CN105371897A - 室外热舒适度监测***及其监测方法 - Google Patents

Abstract

一种结构简单、适用于室外全年候热环境舒适性评价的室外热舒适度监测***及其监测方法。其包括设置于室外多点处的室外参数传感器模块、数据采集模块和设置于控制室内的中央处理器，在中央处理器中还设有能获取室外热舒适度值的运算模块。通过该监测***测得的室外热舒适度准确率较高，从而对室外热环境做出合理评价，进而指导建筑设计人员提出针对性的措施改善室外热环境，还可指导户外旅游者的室外活动时间。其采用标准ModBus-RTU通讯协议的无线接收模块接收多个无线发射模块的信号，实现多点测量集中接收处理的功能。其集成化程度高、实用性强、灵活性强，可用于短期检测和长期监测。

Description

室外热舒适度监测***及其监测方法

技术领域

本发明涉及一种气象监测***及监测方法，特别涉及一种针对室外热舒适度进行监测的***及监测方法。

背景技术

热舒适度是热环境物理量(如温度、湿度、空气流动性等)及人体有关因素(如皮肤温度、皮肤湿润度、服装热阻等)对人体综合作用的一个反映舒适程度的指标。

SET^*(StandardEffectiveTemperature，新标准有效温度)：以人体传热的物理过程为基础，包含平均皮肤温度和皮肤湿润度(是指人体表面平均的皮肤温度和皮肤湿润度)，综合考虑不同活动水平和服装热阻，是目前国外较通用合理的评价室外热舒适的指标。

其定义是：某个空气温度等于平均辐射温度(平均辐射温度是热环境领域的专用名词，是指环境四周表面对人体辐射作用的平均温度)的等温环境中，其相对湿度为50％，空气静止不动，在该环境中身着标准热阻服装(标准服装热阻是热环境领域的专用名词，定义为一个静坐者在21℃空气温度、空气流速不超过0.05m/s、相对湿度不超过50％的环境中感到舒适所需要的服装的热阻，相当于内穿衬衣外穿浦东外衣时的服装热阻)的人若与他在实际环境和实际服装热阻条件下的平均皮肤温度和皮肤湿润度相同时，则必定具有相同的热损失，这个温度就是上述环境的SET^*。

专利201210184844公开了一种室内热舒适度评价***，其采用PMV-PPD作为热环境舒适度评价指标。但PMV-PPD热舒适指标主要适用于稳态的人工室内环境，对于室外非稳态环境并不一定适用。相关研究表明，SET^*更适用于全年室外热环境的舒适性评价，而目前国内运用SET^*评价室外热环境的无线检测仪表还不存在。

建筑室外环境监测，尤其是对于需要长期监测的场合，有很多实际的问题需要考虑，例如设备的供电、数据传输、数据收集、长期监测稳定性、防雨、多点测量等，室内的相关热舒适监测***很难满足要求。目前，现有的室外热舒适检测仪表主要以短期检测(是指与全年长期检测比较相对较短的检测)、单点检测(与全局检测相对应，指的是一次检测一个测点的检测)和有线传输为主。因此，开发针对室外热舒适的长期监测***，并综合考虑室外热舒适监测的实际情况，十分有必要。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单、适用于室外全年候热环境舒适性评价的室外热舒适度监测***及其监测方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

本发明的室外热舒适度监测***，包括设置于室外多点处的室外参数传感器模块、数据采集模块和设置于控制室内的中央处理器，在中央处理器中还设有能获取室外热舒适度值的运算模块，该运算模块根据以下热舒适方程运算：

Q_sk＝α'_SET(T_sk-SET^*)+ωα′_eSET(P_sk-0.5P_SET)(1)

式中：

Q_sk—皮肤总散热量，单位为W；

α′_SET—标准环境中考虑了服装热阻的综合对流换热系数，单位为Wm^-2℃^-1；

T_sk—皮肤温度，单位为℃；

ω—皮肤湿润度；

α′_eSET—标准环境中考虑了服装热阻的综合对流质交换系数，单位为Wm^-2kPa^-1；

P_sk—皮肤表面的水蒸气分压力，单位为kPa；

P_SET—标准有效温度SET^*下的饱和水蒸气分压力，单位为kPa。

所述室外参数传感器模块为可对空气温度、空气湿度、风速、黑球温度进行测量的传感器。

在数据采集模块与中央处理器之间还设有无线发射模块和无线接收模块。

所述风速传感器采用脉冲型风杯风速计。

该***还包括与室外热舒适度相关的活动建议预告模块。

本发明的获取室外热舒适度的方法，按以下步骤进行，

1)在室外活跃区域多点设置测量包含空气温度、空气湿度、风速、黑球温度在内的室外参数的传感器模块和该室外参数数据采集模块及电源模块；

2)将数据采集模块获取的室外参数输入设置于控制室内的中央处理器中；

3)经存储于中央处理器中的运算模块计算获得室外热舒适度值，所述运算模块按以下热舒适方程运算：

Q_sk＝α'_SET(T_sk-SET^*)+ωα′_eSET(P_sk-0.5P_SET)

式中：

Q_sk—皮肤总散热量，单位为W；

α'_SET—标准环境中考虑了服装热阻的综合对流换热系数，单位为Wm^-2℃^-1；

T_sk—皮肤温度，单位为℃；

ω—皮肤湿润度；

α′_eSET—标准环境中考虑了服装热阻的综合对流质交换系数，单位为Wm^-2kPa^-1；

P_sk—皮肤表面的水蒸气分压力，单位为kPa；

P_SET—标准有效温度SET^*下的饱和水蒸气分压力，单位为kPa。

本发明方法中，所述数据采集模块采集的室外参数通过人工抄录、有线传输或无线传输输入所述的中央处理器中。

本发明方法中，所述活跃区域公园、游乐广场或旅游景区。

与现有技术相比，本发明采用在室外多点处设置室外参数传感器模块、数据采集模块和设置于控制室内的中央处理器，并在中央处理器中设有能获取室外热舒适度值的运算模块的监测***。使得通过该监测***测得的室外热舒适度准确率较高，从而对室外热环境做出合理评价，进而指导建筑设计人员提出针对性的措施改善室外热环境，还可指导户外旅游者的室外活动时间。

本发明采用标准ModBus-RTU通讯协议的无线接收模块接收多个无线发射模块的信号，实现多点测量集中接收处理的功能。采用SET^*作为室外热舒适评价指标，数据处理模块通过电脑中的编制程序实现，利用测试参数，求解SET^*热舒适方程，得到测试点的SET^*。其能有效检测出室外热环境参数，结合热舒适模型，全面客观反应出室外热环境舒适度情况；其采用无线传输装置进行数据采集与处理装置之间的数据传输，便于相关测试数据的收集和处理。

本发明集成化程度高、实用性强、灵活性强，可用于短期检测和长期监测，不仅能作为室外热环境的诊断工具，还为人员室外活动作指导。

附图说明

图1为本发明***结构图。

图2为本发明室外模块结构图。

图3为本发明显示模块的显示内容示例。

具体实施方式

通常，室外人员活动区域的热环境直接影响室外人员的健康状况和室外活动区域的利用时间，而单一的室外空气参数，如空气温度、相对湿度、风速、太阳辐射等难以综合表征室外的热环境。热舒适是人对周围热环境所做的主观满意度评价，综合了人体活动程度、服装热阻(衣着情况)、空气温度、空气湿度、平均辐射温度、空气流动速度等因素，以满足人体热平衡方程为条件，通过主观感觉试验确定出的绝大多数人的冷暖感觉等级，是评价室外热环境合理的综合参数。本发明针对上述问题而开发的室外热舒适度监测***。

一种室外热舒适度无线监测***可以对室外环境热舒适性进行长期动态监测，并能实现多点测量，集中处理、存储和显示的功能。

本发明采用的技术方案详述如下：

如图1、2、3所示，本发明的监测***包括：由温度传感器、湿度传感器、风速传感器和黑球温度传感器组成的室外参数传感器模块，该模块置于室外待测量区域，用于采集室外测量点的空气温度、空气相对湿度、空气流速和黑球温度；数据采集模块，所述的数据采集模块，对室外空气参数传感器模块检测到的室外参数进行定时采集；无线发射模块，所述无线发射模块与数据采集模块相连，将数据采集模块采集的数据以无线信号的形式发送；无线接收模块，所述无线接收模块置于室内，用于接收无线发射模块传送过来的无线信号，一个无线接收模块可以接收多个上述无线发射模块发射的无线信号；通讯协议：采用RS485(标准ModBus)协议；数据处理模块，所述的数据处理模块与无线模块相连，对无线模块接收的数据根据热舒适模型进行处理，得到热舒适度；显示模块，所述的显示模块与数据处理模块相连，显示室外空气参数测量传感器模块测得的空气参数和热舒适度；电源模块，所述的电源模块与所述的室外参数传感器模块、数据采集模块和无线发射模块分别相连，为所述的室外参数传感器模块、数据采集模块和无线发射模块供电。

所述数据处理模块对测量的空气温度、空气相对湿度、风速和黑球温度，以及设定的人活动情况和衣着情况，根据热舒适方程SET^*进行处理，即可得到热舒适度。热舒适方程如式(1)所示，平均辐射温度通过黑球温度计算得到。

Q_sk＝α'_SET(T_sk-SET^*)+ωα′_eSET(P_sk-0.5P_SET)(1)

式中：Q_sk—皮肤总散热量(W)；α'_SET—标准环境中考虑了服装热阻的综合对流换热系数(Wm^-2℃^-1)；T_sk—皮肤温度(℃)；ω—皮肤湿润度；α'_eSET—标准环境中考虑了服装热阻的综合对流质交换系数(Wm^-2kPa^-1)；P_sk—皮肤表面的水蒸气分压力(kPa)；P_SET—标准有效温度SET^*下的饱和水蒸气分压力(kPa)。

本专利使用Gagge的二节点模型来计算SET*。该模型将人体看作中心层和皮肤层两层，两层的动态热平衡分别为：

$m_{cr}{c}_{cr}\frac{{\mathrm{dT}}_{ct}}{d\mathrm{\τ}}=M+\mathrm{\Δ}M-W-C_{res}-E_{res}---\left(2\right)$

$m_{sk}{c}_{sk}\frac{{\mathrm{dT}}_{sk}}{d\mathrm{\τ}}=(K+m_{bl}{c}_{bl})(T_{cr}-T_{sk})-Q_{sk}---\left(3\right)$

式中：T_cr—中心层温度(℃)；

m_cr—中心层质量(kg)，一般取人体体重的90％；

m_sk—皮肤层质量(kg)，一般取人体体重的10％；

c_cr—中心层比热，取3.5kJkg^-1℃^-1；

c_sk—皮肤层比热，取3.5kJkg^-1℃^-1；

K—由中心层向皮肤层的传热系数，取5.28Wm^-2℃^-1；

M—代谢率(W)；

W—人体所做的机械功(W)；

C_res—人体呼吸显热散热量(W)，C_res＝0.0014M(34-t_a)；

E_res—人体呼吸潜热散热量(W)，E_res＝0.00173M(5.867-p_a)；

△M—冷颤引起的代谢率(W)，△M＝19.4(34.0-t_sk)(37.0-t_cr)；

m_bl—皮肤层的血流量(Lh^-1m^-2)，

Q_sk—皮肤显热散热S_sk和潜热散热E_sk的总和(W)，即Q_sk＝E_sk+S_sk。其中，E_sk又可认为包括汗液蒸发散热E_rew和皮肤湿扩散散热E_dif两部分。

E_rew按下式计算E_rew＝115.6(T_b-36.49)(4)

式中T_b—人体平均温度(℃)，其由T_sk和T_cr决定，一般可表示为T_b＝0.9T_sk+0.1T_cr。

E_dif则由下式计算

E_dif＝ωE_max-E_rew(5)

式中ω—皮肤湿润度，ω＝0.94E_rsw/E_max+0.06(℃)

E_max—皮肤表面最大潜热换热量(Wm^-2)，

其中，I_e,cl为从皮肤到服装外表面的潜热换热热阻(m2kPaclo-1)；f_cl为服装的面积系数，可以用1.0+0.15clo进行粗略计算；α_e为对流质交换系数(Wm^-2kPa^-1)，根据Lewis准则，质交换系数和对流换热系数α之间存在如下关系

α_c＝16.5α(6)

α由人体周围的风速v决定，可用下式估算

α＝8.6v^0.53(7)

另外，皮肤显热散热S_sk可按下式计算

$S_{sk}=\frac{(T_{sk}-T_0)}{I_{s,cl}+1/\left(f_{cl}{h}_c\right)}---\left(8\right)$

式中，I_c,cl—从皮肤到服装外表面的显热换热热阻(m²kPaclo^-1)；

T₀—操作温度(℃)，它反映了空气温度T_a和平均辐射温度T_r的综合作用，其计算式如下：

$T_0=\frac{h_r{T}_r+{\mathrm{\αT}}_a}{h_r+\mathrm{\α}}---\left(9\right)$

式中，h_r—辐射换热系数(Wm^-2℃^-1)。

本发明采用内置程序，将式(1)到(9)连立求解，得到动态的室内外SET*值。

除本发明中的传感器采集的参数外，计算SET*所需的其他参数需要根据不同情况人工录入。

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中相同或类似的标号标示相同或类似的元件。下面通过参考附图描述的实施例是实例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本实施例中，参见图1，设置室外热舒适无线监测***的组成包括：由室外参数传感器模块1、数据采集模块2、无线发射模块3、无线接收模块4、数据处理模块5、显示模块6和电源模块7。

具体实施中，参见图2，室外参数传感器模块1由置于室外的空气温度传感器8、空气湿度传感器9、风速传感器10和黑球温度传感器11组成，空气温度传感器8获得室外测点的空气温度，空气湿度传感器9获得室外测点的空气相对湿度，风速传感器10获得室外测点风速，黑球温度传感器11获得室外测点的黑球温度。

具体实施中，所述空气温度和相对湿度传感器采用集成芯片，可直接输出温湿度数字信号，测量温度范围为-30～70℃，相对湿度测量范围为0～100％。温湿度传感器外配装轻型百叶箱，防止太阳辐射和雨水对测量结果的影响，保证测试数据的有效性。风速传感器采用脉冲型风杯风速计，测量风速范围为0～60m/s。黑球温度传感器测量范围0～80℃。

具体实施中，所述的无线接收模块可以接收多个无线发射模块的信号，实现多点测量集中接收处理的功能。

具体实施中，所述的数据处理模块通过电脑中的编制程序实现，利用测试参数，求解SET^*热舒适方程，得到测试点的SET^*，并对SET^*和获得的室外参数进行存储。其中SET^*的计算涉及到六个参数：空气温度、空气相对湿度、空气风速、平均辐射温度、人体新陈代谢和人体衣服热阻。空气温度、空气相对湿度和空气风速为测试得到的参数，平均辐射温度通过黑球温度计算得到。服装热阻通过季节确定(服装热阻可根据人体穿衣的形式通过查询2009ASHRAEHandbook—Fundamentals手册确定)，人体新陈代谢率根据测量点的人体活动形式(人体活动形式可通过查询2009ASHRAEHandbook—Fundamentals手册确定)确定。通过黑球温度计算平均辐射温度的计算见式(10)。

$T_g=\sqrt[4]{T_g^4+\frac{h_c}{\mathrm{\σ}\mathrm{\ϵ}}(T_g-T_a)}---\left(10\right)$

式中，Tg为黑球温度，K；hc为黑球表面传热系数，W/(m²·K)；ε为表面发射率；σ为斯忒藩-玻尔兹曼常数，5.67×10-8W/(m²·K4)；Ta为空气温度，K。

具体实施中，所述的显示模块通过电脑中的编制程序实现，显示内容包括：测试点的分布地图，测试点的数据采集时间，测试点的SET^*、舒适、温度、相对湿度、风速、黑球温度，并给出测试点的活动建议，显示样式示例见图3。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (8)

1.一种室外热舒适度监测***，包括设置于室外多点处的室外参数传感器模块、数据采集模块和设置于控制室内的中央处理器，其特征在于：在中央处理器中还设有能获取室外热舒适度值的运算模块，该运算模块根据以下热舒适方程运算：

Q_sk＝α'_SET(T_sk-SET^*)+ωα′_eSET(P_sk-0.5P_SET)(1)

式中：

Q_sk—皮肤总散热量，单位为W；

α′_SET—标准环境中考虑了服装热阻的综合对流换热系数，单位为Wm^-2℃^-1；

T_sk—皮肤温度，单位为℃；

ω—皮肤湿润度；

α′_eSET—标准环境中考虑了服装热阻的综合对流质交换系数，单位为Wm^-2kPa^-1；

P_sk—皮肤表面的水蒸气分压力，单位为kPa；

P_SET—标准有效温度SET^*下的饱和水蒸气分压力，单位为kPa。

2.根据权利要求1所述的室外热舒适度无线监测***，其特征在于：所述室外参数传感器模块为可对空气温度、空气湿度、风速、黑球温度进行测量的传感器。

3.根据权利要求2所述的室外热舒适度无线监测***，其特征在于：在数据采集模块与中央处理器之间还设有无线发射模块和无线接收模块。

4.根据权利要求2所述的室外热舒适度无线监测***，其特征在于：所述风速传感器采用脉冲型风杯风速计。

5.根据权利要求1－4中任一项所述的室外热舒适度无线监测***，其特征在于：该***还包括与室外热舒适度相关的活动建议预告模块。

6.一种获取室外热舒适度的方法，其特征在于：按以下步骤进行，

1)在室外活跃区域多点设置测量包含空气温度、空气湿度、风速、黑球温度在内的室外参数的传感器模块和该室外参数数据采集模块及电源模块；

2)将数据采集模块获取的室外参数输入设置于控制室内的中央处理器中；

3)经存储于中央处理器中的运算模块计算获得室外热舒适度值，所述运算模块按以下热舒适方程运算：

Q_sk＝α'_SET(T_sk-SET^*)+ωα′_eSET(P_sk-0.5P_SET)

式中：

Q_sk—皮肤总散热量，单位为W；

α'_SET—标准环境中考虑了服装热阻的综合对流换热系数，单位为Wm^-2℃^-1；

T_sk—皮肤温度，单位为℃；

ω—皮肤湿润度；

α′_eSET—标准环境中考虑了服装热阻的综合对流质交换系数，单位为Wm^-2kPa^-1；

P_sk—皮肤表面的水蒸气分压力，单位为kPa；

P_SET—标准有效温度SET^*下的饱和水蒸气分压力，单位为kPa。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述数据采集模块采集的室外参数通过人工抄录、有线传输或无线传输输入所述的中央处理器中。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述活跃区域公园、游乐广场或旅游景区。