室外熱舒適度監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種結構簡單、適用于室外全年候熱環(huán)境舒適性評價的室外熱舒適度監(jiān)測系統(tǒng)。其包括設置于室外多點處的室外參數(shù)傳感器模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和設置于控制室內(nèi)的中央處理器，在中央處理器中還設有能獲取室外熱舒適度值的運算模塊。通過該監(jiān)測系統(tǒng)測得的室外熱舒適度準確率較高，從而對室外熱環(huán)境做出合理評價，進而指導建筑設計人員提出針對性的措施改善室外熱環(huán)境，還可指導戶外旅游者的室外活動時間。其采用標準ModBus?RTU通訊協(xié)議的無線接收模塊接收多個無線發(fā)射模塊的信號，實現(xiàn)多點測量集中接收處理的功能。其集成化程度高、實用性強、靈活性強，可用于短期檢測和長期監(jiān)測。
【專利說明】
室外熱舒適度監(jiān)測系統(tǒng)
技術領域
[0001] 本實用新型涉及一種氣象監(jiān)測系統(tǒng)及監(jiān)測方法，特別涉及一種針對室外熱舒適度 進行監(jiān)測的系統(tǒng)及監(jiān)測方法。
【背景技術】
[0002] 熱舒適度是熱環(huán)境物理量(如溫度、濕度、空氣流動性等)及人體有關因素(如皮膚 溫度、皮膚濕潤度、服裝熱阻等)對人體綜合作用的一個反映舒適程度的指標。
[0003] SET*(Standard Effective Temperature，新標準有效溫度）：以人體傳熱的物理 過程為基礎，包含平均皮膚溫度和皮膚濕潤度(是指人體表面平均的皮膚溫度和皮膚濕潤 度），綜合考慮不同活動水平和服裝熱阻，是目前國外較通用合理的評價室外熱舒適的指 標。
[0004] 其定義是:某個空氣溫度等于平均輻射溫度(平均輻射溫度是熱環(huán)境領域的專用 名詞，是指環(huán)境四周表面對人體輻射作用的平均溫度）的等溫環(huán)境中，其相對濕度為50%， 空氣靜止不動，在該環(huán)境中身著標準熱阻服裝(標準服裝熱阻是熱環(huán)境領域的專用名詞，定 義為一個靜坐者在21°C空氣溫度、空氣流速不超過0.05m/s、相對濕度不超過50 %的環(huán)境中 感到舒適所需要的服裝的熱阻，相當于內(nèi)穿襯衣外穿浦東外衣時的服裝熱阻）的人若與他 在實際環(huán)境和實際服裝熱阻條件下的平均皮膚溫度和皮膚濕潤度相同時，則必定具有相同 的熱損失，這個溫度就是上述環(huán)境的SET*。
[0005] 專利201210184844公開了一種室內(nèi)熱舒適度評價系統(tǒng)，其采用PMV-PPD作為熱環(huán) 境舒適度評價指標。但PMV-PH)熱舒適指標主要適用于穩(wěn)態(tài)的人工室內(nèi)環(huán)境，對于室外非穩(wěn) 態(tài)環(huán)境并不一定適用。相關研究表明，SEf更適用于全年室外熱環(huán)境的舒適性評價，而目前 國內(nèi)運用SET%平價室外熱環(huán)境的無線檢測儀表還不存在。
[0006] 建筑室外環(huán)境監(jiān)測，尤其是對于需要長期監(jiān)測的場合，有很多實際的問題需要考 慮，例如設備的供電、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)收集、長期監(jiān)測穩(wěn)定性、防雨、多點測量等，室內(nèi)的相關 熱舒適監(jiān)測系統(tǒng)很難滿足要求。目前，現(xiàn)有的室外熱舒適檢測儀表主要以短期檢測(是指與 全年長期檢測比較相對較短的檢測）、單點檢測（與全局檢測相對應，指的是一次檢測一個 測點的檢測）和有線傳輸為主。因此，開發(fā)針對室外熱舒適的長期監(jiān)測系統(tǒng)，并綜合考慮室 外熱舒適監(jiān)測的實際情況，十分有必要。 【實用新型內(nèi)容】
[0007] 本實用新型要解決的技術問題是提供一種結構簡單、適用于室外全年候熱環(huán)境舒 適性評價的室外熱舒適度監(jiān)測系統(tǒng)及其監(jiān)測方法。
[0008] 為了解決上述技術問題，本實用新型采用的技術方案為：
[0009] 本實用新型的室外熱舒適度監(jiān)測系統(tǒng)，包括設置于室外多點處的室外參數(shù)傳感 器、數(shù)據(jù)采集模塊和設置于控制室內(nèi)的中央處理器，所述數(shù)據(jù)采集模塊將所述室外參數(shù)傳 感器獲取的空氣溫度、空氣濕度、風速、黑球溫度通過無線發(fā)射模塊和無線接收模塊傳送給 所述的中央處理器。
[0010]所述室外參數(shù)傳感器中的風速傳感器采用脈沖型風杯風速計。
[0011]該系統(tǒng)還包括與室外熱舒適度相關的活動建議預告模塊。
[0012]與現(xiàn)有技術相比，本實用新型采用在室外多點處設置室外參數(shù)傳感器、數(shù)據(jù)采集 模塊和設置于控制室內(nèi)的中央處理器，并在中央處理器中設有能獲取室外熱舒適度值的運 算模塊的監(jiān)測系統(tǒng)。使得通過該監(jiān)測系統(tǒng)測得的室外熱舒適度準確率較高，從而對室外熱 環(huán)境做出合理評價，進而指導建筑設計人員提出針對性的措施改善室外熱環(huán)境，還可指導 戶外旅游者的室外活動時間。
[0013]本實用新型采用標準ModBus-RTU通訊協(xié)議的無線接收模塊接收多個無線發(fā)射模 塊的信號，實現(xiàn)多點測量集中接收處理的功能。采用SEfs作為室外熱舒適評價指標，數(shù)據(jù)處 理模塊通過電腦中的編制程序實現(xiàn)，利用測試參數(shù)，求解SEf s熱舒適方程，得到測試點的 SET'其能有效檢測出室外熱環(huán)境參數(shù)，結合熱舒適模型，全面客觀反應出室外熱環(huán)境舒適 度情況;其采用無線傳輸裝置進行數(shù)據(jù)采集與處理裝置之間的數(shù)據(jù)傳輸，便于相關測試數(shù) 據(jù)的收集和處理。
[0014] 本實用新型集成化程度高、實用性強、靈活性強，可用于短期檢測和長期監(jiān)測，不 僅能作為室外熱環(huán)境的診斷工具，還為人員室外活動作指導。
【附圖說明】
[0015] 圖1為本實用新型系統(tǒng)結構圖。
[0016] 圖2為本實用新型室外模塊結構圖。
[0017]圖3為本實用新型顯示模塊的顯示內(nèi)容示例。
【具體實施方式】
[0018] 通常，室外人員活動區(qū)域的熱環(huán)境直接影響室外人員的健康狀況和室外活動區(qū)域 的利用時間，而單一的室外空氣參數(shù)，如空氣溫度、相對濕度、風速、太陽輻射等難以綜合表 征室外的熱環(huán)境。熱舒適是人對周圍熱環(huán)境所做的主觀滿意度評價，綜合了人體活動程度、 服裝熱阻(衣著情況）、空氣溫度、空氣濕度、平均輻射溫度、空氣流動速度等因素，以滿足 人體熱平衡方程為條件，通過主觀感覺試驗確定出的絕大多數(shù)人的冷暖感覺等級，是評價 室外熱環(huán)境合理的綜合參數(shù)。本實用新型針對上述問題而開發(fā)的室外熱舒適度監(jiān)測系統(tǒng)。
[0019] -種室外熱舒適度無線監(jiān)測系統(tǒng)可以對室外環(huán)境熱舒適性進行長期動態(tài)監(jiān)測，并 能實現(xiàn)多點測量，集中處理、存儲和顯示的功能。
[0020] 本實用新型采用的技術方案詳述如下：
[0021] 如圖1、2、3所示，本實用新型的監(jiān)測系統(tǒng)包括：由溫度傳感器、濕度傳感器、風速傳 感器和黑球溫度傳感器組成的室外參數(shù)傳感器模塊，該模塊置于室外待測量區(qū)域，用于采 集室外測量點的空氣溫度、空氣相對濕度、空氣流速和黑球溫度;數(shù)據(jù)采集模塊，所述的數(shù) 據(jù)采集模塊，對室外空氣參數(shù)傳感器模塊檢測到的室外參數(shù)進行定時采集;無線發(fā)射模塊， 所述無線發(fā)射模塊與數(shù)據(jù)采集模塊相連，將數(shù)據(jù)采集模塊采集的數(shù)據(jù)以無線信號的形式發(fā) 送;無線接收模塊，所述無線接收模塊置于室內(nèi)，用于接收無線發(fā)射模塊傳送過來的無線信 號，一個無線接收模塊可以接收多個上述無線發(fā)射模塊發(fā)射的無線信號；通訊協(xié)議:采用 RS485(標準ModBus)協(xié)議;數(shù)據(jù)處理模塊，所述的數(shù)據(jù)處理模塊與無線模塊相連，對無線模 塊接收的數(shù)據(jù)根據(jù)熱舒適模型進行處理，得到熱舒適度;顯示模塊，所述的顯示模塊與數(shù)據(jù) 處理模塊相連，顯示室外空氣參數(shù)測量傳感器模塊測得的空氣參數(shù)和熱舒適度；電源模塊， 所述的電源模塊與所述的室外參數(shù)傳感器模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和無線發(fā)射模塊分別相連， 為所述的室外參數(shù)傳感器模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和無線發(fā)射模塊供電。
[0022]所述數(shù)據(jù)處理模塊對測量的空氣溫度、空氣相對濕度、風速和黑球溫度，以及設定 的人活動情況和衣著情況，根據(jù)熱舒適方程SEfs進行處理，即可得到熱舒適度。熱舒適方 程如式(1)所示，平均輻射溫度通過黑球溫度計算得到。
[0023] Qsk = a7 set(Tsk-SET*) + ωa7eSET(Psk-0.5Pset) (I)
[0024] 式中：Qsk-皮膚總散熱量(W) set-標準環(huán)境中考慮了服裝熱阻的綜合對流換熱 系數(shù)(Wnr2Tr1)5Tsk-皮膚溫度（°C) ;ω-皮膚濕潤度;a'eSET-標準環(huán)境中考慮了服裝熱阻 的綜合對流質交換系數(shù)(Wnf2kPa4) ;Psk-皮膚表面的水蒸氣分壓力(kPa) ;PSET-標準有效 溫度SET^f的飽和水蒸氣分壓力(kPa)。
[0025] 本專利使用Gagge的二節(jié)點模型來計算SET*。該模型將人體看作中心層和皮膚層 兩層，兩層的動態(tài)熱平衡分別為：
[0026； (2) 陳 (3)
[0028] 式中：Tcr 一中心層溫度（°C);
[0029] IHcr-中心層質量(kg)，一般取人體體重的90% ;
[0030] Hisk-皮膚層質量(kg)，一般取人體體重的10% ;
[0031 ] Ccr-中心層比熱，取3 · 5kjkg-1 °C-1;
[0032] Csk-皮膚層比熱，取3 · skjkg+c-1;
[0033] K-由中心層向皮膚層的傳熱系數(shù)，取5.28Wm-2°C一1;
[0034] M-代謝率(W);
[0035] W-人體所做的機械功(W);
[0036] Cres-人體呼吸顯熱散熱量(W)，Cres = 0.0014M(34-ta);
[0037] Eres-人體呼吸潛熱散熱量(W)，Eres = 0 · 00173M(5 · 867-pa);
[0038] Δ M-冷顫引起的代謝率(W)，Δ M = 19 · 4(34 · 0-tsk) (37 · 0-tcr);
[0039] mbi一皮膚層的血流量(Lh 1Iii 2
[0040] Qsk-皮膚顯熱散熱Ssk和潛熱散熱Esk的總和(W)，即Qsk = Esk+Ssk。其中，Esk又可認為 包括汗液蒸發(fā)散熱Erew和皮膚濕擴散散熱Edif兩部分。
[0041 ] Erew 按下式計算 Erew= 115.6(Tb-36.49) (4)
[0042] 式中Tb-人體平均溫度（°C)，其由Tsk和Tcr決定，一般可表示為Tb = 0.9Tsk+0.1 Tcr。
[0043] Edif則由下式計算
[0044] Edif= ?Emax-Erew (5)
[0045] 式中 ω -皮膚濕潤度，ω = 〇·94Ersw/E"ax+0·06( °C)
[0046] Emax-皮膚表面最大潛熱換熱量(Wnf2)
[0047] 其中，16,。1為從皮膚到服裝外表面的潛熱佚熱把；阻〈1112：^^1〇-1;山1為服裝的面 積系數(shù)，可以用1. 〇+〇. 15clo進行粗略計算;ae為對流質交換系數(shù)(Wnf2kPa4)，根據(jù)Lewis準 貝IJ，質交換系數(shù)和對流換熱系數(shù)α之間存在如下關系
[0048] α。= 16.5α (6)
[0049] α由人體周圍的風速V決定，可用下式估算
[0050] α = 8.6ν0·53 (7)
[00511另外，皮膚顯熱散熱Ssk可按下式計算
[0052]
(8)
[0053]式中，Ic,cl 一從皮膚到服裝外表面的顯熱換熱熱阻(mlPaclcT1);
[0054] To-操作溫度（°C )，它反映了空氣溫度1和平均輻射溫度Tr的綜合作用，其計算式 如下：
[0055] (9)
[0056] 式中，hr-輻射換熱系數(shù)(Wnf2TT1)。
[0057]本實用新型采用內(nèi)置程序，將式（1)到(9)連立求解，得到動態(tài)的室內(nèi)外SET*值。 [0058]除本實用新型中的傳感器采集的參數(shù)外，計算SET*所需的其他參數(shù)需要根據(jù)不同 情況人工錄入。
[0059] 下面詳細描述本實用新型的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中相同 或類似的標號標示相同或類似的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是實例性的，僅用 于解釋本實用新型，而不能解釋為對本實用新型的限制。
[0060] 本實施例中，參見圖1，設置室外熱舒適無線監(jiān)測系統(tǒng)的組成包括：由室外參數(shù)傳 感器模塊1、數(shù)據(jù)采集模塊2、無線發(fā)射模塊3、無線接收模塊4、數(shù)據(jù)處理模塊5、顯示模塊6和 電源模塊7。
[0061] 具體實施中，參見圖2,室外參數(shù)傳感器模塊1由置于室外的空氣溫度傳感器8、空 氣濕度傳感器9、風速傳感器10和黑球溫度傳感器11組成，空氣溫度傳感器8獲得室外測點 的空氣溫度，空氣濕度傳感器9獲得室外測點的空氣相對濕度，風速傳感器10獲得室外測點 風速，黑球溫度傳感器11獲得室外測點的黑球溫度。
[0062] 具體實施中，所述空氣溫度和相對濕度傳感器采用集成芯片，可直接輸出溫濕度 數(shù)字信號，測量溫度范圍為-30~70°C，相對濕度測量范圍為0~100%。溫濕度傳感器外配 裝輕型百葉箱，防止太陽輻射和雨水對測量結果的影響，保證測試數(shù)據(jù)的有效性。風速傳感 器采用脈沖型風杯風速計，測量風速范圍為0~60m/s。黑球溫度傳感器測量范圍0~80°C。 [0063]具體實施中，所述的無線接收模塊可以接收多個無線發(fā)射模塊的信號，實現(xiàn)多點 測量集中接收處理的功能。
[0064] 具體實施中，所述的數(shù)據(jù)處理模塊通過電腦中的編制程序實現(xiàn)，利用測試參數(shù)，求 解SEf熱舒適方程，得到測試點的SET'并對SETlP獲得的室外參數(shù)進行存儲。其中SEf s的 計算涉及到六個參數(shù):空氣溫度、空氣相對濕度、空氣風速、平均輻射溫度、人體新陳代謝和 人體衣服熱阻?？諝鉁囟?、空氣相對濕度和空氣風速為測試得到的參數(shù)，平均輻射溫度通過 黑球溫度計算得到。服裝熱阻通過季節(jié)確定（服裝熱阻可根據(jù)人體穿衣的形式通過查詢 2009 ASHRAE Handbook-Fundamentals手冊確定），人體新陳代謝率根據(jù)測量點的人體活 動形式(人體活動形式可通過查詢2009 ASHRAE Handbook-Fundamentals手冊確定)確定。 通過黑球?麼彳+管:平麼的彳+管;W W。
[0065]
(10)：
[0066] 式中，Tg為黑球溫度，K;hc為黑球表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2 · Κ);ε為表面發(fā)射率;〇為 斯忒藩-玻爾茲曼常數(shù)，5.67\10-81/(1112*1(4)&為空氣溫度，1(。
[0067]具體實施中，所述的顯示模塊通過電腦中的編制程序實現(xiàn)，顯示內(nèi)容包括：測試 點的分布地圖，測試點的數(shù)據(jù)采集時間，測試點的SET'舒適、溫度、相對濕度、風速、黑球溫 度，并給出測試點的活動建議，顯示樣式示例見圖3。
[0068] 對于本領域技術人員而言，顯然本實用新型不限于上述示范性實施例的細節(jié)，而 且在不背離本實用新型的精神或基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實現(xiàn)本實用新 型。因此，無論從哪一點來看，均應將實施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本實用新 型的范圍由所附權利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權利要求的等同要件的含 義和范圍內(nèi)的所有變化囊括在本實用新型內(nèi)。不應將權利要求中的任何附圖標記視為限制 所涉及的權利要求。
[0069] 此外，應當理解，雖然本說明書按照實施方式加以描述，但并非每個實施方式僅包 含一個獨立的技術方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領域技術人員應當 將說明書作為一個整體，各實施例中的技術方案也可以經(jīng)適當組合，形成本領域技術人員 可以理解的其他實施方式。
【主權項】
1. 一種室外熱舒適度監(jiān)測系統(tǒng)，包括設置于室外多點處的室外參數(shù)傳感器、數(shù)據(jù)采集 模塊和設置于控制室內(nèi)的中央處理器，其特征在于:所述數(shù)據(jù)采集模塊將所述室外參數(shù)傳 感器獲取的空氣溫度、空氣濕度、風速、黑球溫度通過無線發(fā)射模塊和無線接收模塊傳送給 所述的中央處理器。2. 根據(jù)權利要求1所述的室外熱舒適度監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:所述室外參數(shù)傳感器中 的風速傳感器采用脈沖型風杯風速計。3. 根據(jù)權利要求1或2所述的室外熱舒適度監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于：該系統(tǒng)還包括與室 外熱舒適度相關的活動建議預告模塊。
【文檔編號】G01D21/02GK205580501SQ201520996798
【公開日】2016年9月14日
【申請日】2015年12月4日
【發(fā)明人】賀啟濱, 李雨桐, 辛志宇, 姜緯馳
【申請人】深圳市建筑科學研究院股份有限公司