[发明专利]测量室外风速与辐射的方法、装置、设备及存储介质

说明书

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。

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。

 （公式a）

式中，是斯蒂芬玻尔兹曼常数，；是平均辐射温度，单位为；是平均短波辐射通量，单位为； L是平均长波辐射通量，单位为。、、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：

（公式b）

式中，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计算可得；是黑球空腔气温，单位为；是室外空气温度，单位为；

同时根据ISO7726推荐采用直径 D=0.15m、表面发射率的黑球温度计，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：

（公式c）

式中，是室外风速，单位为。

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：

（公式d）

式中，是黑球温度计的系统热容，单位是；是球壳外表面积，单位是；是时间，单位是；

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（）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。由此可见本身携带了风速的信息，但是其表现被辐射调节。