CN117321396A - 热舒适测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明示出了一种热通量传感器(1)，包括：具有四个或更多个传感器对的主体(2)，每个传感器对由用于测量组合的辐射热通量和对流热通量的一个辐射吸收(吸收性)传感器(9)和用于基本上测量对流热通量的一个辐射反射(反射性)传感器(10)组成；与主体导热接触的加热构件(12)；以及与主体热耦合以用于测量主体温度T_sen的温度传感器(11)。

Description

热舒适测量系统

技术领域

本发明涉及一种热通量传感器，其包括具有四个或更多个传感器对的主体，每个传感器对由用于测量组合的辐射热通量和对流热通量的一个辐射吸收传感器和用于测量对流热通量的一个辐射反射传感器组成。

本发明还涉及一种包括这种热通量传感器的系统以及一种确定热舒适值，特别是预测平均投票(PMV)的方法。

背景技术

热舒适由ISO 7730条款7定义为对热环境表示满意的心理状态，并且使用主观评价进行评估。7730标准提出了预测暴露于适度热环境的人的热感觉和不适程度的方法，例如在家庭、办公室和汽车中。该方法以预测平均投票(PMV)和相关联的预测不满意百分比(PPD)的确定为中心。知道PMV，就可以直接计算PPD。确定PMV的方式之一是使用集成传感器(integrating sensor)直接测量。集成传感器的概念是指执行确定热舒适所需的若干变量的测量的测量仪器。

热舒适的一个重要参数是平均辐射温度。它被定义为假想的封闭空间的均匀温度，在该封闭空间中，来自人体的辐射传热等于实际非均匀封闭空间中的辐射传热。

ISO 7726在条款4.1.2中提到，黑球温度计是一种经常用于从球温度T_g以及球周围空气的温度和速度导出平均辐射温度的近似值的设备。还指出，利用黑球进行的测量是PMV测量的不确定性的主要来源。需要施加大的校正。这些校正取决于空气速度，即自然或强制对流的速度的估计，其需要单独测量。在许多情况下，空气速度是不被测量的，因此是未知的，这导致比利用已知的空气速度或直接热通量测量所能获得的更大的测量不确定性。球形温度计的好处在于它在所有方向上测量；它测量综合(integrated)“平均”辐射温度。

ISO 7726条款4.1.2指示，球形温度计的球形形状，在4πsr的立体角上近似集成，是坐着的人的合理近似。但是，事实上，对于直立和坐着的位置，椭圆形形状是优选的。

通常，ISO 7726指示，如果根据人的投影面积因子对不同方向上的平面辐射温度进行加权，则平均辐射温度也可以根据测量值计算。在这种情况下，利用面向相关方向的传感器进行多次测量，并且所测量的数据被后处理以达到期望的结果。对于特定情形计算PMV可能需要特定于情况的程序，例如将传感器重新定位成指向不同方向，以及基于科学判断的计算，通常例如根据ISO 7726的附录B计算测量的平均值或加权平均值。

ISO 7726在条款4.1.2中进一步提及，理想地，确定平均辐射温度需要在6个相反方向上的测量，并且根据人的投影面积因子(光学视角因子)对这些测量进行加权。关于平均辐射温度的附录B对6个方向(上下、左右、前后、成对垂直轴)上的投影面积因子进行了评论，以用于站立和坐着位置的人的热舒适估计。这些投影面积因子指示这些方向对辐射交换的相对贡献。ISO 7726的表B.1示出了对于坐着的人，所有6个方向近似相等地相关，而对于站立的人，上下方向比其他方向贡献更小。

尽管这在ISO 7726中没有特别强调，热舒适的测量方法还应包括对流传热的测量，该对流传热代表向人体的对流传热。一个普遍且合理的假设是，适用于辐射热通量的投影面积因子对于对流热通量也是有效的。

ISO 7726假定，黑球温度计或椭圆体，不仅交换辐射能，还能以坐着时代表人体的方式交换对流能。似乎可以合理地得出结论：热舒适传感器能够在一次测量中确定热通量，而无需重新定位其应当具有基本上2.5π到4πsr的视角，在所有6个方向上近似同等敏感。

在US2020/0189352中，示出了具有热舒适传感器系统的交通工具，该热舒适传感器系统包括在交通工具座椅的头枕的一侧上以感测乘客舱的空气速度传感器、空气温度传感器、辐射热通量传感器和湿度传感器。使用这些数据，气候控制器使用来自传感器系统的数据和来自乘客可穿戴的生物计量传感器的数据来计算热舒适的当前PMV值。还包括气候控制系统，用于加热或冷却传感器系统的外表面。

操作温度被定义为均匀温度，在该均匀温度下，居住者将交换与现有非均匀环境中相同量的热量。操作温度是表示整体热暴露的一种实际方式。

本发明的目的在于提供一种可靠的热通量传感器和测量系统，其能够产生对传感器处的热通量的更准确的确定，能够提供准确的操作温度，并且尤其能够提供对热舒适的准确确定。本发明的另一个目的在于在不重新定位传感器的情况下，将不同位置的人的投影面积因子考虑在内，产生立即代表在被调查的情形下人体的方向响应的测量。本发明的另一个目的在于提供一种通用的测量系统，利用该系统可以避免需要单独的空气速度测量。本发明的另一个目的是提供一种传感器和系统，在其中可以准确地确定导致热舒适或不舒适的不同个体参数的贡献。

发明内容

为此，根据本发明的热通量传感器包括：

-具有四个或更多个传感器对的主体，每个传感器对由用于测量组合的辐射热通量和对流热通量的一个辐射吸收(吸收性)传感器和用于基本上测量对流热通量的一个辐射反射(反射性)传感器组成，

-所述主体展示出两个或三个热通量测量轴，所述轴基本上垂直，

-其中每个轴的两个传感器对基本上面向相反的方向，

-与所述主体导热接触的加热构件，以及

-温度传感器，其与所述主体热耦合，用于测量主体温度T_sen。

根据本发明的传感器能够分别测量来自传感器主体的四个或更多个侧面的辐射和对流传热，该传感器主体可以由金属制成。通过其几何形状，能够测量代表至人体的传热。

主体的典型形状是矩形或圆柱形。在矩形主体的情况下，典型地，四个或六个侧面配备有热通量传感器对。在圆柱形主体的情况下，典型地，传感器对沉积在圆形横截面的90°上，并且也可能沉积在顶部和底部。一般要求是其组合视场在2.5π到4πsr之间。

吸收性(通常为黑色涂层)热通量传感器测量辐射热通量以及对流热通量，而反射性(通常为金涂层)热通量传感器仅测量对流热通量。通过减去2个所测量的通量，可以确定辐射通量，可以确定对流传热系数C_tr，并且可以计算环境空气速度。不需要单独的空气速度测量或其估计。通过分别确定所有这些因子，可以得出关于它们对热舒适的贡献以及关于特定因子是原因还是结果的结论。

热通量传感器还包含主体温度传感器，例如热敏电阻和加热构件的热电偶，使得传感器可以在多个不同的传感器主体温度下测量热通量。可以将主体温度控制到估计的服装温度，这使得可以测量在该服装温度下的准确热损失。当局部环境改变时，主体的温度可以迅速地适应于新的情况，这与使用已知的黑球传感器相反。

加热构件必须具有将传感器主体加热到基本上均匀的温度的能力。例如，在32℃的稳态主体温度下，在15℃至20℃之间的空气温度下和低于1m/s的空气速度下(典型的办公室条件)，传感器之间的温度差应保持低于2℃，使得每个轴上面向基本上相反的方向的2个传感器对针对辐射和对流热通量基本上同等敏感。在100W/m²的量级的热通量水平和10(W/m²)/C的量级的组合辐射和对流热通量的传热系数下，2℃的误差产生20％的误差，这是可以接受的。

通过在多于2个主体温度水平下测量，可以改善热舒适测量的质量控制和保证。通过将保持传感器在稳定温度所需的以W为单位的总功率与测量的以W/m²为单位的热通量和以m²为单位的传感器主体表面积进行比较，也可获得热通量测量的质量保证。

通过首先确定辐射和对流传递系数，然后将主体温度控制到稳定温度，例如服装温度，可以确定操作温度。

根据本发明的热通量传感器的实施例包括至少四个不同定向的表面，每个表面承载吸收性传感器和反射性传感器。

通过在主体的多个侧面上配备热通量传感器对，可以确定来自不同方向的热通量。通过为主体配备偶数个传感器对，所述传感器对被安装成其视场处于相反方向，每个传感器对具有在2π到4πsr之间的视场，可以同时检测不平衡或者辐射和对流的不对称性。

所测量的热通量、组合的其他测量参数和用户输入的参数，使得能够计算主体的不同侧面(特别是4个侧面或6个侧面)的PMV和PPD分数，以及计算基于组合的热通量的整体综合PMV和PPD分数。

组合立体角在2.5πsr和4πsr之间的传感器也可用作集成传感器，近似人体的立体角和方向响应。还可以使用ISO 7726附录B提出的每个轴的数学加权来计算坐着和站立的人的结果。

传感器主体和安装在其上的传感器也可以是弯曲的，例如圆柱形，具有与传感器位置处的近似圆柱形人体相同的方向特性，即对于辐射通量和对流通量的灵敏度。

使用安装在相反方向上的两个传感器对，在辐射或对流不对称的情况下，传感器允许检测这种不对称性，并且能够发出警告，在使用已知的黑球温度计的情况下，可以给出舒适情形的“错误肯定”指示。

根据本发明的系统包括热通量传感器、控制单元和连接到控制单元的用于测量环境温度T_air的环境温度传感器，控制单元适于：

-操作加热构件以基本上均匀地加热主体，

-确定或控制主体温度T_sen，

-根据反射性传感器的测量，确定对流热通量Φ_convection，

-通过减去吸收性传感器的测量和反射性传感器的测量来确定辐射热通量Φ_radiation，

-实施校正以改进测量，例如在传感器涂层的发射和反射显著偏离1的情况下校正Φ_convection和Φ_radiation，

-实施数学校正，例如对受研究人员有效的投影面积因子，

-基于Φ_convection、T_air和T_sen或基于在若干传感器主体温度T_sen下供应给加热构件的功率来确定对流传热系数C_tr，

-基于传热系数C_tr确定环境空气速度v_air，以及

-根据T_sen和Φ_radiation确定辐射温度T_rad。

该系统可以具有传感器主体的主动温度控制，其中控制单元控制供应给加热构件的功率，使得传感器主体保持在预定温度T_sen。

在根据本发明的系统中，传热系数C_tr可以由下式确定

C_tr＝Φ_convection/(T_air-T_sen)，

并且空气速度v_air可以根据C_tr确定，其使用对传感器几何形状和环境空气流的方向有效的经验公式，例如通过：

v_air＝((C_tr-B)/A)²

其中A和B是常数。

常数A和B通常是根据经验确定的。

还可以使用几个方向上的Φ_convection的平均值来确定空气速度。

可以对非完美辐射吸收(即，偏离1的吸收)和非完美反射(即，偏离1的反射)进行校正。

根据本发明的系统的实施例还包括湿度传感器，其连接到控制单元以确定环境空气的湿度P_a，控制单元适于基于以下来确定在传感器的位置处的人的舒适值：

-测量的环境空气的湿度P_a，

-主体温度，T_sen，

-测量的空气温度T_air，以及

-辐射热通量Φ_radiation，以及辐射和对流热通量Φ_convection。

-利用具有在传感器的位置处的人的代表性方向响应和视场的传感器进行的单次测量，或

-利用不具有受研究的人的代表性方向响应和视场的传感器进行的单次测量，并且该单次测量使用诸如对受研究的人有效的投影面积因子的数学校正，

-利用不具有受研究的人的代表性方向响应和视场的传感器进行的一系列测量，并且该测量将传感器重新定位成指向不同方向，以及基于科学判断来根据这些测量计算结果。

ISO 7730使用预测平均投票PMV来表示热舒适，PMV与预测不满意百分比PPD指数相链接。PMV具有7点标度：炎热(hot)、温暖(warm)、微温(slightly warm)、中性(neutral)、微凉(slightly cool)、凉爽(cool)、寒冷(cold)。根据PMV，可以计算预测不满意百分比PPD。PPD在PMV＝0(中性)时具有5％的最小值，并且在PMV＝±2(温暖或寒冷)时达到75％。当一个人认为环境是炎热、温暖、凉爽或寒冷时，他或她被认为是不满意的。

更详细地，PMV是6个输入参数的函数：代谢率(metabolic rate)M(以W/m²为单位)、服装绝缘(insulation)I_cl、空气温度T_air、平均辐射温度T_rad、相对空气速度v_air和水蒸汽分压P_a(以Pa为单位)。

一个标准代谢单位(met)对应于58.2W/m²。久坐活动的代谢率被认为是1.2met＝70W/m²。服装绝缘I_cl以K·m²/W为单位来表示。一个标准服装单元(clo)为0.155K·m²/W，其对应于在工作环境中穿着的一组典型着装。

根据ISO 7730，可以在定义“适度条件”的特定额定操作范围内，通过下式计算PMV，最重要的是v_air＜1m/s，M＜4met，I_cl<2clo，T_air为10至30℃：

PMV＝[0.303e^(-0.036M)+0.028]×[[(M-W)-3.05x10^-3[5733-6.99(M-W)–p_a]-0.42[(M-W)-58.15]-1.7×10^-5M(5867-p_a)–0.0015M(34-T_air)-3.96 10^-8f_cl((T_cl+273)⁴–(T_rad+273)⁴)-f_clC_tr(T_cl-T_air)]

其中，T_cl是服装温度：

T_cl＝35.7–0.028(M-W)-I_cl[3.96 10^-8f_cl((T_cl+273)⁴–(T_rad+273)⁴)+f_clC_tr(T_cl-T_air)]

PMV方程中括号之间的第二项表示人与其周围环境之间的热平衡。如果平衡是负的，这将导致凉爽或寒冷的感觉。热平衡的前五个因子描述了通过蒸发、通过出汗和通过呼吸的热损失。由于人体的最大部分被服装覆盖和绝缘，因此使用服装的估计的表面温度T_cl来计算在服装表面处通过辐射和对流的热损失。热平衡的第六和第七分量给出通过辐射的线性化热损失，第八分量给出通过对流的热损失。辐射模型假设71％的主体面积充当具有0.97的发射率的辐射能量的净发射器。剩余29％的面积，例如腿之间的面积，吸收与其发射的一样多的能量，导致零平衡。这些因子包括在第六分量的3.9610^-8的乘数(0.97×0.71×5.77×10^-8＝3.96×10^-8)中。

在该方程中，T_cl是服装温度，W是有效机械功率，C_tr是对流传热系数，f_cl是服装表面积因子，即衣体与裸体的表面积之比。假定办公室工作或驾驶汽车，所产生的有效机械功率通常被设置为0W。如果做了繁重的工作，则需要进行调整。

在典型的分析中，用户确定典型的代谢率、服装表面积因子和服装绝缘。作为下一步骤，则必须估计T_cl。

在已知的系统中，黑球温度计是一种经常用于从球温度T_g以及球周围空气的温度和速度导出平均辐射温度的近似值的设备。利用黑球进行的测量是PMV测量的不确定性的主要来源，其导致施加大的校正。这些校正取决于空气速度，即自然或强制对流的速度的估计，其在已知系统中通常不被测量，因此是未知的。利用根据本发明的系统防止了这种不准确性。

与已知的黑球温度计系统以及ISO 7726和7730中描述的其他系统相反，根据本发明的系统直接测量通过对流和辐射的热损失。知道这两个热通量之间的比率使得可以使用上面的公式准确地估计T_cl。这相对于对黑球温度计的用户开放的粗略估计，减少了PMV测量的不确定性。不再需要空气速度测量或关于空气速度的假设；直接测量通量。

此外，在项(T_rad+273)⁴和C_tr(T_cl-T_air)中，对于处于不同位置(例如站立和坐着)的人，可以根据每个表面考虑4或6个不同方向上的投影面积因子的影响。

组合立体角在2.5πsr和4πsr之间的传感器也可用作集成传感器，近似人体的立体角和方向响应。已知的具有球形的形状和方向响应的黑球温度计在4πsr上近似集成。

在传感器的实施例中，传感器主体和安装的传感器是示例性的圆柱形，具有与受研究的近似圆柱形人体相同的方向特性，即对辐射和对流通量的灵敏度。

在其优选的系统实施例中，传感器主体温度被控制为服装温度，并且PMV和PPD是利用T_cl或其附近的传感器主体温度来确定的。

如果测量系统的主体温度不在所计算的服装(表面)温度，则也可能测量PMV。对于测量，我们假设热通量是主体温度的线性函数，并且在环境空气温度下为零。在实际温度和目标温度之间的小差异(几度)下，PMV的误差小。

与黑球温度计系统相反，本测量系统允许用户得出关于不舒适的原因和效果的结论。黑球仅发布一个数字。这种不舒适通常是由主体特定部位的不希望的冷却或加热引起的；系统用户可以分离辐射、对流和空气速度的贡献。

在根据本发明的系统的实施例中，控制单元适于将供应给主体以将主体保持在预定温度的总加热功率与反射性传感器测量的热通量和吸收性传感器测量的热通量进行比较。这可以为通量测量提供质量基准。

在根据本发明的系统的另一个实施例中，它测量C_tr，并且在测量期间，传感器主体被控制到稳定温度，例如适当的服装温度T_cl，以便准确地测量在该温度下的对流和辐射通量。这导致操作温度的高精度计算。

可替换地，可通过控制单元在多个不同温度下加热主体来确定操作温度，并且根据在这些温度下的辐射热通量Φ_radiation和对流热通量Φ_convection确定辐射传热系数、对流传热系数以及操作温度。

在控制单元确定传感器主体的不同表面的舒适值的情况下(其中传感器主体的视场安装在相反方向)，如果在这些表面处测量的舒适值的差高于预定阈值，则控制单元可以提供指示。在辐射或对流不对称的情况下，传感器允许检测这种不对称性，并且将能够发出警告。

当空气速度v_air超过预定阈值时，根据本发明的系统还可以提供指示，例如视觉标记或声音或存储记录的标志。为了准确的PMV测量，优选的是空气速度低于1m/s，因为高于该值的空气速度通常导致不舒适。在这种情况下，系统提供的指示防止无效的PMV值被归因(attributed)。

附图说明

图1示出了根据本发明的用于测量热通量的传感器的透视图；

图2示出了根据本发明的用于测量热通量的传感器的测量侧面的横截面侧视图；

图3示出了根据本发明的用于测量热通量的传感器的测量侧面的透视图；

图4示出了根据本发明的用于测量热通量的圆柱形传感器的透视图；

图5示出了根据本发明的用于测量热通量的传感器的透视图；

图6示意性地示出了根据本发明的用于测量热舒适的根据本发明的系统；

图7示出了由控制单元执行的用于确定热舒适的步骤的流程图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的实施例的用于测量热通量的传感器1的透视图。该传感器包括具有多个侧面3、4、5、6、7、8的主体2、可操作以吸收热辐射的吸收性热通量传感器9和可操作以反射热辐射的反射性热通量传感器10。传感器可以选择性地配备环境空气温度传感器13。主体2包括至少一个用于测量主体温度的温度传感器11和至少一个加热构件12。在这种情况下，两个侧面3和8(不可见)各自都包含传感器对，相对的侧面4和7也包含传感器对。

可操作以吸收热辐射的吸收性热通量传感器9还被称为吸收性传感器。该吸收性传感器9测量对流辐射和热辐射两者。可操作以反射热辐射的反射性热通量传感器10还被称为反射性传感器。反射性传感器10主要测量对流热通量。主体2导热良好，典型地，由热导率大于10W/(m·K)且热容量大于18J/K的金属制成，典型由诸如铝、黄铜或钢的金属制成。主体的每一侧面3、4、5、6、7、8是具有不同空间取向的主要平坦的表面。主体2的四个侧面3、4、7、8配备有吸收性传感器9、反射性传感器10，并且还被称为测量侧面3、4、7、8。测量侧面3、4、7、8上的吸收性传感器9和反射性传感器10具有如图3中进一步描述的基本上类似的安装表面积和视场，以便热辐射的相应吸收和反射是可比较的，并且对流的灵敏度是可比较的。吸收性和反射性传感器可以放置在测量侧面3、4、7、8上的任何位置，只要它们的表面积基本上类似地暴露于热辐射和对流辐射。吸收性传感器9典型是黑色涂层以吸收热辐射，涂层可以由有资格作为高吸收率层14的黑色高温涂料制成。热通量传感器可以使用封装在塑料16中的热电堆感测元件制成，或另一种测量固体层上的温差并呈现0.8和1之间的热吸收率的方法。吸收性传感器9通过其测量侧面3上的表面来测量对流热通量和辐射热通量，Φ_convection+Φ_radiation。反射性传感器10典型是被金涂层以反射热辐射，涂层可以在热通量感测元件17上由有资格作为高反射率层14的金、银、铝或镍层制成，并呈现0.5和1之间的热反射率。在热电堆和电压的情况下，热通量感测元件16、17将每个传感器的吸收辐射的热能转换成输出信号。反射性传感器10主要测量通过其在测量侧面3、4、7、8上的表面的对流通量Φ_convection。

通过从吸收性传感器9测量的热通量(即Φ_convection+Φ_radiation)减去反射性传感器10测量的热通量(即Φ_convection)，通过它们在测量侧面3、4、7、8上对于对流热通量具有基本相等的灵敏度的表面，可以估计辐射热通量Φ_radiation。因此，传感器1能够分别测量侧面3上的辐射传热和对流传热。对于不等于1的反射率和吸收率，可以施加数学校正。可以针对每个传感器侧面考虑处于不同位置(例如站立和坐着)的人的投影面积因子的影响。

加热构件12被定位成与主体2导热接触，并且可以用于将主体2加热到预定温度或以预定功率加热。由于主体的高热导率(典型由铝、黄铜或钢制成)与其质量(表示为热容量)相结合，其内部具有低热阻，并且主体经由来自加热构件的热传导被均匀地加热至预定温度T_sen。

加热构件必须具有将传感器主体加热到基本上均匀的温度的能力，使得面向基本上相反的方向的每个轴的两个传感器对于辐射热通量和对流热通量同等敏感。

与主体2热耦合的温度传感器11用于测量主体的温度。通过经由加热构件12和温度传感器11将主体2控制到预定温度，可以模拟和测量到与用户相关的具有该特定温度T_sen的物体的辐射传热和对流传热。通过使用吸收性传感器9和反射性传感器10在主体2的多个温度水平下测量传热，根据在两个或更多个预定温度T_sen,1、T_sen,2下的Φ_convection,1、Φ_convection,2，可以同时计算空气温度T_air和传热系数C_tr，消除了对单独的空气温度测量的需要，并且提高了传热测量的质量保证水平：

C_tr＝(Φ_convection,2-Φ_convection,1)/(T_sen,1-T_sen,2)

在从周围环境到传感器的正热通量的情况下，和/或

-通过下式计算传感器处或附近的环境空气温度T_air：

T_air＝T_sen,1+Φ_convection,1(T_sen,1-T_sen,2)/(Φ_convection,2-Φ_convection,1)

可选的环境空气温度传感器13也可以用于单独测量空气温度。可以进一步使用对传感器几何形状和环境空气流的方向有效的经验公式来根据传热系数计算环境空气速度v_air，例如根据下式：

v_air＝((C_tr-B)/A)²

其中A、B是根据经验确定的或从理论得到的常数。

图2示出了根据本发明的实施例的图1的用于测量热通量的传感器1的测量平面3、4、7或8的横截面侧视图。在该实施例中，除了高吸收率层14和热电堆感测元件16之外，吸收性传感器9还包括校准加热元件18。此外，除了高反射率层15和热通量感测元件17之外，反射性传感器10还包括校准加热元件19。

每个校准加热元件18、19分别放置在高吸收率层14和热电堆感测元件16之间或者高反射率层15和热通量感测元件17之间。校准加热元件18、19可以是相同的和/或整体地构建在吸收性传感器和反射性传感器9、10内。校准加热元件18、19的灵敏度、表面积和电阻是预定的。它们允许计算通过校准加热元件的测量输出电压或电流的测量校准热通量。

通过在热通量传感器9、10上结合校准加热元件18、19，可使用用于两个传感器的简单且独特的程序来校准传感器，其中，所测量的校准热通量Φ_c与热电堆或热通量感测元件16、17的输出信号U的比率可用于根据下式来计算吸收性传感器9和反射性传感器10的灵敏度E：

E＝U/Φ_c

在其他实施例中，也可以使用替代的校准函数。热通量也可以针对环境损失、边缘效应等进行校正。在校准期间，热通量传感器表面可以是热绝缘的。传感器表面的发射率和吸收(absorption)可以通过检查或通过实验来分别估计。

图3示出了根据本发明实施例的图1的用于测量热通量的传感器1的测量表面平面3、4、7或8的透视图。主要平坦的测量表面3、4、7或8配备有吸收性传感器9和反射性传感器10，它们设置在测量表面上的任何位置处，并且分别包括暴露于环境热通量的高吸收率层14和高反射率层15。吸收性传感器9和反射性传感器10中的每一个具有基本上类似的视场20、21。每个视场20、21在测量侧面3的入射平面中在纵向和横向方向上基本上扩展180度，换言之，2πsr的立体角。

图4示出了根据本发明的实施例的传感器主体1的透视图，其中主体是圆柱体，并且包括高吸收率层14和高反射率层15的传感器9、10沉积的圆形横截面的90°上。在另一个实施例中，它们也可以沉积在圆柱体的顶部和底部。一般要求是其组合视场在2.5π到4πsr之间。该图还示出了表示人的6个方向的成对垂直轴51、52和53的示例，6个方向为：上下、左右、前后。

图5示出了根据本发明的实施例的用于测量热通量的传感器25的透视图。该传感器包括具有多个侧面27、28、29、30、31、32的主体26，至少四个可操作以吸收热辐射的吸收性热通量传感器33、35、37、39、41、43，以及至少四个可操作以反射热辐射的反射性热通量传感器34、36、38、40、42、44。传感器25可以选择性地配备环境空气温度传感器46，主体26包括至少一个主体温度传感器45和至少一个加热构件47。

可操作以吸收热辐射的至少四个吸收性热通量传感器33、35、37、39、41、43还被称为吸收性传感器，并且可操作以反射热辐射的至少四个反射性热通量传感器34、36、38、40、42、44还被称为反射性传感器。它们的功能相同，并且可以与图1的实施例中描述的吸收性传感器和反射性传感器相同地放置，其中每一侧面27、28、29、30、31、32也是具有不同空间取向的平坦表面。此外，吸收性传感器和反射性传感器也具有与前面图3和图4中描述的基本上类似的安装平面和视场。在本实施例中，至少两个侧面27、28、29、30、31、32各自都配备有吸收性传感器、反射性传感器，并且还被称为测量侧面，以便对于对流热通量的相应敏感度以及热辐射的吸收和反射是可比较的。传感器也可以用相应的校准加热元件校准，如先前在图2中所示。

加热构件47被定位成与主体26导热接触，并且可用于将主体26加热到预定温度T_sen。由于主体的导热性，典型地由铝、黄铜或钢制成，并且由于主体内部的低热阻，主体经由来自加热构件的热传导被均匀地加热到预定温度。与主体26热耦合的温度传感器45可以用于测量主体的温度。通过经由加热构件47和温度传感器46将主体26控制到预定温度，可以针对每个取向模拟和测量到具有与用户相关的不同取向的表面27、28、29、30、31、32的特定温度的物体的辐射和对流传热。

通过在主体26的多个温度水平下使用吸收性传感器33、35、37、39、41、43和反射性传感器34、36、38、40、42、44测量传热，根据在两个或更多个预定温度T_sen,1、T_sen,2下的对流热值Φ_convection,1、Φ_convection,1，可以在至少两个测量侧面中的每一个的附近计算空气温度T_air和传热系数C_tr两者，从而消除对单独的空气温度测量的需要，并且改进传热测量的质量保证水平，与图1的实施例相同。此外，也可以如图1的实施例中那样确定至少四个测量侧面中的每一个测量侧面邻近的环境空气速度v_air。

该图还示出了表示人的6个方向的成对垂直轴51、52和53的示例，6个方向为：上下、左右、前后。

图6示出了用于测量热舒适的系统99，包括主体100，其具有位于同一面103上的吸收性热通量传感器101和反射性热通量传感器102，并且具有在1.5π和3πsr之间的基本相似的视场。用于测量主体100的温度的温度传感器104，例如热电偶，被放置成与主体100导热接触。控制单元110经由控制线115连接到加热器105和温度传感器104，用于将主体100加热到预定温度，并且连接到温度传感器和湿度传感器107，用于测量环境空气的温度和湿度。终端116连接到控制单元110。终端116包括用于向控制单元110输入用户命令和数据的用户接口。

图7示出了确定热舒适值，特别是预测平均投票PMV的方法。控制单元110包括处理器和存储器单元，其通过以下步骤计算和存储传感器主体100处的PMV值和的操作温度。在步骤120中，加热器105被供电以将主体100和传感器101、102的温度设置为预定温度，例如T_cl。在步骤121中，存储传感器温度T_sen。在步骤122中：

-测量吸收性传感器101的热通量传感器信号S_ab和反射性传感器102的热通量传感器S_ref，并将它们存储在控制单元110的存储器中，

-测量湿度传感器的空气温度信号T_air和水蒸汽分压信号P_a，并将它们存储在控制单元110的存储器中，

-根据反射性传感器102的传感器值S_ref确定对流热通量Φ_convection：Φ_convection＝S_ref，

-根据吸收性传感器101的传感器值S_ab与反射性传感器102的传感器值S_ref的差确定辐射热通量Φ_radiation：Φ_radiation＝S_ab-S_ref，

-空气的对流传热系数，C_tr，由公式1计算，以及

-空气速度v_air，由公式5确定。

在步骤122中，可以实施校正以改进测量，例如在传感器涂层的发射和反射显著偏离1的情况下校正Φ_convection和Φ_radiation，或者考虑在不同位置(例如站立和坐着)的人的投影面积因子的影响。

在步骤123中，确定是否v_air＞1m/s。如果是，则在步骤124中，由控制单元110产生数字、光学或声学警告信号。

在步骤125中，代谢率M、服装绝缘I_cl、服装因子f_cl、有效机械功率W和辐射传热系数的值由用户输入到终端116中，并读入控制单元110的存储器。

在步骤126中：

-由控制单元110通过公式5计算服装温度T_cl，

-只要T_sen不在从T_sen起的预设限制内，就将传感器主体控制到T_cl，步骤120至125可经由步骤127重复。

在步骤128中：

-通过公式4计算PMV值，以及

-通过公式7计算操作温度T_operative。

-通过从安装有相反方向视场的传感器中减去热通量值来计算辐射和对流不对称性。

-可以根据可能在不同方向上的一系列测量来计算PMV，基于科学判断来根据这些测量计算结果。

在步骤129中，PMV和T_operative的值可存储在控制单元110的存储器中和/或显示在终端116的显示器上。

热舒适

ISO 7730条款7定义：热舒适是对热环境表示满意的心理状态，并且使用主观评价来评估。

7730标准提出了预测暴露于适度热环境的人的热感觉和不适程度的方法，例如在家庭、办公室和汽车中。该方法以预测平均投票(PMV)和相关联的预测不满意百分比(PPD)的确定为中心。条款4.1中描述的确定PMV的方式之一是使用集成传感器直接测量。

ISO 7726在条款4.1.2中提到，理想地，确定热通量需要在6个相反方向上进行测量，并且根据人的投影面积因子(光学视角因子)对这些测量进行加权。关于平均辐射温度的附录B对6个方向(上下、左右、前后、成对垂直轴)上的投影面积因子进行了评论，以用于站立和坐着位置的人的热舒适估计。这些投影面积因子指示这些方向对辐射交换的相对贡献。ISO 7726的表B.1示出了对于坐着的人，所有6个方向近似相等地相关，而对于站立的人，上下方向比其他方向贡献更小。

ISO 7726在条款4.1.2中提到，黑球温度计是一种经常用于从球温度T_g以及球周围空气的温度和速度导出平均辐射温度的近似值的设备。还指出，利用黑球进行的测量是PMV测量的不确定性的主要来源。施加大的校正。这些校正取决于空气速度，即自然或强制对流的速度的估计，其通常不被测量，因此是未知的，这导致比利用已知的空气速度或直接热通量测量所能获得的更大的测量不确定性。

代替黑球传感器，本发明提供了一种新的热舒适测量系统99，其基于辐射和对流热通量的测量，具有至少四个传感器对，例如101、102到温度受控的传感器主体100。

热舒适测量系统能够分别测量来自(金属)传热传感器主体100的一个或多个侧面的辐射和对流传热。为此，传感器主体100的至少四个侧面配备有热通量传感器对，例如101、102：吸收性(通常为黑色涂层)热通量传感器101，其测量辐射热通量以及对流热通量；以及反射性(通常为金涂层)热通量传感器102，其仅测量对流热通量的。通过在控制单元110中减去传感器101、102测量的2个通量，可以估计辐射通量。

优选地，传感器主体100的温度借助于加热器106、温度传感器104和控制单元110来控制，使得系统99能够在多个不同的主体温度下测量传感器对101、102处的热通量。

加热构件必须具有将传感器主体加热到基本上均匀的温度的能力。例如，在32℃的稳态主体温度下，在15℃至20℃之间的空气温度和低于1m/s的空气速度下(典型的办公室条件)，主体温度传感器之间的温度差应保持低于2℃，使得每个轴上面向基本上相反的方向的两个传感器对针对辐射和对流热通量同等敏感。

在控制单元110中使用热通量(以W/m²为单位)、主体温度(以℃为单位，可能与供应给加热器105且维持固定主体温度所需以W为单位的功率相结合)以及由传感器107测量的环境空气温度(以℃为单位)，来计算确定热输送的所有局部(local)参数、由辐射和对流引起的通量以及传热系数。

结合由传感器107测量的环境空气的温度和湿度测量(以％为单位)以及特定于所调查的情况的用户输入参数，根据本发明的系统99可用于预测热感觉和不适程度(PMV和PPD)，如ISO 7730、ASHRAE标准55和CEN CR 1752所述。然后，整个系统被认为是“直接测量热舒适的集成传感器”，如ISO 7730第4.1段所述。

当在已知的传感器主体温度下测量时，如果环境空气温度也是已知的，或者根据在多个主体温度下的测量，可以估计局部传热系数。根据传热系数，可以计算局部空气速度。

系统99也可以用于直接测量操作温度。这可以通过将传感器主体100控制到稳定温度，例如服装温度，并且使用在该温度下测量的热通量值来完成，或者通过在不同传感器主体温度下执行多次测量之后的计算来完成，这些测量由传感器104测量并且通过加热器105的功率供应(powering)来在控制单元中设置。如果需要，可以校正辐射和对流传递系数以考虑“居住者”的特性，从而得出适配的估计。

系统物理

黑色涂层的热通量传感器101测量Φ_radiation+Φ_convection。金涂层的热通量传感器102仅测量Φ_convection。通过减法，可以计算Φ_radiation。

传感器主体可以在以W为单位的特定恒定功率下操作或者控制到以℃为单位的特定主体温度。

空气的对流传热系数，在从周围环境(空气)到传感器的正热通量的情况下，通过下式计算：

C_tr＝Φ_convection/(T_air-T_sen) [1]

辐射温度为：

T_rad＝(T⁴ _sen+Φ_radiative/(εσ))^1/4 [2]

其中ε是传感器涂层的吸收，以及σ是Stefan Boltzmann常数。

可以使用式[1]和经验公式来根据C_tr估计环境空气速度，例如：

v_air＝((C_tr-B)/A)² [3]

在这种经验公式中，常数A和B可以凭经验确定。单个垂直暴露的热通量传感器表面的典型数量级：A＝36.7，B＝-1.25。对于暴露于在45°空气流的表面：A＝30.0，B＝-0.78。

还可以使用相对于空气流的几个方向下的Φ_convection的平均值来确定空气速度。

在主体100的一个或多个主体温度水平下，加热器106的电功率消耗也可以用于估计传热系数。

PMV、PPD测量

ISO 7730使用预测平均投票PMV来表示热舒适，PMV与预测不满意百分比PPD指数相链接。PMV具有7点标度；炎热、温暖、微温、中性、微凉、凉爽、寒冷。根据PMV，可以计算预测不满意百分比PPD。PPD在PMV＝0(中性)时具有5％的最小值，并且在PMV＝±2(温暖或寒冷)时达到75％。当一个人认为环境是炎热、温暖、凉爽或寒冷时，他或她被认为是不满意的。

更详细地，PMV是6个输入参数的函数：代谢率M(以W/m²为单位)、服装绝缘I_cl、空气温度T_air、平均辐射温度T_rad、相对空气速度v_air和水蒸汽分压P_a(以Pa为单位)。

一个标准代谢单位(met)对应于58.2W/m²。久坐活动的代谢率被认为是1.2met＝70W/m²。服装绝缘I_cl以K·m²/W为单位来表示。一个标准服装单元(clo)为0.155K·m²/W，其对应于在工作环境中穿着的一组典型着装。

根据ISO 7730，可以在定义“适度条件”的特定额定操作范围内，通过下式计算PMV，最重要的是v_air＜1M/s，M＜4met，I_cl<2clo，T_air为10至30℃。

PMV＝[0.303e^(-0.036M)+0.028]×[[(M-W)-3.05x10^-3[5733-6.99(M-W)–p_a]-0.42[(M-W)-58.15]-1.7×10^-5M(5867-p_a)–0.0015M(34-T_air)-3.96 10^-8f_cl((T_cl+273)⁴–(T_rad+273)⁴)-f_clC_tr(T_cl-T_air)] [4]

第二项表示人和其周围环境之间的热平衡。如果平衡是负的，这将导致凉爽或寒冷的感觉。热平衡的第一和第二行描述了通过蒸发、通过出汗和通过呼吸的热损失。

由于人体的最大部分被服装覆盖和绝缘，因此使用服装的估计的表面温度T_cl来计算在服装表面处通过辐射和对流的热损失。

热平衡的第三分量给出通过辐射的线性化热损失，第四分量给出通过对流的热损失。辐射模型假设71％的主体面积充当具有0.97的发射率的辐射能量的净发射器。剩余29％的面积，例如腿之间的面积，吸收与其发射的一样多的能量，导致零平衡。这些因子包括在第三分量的3.96 10^-8的乘数(0.97×0.71×5.77×10^-8＝3.96×10^-8)中。在该方程中，T_cl是服装温度，W是有效机械功率，C_tr是对流传热系数，f_cl是服装表面积因子，即衣体与裸体的表面积之比。假定办公室工作或驾驶汽车，所产生的有效机械功率通常被设置为0W。如果做了繁重的工作，则需要进行调整(通过经由终端116的用户输入)。

在典型的分析中，用户确定典型的代谢率、服装表面积因子和服装绝缘。这些数据经由终端116输入到控制单元110中。作为下一步骤，在控制单元110中，必须通过迭代来估计T_cl，再次使用上述3.96因子来校正辐射视角因子：

T_cl＝35.7–0.028(M-W)-I_cl[3.96 10^-8f_cl((T_cl+273)⁴–(T_rad+273)⁴)+f_clC_tr(T_cl-T_air)] [5]

操作温度T_operative在ISO 7730中被定义为：假想的空气在其内部的黑色封闭空间的均匀温度，在该均匀温度下，居住者将通过辐射加上对流来交换与实际非均匀环境中相同量的热量。

在ISO 7726中，附录G2给出了方向响应代表人体的传感器的精确方程，或者使用一系列测量来确定代表性热通量。使用其主体在一个或多个温度(例如T_cl)下稳定的传感器测量Φ_radiation,cl和Φ_{convection,cl}，允许准确计算T_operative：

T_operative＝T_cl+(Φ_radiation,cl+Φ_{convection,cl})/(C_tr+C_rad) [7]。

Claims (16)

1.一种热通量传感器(1，25)，包括：

具有四个或更多个传感器对的主体(2，26)，每个传感器对由用于测量组合的辐射热通量和对流热通量的一个辐射吸收/吸收性传感器(9，33，35)和用于基本上测量对流热通量的一个辐射反射/反射性传感器(10，34，36)组成；

所述主体展示出两个或三个热通量测量轴，所述轴基本上垂直，其中每个轴的两个传感器对基本上面向相反方向；

与所述主体导热接触的加热构件(12，47)，能够在2℃内均匀地加热所述主体，主体温度在25℃至40℃之间，环境空气温度在20℃至25℃之间，空气速度<1m/s；以及

温度传感器(11，45)，其与所述主体热耦合，用于测量所述主体温度T_sen。

2.根据权利要求1所述的热通量传感器，承载四个或更多个传感器对，该传感器对具有在2.5πsr到4πsr之间的组合视场(20，21)。

3.根据权利要求1和2所述的热通量传感器，承载四个或另外的偶数个传感器对，该传感器对被安装成其视场在相反方向上，且每个传感器对具有在2πsr到4πsr之间的视场。

4.一种系统，包括根据权利要求1或2或3所述的热通量传感器(1，25，100)、控制单元(116)和连接到所述控制单元以用于测量环境温度T_air的环境温度传感器(13，46，107)，所述控制单元适于：

-操作所述加热构件(12、47、105)以加热所述主体，

-确定或控制所述主体的所述温度T_sen；

-根据所述反射性传感器的所述测量，确定对流热通量Φ_convection，

-通过减去所述吸收性传感器和所述反射性传感器的所述测量来确定辐射热通量Φ_radiation，

-基于Φ_convection、T_air和T_sen或基于在若干传感器主体温度T_sen下供应给所述加热构件的所述功率来确定对流传热系数C_tr，

-基于所述传热系数C_tr确定环境空气速度v_air，以及

-根据T_sen和Φ_radiation确定所述辐射温度T_rad。

5.根据权利要求4所述的系统，其中所述控制单元控制供应给所述加热构件的所述功率，使得所述传感器主体保持在预定温度T_sen。

6.根据权利要求4或5所述的系统，其中所述传热系数C_tr由下式确定：

C_tr＝Φ_convection/(T_air-T_sen)，以及

所述空气速度v_air使用经验公式来根据C_tr被确定，该经验公式对于所述传感器的几何形状和所述环境空气流的方向是有效的，例如通过：

v_air＝((C_tr-B)/A)²,

其中A和B是常数。

7.根据权利要求4或5或6所述的系统，还包括湿度传感器(107)，其连接到所述控制单元，以用于确定所述环境空气的湿度P_a，所述控制单元适于基于以下来确定人在所述传感器的所述位置处的舒适值：

-所测量的所述环境空气的湿度P_a，

-所测量的空气温度T_air，

-所述主体温度T_sen，

-所述辐射热通量Φ_radiation，以及所述对流热通量Φ_convection；

-利用根据权利要求1或2或3的传感器进行的单次测量，该传感器具有在所述传感器的所述位置处的人的代表性方向响应和视场，或

-利用不具有在所述传感器的所述位置处的人的代表性方向响应和视场的传感器进行的单次测量，并且该单次测量使用数学校正，诸如对所述传感器的所述位置处的所述人有效的投影面积因子，或

-利用根据权利要求1或2或3的传感器进行的一系列测量，该传感器不具有在所述传感器的所述位置处的所述人的代表性方向响应和视场，并且该测量将传感器重新定位成指向不同方向，以及根据这些测量计算结果。

8.根据权利要求7所述的系统，其中所述舒适值包括预测平均投票PMV，所述预测平均投票PMV是包括以下参数的函数：能够以W/M²为单位来表示的代谢率M；能够以W/M²为单位来表示的有效机械功率W；能够以K.m²/W为单位来表示的服装绝缘I_cl；能够以℃为单位来表示的所述空气温度T_air、平均辐射温度T_rad；能够以m/s为单位的所述环境空气速度v_air；以及能够以Pa为单位的水蒸汽分压来表示的所测量的湿度P_a；这些参数通过下式相关：

PMV＝[0.303e^(-0.036M)+0.028]×[[(M-W)-3.05x10^-3[5733-6.99(M-W)–p_a]-0.42[(M-W)-58.15]–1.7x10^-5M(5867-p_a)–0.0015M(34-T_air)-3.96 10^-8f_cl((T_cl+273)⁴–(T_rad+273)⁴)-f_clC_tr(T_cl-T_air)],

其中，M、W、I_cl、f_cl的值由所述用户输入，且f_cl是服装表面积因子，以及T_cl是服装表面温度：

T_cl＝35.7–0.028(M-W)-I_cl[3.96 10^-8f_cl((T_cl+273)⁴–(T_rad+273)⁴)+f_clC_tr(T_cl-T_air)]。

9.根据权利要求4所述的系统，其中所述控制单元控制供应给所述加热构件的所述功率，使得所述传感器主体保持在T_cl，且PMV和PPD值是在T_cl或其附近的测量值。

10.根据权利要求4至9中任一项所述的系统，所述控制单元适于将供应给所述主体以将所述主体保持在预定温度的总加热功率与由所述反射性传感器测量的所述热通量和由所述吸收性传感器测量的所述热通量进行比较。

11.根据权利要求4-10中任一项所述的系统，所述控制单元将所述主体加热到一个或多个稳定温度，例如T_cl，从而确定所述操作温度T_operactive：

T_operative＝T_cl+(Φ_radiation,cl+Φ_{convection,cl})/(C_tr+C_rad)

其中，下标“cl”指示服装表面温度，以及C_rad是所述辐射传热系数。

12.根据权利要求4-11中任一项所述的系统，所述控制单元在多个不同温度下加热所述主体，并且根据在这些温度下的所述辐射热通量Φ_radiation和所述对流热通量Φ_convection来确定空气温度、辐射传热系数、对流传热系数以及操作温度。

13.根据权利要求8或9结合权利要求2所述的系统，具有2个或另外的偶数个传感器对，其中所述控制单元确定每个表面的舒适值、辐射热通量和对流热通量，并且如果舒适值与辐射热通量或对流热通量的差高于预定阈值，则提供指示。

14.根据权利要求4-13中任一项所述的系统，其中当所述空气速度v_air超过预定阈值时，所述控制单元提供指示。

15.一种确定舒适值，特别是预测平均投票PMV的方法，该方法包括以下步骤：

-提供热通量传感器(100)，其具有主体(99)，所述主体(99)具有：传感器对，该传感器对由用于测量组合的辐射热通量和对流热通量的一个吸收性传感器(101)和用于基本上测量对流热通量的一个反射性传感器(102)组成；与所述主体导热接触的加热构件(105)；与所述主体热耦合的用于测量所述主体温度T_sen的温度传感器(104)；以及连接到所述控制单元的用于确定所述环境空气的湿度P_a的湿度传感器(107)；以及连接到所述控制单元的用于测量环境温度T_air的环境温度传感器(107)，

-操作所述加热构件以加热所述主体(120)，

-确定所述主体的所述温度T_sen，

-根据所述反射性传感器的所述测量，确定对流热通量Φ_convection，

-通过减去所述吸收性传感器的所述测量和所述反射性传感器的所述测量来确定辐射热通量Φ_radiation，

-基于Φ_convection、T_air和T_sen或基于在若干传感器主体温度T_sen下供应给所述加热构件的所述功率来确定对流传热系数C_tr，以及

-基于所述传热系数C_tr确定环境空气速度v_air，

-输入代谢率M、功率W、服装绝缘I_cl、服装表面积因子f_cl的值，以及

-基于以下确定舒适值：

-所测量的所述环境空气的湿度P_a，

-所测量的空气温度T_air，

-所述主体温度T_sen，

-所述辐射热通量Φ_radiation，以及所述对流热通量Φ_convection。

-利用根据权利要求1和2的传感器进行的单次测量，该传感器具有在所述传感器的所述位置处的人的代表性方向响应和视场，

-利用根据权利要求1和2的传感器的进行的一系列测量，该传感器不具有在所述传感器的所述位置处的所述人的代表性方向响应和视场，且该测量将传感器重新定位成指向不同方向，以及根据这些测量计算结果。

16.根据权利要求15所述的方法，其中所述舒适值包括预测平均投票PMV，所述预测平均投票PMV是包括以下参数的函数：能够以W/M²为单位来表示的代谢率M；能够以W/M²为单位来表示的有效机械功率W；能够以K.m²/W为单位来表示的服装绝缘I_cl；能够以℃为单位来表示的空气温度T_air、平均辐射温度T_rad；能够以m/s为单位来表示的所述环境空气速度v_air；以及能够以Pa为单位的水蒸汽分压来表示的所测量的湿度P_a；这些参数通过下式相关：

PMV＝[0.303e^(-0.036M)+0.028]×[[(M-W)-3.05x10^-3[5733-6.99(M-W)–p_a]-0.42[(M-W)-58.15]–1.7x10^-5M(5867-p_a)–0.0015M(34-T_air)-3.96 10^-8f_cl((T_cl+273)⁴–(T_rad+273)⁴)-f_clC_tr(T_cl-T_air)],

其中M、W、I_cl、f_cl的值由所述用户输入，f_cl是服装表面积因子，以及T_cl是服装表面温度；

T_cl＝35.7–0.028(M-W)-I_cl[3.96 10^-8f_cl((T_cl+273)⁴–(T_rad+273)⁴)+f_clC_tr(T_cl-T_air)]。