固定于同一高度，实现三维长波辐射通量密度、短波辐射通量密度的实时测量和记录；能实现室外辐射环境的移动和三维测量，能够满足精度要求。相比国际上通常采用的三套CNR4辐射传感器来实现的测量技术，准确度基本相当，但是成本降低50％以上。同时，本发明还为SET*、PET、UTCI等热舒适指标的计算提供了精确的输入参数，能更加准确地对热舒适进行测评。
附图说明
图1为本发明组成结构示意图；
图2为数据采集端结构示意图；
图3为数据记录端的组成及功能示意图；
图4为数据处理端的组成及功能示意图；
图5为平均辐射温度获得热舒适参数的流程图；
图6为实施例中的采集的短波辐射通量密度曲线图；
图7为实施例中的采集的长波辐射通量密度曲线图；
图8为实施例中本发明得到的平均辐射温度与现有技术测得的平均辐射温度对比曲线图；
图9为实施例中获得的热舒适参数对比曲线图；
其中，1.数据采集端，2.数据记录端，3.数据处理端，4.供电装置；
1-1.支持框架，1-2.万向轮，1-3.短波辐射通量密度传感器，1-4.长波辐射通量密度传感器。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1、图2、图3、图4对本实施方式进行说明，本实施方式给出的一种基于三维辐射环境的热舒适测评系统，包括：数据采集端1、数据记录端2、数据处理端3；
如图2所示，所述数据采集端1包括，支持框架1-1、六个长波辐射通量密度传感器1-4以及六个短波辐射通量密度传感器1-3；支持框架1-1在同一高度H的上、下、东、西、南、北六个方向上，分别各设置一个长波辐射通量密度传感器1-4和一个短波辐射通量密度传感器1-3，长波辐射通量密度传感器1-4和短波辐射通量密度传感器1-3分别用于长波辐射通量密度数据和短波辐射通量密度数据的采集；这样即可利用价格较低廉的长波辐射通量密度传感器1-4或短波辐射通量密度传感器1-3实现三维辐射通量密度的采集，成本远远低于现有技术所采用的三套CNR4辐射传感器，并且测评准确度也比较高。
所述数据记录端2包括，辐射通量密度记录仪和设备通讯模块；
所述数据采集端1采集的辐射通量密度数据通过设备通讯模块传递至辐射通量密度记录仪，所述辐射通量密度记录仪用于记录和存储所获得的三维长、短波辐射通量密度数据；同时，数据记录端2能够根据需要设置数据采集端1的采样间隔；如图4所示。
数据处理端3包括服务器和移动储存模块，从数据记录端2获得的辐射通量密度数据(六个长波辐射通量密度、六个短波辐射通量密度数据)通过移动储存模块导入到服务器中，服务器用于对导入的辐射通量密度数据进行处理获得平均辐射温度，并利用平均辐射温度获得热舒适参数；利用平均辐射温度获得热舒适参数的方法有多种：
如图5所示，在测量三维辐射环境进而计算平均辐射温度的基础上，再结合空气温度、空气湿度、风速等气象参数，以及人体能量平衡相关理论，即可得到热舒适参数，从而将该系统应用到热舒适评价当中，如：基于A.P.Gagge等人1974年提出的两节点人体热量平衡模型(Two-node Model)，可计算标准有效温度SET*；以Peter 在1986年提出、1999年完善的慕尼黑人体热量平衡模型(MEMI Model：Munich Energy Balance Model forIndividualsmodel)为基准，从而计算得到生理等效温度PET；或采用在2011年Peter 等人提出的UTCI-Fiala人体温度调节多节点模型(UTCI-Fiala multi-node model ofhuman thermoregulation)得到如今新兴的一个热舒适参数—通用热气候指数UTCI。如今，可以将本实施方式中计算得到的平均辐射温度、空气温湿度、风速、人体基本情况作用输入量，使用Rayman等计算机软件方便快捷地对以上热舒适参数进行计算。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是，朝向上方向和下方向的四个辐射通量密度传感器(辐射通量密度传感器指的是包含长波辐射通量密度传感器与短波辐射通量密度传感器，因此上下总共是四个)位于支持框架1-1在H高度平面的中部，其他朝向东、西、南、北方向的八个辐射通量密度传感器均位于支持框架1-1的四周并朝向外；这样能够保证所有的辐射通量密度传感器都不会被遮挡干扰。朝向东、西、南、北方向的八个辐射通量密度传感器中，任意相邻两个之间的距离在0.3m～0.5m之间；该间距不过大也不过小，即既能满足所测三维辐射通量密度数据能代表室外条件下一个测点的要求，又达到各传感器间既互不干扰测量的目的，从而确保所采集到的数据的准确性。上方向与下方向的辐射通量密度传感器与四周的辐射通量密度传感器之间的干扰几乎可以忽略，又由于上方向与下方向的辐射通量密度传感器朝向相反，没有干扰影响，因此，上方向与下方向的四个辐射通量密度传感器只要保证在中部即可，与其他四个辐射通量密度传感器的间距没有要求，可以错位设置，也可以如图2中一样互相背靠背设置(相对于高度H，此时辐射通量密度传感器的高度可以忽略，认为互相背靠背设置的上方向和下方向的辐射通量密度传感器皆位于H高度处)。
其他步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二不同的是，所述高度H为1.1米，符合研究热舒适时的测量高度要求。
其他步骤及参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一不同的是，所述支持框架1-1底部设置有万向轮1-2，用于实现数据采集端1的移动、多点测量。
其他步骤及参数与具体实施方式一、二或三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同的是，本发明系统还包括供电装置4；所述供电装置4用于为数据记录端2的辐射通量密度记录仪提供电能支持，本实施方式中的供电装置4采用太阳能供电装置，由太阳能电池板、蓄电池和连接线组成，也是本发明实现可移动功能的重要组成部分。
其他步骤及参数与具体实施方式一、二、三或四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式五不同的是，所述对导入的辐射通量密度数据进行处理获得平均辐射温度的具体方法为，采用Peter教授在1992年提出的六方向法进行如下计算获得Tmrt：
其中，
式中，Tmrt：平均辐射温度，℃；人体吸收的总短波辐射通量密度，W/m2；人体吸收的总长波辐射通量密度，W/m2；αl：人体对长波辐射的吸收率，也即长波辐射发射率，0.97；σ：史蒂芬·玻尔兹曼常数，5.67*10-8W/(m2·K4)；αk：人体对短波辐射的吸收率，0.7；Wi：人体对六个方向的视角系数，上、下方向取0.06，东、西、南、北方向取0.22；Ki：传感器测得的短波辐射通量密度，W/m2；Li：传感器测得的长波辐射通量密度，W/m2；i＝1,...,6。
其他步骤及参数与具体实施方式一、二、三、四或五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式六不同的是，所述辐射通量密度记录仪能够实时显示辐射通量密度数值。
其他步骤及参数与具体实施方式六相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式七不同的是，所述热舒适参数包括标准有效温度(SET*：Standard Effective Temperature)、生理等效温度(PET：Physiological Equivalent Temperature)、通用热气候指数(UTCI：Universal ThermalClimate Index)等。
其他步骤及参数与具体实施方式七相同。
实施例
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
数据采集端采集数据地点为：哈尔滨工业大学二校区校园内某实验楼前；
数据采集端采集数据时间为：2017年11月25日8:30～16:00期间；
设置记录间隔：10分钟；
数据处理：将所测试数据做小时平均处理，采用Rayman软件计算热舒适参数PET、SET*及UTCI；
如图6为数据记录端记录的短波辐射通量密度曲线图；如图7为数据记录端记录的长波辐射通量密度曲线图；
如图8为本发明计算得到的平均辐射温度与国际上通常采用三套可同时测量两个方向长、短波辐射通量密度的CNR4辐射传感器来实现的技术测得的平均辐射温度对比曲线图；
通过图8可以看出，本发明与现有最先进的技术相比，准确度基本相当。并且最终能够得到对应的热舒适参数，如图9所示。
本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于三维辐射环境的热舒适测评系统，其特征在于，所述一种基于三维辐射环境的热舒适测评系统包括：数据采集端、数据记录端、数据处理端；
所述数据采集端包括，支持框架、六个长波辐射通量密度传感器以及六个短波辐射通量密度传感器；支持框架在同一高度H的上、下、东、西、南、北六个方向上，分别各设置一个长波辐射通量密度传感器和一个短波辐射通量密度传感器，长波辐射通量密度传感器和短波辐射通量密度传感器用于辐射通量密度数据的采集；
所述数据记录端包括，辐射通量密度记录仪和设备通讯模块；
所述数据采集端采集的辐射通量密度数据通过设备通讯模块传递至辐射通量密度记录仪，所述辐射通量密度记录仪用于记录和存储所获得的辐射通量密度数据；同时，数据记录端能够根据需要设置数据采集端的采样间隔；
数据处理端包括服务器和移动储存模块，从数据记录端获得的辐射通量密度数据通过移动储存模块导入到服务器中，服务器用于对导入的辐射通量密度数据进行处理获得平均辐射温度，并利用平均辐射温度获得热舒适参数。
2.根据权利要求1所述一种基于三维辐射环境的热舒适测评系统，其特征在于，朝向上方向和下方向的四个辐射通量密度传感器位于支持框架在H高度平面的中部，其他朝向东、西、南、北方向的八个辐射通量密度传感器均位于支持框架的四周并朝向外；朝向东、西、南、北方向的八个辐射通量密度传感器中，任意相邻两个之间的距离在0.3m～0.5m之间。
3.根据权利要求2所述一种基于三维辐射环境的热舒适测评系统，其特征在于，所述高度H为1.1米。
4.根据权利要求1所述一种基于三维辐射环境的热舒适测评系统，其特征在于，所述支持框架底部设置有万向轮。
5.根据权利要求4所述一种基于三维辐射环境的热舒适测评系统，其特征在于，还包括供电装置；所述供电装置用于为数据记录端的辐射通量密度记录仪提供电能支持，供电装置采用太阳能供电装置。
6.根据权利要求1～5任意一项所述的一种基于三维辐射环境的热舒适测评系统，其特征在于，所述对导入的辐射通量密度数据进行处理获得平均辐射温度的具体方法为，采用六方向法进行如下计算获得Tmrt：
其中，
式中，Tmrt：平均辐射温度；人体吸收的总短波辐射通量密度；人体吸收的总长波辐射通量密度；αl：人体对长波辐射的吸收率，也即长波辐射发射率，0.97；σ：史蒂芬·玻尔兹曼常数，5.67*10-8W/(m2·K4)；αk：人体对短波辐射的吸收率，0.7；Wi：人体对六个方向的视角系数，上、下方向取0.06，东、西、南、北方向取0.22；Ki：传感器测得的短波辐射通量密度；Li：传感器测得的长波辐射通量密度；i＝1,...,6。
7.根据权利要求6所述一种基于三维辐射环境的热舒适测评系统，其特征在于，所述辐射通量密度记录仪能够实时显示辐射通量密度数值。
8.根据权利要求7所述一种基于三维辐射环境的热舒适测评系统，其特征在于，所述热舒适参数包括标准有效温度SET*、生理等效温度PET、通用热气候指数UTCI。
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