CN116298379A - 测量室外风速与辐射的方法、装置、设备及存储介质 - Google Patents

测量室外风速与辐射的方法、装置、设备及存储介质 Download PDF

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CN116298379A CN202310580503.XA CN202310580503A CN116298379A CN 116298379 A CN116298379 A CN 116298379A CN 202310580503 A CN202310580503 A CN 202310580503A CN 116298379 A CN116298379 A CN 116298379A
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    • Y02A90/10—Information and communication technologies [ICT] supporting adaptation to climate change, e.g. for weather forecasting or climate simulation

Abstract

本发明公开了测量室外风速与辐射的方法、装置、设备及存储介质，属于室外热环境监测领域，包括以下步骤：标定频域阈值‑计算风速和辐射：利用双色球形温度计组中的黑球温度计和亮面球温度计分别采集黑球全日温度时间序列、亮面球全日温度时间序列，同时借助气温测量设备采集室外空气全日温度时间序列‑以频域阈值为滤波阈值，以滤波方法对各温度时间序列进行塔式信号分解，进而计算风速‑根据高阶热平衡理论，带入风速中频分量，计算平均辐射温度。本发明采用上述测量室外风速与辐射的方法、装置、设备及存储介质，仅需测量温度这一种形式的信号，使黑球温度计的应用摆脱对独立风速计的依赖。

Description

测量室外风速与辐射的方法、装置、设备及存储介质
技术领域
本发明涉及室外热环境监测技术领域，尤其涉及测量室外风速与辐射的方法、装置、设备及存储介质。
背景技术
平均辐射温度（Mean Radiant Temperature,MRT）是评估室外热舒适与热安全的关键环境参数。其为一个理论假设参数，物理定义是：与实际环境对人体产生的总辐射（包括长波辐射与短波辐射）传热作用相等的假想黑体环境的平均表面温度。上述定义可用以下公式表示。
Figure SMS_1
（公式a）
式中，
Figure SMS_4
是斯蒂芬玻尔兹曼常数，/>
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；/>
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是平均辐射温度，单位为/>
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；/>
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是平均短波辐射通量，单位为/>
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；L是平均长波辐射通量，单位为/>
Figure SMS_11
。
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、/>
Figure SMS_6
、/>
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分别为被研究对象的短波发射率、长波发射率和环境发射率。
一方面，黑球温度计是测量日间室外环境平均辐射温度的常用工具，该方法用黑色球体模拟人体，基于黑球系统瞬态热平衡假设计算平均辐射温度。瞬态热平衡假设是指认为每一个瞬间球壳外表面的对流换热与辐射传热之和为零，其表达式如下：
Figure SMS_12
（公式b）
式中，
Figure SMS_13
是球体外表面强迫对流换热系数，其根据Hey, E在《Small GlobeThermometers. Journal of Physics E: Scientific Instruments》给出的球体对流换热经验公式/>
Figure SMS_14
计算可得；/>
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是黑球空腔气温，单位为/>
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；/>
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是室外空气温度，单位为/>
Figure SMS_18
；
同时根据ISO7726推荐采用直径D=0.15m、表面发射率
Figure SMS_19
的黑球温度计，将公式a代入公式b，此时平均辐射温度的计算式为公式c：
Figure SMS_20
（公式c）
式中，
Figure SMS_21
是室外风速，单位为/>
Figure SMS_22
。
上述三个参数属于温度与风速两种不同形式的信号，除温度记录装置外还需单独的风速计。平均辐射温度的测量过程在仪器布置与信号采集方面都颇为不便。
另一方面，现有技术条件下通过黑球温度计测算出的室外平均辐射温度离散误差非常明显（黑球温度计方法将剧烈波动的室外风速与相对平稳的辐射强行带入热平衡公式b是造成平均辐射温度计算结果离散误差过大的根本原因）。这是由于室外风速与辐射的主导周期明显不同，室外风速是一种相对高频信号，而辐射是一种相对低频信号。受制造工艺限制黑球温度计的系统热容较大，且室外风速波动非常剧烈，瞬态热平衡假设在室外条件下根本不能成立，真实的黑球表面换热情况应为非稳态过程，其表达式如下：
Figure SMS_23
（公式d）
式中，
Figure SMS_24
是黑球温度计的系统热容，单位是/>
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；/>
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是球壳外表面积，单位是/>
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；
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是时间，单位是/>
Figure SMS_29
；
可知，黑球温度计对室外环境参数的热响应是一个非常复杂的过程，黑球空腔气温（
Figure SMS_30
）作为风速与辐射的因变量携带丰富的隐含信息。比如通过简单的观测可以发现，环境辐射越强黑球温度信号的局部震荡越剧烈、波动幅度越大。这是因为白天太阳光照射在黑球温度计上使其温度升高，模拟热球风速仪的电加热功能，黑球温度计对风速的波动更加敏感。由此可见/>
Figure SMS_31
本身携带了风速的信息，但是其表现被辐射调节。
综上可知，现有利用黑球温度计测量平均辐射温度的技术对黑球温度的时间序列缺乏具体的、分层次的认识，具有以下缺陷：
1、忽略了黑球温度时间序列中表现出的风速信息，尤其是缺乏对其频域特性的分解与利用；
2、需依赖单独的风速计，测量过程复杂；
3、测量结果精度低，离散误差显著。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种测量室外风速与辐射的方法、装置、设备及存储介质，仅需测量温度这一种形式的信号，使黑球温度计的应用摆脱对独立风速计的依赖，从而可直接用于定点室外风速、辐射测量；且由于其硬件系统简单经济，也适用于大范围、多点位的室外热环境评估与监控。
为实现上述目的，本发明提供了测量室外风速与辐射的方法，包括以下步骤：
S1、基于辐射与风速对双色球形温度计组的主导影响表现在互不重合的频域，标定频域阈值，将傅里叶周期依次划分为高频与次高频之间的阈值
Figure SMS_32
、次高频与中频之间的阈值/>
Figure SMS_33
以及中频与低频之间的阈值/>
Figure SMS_34
；
S2、计算风速和辐射：
S21、利用双色球形温度计组中的黑球温度计和亮面球温度计分别采集黑球全日温度时间序列、亮面球全日温度时间序列，同时借助气温测量设备采集室外空气全日温度时间序列，采样频率均为0.1Hz；
S22、以
Figure SMS_35
、/>
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、/>
Figure SMS_37
为滤波阈值，将采集的黑球全日温度时间序列、亮面球全日温度时间序列以及室外空气全日温度时间序列，以滤波方法进行塔式信号分解，进而计算风速；
S23、根据高阶热平衡理论，带入风速中频分量，计算平均辐射温度。
优选的，步骤S1中所述的
Figure SMS_38
、/>
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、/>
Figure SMS_40
的具体数值由黑球温度计的系统热容决定，其与时间常数有关。
优选的，步骤S1具体包括以下步骤：
S11、通过相关性分析标定阈值
Figure SMS_41
：
S111、将双色球形温度计组移至风洞中，利用风洞模拟室外风速与辐射条件；
S112、记录风速与黑球温度；
S113、对时间序列做不同窗宽的滑动平均后下采样处理，生成频率与黑球温度相同的时间序列；
S114、计算黑球温度与时间序列的Spearman相关系数；
S115、得到使Spearman相关系数最接近-1的窗宽，即为
Figure SMS_42
的阈值，且/>
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介于/>
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与
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之间，/>
Figure SMS_46
是黑球温度计的时间常数；
S12、通过时频分析标定阈值
Figure SMS_47
：
S121、以
Figure SMS_48
为窗滑动平均后下采样处理，获得数据频率与黑球温度相同的风速时间序列；
S122、对黑球温度和风速时间序列使用Morlet小波做交叉小波能量谱，以红噪声检验标定95%置信区间所在频域范围为二者的共有周期；
S123、对黑球温度和风速时间序列做小波相干，标定95%置信区间所在频域范围为二者的趋势互锁频域；
S124、将共有周期与趋势互锁频域中的共同部分标记出来，此频域范围为黑球温度和风速时间序列的耦合频域；
S125、耦合频域的最低频对应的傅里叶周期为阈值
Figure SMS_49
；
S13、根据公式
Figure SMS_50
，计算阈值/>
Figure SMS_51
。
优选的，步骤S22具体包括以下步骤：
S221、将全日周期0:00-24:00连续测量获得的0.1Hz各温度时间序列记为：黑球温度
Figure SMS_52
、亮面球温度/>
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、室外空气温度/>
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S222、以滤波方法进行塔式信号分解，以
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为阈分别将黑球温度/>
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、亮面球温度/>
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、室外空气温度/>
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分解成若干个相对低频分量与相对高频分量；
S223、计算平均风速：
定义：
辐射指数
Figure SMS_61
（1）
中频风速指数
Figure SMS_62
（2）
次高频风速指数
Figure SMS_63
（3）
式中，脚标
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、/>
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分别表示参数经塔式分解后以/>
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为阈的中低频分量和次高频分量；脚标/>
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表示参数经塔式分解后以/>
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为阈的低频分量；/>
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、/>
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为经风洞实验拟合的中频风速系数；/>
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、/>
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为经风洞实验拟合的次高频风速系数；
则有：
风速中频分量
Figure SMS_73
（4）
风速次高频分量
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（5）
进而得到以
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为平均窗的平均风速/>
Figure SMS_76
（6）。
优选的，步骤S23具体包括以下步骤：
根据高阶热平衡理论，代入风速中频分量
Figure SMS_77
，计算平均辐射温度MRT：
Figure SMS_78
（7）
式中，
Figure SMS_79
是斯蒂芬玻尔兹曼常数；
其中，
Figure SMS_80
，表示黑球形温度计经风洞实验拟合的高阶对流换热系数公式。
测量室外风速与辐射的方法的装置，包括双色球形温度计组和气温测量设备，双色球形温度计组包括黑球温度计和亮面球温度计；
黑球温度计和亮面球温度计均包括由上到下依次设置的球壳、隔热材料和支撑杆，球壳内部设置有测温探点，测温探点与测温元件的一端连接，测温元件的另一端依次穿过隔热材料和支撑杆后连接温度记录仪；
其需满足以下条件：
条件一：黑球温度计和亮面球温度计的结构、尺寸相同、系统热容均相等；
条件二：黑球温度计与亮面球温度计的表面发射率满足以下公式：
Figure SMS_81
；
式中，
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、/>
Figure SMS_83
分别为黑球温度计的长波发射率、短波发射率；/>
Figure SMS_84
、/>
Figure SMS_85
分别为亮面球温度计的长波发射率、短波发射率；
条件三：黑球温度计的球壳表面和亮面球温度计的球壳表面分别施哑光黑漆、亮面表面处理工艺，且施加表面处理工艺后的黑球温度计与亮面球温度计的表面发射率满足以下公式：
Figure SMS_86
；
式中，
Figure SMS_87
表示黑球温度计吸收的环境辐射为亮面球温度计的/>
Figure SMS_88
倍；
条件四：黑球温度计和亮面球温度计在每个时刻的对流换热系数均相同，且仅与该时刻的空气流速有关；
条件五：黑球温度计的球壳的球心和亮面球温度计的球壳的球心位于同一水平面上，且间距范围为5～10D，D为球壳的直径，二者角系数小于1%；
条件六：双色球形温度计组和气温测量设备的采样频率均为0.1Hz，精度均不低于±0.5℃。
优选的，测温元件为k型热电偶，测温探点位于球壳的球心；
球壳由导热系数大于铝的金属制成；球壳的球壁厚度小于1mm；
当双色球形温度计组仅用于测量室外平均风速时，球壳直径D≤0.02m；
当双色球形温度计组用于测量室外平均风速和室外平均辐射温度时，球壳直径为0.04m。
优选的，还包括与黑球温度计或者亮面球温度计的尺寸、结构、系统热容相同的白球温度计，用于根据计算出的风速中频分量
Figure SMS_89
作为输入量，进而测算室外环境的长波辐射通量/>
Figure SMS_90
和短波辐射通量/>
Figure SMS_91
。
一种计算机设备，该计算机设备包括：至少一个处理器、存储器以及存储在存储器中并可在至少一个处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述测量室外风速与辐射的方法。
一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述测量室外风速与辐射的方法。
本发明具有以下有益效果：
1、使用的硬件装置无加热、转动或其他控制元件，使得其在室外应用的稳定性更强、能耗与成本更低。
2、计算结果中的风速中频分量可作为平均辐射温度计算式的输入参数，使MRT计算结果离散误差大幅降低，精度提高。
3、仅需测量温度这一种形式的信号，使黑球温度计的应用摆脱对独立风速计的依赖。
4、可同时测算室外热环境的三个关键参数（风速、气温、平均辐射温度），有潜力发展为室外热环境监测领域亟需的专业测量工具。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明的测量室外风速与辐射的方法的流程图。
图2为本发明的测量室外风速与辐射的方法的傅里叶周期分布图；
图3为本发明的测量室外风速与辐射的方法的塔式信号分解示意图；
图4为本发明的双色球形温度计组的结构示意图；
图5为本发明的实施例的黑球温度信号分解结果与风速计算结果的比较图；
图6为本发明的实施例的2分钟平均风速计算值与超声风速计测量参考值的比较图；
图7为本发明的实施例的计算误差的概率密度统计结果图。
其中：1、球壳；2、测温探点；3、隔热材料；4、支撑杆；5、测温元件。
具体实施方式
为了使本发明实施例公开的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明实施例进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本发明实施例，并不用于限定本发明实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。
需要说明的是，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或服务器不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
图1为本发明的测量室外风速与辐射的方法的流程图，如图1所示，测量室外风速与辐射的方法，包括以下步骤：
S1、基于辐射与风速对双色球形温度计组的主导影响表现在互不重合的频域，标定频域阈值，将傅里叶周期依次划分为高频与次高频之间的阈值
Figure SMS_92
、次高频与中频之间的阈值/>
Figure SMS_93
以及中频与低频之间的阈值/>
Figure SMS_94
；
图2为本发明的测量室外风速与辐射的方法的傅里叶周期分布图，由图2可知，根据信号分量的傅里叶周期将整个频域空间分成以下四个频段：
1、黑球温度计受热惯性制约不能响应风速的高频信号分量，设黑球温度计能够响应的最高频信号分量对应的傅里叶周期为
Figure SMS_95
，风速中傅里叶周期短于/>
Figure SMS_96
的信号分量在TG中无表现。
2、定义频域空间上傅里叶周期
Figure SMS_97
至/>
Figure SMS_98
的频段为次高频，此频段以风速信号分量为主，/>
Figure SMS_99
的局时不规则抖动与风速次高频分量表现出典型的镜像关系（负相关响应），但辐射在此频域范围内信号分量极少因而没有直接关系。
3、定义频域空间上傅里叶周期
Figure SMS_100
至/>
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的频段为中频，此频段/>
Figure SMS_102
是对环境辐射和风速中频分量的综合热响应。
4、定义频域空间上傅里叶周期大于
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的频段为低频，此频段以辐射为主，/>
Figure SMS_104
的主导趋势由辐射决定，但风速在此频域范围内信号分量极少因而没有直接关系。
优选的，步骤S1中所述的
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、/>
Figure SMS_107
的具体数值由黑球温度计的系统热容决定（黑球温度计的系统热容与球壳的材料、尺寸和工艺有关，系统热容越大热惯性越大，能响应的高频分量越少，响应区间朝频域的低频方向移动），其与时间常数有关。
在
Figure SMS_108
以上更长周期的频段（中频与低频），/>
Figure SMS_109
对风速和辐射的响应规律的可描述为高阶热平衡：
Figure SMS_110
；
式中，
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是平均短波辐射通量；/>
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是平均长波辐射通量；脚标/>
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表示各参数经塔式分解后以/>
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为阈的中低频分量；/>
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Figure SMS_119
分别为被研究对象的短波发射率、长波发射率和环境发射率；/>
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为球体高阶热平衡的对流换热系数，其需根据各环境参数以/>
Figure SMS_116
为阈的高频分量重新拟合。
经以上分析可知，黑球温度信号中已经包含了风速信息。根据雷诺分解原理，风速是高频分量、次高频分量与中频分量的叠加。黑球温度计受热惯性制约仅能响应其中的中频分量与次高频分量，且具有不同的热响应规律。其中，风速中频分量满足高阶热平衡关系，作为平均辐射温度的输入参数，可克服计算结果离散过大的问题；次高低频分量与中频分量叠加后其本质为时间窗宽
Figure SMS_120
的室外风速平均值，而日间平均风速恰恰是对室外人体热舒适与热安全产生直接影响的关键环境参数之一，具有重要应用价值。
优选的，步骤S1具体包括以下步骤：
S11、通过相关性分析标定阈值
Figure SMS_121
：
S111、将双色球形温度计组移至风洞中，利用风洞模拟室外风速与辐射条件；
S112、记录风速与黑球温度；
S113、对时间序列做不同窗宽的滑动平均后下采样处理，生成频率与黑球温度相同的时间序列；
S114、计算黑球温度与时间序列的Spearman相关系数；
S115、得到使Spearman相关系数最接近-1的窗宽，即为
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的阈值，且/>
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是黑球温度计的时间常数；
S12、通过时频分析标定阈值
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：
S121、以
Figure SMS_128
为窗滑动平均后下采样处理，获得风速时间序列；
S122、对黑球温度和风速时间序列使用Morlet小波做交叉小波能量谱，以红噪声检验标定95%置信区间所在频域范围为二者的共有周期；
S123、对黑球温度和风速时间序列做小波相干，标定95%置信区间所在频域范围为二者的趋势互锁频域；
S124、将共有周期与趋势互锁频域中的共同部分标记出来，此频域范围为黑球温度和风速时间序列的耦合频域；
S125、耦合频域的最低频对应的傅里叶周期为阈值
Figure SMS_129
；
S13、根据公式
Figure SMS_130
，计算阈值/>
Figure SMS_131
。
S2、计算风速和辐射：
S21、利用双色球形温度计组中的黑球温度计和亮面球温度计分别采集黑球全日温度时间序列、亮面球全日温度时间序列，同时借助气温测量设备采集室外空气全日温度时间序列，采样频率均为0.1Hz；
图3为本发明的测量室外风速与辐射的方法的塔式信号分解示意图，如图3所示，S22、以
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Figure SMS_134
为滤波阈值，将采集的黑球全日温度时间序列、亮面球全日温度时间序列以及室外空气全日温度时间序列，以滤波方法进行塔式信号分解，生成若干个相对低频分量与相对高频分量（此处的相对低频分量为approximation（信号相似），相对高频分量为detail（信号细节），且下一级的approximation和detail的和等于上一级信号），进而计算风速；
优选的，步骤S22具体包括以下步骤：
S221、将全日周期0:00-24:00连续测量获得的0.1Hz各温度时间序列记为：黑球温度
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为阈分别将黑球温度/>
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分解成若干个相对低频分量与相对高频分量；
S223、计算平均风速：
定义：
辐射指数
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（1）
中频风速指数
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次高频风速指数
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Figure SMS_155
为经风洞实验拟合的中频风速系数；/>
Figure SMS_147
、/>
Figure SMS_150
为经风洞实验拟合的次高频风速系数；
则有：
风速中频分量
Figure SMS_156
（4）
风速次高频分量
Figure SMS_157
（5）
进而得到以
Figure SMS_158
为平均窗的平均风速/>
Figure SMS_159
（6）。
S23、根据高阶热平衡理论，带入风速中频分量，计算平均辐射温度。
优选的，步骤S23具体包括以下步骤：
根据高阶热平衡理论，代入风速中频分量
Figure SMS_160
，计算平均辐射温度/>
Figure SMS_161
：
Figure SMS_162
（7）
式中，
Figure SMS_163
是斯蒂芬玻尔兹曼常数；
其中，
Figure SMS_164
，表示黑球形温度计经风洞实验拟合的高阶对流换热系数公式。
图4为本发明的双色球形温度计组的结构示意图，需要说明的是，图4中左侧视图为亮面球温度计外形图，右侧图为黑球温度计剖视图，如图4所示，测量室外风速与辐射的方法的装置，包括双色球形温度计组和气温测量设备，双色球形温度计组包括黑球温度计和亮面球温度计；
黑球温度计和亮面球温度计均包括由上到下依次设置的球壳、隔热材料和支撑杆，球壳1内部设置有测温探点2，测温探点2与测温元件5的一端连接，测温元件5的另一端依次穿过隔热材料3和支撑杆4后连接温度记录仪，温度记录仪为至少包含3个输入通道的数据记录仪；
其需满足以下条件：
条件一：黑球温度计和亮面球温度计的结构、尺寸相同、系统热容均相等；
条件二：黑球温度计与亮面球温度计的表面发射率满足以下公式：
Figure SMS_165
；
式中，
Figure SMS_166
、/>
Figure SMS_167
分别为黑球温度计的长波发射率、短波发射率；/>
Figure SMS_168
、/>
Figure SMS_169
分别为亮面球温度计的长波发射率、短波发射率；
条件三：黑球温度计的球壳1表面和亮面球温度计的球壳1表面分别施哑光黑漆、亮面表面处理工艺，且施加表面处理工艺后的黑球温度计与亮面球温度计的表面发射率满足以下公式：
Figure SMS_170
；
式中，
Figure SMS_171
表示黑球温度计吸收的环境辐射为亮面球温度计的/>
Figure SMS_172
倍；
条件四：黑球温度计和亮面球温度计在每个时刻的对流换热系数均相同，且仅与该时刻的空气流速有关；
条件五：黑球温度计的球壳1的球心和亮面球温度计的球壳1的球心位于同一水平面上，且间距范围为5～10D，D为球壳的直径，二者角系数小于1%；
条件六：双色球形温度计组和气温测量设备的采样频率均为0.1Hz，精度均不低于±0.5℃。
优选的，测温元件5为k型热电偶，测温探点2位于球壳的球心；
球壳1由导热系数大于铝的金属制成；球壳1的球壁厚度小于1mm；
当双色球形温度计组仅用于测量室外平均风速时，球壳1直径D≤0.02m；
当双色球形温度计组用于测量室外平均风速和室外平均辐射温度时，球壳1直径为0.04m。
优选的，还包括与黑球温度计或者亮面球温度计的尺寸、结构、系统热容相同的白球温度计，用于根据计算出的风速中频分量
Figure SMS_173
作为输入量，进而测算室外环境的长波辐射通量L和短波辐射通量S。计算公式记载于在先申请202310159425.6所述的测量室外辐射的方法、配套硬件装置、设备及存储介质中，故在此不做赘述。
一种计算机设备，该计算机设备包括：至少一个处理器、存储器以及存储在存储器中并可在至少一个处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述测量室外风速与辐射的方法。
一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述测量室外风速与辐射的方法。
实施例
本实施例使用的双色球形温度计组物理结构为：铜制，外直径为2cm，壁厚0.7mm；系统热容
Figure SMS_174
，为方便计算此热容为平均到球体的单位外表面积的热容；时间常数/>
Figure SMS_175
约为85s；测温元件为k型热电偶。黑球表面喷涂哑光黑漆，分光光度计测得长波发射率/>
Figure SMS_176
、短波发射率/>
Figure SMS_177
；亮面球温度计采用表面镀铬工艺，使其呈镜面效果，分光光度计测得长波发射率/>
Figure SMS_178
、短波发射率/>
Figure SMS_179
，即/>
Figure SMS_180
。
上述双色球形温度计组硬件成本约为40元人民币。
在含辐射、风速双变量的风洞内完成以下频域阈值标定工作：
根据相关性分析标定
Figure SMS_181
：对风速采用滑动平均下采样处理后与黑球温度TB计算Spearman相关系数，当滑动平均窗宽度为114s时存在最小Spearman相关系数（-0.87），故该黑球温度计所能响应的最短傅里叶周期/>
Figure SMS_182
。114秒与2分钟相近，此双色球形温度计组可用于测量室外2分钟平均风速。
根据时频分析标定
Figure SMS_183
：对/>
Figure SMS_184
与/>
Figure SMS_185
做交叉小波分析，提取共有周期和趋势互锁频域的共同部分，耦合频域在周期从2min至近16min，故/>
Figure SMS_186
；/>
Figure SMS_187
。
本例采用离散小波分解进行滤波，使用小波Symlet16，第6层对应的傅里叶周期为15.75min（
Figure SMS_188
），第9层对应的傅里叶周期为126min（/>
Figure SMS_189
）。次高频分量（/>
Figure SMS_190
）取前6层信号细节之和，中低频分量（/>
Figure SMS_191
）取第6层信号近似，低频分量（/>
Figure SMS_192
）取第9层信号近似。
经风洞实验拟合该黑球温度计风速计算式：
中频风速指数
Figure SMS_193
;
次高频风速指数
Figure SMS_194
;
风速中频分量：
Figure SMS_195
；
风速次高频分量：
Figure SMS_196
;
以8月某日某地的室外2分钟平均风速，9:00-17:00的风速计算值为例，以超声风速计测量结果作为参考值，计算结果如图5所示（需要说明的是，图5中左列为黑球温度信号分解的中低频和次高频部分，右列为据此计算出的风速信号中频和次高频部分），同时结合图6和图7，可知本实施例所述方法在室外平均风速测量方面的精度满足室外热环境研究领域的观测应用要求。
因此，本发明采用上述测量室外风速与辐射的方法、装置、设备及存储介质，具有灵活性强、拓展度高、结构简单等优点，同时其通过测量温度（气温和球温），解析黑球温度信号提取风速，计算室外平均风速，使黑球温度计应用摆脱对独立风速计的依赖，并提高平均辐射温度测算精度。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳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：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.测量室外风速与辐射的方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、基于辐射与风速对双色球形温度计组的主导影响表现在互不重合的频域，标定频域阈值，将傅里叶周期依次划分为高频与次高频之间的阈值
Figure QLYQS_1
、次高频与中频之间的阈值
Figure QLYQS_2
以及中频与低频之间的阈值/>
Figure QLYQS_3
；
S2、计算风速和辐射：
S21、利用双色球形温度计组中的黑球温度计和亮面球温度计分别采集黑球全日温度时间序列、亮面球全日温度时间序列，同时借助气温测量设备采集室外空气全日温度时间序列，采样频率均为0.1Hz；
S22、以
Figure QLYQS_4
、/>
Figure QLYQS_5
、/>
Figure QLYQS_6
为滤波阈值，将采集的黑球全日温度时间序列、亮面球全日温度时间序列以及室外空气全日温度时间序列，以滤波方法进行塔式信号分解，进而计算风速；
S23、根据高阶热平衡理论，带入风速中频分量，计算平均辐射温度。
2.根据权利要求1所述的测量室外风速与辐射的方法，其特征在于：步骤S1中所述的
Figure QLYQS_7
、/>
Figure QLYQS_8
、/>
Figure QLYQS_9
的具体数值由黑球温度计的系统热容决定，其与时间常数有关。
3.根据权利要求1所述的测量室外风速与辐射的方法，其特征在于：步骤S1具体包括以下步骤：
S11、通过相关性分析标定阈值
Figure QLYQS_10
：
S111、将双色球形温度计组移至风洞中，利用风洞模拟室外风速与辐射条件；
S112、记录风速与黑球温度；
S113、对时间序列做不同窗宽的滑动平均后下采样处理，生成频率与黑球温度相同的时间序列；
S114、计算黑球温度与时间序列的Spearman相关系数；
S115、得到使Spearman相关系数最接近-1的窗宽，即为
Figure QLYQS_11
的阈值，且/>
Figure QLYQS_12
介于/>
Figure QLYQS_13
与/>
Figure QLYQS_14
之间，/>
Figure QLYQS_15
是黑球温度计的时间常数；
S12、通过时频分析标定阈值
Figure QLYQS_16
：
S121、以
Figure QLYQS_17
为窗滑动平均后下采样处理，获得数据频率与黑球温度相同的风速时间序列；
S122、对黑球温度和风速时间序列使用Morlet小波做交叉小波能量谱，以红噪声检验标定95%置信区间所在频域范围为二者的共有周期；
S123、对黑球温度和风速时间序列做小波相干，标定95%置信区间所在频域范围为二者的趋势互锁频域；
S124、将共有周期与趋势互锁频域中的共同部分标记出来，此频域范围为黑球温度和风速时间序列的耦合频域；
S125、耦合频域的最低频对应的傅里叶周期为阈值
Figure QLYQS_18
；
S13、根据公式
Figure QLYQS_19
，计算阈值/>
Figure QLYQS_20
。
4.根据权利要求1所述的测量室外风速与辐射的方法，其特征在于：步骤S22具体包括以下步骤：
S221、将全日周期0:00-24:00连续测量获得的0.1Hz各温度时间序列记为：黑球温度
Figure QLYQS_21
、亮面球温度/>
Figure QLYQS_22
、室外空气温度/>
Figure QLYQS_23
；
S222、以滤波方法进行塔式信号分解，以
Figure QLYQS_24
、/>
Figure QLYQS_25
、/>
Figure QLYQS_26
为阈分别将黑球温度/>
Figure QLYQS_27
、亮面球温度/>
Figure QLYQS_28
、室外空气温度/>
Figure QLYQS_29
分解成若干个相对低频分量与相对高频分量；
S223、计算平均风速：
定义：
辐射指数
Figure QLYQS_30
（1）
中频风速指数
Figure QLYQS_31
（2）
次高频风速指数
Figure QLYQS_32
（3）
式中，脚标
Figure QLYQS_35
、/>
Figure QLYQS_36
分别表示参数经塔式分解后以/>
Figure QLYQS_40
为阈的中低频分量和次高频分量；脚标/>
Figure QLYQS_33
表示参数经塔式分解后以/>
Figure QLYQS_38
为阈的低频分量；/>
Figure QLYQS_39
、/>
Figure QLYQS_41
为经风洞实验拟合的中频风速系数；/>
Figure QLYQS_34
、/>
Figure QLYQS_37
为经风洞实验拟合的次高频风速系数；
则有：
风速中频分量
Figure QLYQS_42
（4）
风速次高频分量
Figure QLYQS_43
（5）
进而得到以
Figure QLYQS_44
为平均窗的平均风速/>
Figure QLYQS_45
（6）。
5.根据权利要求1所述的测量室外风速与辐射的方法，其特征在于：步骤S23具体包括以下步骤：
根据高阶热平衡理论，带入风速中频分量
Figure QLYQS_46
，计算平均辐射温度MRT：
Figure QLYQS_47
（7）
式中，
Figure QLYQS_48
是斯蒂芬玻尔兹曼常数；
其中，
Figure QLYQS_49
，表示黑球形温度计经风洞实验拟合的高阶对流换热系数公式。
6.一种如上述权利要求1-5任一项所述的测量室外风速与辐射的方法的装置，包括双色球形温度计组和气温测量设备，其特征在于：双色球形温度计组包括黑球温度计和亮面球温度计；
黑球温度计和亮面球温度计均包括由上到下依次设置的球壳、隔热材料和支撑杆，球壳内部设置有测温探点，测温探点与测温元件的一端连接，测温元件的另一端依次穿过隔热材料和支撑杆后连接温度记录仪；
其需满足以下条件：
条件一：黑球温度计和亮面球温度计的结构、尺寸相同、系统热容均相等；
条件二：黑球温度计与亮面球温度计的表面发射率满足以下公式：
Figure QLYQS_50
；
式中，
Figure QLYQS_51
、/>
Figure QLYQS_52
分别为黑球温度计的长波发射率、短波发射率；/>
Figure QLYQS_53
、/>
Figure QLYQS_54
分别为亮面球温度计的长波发射率、短波发射率；
条件三：黑球温度计的球壳表面和亮面球温度计的球壳表面分别施哑光黑漆、亮面表面处理工艺，且施加表面处理工艺后的黑球温度计与亮面球温度计的表面发射率满足以下公式：
Figure QLYQS_55
；
式中，
Figure QLYQS_56
表示黑球温度计吸收的环境辐射为亮面球温度计的/>
Figure QLYQS_57
倍；
条件四：黑球温度计和亮面球温度计在每个时刻的对流换热系数均相同，且仅与该时刻的空气流速有关；
条件五：黑球温度计的球壳的球心和亮面球温度计的球壳的球心位于同一水平面上，且间距范围为5～10D，D为球壳的直径，二者角系数小于1%；
条件六：双色球形温度计组和气温测量设备的采样频率均为0.1Hz，精度均不低于±0.5℃。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于：测温探点位于球壳的球心；
球壳由导热系数大于铝的金属制成；球壳的球壁厚度小于1mm；
当双色球形温度计组仅用于测量室外平均风速时，球壳直径D≤0.02m；
当双色球形温度计组用于测量室外平均风速和室外平均辐射温度时，球壳直径为0.04m。
8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于：还包括与黑球温度计或者亮面球温度计的尺寸、结构、系统热容相同的白球温度计，用于根据计算出的风速中频分量
Figure QLYQS_58
作为输入量，进而测算室外环境的长波辐射通量/>
Figure QLYQS_59
和短波辐射通量/>
Figure QLYQS_60
。
9.一种计算机设备，该计算机设备包括：至少一个处理器、存储器以及存储在存储器中并可在至少一个处理器上运行的计算机程序，其特征在于：处理器执行计算机程序时实现上述权利要求1-5任意一项的测量室外风速与辐射的方法。
10.一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于：计算机程序被处理器执行时实现上述权利要求1-5任意一项的测量室外风速与辐射的方法。
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