室內(nèi)熱環(huán)境黑球溫度檢測(cè)技術(shù)

一、檢測(cè)原理

黑球溫度是綜合評(píng)價(jià)室內(nèi)熱環(huán)境的關(guān)鍵參數(shù)之一，它綜合反映了空氣溫度、周?chē)诿嫫骄椛錅囟纫约翱諝饬魉賹?duì)人體的綜合熱作用。

1. 黑球溫度計(jì)原理：核心傳感器是一個(gè)中空的薄壁銅球，其外表面涂有高吸收率的啞光黑色涂層。球心位置放置溫度傳感器（通常為鉑電阻或熱電偶）。該黑色球體通過(guò)吸收環(huán)境中的輻射熱（來(lái)自太陽(yáng)、窗戶(hù)、墻體、設(shè)備等）和對(duì)流熱（與周?chē)諝獾臒峤粨Q）而達(dá)到一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡溫度，此即黑球溫度。其平衡原理基于斯蒂芬-玻爾茲曼定律和牛頓冷卻定律。

2. 平均輻射溫度計(jì)算原理：平均輻射溫度是一個(gè)假想的均勻封閉空間壁面溫度，它與此人實(shí)際所處的非均勻環(huán)境對(duì)人體的輻射換熱量相同。通過(guò)測(cè)量黑球溫度、空氣溫度和空氣流速，可以計(jì)算出平均輻射溫度。常用計(jì)算公式如下：

   • $t_r = t_g + 2.44 \sqrt{v} (t_g - t_a)$

   • 其中，$t_r$ 為平均輻射溫度（℃），$t_g$ 為黑球溫度（℃），$v$ 為空氣流速（m/s），$t_a$ 為空氣干球溫度（℃）。此公式適用于空氣流速在0.1~0.4 m/s范圍內(nèi)，且黑球直徑為150mm的標(biāo)準(zhǔn)情況。

3. 熱感覺(jué)綜合評(píng)估原理：人體熱感覺(jué)并非僅由空氣溫度決定，而是由上述四種物理參數(shù)（空氣溫度、平均輻射溫度、空氣流速、相對(duì)濕度）共同作用，并通過(guò)人體的熱平衡和生理調(diào)節(jié)終形成。黑球溫度是量化輻射熱這一重要因素的關(guān)鍵。

二、檢測(cè)項(xiàng)目

室內(nèi)熱環(huán)境檢測(cè)通常包含以下系統(tǒng)性項(xiàng)目：

1. 核心熱環(huán)境參數(shù)：

   • 黑球溫度：直接測(cè)量，反映綜合輻射與對(duì)流熱效應(yīng)。

   • 空氣干球溫度：在無(wú)輻射影響下測(cè)量的真實(shí)空氣溫度。

   • 空氣濕球溫度/相對(duì)濕度：反映空氣的潮濕程度，影響人體蒸發(fā)散熱。

   • 空氣流速：影響人體對(duì)流散熱和蒸發(fā)散熱。

2. 衍生計(jì)算參數(shù)：

   • 平均輻射溫度：通過(guò)黑球溫度等計(jì)算得出，量化環(huán)境表面的綜合輻射能力。

   • 操作溫度：空氣溫度與平均輻射溫度的加權(quán)平均值，是表征環(huán)境冷熱強(qiáng)度的簡(jiǎn)化指標(biāo)。

   • 預(yù)測(cè)平均投票與預(yù)測(cè)不滿(mǎn)意百分率：基于以上物理參數(shù)、人體代謝率和服裝熱阻，利用熱平衡模型計(jì)算出的、對(duì)人群熱感覺(jué)和不滿(mǎn)意的預(yù)測(cè)性評(píng)價(jià)指標(biāo)。

3. 關(guān)聯(lián)環(huán)境參數(shù)：

   • 環(huán)境表面溫度：使用紅外測(cè)溫儀或熱像儀測(cè)量墻壁、窗戶(hù)、天花板、地板等表面溫度，輔助分析輻射不對(duì)稱(chēng)性。

   • 照度：光照強(qiáng)度影響輻射熱，尤其在有大面積窗戶(hù)或強(qiáng)人工光源的場(chǎng)所。

三、檢測(cè)范圍

黑球溫度檢測(cè)廣泛應(yīng)用于對(duì)熱環(huán)境有嚴(yán)格或特定要求的領(lǐng)域：

1. 工業(yè)環(huán)境：

   • 高溫作業(yè)崗位評(píng)估：如冶金、鑄造、玻璃制造、陶瓷燒成等車(chē)間，用于評(píng)估高溫輻射熱對(duì)工人的影響，確定職業(yè)病危害因素，為采取防護(hù)措施和制定作息制度提供依據(jù)。

   • 低溫環(huán)境評(píng)估：如冷庫(kù)、制冷車(chē)間，評(píng)估冷輻射對(duì)人體的影響。

2. 公共與商業(yè)建筑：

   • 辦公室、商場(chǎng)、酒店、醫(yī)院、學(xué)校：評(píng)估室內(nèi)熱舒適性，優(yōu)化暖通空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行策略，提高人員滿(mǎn)意度和工作效率。

   • 體育場(chǎng)館、交通樞紐：評(píng)估大空間、高頂棚建筑的熱環(huán)境分布。

3. 特殊應(yīng)用領(lǐng)域：

   • 潔凈室、實(shí)驗(yàn)室：確保工藝環(huán)境的熱穩(wěn)定性。

   • 農(nóng)業(yè)與畜牧業(yè)：溫室、畜禽舍的熱環(huán)境監(jiān)控，保障動(dòng)植物生長(zhǎng)環(huán)境。

   • 科研領(lǐng)域：建筑物理研究、材料熱工性能測(cè)試、人體工效學(xué)研究等。

四、檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)

國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對(duì)熱環(huán)境評(píng)價(jià)和測(cè)量方法有詳細(xì)規(guī)定。

1. 標(biāo)準(zhǔn)：

   • ISO 7726：《熱環(huán)境人類(lèi)工效學(xué) 物理量測(cè)量?jī)x器》是基礎(chǔ)性標(biāo)準(zhǔn)，詳細(xì)規(guī)定了包括黑球溫度計(jì)在內(nèi)的所有熱環(huán)境測(cè)量?jī)x器的技術(shù)要求、精度和校準(zhǔn)方法。

   • ISO 7730：《熱環(huán)境人類(lèi)工效學(xué) 使用PMV和PPD指標(biāo)與局部熱舒適準(zhǔn)則對(duì)熱舒適的分析測(cè)定與解釋》基于PMV-PPD模型對(duì)中等熱環(huán)境進(jìn)行評(píng)價(jià)。

   • ASHRAE Standard 55：《人居熱環(huán)境條件》是北美地區(qū)廣泛使用的熱舒適標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)容與ISO 7730類(lèi)似但略有差異。

2. 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)：

   • GB/T 17244 《熱環(huán)境 根據(jù)WBGT指數(shù)（濕球黑球溫度）對(duì)作業(yè)人員熱負(fù)荷的評(píng)價(jià)》：等效采用ISO 7243，主要用于評(píng)價(jià)高溫作業(yè)環(huán)境。

   • GB/T 18049 《中等熱環(huán)境 PMV和PPD指數(shù)的測(cè)定及熱舒適條件的規(guī)定》：等效采用ISO 7730，用于評(píng)價(jià)辦公室等中等熱環(huán)境。

   • GB/T 50785 《民用建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》：結(jié)合中國(guó)國(guó)情，對(duì)各類(lèi)民用建筑的熱濕環(huán)境評(píng)價(jià)等級(jí)和方法做出了規(guī)定。

   • GBZ 2.2 《工作場(chǎng)所有害因素職業(yè)接觸限值 第2部分：物理因素》：對(duì)工作場(chǎng)所高溫作業(yè)的WBGT指數(shù)接觸限值做出了強(qiáng)制性規(guī)定。

對(duì)比分析：ISO和ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)體系較為完善，是通用的參考。中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)大量等效采用標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合了國(guó)內(nèi)的氣候特點(diǎn)、建筑習(xí)慣和人體適應(yīng)性進(jìn)行了本地化。在工業(yè)領(lǐng)域，WBGT（濕球黑球溫度）是評(píng)價(jià)熱應(yīng)激的通用指標(biāo)；而在民用建筑領(lǐng)域，PMV-PPD模型則是評(píng)價(jià)熱舒適的核心工具。

五、檢測(cè)方法

1. 測(cè)點(diǎn)布置：

   • 代表性：測(cè)點(diǎn)應(yīng)避開(kāi)陽(yáng)光直射、強(qiáng)輻射源、風(fēng)口等極端位置，能代表人員常規(guī)活動(dòng)區(qū)域的熱環(huán)境。

   • 空間分布：對(duì)于大空間或環(huán)境不均勻的場(chǎng)所，應(yīng)進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)量，通常按網(wǎng)格法或在工作崗位、坐姿人員呼吸區(qū)高度（通常為0.1m， 0.6m， 1.1m）布點(diǎn)。

   • 持續(xù)時(shí)間：測(cè)量應(yīng)在環(huán)境達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后進(jìn)行，并持續(xù)足夠長(zhǎng)的時(shí)間以覆蓋環(huán)境波動(dòng)周期（如至少30分鐘至數(shù)小時(shí)）。

2. 操作要點(diǎn)：

   • 儀器預(yù)熱與校準(zhǔn)：測(cè)量前，所有儀器（尤其是黑球溫度計(jì)）需在測(cè)量環(huán)境中充分預(yù)熱，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。定期對(duì)溫度、濕度、風(fēng)速傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)。

   • 黑球溫度計(jì)使用：確保球體表面清潔無(wú)破損，避免遮擋和觸碰。標(biāo)準(zhǔn)黑球直徑通常為150mm，適用于大多數(shù)情況。在空氣流速極高（>5m/s）或極低（<0.1m/s）時(shí)，需考慮使用不同直徑的黑球或進(jìn)行公式修正。

   • 同步測(cè)量：黑球溫度、空氣溫度、濕度、風(fēng)速等參數(shù)應(yīng)盡可能同步測(cè)量和記錄。

   • 數(shù)據(jù)記錄：記錄測(cè)量時(shí)間、測(cè)點(diǎn)位置、測(cè)量值，并備注環(huán)境條件（如門(mén)窗狀態(tài)、設(shè)備運(yùn)行情況、人員在位情況等）。

六、檢測(cè)儀器

1. 熱環(huán)境測(cè)試儀/多功能風(fēng)速儀：

   • 技術(shù)特點(diǎn)：集成化設(shè)備，通常包含空氣溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速、黑球溫度探頭?？芍苯訙y(cè)量并顯示所有核心參數(shù)，部分高級(jí)型號(hào)可自動(dòng)計(jì)算并顯示PMV、PPD、WBGT、平均輻射溫度等衍生參數(shù)。

   • 核心傳感器：鉑電阻（PT100/1000）用于溫度測(cè)量，電容式或電阻式傳感器用于濕度測(cè)量，熱敏式或葉輪式傳感器用于風(fēng)速測(cè)量。

2. 標(biāo)準(zhǔn)黑球溫度計(jì)：

   • 技術(shù)特點(diǎn)：由銅球體、溫度傳感器和支撐桿組成。球體直徑有150mm、100mm、50mm等多種規(guī)格，150mm為推薦標(biāo)準(zhǔn)。球體壁薄且導(dǎo)熱性好，內(nèi)部空氣與外部通過(guò)小孔對(duì)流，確保球心溫度均勻。

3. 數(shù)據(jù)采集器：用于長(zhǎng)時(shí)間、多測(cè)點(diǎn)的自動(dòng)數(shù)據(jù)記錄。

4. 輔助儀器：

   • 紅外熱像儀：用于快速掃描和可視化環(huán)境表面溫度分布，輔助分析輻射不均勻性。

   • 輻射溫度計(jì)：用于點(diǎn)測(cè)量特定方向或表面的輻射溫度。

七、結(jié)果分析

1. 數(shù)據(jù)整理：對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)算各測(cè)點(diǎn)的平均值、大值、小值及波動(dòng)范圍。

2. 模型計(jì)算：

   • PMV-PPD分析：將測(cè)量得到的空氣溫度、平均輻射溫度、空氣流速、相對(duì)濕度，結(jié)合預(yù)估的人員服裝熱阻和代謝率，輸入PMV模型，計(jì)算熱感覺(jué)預(yù)測(cè)值（PMV）和預(yù)計(jì)不滿(mǎn)意者的百分?jǐn)?shù)（PPD）。根據(jù)GB/T 18049或ISO 7730，中等熱環(huán)境的PMV推薦范圍為-0.5~+0.5，PPD應(yīng)小于10%。

   • WBGT指數(shù)計(jì)算：對(duì)于高溫作業(yè)環(huán)境，計(jì)算WBGT指數(shù)。WBGT = 0.7 * 自然濕球溫度 + 0.3 * 黑球溫度（室內(nèi)或無(wú)太陽(yáng)輻射時(shí)）。將計(jì)算結(jié)果與GBZ 2.2規(guī)定的接觸限值對(duì)比，評(píng)價(jià)熱負(fù)荷等級(jí)。

3. 綜合評(píng)價(jià)與診斷：

   • 舒適性評(píng)判：根據(jù)PMV-PPD結(jié)果，判斷環(huán)境是否處于熱舒適范圍。若超出范圍，需結(jié)合各物理參數(shù)分析原因，例如是空氣溫度過(guò)高、輻射過(guò)強(qiáng)（黑球溫度顯著高于空氣溫度）、還是氣流組織不合理。

   • 熱不均勻性分析：分析不同位置測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)差異，識(shí)別過(guò)熱、過(guò)冷或存在冷輻射、熱輻射的區(qū)域。

   • 問(wèn)題診斷與優(yōu)化建議：基于分析結(jié)果，提出改進(jìn)措施。例如，若輻射不均勻是主因，可建議增加保溫、使用遮陽(yáng)簾、調(diào)整散熱器位置；若空氣流速過(guò)低，可建議優(yōu)化通風(fēng)；若濕度不適，可建議加強(qiáng)除濕或加濕。終目標(biāo)是使熱環(huán)境參數(shù)滿(mǎn)足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，并提升使用者的舒適度與健康水平。