Средняя температура излучения
Тип температуры

Концепция средней лучистой температуры ( MRT ) используется для количественной оценки обмена лучистым теплом между человеком и окружающей средой с целью понимания влияния температуры поверхности на личный комфорт. Средняя лучистая температура была как качественно определена, так и количественно оценена как для внутренней, так и для внешней среды. [1] [2] [3]

MRT определяется как равномерная температура воображаемого замкнутого пространства, в котором лучистая теплопередача от человеческого тела равна лучистой теплопередаче в реальном неоднородном замкнутом пространстве. [4]

MRT — полезная концепция, поскольку чистый обмен лучистой энергией между двумя объектами приблизительно пропорционален произведению разницы их температур на их излучательную способность (способность излучать и поглощать тепло). MRT — это просто средневзвешенная по площади температура всех объектов, окружающих тело. Это имеет смысл, пока разница температур объектов мала по сравнению с их абсолютными температурами , что позволяет линеаризовать закон Стефана-Больцмана в соответствующем диапазоне температур. [ требуется цитата ]

MRT также оказывает сильное влияние на индексы термофизиологического комфорта, такие как физиологическая эквивалентная температура (PET) или прогнозируемое среднее значение (PMV). [5]

То, что мы испытываем и чувствуем относительно теплового комфорта в здании, связано с влиянием как температуры воздуха, так и температуры поверхностей в этом пространстве, представленной средней температурой излучения. MRT контролируется характеристиками корпуса. [ необходима цитата ]

Оперативная температура , которая является более функциональной мерой теплового комфорта в здании, рассчитывается на основе температуры воздуха, средней температуры излучения и скорости воздуха. [6] Поддержание баланса между оперативной температурой и средней температурой излучения может создать более комфортное пространство. [7] Это достигается с помощью эффективного проектирования здания, интерьера и с использованием высокотемпературного лучистого охлаждения и низкотемпературного лучистого отопления. [8]

На открытом воздухе средняя температура излучения зависит от температуры воздуха, а также от излучения поглощенного тепла от материалов, используемых на тротуарах, улицах и зданиях. Его можно смягчить за счет древесного покрова и зеленых насаждений, которые служат источниками тени и способствуют испарительному охлаждению. Ощущаемая средняя температура излучения на открытом воздухе может сильно различаться в зависимости от местных условий. Например, измерения, проведенные в Чапел-Хилл, Северная Каролина, для изучения воздействия городского острова тепла, составили от 93 до 108 °F (от 34 до 42 °C). [9]

Расчет

Существуют различные способы оценки средней температуры излучения: либо применяя ее определение и используя уравнения для ее расчета, либо измеряя ее с помощью специальных термометров или датчиков. [1] [2]

Поскольку количество лучистого тепла, теряемого или получаемого человеческим телом, является алгебраической суммой всех лучистых потоков, которыми обмениваются его открытые части с окружающими источниками, MRT можно рассчитать из измеренной температуры окружающих стен и поверхностей и их положения по отношению к человеку. Поэтому необходимо измерить эти температуры и угловые коэффициенты между человеком и окружающими поверхностями. [4] Большинство строительных материалов имеют высокую излучательную способность ε, поэтому все поверхности в помещении можно считать черными. Поскольку сумма угловых коэффициентов равна единице, четвертая степень MRT равна среднему значению температур окружающей поверхности в четвертой степени, взвешенному соответствующими угловыми коэффициентами.

Используется следующее уравнение: [4] [10]

М Р Т 4 = Т 1 4 Ф п − 1 + Т 2 4 Ф п − 2 + . . . + Т н 4 Ф п − н {\displaystyle MRT^{4}=T_{1}^{4}F_{p-1}+T_{2}^{4}F_{p-2}+...+T_{n}^{4}F_{pn}}

где:

М Р Т {\displaystyle МРТ}  — средняя температура излучения;
Т н {\displaystyle T_{n}}        - температура поверхности "n", в градусах Кельвина ;
Ф п − н {\displaystyle F_{pn}}   - угловой коэффициент между человеком и поверхностью «n».

Если между поверхностями корпуса существуют относительно небольшие разницы температур, уравнение можно упростить до следующей линейной формы: [4] [10]

М Р Т = Т 1 Ф п − 1 + Т 2 Ф п − 2 + . . . + Т н Ф п − н {\displaystyle MRT=T_{1}F_{p-1}+T_{2}F_{p-2}+...+T_{n}F_{pn}}

Эта линейная формула имеет тенденцию давать более низкое значение MRT, но во многих случаях разница невелика. [4]

В целом, угловые факторы трудно определить, и они обычно зависят от положения и ориентации человека. Кроме того, этот метод становится сложным и трудоемким по мере увеличения количества поверхностей и их сложных форм. В настоящее время нет способа эффективно собирать эти данные. По этой причине более простой способ определения MRT — это измерение его с помощью специального термометра.

Измерение

Ручной измеритель температуры с влажным шариком , включая термометр с черным шариком (слева)

MRT можно оценить с помощью термометра с черным шаром . Термометр с черным шаром состоит из черного шара, в центре которого помещен датчик температуры, такой как шарик ртутного термометра, термопара или датчик сопротивления. Шар теоретически может иметь любой диаметр, но поскольку формулы, используемые при расчете средней лучистой температуры, зависят от диаметра шара, обычно рекомендуется диаметр 15 сантиметров (6 дюймов), указанный для использования с этими формулами. Чем меньше диаметр шара, тем больше влияние температуры воздуха и скорости воздуха, что приводит к снижению точности измерения средней лучистой температуры. Чтобы внешняя поверхность шара поглощала излучение от стенок корпуса, поверхность шара должна быть затемнена либо с помощью электрохимического покрытия, либо, в более общем случае, с помощью слоя матовой черной краски. [4] Этот термометр фактически измеряет температуру шара (GT), стремящуюся к тепловому равновесию под воздействием конвекции и излучения, исходящего от различных источников тепла в помещении. Благодаря этому принципу знание GT позволяет определить среднюю температуру излучения MRT. [4] Согласно стандарту ISO 7726, наиболее часто используемое уравнение (принудительная конвекция) выглядит следующим образом:

М Р Т = [ ( Г Т + 273.15 ) 4 + 1.1 ⋅ 10 8 ⋅ в а 0,6 ε ⋅ Д 0,4 ( Г Т − Т а ) ] 1 / 4 − 273.15 {\displaystyle MRT=\left[\left(GT+273,15\right)^{4}+{\frac {1,1\cdot 10^{8}\cdot v_{a}^{0,6}}{\varepsilon \cdot D^{0,4}}}(GT-T_{a})\right]^{1/4}-273,15}

Когда скорость воздуха меньше 1 м/с (естественная конвекция), уравнение выглядит следующим образом:

М Р Т = [ ( Г Т + 273.15 ) 4 + 0,25 ⋅ 10 8 ε ( | Г Т − Т а | Д ) 1 / 4 ( Г Т − Т а ) ] 1 / 4 − 273.15 {\displaystyle MRT=\left[\left(GT+273,15\right)^{4}+{\frac {0,25\cdot 10^{8}}{\varepsilon}}\left({\frac {|GT-T_{a}|}{D}}\right)^{1/4}(GT-T_{a})\right]^{1/4}-273,15}

где:

М Р Т {\displaystyle МРТ} средняя лучистая температура (°C);
Г Т {\displaystyle ГТ}      - температура на земном шаре (°C);
в а {\displaystyle v_{a}}        скорость воздуха на уровне земного шара (м/с);
ε {\displaystyle \varepsilon}          - излучательная способность шара (безразмерная);
Д {\displaystyle D}         диаметр земного шара (м);
Т а {\displaystyle T_{a}}        температура воздуха (°C);

А для стандартного шара (D = 0,150 м, = 0,95): ε {\displaystyle \varepsilon}

М Р Т = [ ( Г Т + 273.15 ) 4 + 2.5 ⋅ 10 8 ⋅ в а 0,6 ( Г Т − Т а ) ] 1 / 4 − 273.15 {\displaystyle MRT=\left[\left(GT+273,15\right)^{4}+2,5\cdot 10^{8}\cdot v_{a}^{0,6}(GT-T_{a})\right]^{1/4}-273,15}

На измерение влияет движение воздуха, поскольку измеряемое GT зависит как от конвекции, так и от переноса излучения. При эффективном увеличении размера шарика термометра коэффициент переноса конвекции уменьшается, а влияние излучения пропорционально увеличивается. Из-за локальных конвективных потоков воздуха GT обычно лежит между температурой воздуха и MRT. Чем быстрее воздух движется над шаровым термометром, тем ближе GT приближается к температуре воздуха.

Более того, поскольку MRT определяется относительно человеческого тела, форма датчика также является фактором. Сферическая форма шарового термометра дает разумное приближение для сидящего человека; для людей, которые стоят, шар, в излучающей неоднородной среде, переоценивает излучение от пола или потолка, поэтому эллипсоидный датчик дает лучшее приближение. [10]

При использовании термометра с черным шаром необходимо соблюдать несколько других мер предосторожности в зависимости от условий измерения. Кроме того, существуют различные методы измерения, такие как двухсферный радиометр и датчик постоянной температуры воздуха. [4]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ ab Guo, Hongshan; Aviv, Dorit; Loyola, Mauricio; Teitelbaum, Eric; Houchois, Nicholas; Meggers, Forrest (1 января 2020 г.). «О понимании средней температуры излучения в помещениях и на открытом воздухе, критический обзор». Renewable and Sustainable Energy Reviews . 117 : 109207. Bibcode : 2020RSERv.11709207G. doi : 10.1016/j.rser.2019.06.014 . ISSN  1364-0321. S2CID  208834605.
  2. ^ ab Bean, Robert (2010). "Средняя температура излучения (MRT) - Часть I". Healthy Heating . Получено 6 декабря 2022 г. .
  3. ^ Ди Наполи, Клаудия; Хоган, Робин Дж.; Паппенбергер, Флориан (1 июля 2020 г.). «Средняя радиационная температура по глобальным численным моделям прогнозирования погоды». Международный журнал биометеорологии . 64 (7): 1233– 1245. Bibcode : 2020IJBm...64.1233D. doi : 10.1007/s00484-020-01900-5 . ISSN  1432-1254. PMC 7295834. PMID 32274575  . 
  4. ^ abcdefgh "ISO 7726. Эргономика тепловой среды. Приборы для измерения физических величин" . Женева, Швейцария: Международная организация по стандартизации. Ноябрь 1998 г.Актуально по состоянию на 2021 год.
  5. ^ Фангер, П. О. (1970). Тепловой комфорт: анализ и применение в инженерной защите окружающей среды . Нью-Йорк: McGraw Hill.
  6. ^ Рейнольдс, Майк (8 февраля 2020 г.). «Проектирование домов для человеческого комфорта». ecoHOME .
  7. ^ Мацаракис, Андреас. Оценка и расчет средней лучистой температуры в городских строениях .
  8. ^ Макинтайр и Гриффитс, DA и ID (1972). Реакция субъекта на лучистую и конвективную среду .
  9. ^ Уолдроп, М. Митчелл (19 октября 2022 г.). «Что могут сделать города, чтобы пережить экстремальную жару?». Knowable Magazine . doi : 10.1146/knowable-101922-2 . Получено 6 декабря 2022 г. .
  10. ^ abc 2009 ASHRAE Handbook Fundamentals, ASHRAE, Inc., Атланта, Джорджия.
  • http://ergo.human.cornell.edu/DEA3500allnotes.html
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Средняя_температура_излучения&oldid=1269337501"