CN113074818A - 通过红外热成像从室外快速获取室内空气温度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出的一种通过红外热成像从室外快速获取室内空气温度的方法，包括：获取被测房间所属建筑的环境参数并获取被测房间外窗窗洞的红外图像；若获取的红外图像中窗户开窗区域的开度大于等于开度设定阈值，并且窗户开窗区域的开度满足红外相机的分辨率要求，则使用开窗区域温度计算室内温度，即将红外图像中开窗区域的红外温度场的温度平均值作为开窗前的室内空气温度；若获取的红外图像中窗户完全关闭，并且窗户玻璃表面无明显反光现象，则利用有效关窗窗户的温度并基于传热模型计算室内空气温度。本发明可利用红外热成像技术通过房间外窗来获得室内空气温度信息，实现在无需入户情况下，快速、无接触地准确测量室内空气温度。

Description

通过红外热成像从室外快速获取室内空气温度的方法

技术领域

本发明属于建筑节能诊断技术领域，特别涉及一种通过红外热成像从室外快速获取室 内空气温度的方法。

背景技术

对于北方地区冬季集中供热系统，室内空气温度是评价供热质量的重要指标。由于供 热系统不平衡问题，用户室内常出现过热或过冷现象，导致室内供热环境不舒适。并且过 热时用户常采用开窗降温的方法，进一步导致能源浪费。目前大多数室温监测设备具有入 户难，投资成本高的特点，因而快速、便捷地获得用户室内空气温度信息是实现集中供热 系统节能诊断的关键。红外热成像(Infrared Thermography,IRT)作为非破坏性技术之一， 可观察物体表面发出的红外辐射的强度分布，在现有的建筑物能源审计中，红外热像技术 已应用于快速识别与结构特征、建筑材料和能源相关的缺陷问题，如热桥、空气泄漏点、 水分渗透、保温脱落等，从而提高解决问题的效率。但是，目前在我国的集中供热领域中 应用红外热像技术的实践案例，仍限制在供热管道的泄漏检测，有关实际供热效果的快速 评估方面仍是空白状态。

发明内容

本发明的目的是从室外快速批量获取室内温度信息，提出一种通过红外热成像从室外 快速获取室内空气温度的方法，本发明具有快速、非接触式测量的优点。本发明首次将红 外热像技术应用于用户室内供热质量评估，提出了一种从室外通过外窗温度信息快速、便 捷地获得用户室温数据的方法，为集中供热系统的节能诊断提供数据支撑。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提出的一种通过红外热成像从室外快速获取室内空气温度的方法，其特征在 于，包括以下步骤：

1)获取被测房间所属建筑的环境参数并获取被测房间外窗窗洞的红外图像；其中， 所述环境参数包括环境反射温度、室外空气温度和室外风速；

2)判断各窗户是否满足利用开窗区域温度计算室内温度的条件

如果获取的红外图像中窗户开窗区域的开度大于或者等于开度设定阈值，并且窗户开 窗区域的开度满足红外相机的分辨率要求，则判定满足利用开窗区域温度计算室内温度的 条件，执行步骤3)；

如果获取的红外图像中窗户完全关闭，并且窗户玻璃表面无明显反光现象，则判定窗 户为有效关窗窗户，执行步骤4)；

如果上述条件均不满足，则该窗户的温度信息无效，应重新拍摄直至满足上述任一条件；

3)对获取的红外图像进行处理，得到该红外图像中开窗区域的红外温度场的温度平 均值，将此作为开窗前的室内空气温度；

4)利用有效关窗窗户的温度计算室内空气温度，具体步骤如下：

4.1)对获取的红外图像进行处理，得到该红外图像中有效关窗窗户的红外温度场的温 度平均值；根据窗户的发射率以及步骤1)获得的环境反射温度和室外空气温度，对得到 的有效关窗窗户温度的平均值进行修正，得到有效关窗窗户的外表面温度；

4.2)根据传热模型计算室内空气温度并输出，所述方法结束；

所述传热模型的计算公式如下：

q_conv，a-si＝q_{conv，se-amb}+q_rad，se-sky+q_rad，se-gnd (1)

q_conv，a-si＝K_window·(T_a-T_amb) (2)

q_{conv，se-amb}＝h_c·(T_surf，ext-T_amb) (3)

q_rad，se-sky＝0.5ε·σ·(T_surf，ext ⁴-T_sky ⁴) (4)

q_rad，se-gnd＝0.5ε·σ·(T_surf，ext ⁴-T_ground ⁴) (5)

h_c＝0.365V_wind+4.967 (6)

T_sky＝T_amb-6 (7)

T_ground＝0.89T_amb+2.25 (8)

式中：

q_conv，a-si为室内空气向外窗内表面的对流换热热流系数；

q_{conv，se-amb}为外窗外表面向室外空气的对流换热热流系数；

q_rad，se-sky为外窗外表面向天空的长波辐射换热热流系数；

q_rad，se-gnd为外窗外表面向地面的长波辐射换热热流系数；

T_ground，T_sky，T_amb，T_surf，ext，T_a分别为地面温度，天空温度，室外空气温度，有效关 窗窗户外表面温度和室内空气温度；

V_wind为室外风速；

h_c为室外壁面对流换热系数，ε为单扇窗户外表面发射率，σ为斯蒂芬玻尔兹曼常数， K_window为单扇窗户的传热系数；

所述传热模型的输入参数为：步骤1)获取的室外空气温度T_amb和室外风速V_wind，步骤4.1)得到的有效关窗窗户外表面温度T_surf，ext，以及窗户传热系数K_window；所述传热 模型的输出参数为：室内空气温度T_a。

本发明的特点及有益效果：

本发明所涉及的技术特点为快速和无接触，这两个特点使得红外热成像技术可以实现 从室外快速获取各住户的室内温度分布情况。本发明首次将红外热成像技术应用于从室外 获取室内空气温度，提出利用红外热成像技术通过用户外窗(开窗和不开窗均适用)来获 得室内空气温度信息的方法。从而实现在无需入户情况下，快速、无接触地准确测量室内 空气温度。

根据该技术特点所带来的有益效果包括：操作简单，缩短时间，节省人力物力等，无 需入户就能通过红外图像获得室内空气温度信息；进一步地，通过建筑外立面的红外图像 即可呈现不同住户的室温差异，从而迅速抓取室内温度的时空分布特征，实现对集中供热 效果的快速评估，为集中供热系统的节能诊断提供数据支撑。

附图说明

图1是本发明提出的一种通过红外热成像从室外快速获取室内空气温度的方法的整体 流程图；

图2是本发明实施例中采用的传热模型的原理示意图。

图3为验证本发明有效性进行的实验示意图。

图4为在8种不同的窗户开度下测量的建筑外立面的红外图像。

图5为验证本发明有效性进行的实验得到的实验温度数据图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发 明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明， 并不限定本发明的保护范围。

为了更好地理解本发明，以下详细阐述本发明提出的一种通过红外热成像从室外快速 获取室内空气温度的方法的应用实例。

参见图1，本发明的一种通过红外热成像从室外快速获取室内空气温度的方法包括以 下步骤：

1)获取被测房间所属建筑的环境参数并获取被测房间外窗窗洞的红外图像，为了避 免太阳直射影响测量结果，所述环境参数、红外图像均在无太阳直射的条件下(如夜间或 阴天)获取。具体步骤如下：

1.1)获取被测房间所属建筑的环境参数

获取被测房间所属建筑的环境参数包括环境反射温度、室外空气温度和室外风速，具 体过程包括：

将一张弄皱的铝箔纸展开贴在被测房间的建筑外立面上，在红外相机上将辐射率设置 为1.0，拍摄铝箔纸的红外图像，并在红外相机上直接读取铝箔纸的红外温度，该值即为 环境反射温度，在红外相机上设置环境反射温度。用温度传感器测量室外空气温度，读取 数值后在红外相机上设置室外空气温度。用风速仪测量室外风速以用于后续传热模型的构 建。

1.2)获取被测房间外窗窗洞的红外图像

将建筑无遮挡的外立面上需要获取室内温度的房间外窗窗洞作为拍摄对象(拍摄对象 可以是多个房间的外窗洞)；在红外相机上设置合适的拍摄距离(小于10米)以确保平视 拍摄能得到拍摄对象的清晰、完整的红外图像；在红外相机上设置发射率，建议取值范围 为0.9～0.97；利用红外相机以设置的拍摄距离和发射率获取拍摄对象的红外图像。

2)判断各窗户是否满足使用开窗区域温度计算室内温度的条件

如果获取的红外图像中窗户开窗区域的开度大于或者等于开度设定阈值(本实施例中 该开度设定阈值为35％)，并且窗户开窗区域的开度区域满足红外相机的分辨率要求，满 足后续红外温度场计算的准确性，则判定满足使用开窗区域温度计算室内温度的条件，执 行步骤3)。

如果获取的红外图像中窗户完全关闭，并且窗户玻璃表面无明显反光现象(即窗户玻 璃表面温度场均匀)，则判定窗户为有效关窗窗户，则执行步骤4)。

如果上述条件均不满足(例如获取的红外图像中窗户开窗区域的开度小于开度设定阈 值，或者窗户玻璃表面存在明显的反光现象)，则该窗户的温度信息无效，应重新拍摄直 至满足上述任一条件。

3)利用开窗区域的温度计算室内空气温度

区域将获取的红外图像输入红外图像处理软件(本实施例中采用红外相机自带的图像 处理软件)，得到该红外图像中开窗区域的红外温度场的温度平均值。

开窗情况下，开窗区域的红外温度场的温度平均值(开窗窗户的计算温度)对应窗户 对面的内墙温度，而在室内热环境稳定的情况下，内墙温度与开窗前的室内空气温度近乎 一致，则将得到的开窗区域的红外温度场的温度平均值作为开窗前的室内空气温度，误差 在±1K以内。

4)利用有效关窗窗户的温度计算室内空气温度

4.1)获取有效关窗窗户的温度平均值

将获取的红外图像输入红外图像处理软件(本实施例中采用红外相机自带的图像处理 软件)，得到该红外图像中有效关窗窗户的红外温度场的温度平均值。

根据表1选择该窗户的发射率ε以及传热系数K_window，再根据窗户的发射率以及步骤 1)获得的环境反射温度和室外空气温度，对得到的有效关窗窗户温度的平均值进行修正， 得到有效关窗窗户外表面温度。

表1外窗发射率和传热系数查询

4.2)根据传热模型计算室内空气温度

传热模型的原理示意图参见图2，选定窗户的传热系数后，根据有效关窗窗户的外表 面温度即可通过传热模型计算室内空气温度。

利用模拟软件(如MATLAB,EES,MODELICA等)构建传热模型，传热模型的具体 公式如下：

q_conv，a-si＝q_{conv，se-amb}+q_rad，se-sky+q_rad，se-gnd (1)

q_conv，a-si＝K_window·(T_a-T_amb) (2)

q_{conv，se-amb}＝h_c·(T_surf，ext-T_amb) (3)

q_rad，se-sky＝0.5ε·σ·(T_surf，ext ⁴-T_sky ⁴) (4)

q_rad，se-gnd＝0.5ε·σ·(T_surf，ext ⁴-T_ground ⁴) (5)

h_c＝0.365V_wind+4.967 (6)

T_sky＝T_amb-6 (7)

T_ground＝0.89T_amb+2.25 (8)

式中：

q_conv，a-si为室内空气向外窗内表面的对流换热热流系数；

q_{conv，se-amb}为外窗外表面向室外空气的对流换热热流系数；

q_rad，se-sky为外窗外表面向天空的长波辐射换热热流系数；

q_rad，se-gnd为外窗外表面向地面的长波辐射换热热流系数；

T_ground，T_sky，T_amb，T_surf，ext以及T_a依次为地面温度，天空温度，室外空气 温度，有效关窗窗户外表面温度以及室内空气温度；

V_wind为室外风速；

h_c为室外壁面对流换热系数，ε为外窗外表面发射率，σ为斯蒂芬玻尔兹曼常数，值为5.67·10^-8，K_window为单扇窗户的传热系数。

传热模型的输入参数为：室外空气温度T_amb，室外风速V_wind，有效关窗窗户外表面温度T_surf，ext，以及窗户传热系数K_window。其中室外空气温度T_amb以及室外风速V_wind由 步骤1.1)获取，有效关窗外表面温度T_surf，ext由步骤4.1)获得，单扇窗户的传热系数K_windo在步骤4.1)中根据表1查询得出。通过传热模型模拟，最终输出参数T_a即为室内空气温度 值，本方法结束。

进一步地，本发明中各设定值的具体取值需要考虑建筑所处环境的环境参数以及本发 明方法的容差率等因素。

下面通过实验验证本发明方法的有效性：

为了验证在开窗情况下开窗区域获取的红外热成像温度与开窗前实测室内空气温度 的关联性，在实验房间的供热工况下，对不同窗户开度拍摄的准确性进行了实验验证，对 该方法的测量精度及可行性进行分析。

实验所用房间如图4所示，房间尺寸为3m×3m×3m，房间供热末端为风机盘管，在房 间内布置了室内空气温度以及内墙表面温度测点，室外布置了室外空气温度监测点，各类 温度传感器均采用热电阻Pt100。在外窗洞旁边的外墙上贴设揉皱的铝箔纸，以辅助后续 便室外环境反射温度的获取。

考虑到外窗洞处温度应与室内空气温度和内墙表面温度有关联，选择8个不同的窗户 开度(分别是5％、10％、15％、20％、35％、50％、75％和100％)对墙体外立面进行快速拍摄。在图像处理的过程中，由于室外空气温度随时间而变化，导致环境反射温度也随之产生变化，因此每次处理红外图像时对环境反射温度进行了实时修正。将获得的红外温度与温度传感器实测值进行对比，实验结果及对应的数据表格在图5和表2中展示。

表2开窗实验数据表

通过分析图表可以看出：

1)在冬季供热时，开窗前的室内空气温度更能反映冬季供热室内环境情况，但开窗 后室内空气温度迅速下降，无法真实反映室内过热的情况，而内墙温度相对稳定；当窗户 开度大于35％时，通过开窗区域获得的红外温度值趋近于窗户对面的内墙温度值，红外温 度与实测内墙温度误差的绝对值小于0.5K。进一步地，在窗户开度大于35％时，红外温度 与开窗前(开度0％)的空气温度误差的绝对值小于1K。

2)在房间长时间采暖的情况下，内墙温度与空气温度非常接近，因此通过该方法获 得的红外测试温度能较为准确地反映开窗前的空气温度值，误差在±1K以内。

3)该方法能从室外快速、便捷地获取用户室内空气温度信息，且误差范围在±1K以 内，因此利用红外热成像技术获取室内空气温度有较高可行性。

综上所述，本发明首次将红外热像技术应用于用户室内供热质量评估，提出了一种从 室外通过窗户信息快速、无接触地获得用户室温数据的方法，为集中供热系统的节能诊断 提供数据支撑。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本 发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所 记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换， 并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (3)

1.一种通过红外热成像从室外快速获取室内空气温度的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)获取被测房间所属建筑的环境参数并获取被测房间外窗窗洞的红外图像；其中，所述环境参数包括环境反射温度、室外空气温度和室外风速；

2)判断各窗户是否满足利用开窗区域温度计算室内温度的条件

如果获取的红外图像中窗户开窗区域的开度大于或者等于开度设定阈值，并且窗户开窗区域的开度满足红外相机的分辨率要求，则判定满足利用开窗区域温度计算室内温度的条件，执行步骤3)；

如果获取的红外图像中窗户完全关闭，并且窗户玻璃表面无明显反光现象，则判定窗户为有效关窗窗户，执行步骤4)；

如果上述条件均不满足，则该窗户的温度信息无效，应重新拍摄直至满足上述任一条件；

3)对获取的红外图像进行处理，得到该红外图像中开窗区域的红外温度场的温度平均值，将此作为开窗前的室内空气温度；

4)利用有效关窗窗户的温度计算室内空气温度，具体步骤如下：

4.1)对获取的红外图像进行处理，得到该红外图像中有效关窗窗户的红外温度场的温度平均值；根据窗户的发射率以及步骤1)获得的环境反射温度和室外空气温度，对得到的有效关窗窗户温度的平均值进行修正，得到有效关窗外表面温度；

4.2)根据传热模型计算室内空气温度并输出，所述方法结束；

所述传热模型的计算公式如下：

q_conv，a-si＝q_{conv，se-amb}+q_rad，se-sky+q_rad，se-gnd (1)

q_conv，a-si＝K_window·(T_a-T_amb) (2)

q_{conv，se-amb}＝h_c·(T_surf，ext-T_amb) (3)

q_rad，se-sky＝0.5ε·σ·(T_surf，ext ⁴-T_sky ⁴) (4)

q_rad，se-gnd＝0.5ε·σ·(T_surf，ext ⁴-T_ground ⁴) (5)

h_c＝0.365V_wind+4.967 (6)

T_sky＝T_amb-6 (7)

T_ground＝0.89T_amb+2.25 (8)

式中：

q_conv，a-si为室内空气向外窗内表面的对流换热热流系数；

q_{conv，se-amb}为外窗外表面向室外空气的对流换热热流系数；

q_rad，se-sky为外窗外表面向天空的长波辐射换热热流系数；

q_rad，se-gnd为外窗外表面向地面的长波辐射换热热流系数；

T_ground，T_sky，T_amb，T_surf，ext，T_a分别为地面温度，天空温度，室外空气温度，有效关窗窗户外表面温度和室内空气温度；

V_wind为室外风速；

h_c为室外壁面对流换热系数，ε为单扇窗户外表面发射率，σ为斯蒂芬玻尔兹曼常数，K_window为单扇窗户的传热系数；

所述传热模型的输入参数为：步骤1)获取的室外空气温度T_amb和室外风速V_wind，步骤4.1)得到的有效关窗窗户外表面温度T_surf，ext，以及窗户传热系数K_window；所述传热模型的输出参数为：室内空气温度T_a。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1)中，所述环境参数和红外图像均在无太阳直射的条件下获取。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤2)中，所述开度设定阈值取为35％。

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