測(cè)量和計(jì)算熱傳輸?shù)姆椒?br>
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明建議了一種用于計(jì)算通過(guò)外殼面的熱傳輸?shù)姆椒āＴ诖思瓤紤]對(duì)流也考慮熱輻射。
【專(zhuān)利說(shuō)明】測(cè)量和計(jì)算熱傳輸?shù)姆椒?br>
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及用于測(cè)量和計(jì)算通過(guò)外殼面的熱和能量傳輸?shù)姆椒ā?br>
[0002] 特別地建議了集成的HW和SW系統(tǒng)以用于測(cè)量和計(jì)算裝置、設(shè)備、建筑物等的表面 (部件）的熱能損失、熱阻、有效熱容量Cw以及所屬的熱慣性常數(shù)tw。
[0003] 本發(fā)明涉及多個(gè)測(cè)量和計(jì)算方法以及EDV系統(tǒng)，以便用于測(cè)量、分析、圖示和確定 在建筑技術(shù)、設(shè)備技術(shù)和電氣技術(shù)中的能量損失和能量特征值。在此，特別地使用熱成像或 非接觸（IR)溫度測(cè)量技術(shù)、熱和流動(dòng)力學(xué)、照相和光學(xué)遠(yuǎn)程測(cè)量技術(shù)的【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0004] 本發(fā)明的主要應(yīng)用領(lǐng)域是建筑【技術(shù)領(lǐng)域】，其中特別地是建筑能量【技術(shù)領(lǐng)域】。根據(jù) 此應(yīng)用領(lǐng)域，在下文中解釋現(xiàn)有技術(shù)和通過(guò)本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)的進(jìn)步。
[0005] 為了"在現(xiàn)場(chǎng)"測(cè)量（熱）能量損失，目前僅存在高開(kāi)銷(xiāo)的分析和測(cè)量方法。然而 部件所屬的能量特征值（Rw，cw，Tw，…）對(duì)于新建或改造項(xiàng)目是需要的，并且可能必須費(fèi)時(shí) 間和費(fèi)力地單獨(dú)地完成/確定。
[0006] 不同的BRD和EU倡議已經(jīng)產(chǎn)生在建筑領(lǐng)域中的（初級(jí)）能量消耗的明顯并且持 久的減?。ɡ?，ENEV2009/2012,EEG，…）。這在歐洲范圍內(nèi)將用于建筑能量技術(shù)的計(jì) 算和仿真模型的標(biāo)準(zhǔn)置于目前很高的標(biāo)準(zhǔn)。建筑物理學(xué)為此給出了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，并且通過(guò) 幾乎任意的材料和覆層布置以及對(duì)于部件的幾乎任意幾何形狀，實(shí)現(xiàn)了對(duì)于熱傳輸?shù)膭?dòng)態(tài) 和靜態(tài)仿真模型的開(kāi)發(fā)。德國(guó)公司Hottgenroth的"EnergiebereaterPlus18599"以及 瑞典公司C0MS0L的同名的（物理）仿真包C0MS0L僅是在這方面的兩個(gè)示例。所有這些模 型需要很詳細(xì)的、精確的并且完全的對(duì)于建筑物幾何形狀或所有部件幾何形狀的描述以及 對(duì)于帶有所有層的各墻壁結(jié)構(gòu)、其各位置、尺寸和物理特征的精確知識(shí)，作為輸入信息。這 些物理材料特征在主要由政府或半政府的大規(guī)模參數(shù)收集中獲得（例如，CSTB(法國(guó)建筑 科學(xué)技術(shù)中心）），對(duì)于在參考書(shū)或在仿真模型中的使用可自由地得到。除此處可使用的并 且僅在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模上可使用的熱測(cè)量技術(shù)外，為了確定熱阻、熱容量等，目前在建筑領(lǐng)域中 不存在可靠地可使用的測(cè)量技術(shù)以用于此材料和部件的此中心能量特征值。（建筑）環(huán)境 的影響則通常根本不被考慮，這由于成本原因?qū)τ诖蠖鄶?shù)動(dòng)態(tài)模型是合適的，或僅很簡(jiǎn)化 地被考慮（例如，僅通過(guò)環(huán)境空氣的平均月溫度或年溫度）。空氣流動(dòng)、空氣濕度、降雨或降 雪的影響以及天空/陽(yáng)光或環(huán)境的各輻射的非常明顯的影響在此通常完全不被考慮。
[0007] 在建筑能量技術(shù)的示例中顯見(jiàn)的是，許多這些必須的信息通常不存在或僅可以很 高的成本獲取，例如通過(guò)分析待測(cè)量/檢查的墻壁的鉆芯。這實(shí)際上僅對(duì)于帶有詳細(xì)的圖 紙、材料和零件清單的新建計(jì)劃存在。建筑物通常具有30年至60年的平均壽命（直至完 全的"核心翻新"，這從成本角度而言大致對(duì)應(yīng)于新建）。在此，所需的對(duì)于建筑物的幾何形 狀和結(jié)構(gòu)的精確知識(shí)特別地在改造/翻新的情況中一般是不存在的。因此，對(duì)于此建筑物， 通常只得進(jìn)行費(fèi)時(shí)的并且容易出錯(cuò)的"人工"現(xiàn)場(chǎng)幾何形狀測(cè)量。各頂板/墻壁的結(jié)構(gòu)只 能通過(guò)很費(fèi)成本并且費(fèi)時(shí)的以及昂貴的鉆芯分析來(lái)確定。使用所述的建筑仿真模型實(shí)際上 要求所有這些很昂貴的檢查，因?yàn)閷?duì)于所需的參數(shù)，目前不存在足夠精確并且低成本的其 他測(cè)量方法。目前該不足的測(cè)量現(xiàn)有技術(shù)使得用于現(xiàn)有建筑的節(jié)能翻新的數(shù)據(jù)獲取成為昂 貴的、長(zhǎng)期的并且一般地也很容易出錯(cuò)誤的過(guò)程，此過(guò)程在單戶(hù)住房的情況下也要求很長(zhǎng) 的時(shí)間。
[0008] 對(duì)于在部件或部件環(huán)境中的物理上正確的能量傳輸機(jī)制的缺失的和詳盡的考慮 是建筑技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)和模型中的目前的明顯的缺失。此傳輸機(jī)制為：
[0009] ?地面中的熱傳導(dǎo)，遺憾地帶有通常相對(duì)不精確地已知的結(jié)構(gòu)、溫度以及物理特 性
[0010] #與周?chē)諝獾膶?duì)流，以及
[0011] ?與環(huán)境的（IR)輻射能量交換，但特別地與天空/宇宙空間和環(huán)境的（IR)輻射 能量交換。
[0012] 后面兩個(gè)機(jī)制通常都肯定完全不具有在模型中假定的平均日間溫度（氣溫），而 是具有與之明顯不同的值。為考慮此根據(jù)ENEV或DIN-EN-IS0的傳輸機(jī)制而限定的Rsi值 或RSe值不具有物理真實(shí)性。所述值是"輔助構(gòu)造"，以便對(duì)于模型的（標(biāo)準(zhǔn)）誤差至少按照 月平均或年平均能夠接受。對(duì)于測(cè)量目的，所述值在最好的情況下是誤導(dǎo)性的。
[0013] 然后，還必須考慮到，遺憾的是目前不存在允許快速地-也可以說(shuō)以照相機(jī)拍照 的方式-并且以足夠的精度確定部件或建筑物表面的尺寸的最優(yōu)的測(cè)量和成像技術(shù)。目前 已知的并且也工業(yè)化的方法不可實(shí)現(xiàn)此情況。在此，仍需給出經(jīng)濟(jì)可行的并且有意義的方 法和設(shè)備的組合和整合。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0014] 在此背景下，建議了帶有根據(jù)權(quán)利要求1的特征的方法和根據(jù)權(quán)利要求13的設(shè) 備。由從屬權(quán)利要求和說(shuō)明書(shū)給出了實(shí)施方式。
[0015] 因此建議了用于計(jì)算通過(guò)外殼面的熱傳輸?shù)姆椒?，其中考慮熱輻射和對(duì)流，其中 為了確定熱輻射，考慮外殼面的表面溫度和外殼面周?chē)陌肭虻姆聪蜉椛錅囟取?br>
[0016] 可建議為了確定表面溫度使用熱成像照相機(jī)。此外，為了確定反向輻射溫度可使 用熱成像照相機(jī)。典型地，對(duì)于兩個(gè)情況，使用可以用來(lái)直接測(cè)量的照相機(jī)。
[0017] 此外，在計(jì)算對(duì)流時(shí)可考慮外殼面的幾何條件。這又可使用照相機(jī)或可使用用來(lái) 測(cè)量表面溫度或表面溫度分布的照相機(jī)來(lái)確定。
[0018] 在構(gòu)造中考慮與地面的對(duì)流傳熱。典型的應(yīng)用領(lǐng)域是通過(guò)建筑物限定的外殼面。
[0019] 在測(cè)量對(duì)象通過(guò)未知的導(dǎo)熱介質(zhì)-在此提到地面-部分地整合或覆蓋的情況中， 也可通過(guò)整合的內(nèi)部測(cè)量和外部測(cè)量的求差來(lái)確定地面內(nèi)的熱傳導(dǎo)損失。
[0020] 在構(gòu)造中通過(guò)照相機(jī)或傳感器非接觸地檢測(cè)所有面元件的各表面溫度，并且通過(guò) 整合的幾何測(cè)量系統(tǒng)一同檢測(cè)和計(jì)算所述面元件在空間內(nèi)的各實(shí)際位置和幾何形狀。
[0021] 此外，測(cè)量對(duì)象環(huán)境在每個(gè)被測(cè)量的面元件內(nèi)的輻射能量輸入通過(guò)整合的2 半 空間輻射傳感器，按照至少兩個(gè)可調(diào)節(jié)的空間角度（(Psky,q>Earth)分離地，并且與各面元件 的表面溫度的測(cè)量值同時(shí)地被采集。
[0022] 2 半空間輻射傳感器可將待測(cè)量的半空間分為MXK個(gè)相等/不相等的空間角 度，將其分開(kāi)地測(cè)量并且將各個(gè)空間角度的各輻射溫度以空間角度分量正確的方式傳遞到 整合的測(cè)量系統(tǒng)。
[0023] 此外，整合了照相機(jī)的幾何測(cè)量系統(tǒng)可與溫度測(cè)量同時(shí)地，通過(guò)帶有已知的相互 角度（a12，ai3，ai2，…）的至少三個(gè)測(cè)量射線(xiàn)（SpSyS^…），在相對(duì)于照相機(jī)的圖像平 面的位置和距離上，測(cè)量各測(cè)量面上的至少三個(gè)點(diǎn)（Pi，p2，p3，…），并且因此通過(guò)簡(jiǎn)單的三 角學(xué)計(jì)算，為測(cè)量對(duì)象的每個(gè)圖像像素賦予真實(shí)的物理尺寸（例如，以m為單位），并且因此 使得熱成像照相機(jī)或測(cè)量照相機(jī)的總圖像也與真實(shí)的x/y/z坐標(biāo)相關(guān)。
[0024] 此外建議了用于計(jì)算通過(guò)外殼面的熱傳輸?shù)脑O(shè)備，特別是用于執(zhí)行前述方法的設(shè) 備，所述設(shè)備帶有構(gòu)造為考慮熱輻射和對(duì)流的計(jì)算單元，其中為了確定熱輻射考慮外殼面 的表面溫度和外殼面周?chē)陌肭虻姆聪蚋Ｉ錅囟取?br>
[0025] 此設(shè)備可包括測(cè)量和熱成像照相機(jī)，在一種實(shí)施方式中包括恰好一個(gè)照相機(jī)。
[0026] 設(shè)備在下文中也稱(chēng)為測(cè)量系統(tǒng)，所述測(cè)量系統(tǒng)也可包括分析系統(tǒng)。
[0027] 集成的分析系統(tǒng)按照種類(lèi)、方向和范圍確定了通過(guò)部件的表面所有對(duì)流和輻射能 量流。從中確定了部件的所屬的能量特征值。所述分析系統(tǒng)包括至少兩個(gè)環(huán)境參數(shù)測(cè)量裝 置、環(huán)境輻射測(cè)量器、熱成像照相機(jī)和用于生成結(jié)果和報(bào)告的評(píng)估系統(tǒng)。
[0028] 能量特征值以及幾何的測(cè)量在建筑能量技術(shù)中實(shí)現(xiàn)。也可實(shí)現(xiàn)電氣、裝置和/或 設(shè)備技術(shù)的類(lèi)似的問(wèn)題的測(cè)量。
[0029] 以所述方法實(shí)現(xiàn)了物理上正確地、完全地、快速地并無(wú)過(guò)多時(shí)間和裝置花費(fèi)地可 靠地采集對(duì)于確定（熱）能量損失所需的參數(shù)，以便由此可盡可能自動(dòng)化地計(jì)算相應(yīng)的能 量損失特征值。此測(cè)量和分析參數(shù)特別地包括：
[0030] ?測(cè)量對(duì)象及其所有相關(guān)的表面在真實(shí)的3D坐標(biāo)中的3D幾何形狀和結(jié)構(gòu)，
[0031] ?包圍測(cè)量對(duì)象的介質(zhì)/流體的（與能量傳輸）相關(guān)的參數(shù)，例如IYuft、Vutft、濕 度…，
[0032] ?測(cè)量對(duì)象的所有參與能量交換的表面的（與能量傳輸）相關(guān)的參數(shù)，例如TSi/ TSe(i，k)、傾斜角度、粗糙度…，
[0033] ?測(cè)量對(duì)象周?chē)目臻g的以及其內(nèi)所有參與（輻射）能量交換的物體的（與能量 傳輸）相關(guān)的參數(shù)。
[0034] 從此參數(shù)的測(cè)量值可物理上正確地并且精度盡可能高地_即在物理上合適的模 型或情況選擇中-在量值和方向上確定出入各部件表面的實(shí)際（熱）能量流。
[0035] 因此對(duì)于開(kāi)發(fā)用于測(cè)量和計(jì)算通過(guò)裝置、設(shè)備、建筑物等的表面的熱能損失或測(cè) 量和計(jì)算此表面的熱阻（心或仏=1/RW)、有效熱容量Cw以及所屬的熱慣性常數(shù)\的集成 的系統(tǒng)，本發(fā)明基于如下七個(gè)任務(wù)：
[0036] 1.在所有3個(gè)空間方向上以對(duì)于在然后的（建筑物）建模和仿真中的進(jìn)一步使用 的至少足夠的精度，簡(jiǎn)單地、低成本地并且快速地測(cè)量/確定測(cè)量物體（墻壁、表面等）的 一般的3D尺寸。
[0037] 2.以對(duì)于在然后的（建筑物）建模和仿真中的進(jìn)一步使用的至少足夠的精度，簡(jiǎn) 單地、低成本地并且快速地測(cè)量在一般的3D的測(cè)量物體（墻壁、表面等）上和內(nèi)的結(jié)構(gòu)/ 對(duì)象（例如，外窗臺(tái)、窗、門(mén)、屋頂、陽(yáng)臺(tái)等）。
[0038] 3.以對(duì)于可用的結(jié)果和然后在（建筑物）建模和仿真中的使用的至少足夠的精 度，簡(jiǎn)單地、低成本地并且快速地測(cè)量/確定測(cè)量物體（墻壁、表面等）的全部3D環(huán)境的所 有所需的（流體）環(huán)境參數(shù)，例如空氣溫度、空氣濕度、空氣運(yùn)動(dòng)（值和方向）以及輻射強(qiáng) 度。
[0039] 4.快速、精確和物理上正確地計(jì)算所有對(duì)于（然后的）仿真模型所需的參數(shù)，例如 部件（墻壁、表面等）的尺寸以及包含在其內(nèi)的部件（例如，窗、門(mén)、屋頂堅(jiān)窗、陽(yáng)臺(tái)等）的 尺寸及其各能量特征值（Pv、Rw、Cf)。
[0040] 5.簡(jiǎn)單、低成本并且快速地在值和方向上，以對(duì)于可用的結(jié)果和然后在（建筑物） 建模和仿真中的使用的至少足夠的精度，測(cè)量/確定測(cè)量物體（墻壁、表面等）的用于計(jì)算 通過(guò)其表面的（熱）能量流而所需的所有參數(shù)。
[0041] 6.快速、精確并且物理上正確地計(jì)算對(duì)于（然后的）仿真模型所需的所有幾何參 數(shù)，例如部件（墻壁、表面等）的尺寸以及包含在其內(nèi)的部件（例如，窗、門(mén)、屋頂堅(jiān)窗、陽(yáng)臺(tái) 等）的尺寸及其各能量特征值（PV、RW、(；--?）。
[0042] 7.給出對(duì)于所屬的EDV系統(tǒng)的流程控制和相應(yīng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
[0043] 對(duì)于1)，在所有3個(gè)空間方向上簡(jiǎn)單地確定測(cè)量對(duì)象的真實(shí)幾何形狀：
[0044] 直接激光測(cè)量距離是目前最精確并且最廉價(jià)的方法，以便很精確地采集對(duì)象的尺 寸。然而，此方法是費(fèi)時(shí)的。照相方法一般地精度較低，但時(shí)間和成本很有效。將測(cè)量對(duì)象 的圖像平面內(nèi)的至少兩個(gè)通常一般任意選擇的參考線(xiàn)的費(fèi)時(shí)的（激光）測(cè)量，通過(guò)也在那 個(gè)圖像平面內(nèi)的至少三個(gè)精確地測(cè)量的點(diǎn)來(lái)替代，持久地解決了此問(wèn)題。這可以非常簡(jiǎn)單 地通過(guò)三個(gè)固定地與圖像拍攝光學(xué)器件相關(guān)的（激光）距離測(cè)量器（例如，圖8中的DM1) 來(lái)完成。如果其測(cè)量射線(xiàn)聚焦，如在圖8中所圖示，則空間內(nèi)各相對(duì)于測(cè)量圖像所處的測(cè)量 點(diǎn)位置及其在x/y像素中的"圖像坐標(biāo)"存在三角學(xué)上簡(jiǎn)單地確定的固定關(guān)系。如果所述 測(cè)量射線(xiàn)不聚焦，則必須與距離和傾斜相關(guān)地計(jì)算現(xiàn)在必須調(diào)節(jié)的視差誤差。根據(jù)此計(jì)算 可將每個(gè)圖像點(diǎn)與真實(shí)的x/y/z坐標(biāo)（例如以m為單位）對(duì)應(yīng)，并且因此確定測(cè)量平面與 照相機(jī)的圖像平面的相對(duì)位置并因此其在空間內(nèi)的相對(duì)位置。
[0045] 對(duì)于2)，簡(jiǎn)單地確定在3D測(cè)量物體上和內(nèi)的結(jié)構(gòu)/對(duì)象：
[0046] 如果根據(jù)1)的測(cè)量面帶有實(shí)際的（圖像）像素坐標(biāo)，則在圖像中搜尋圖案/結(jié)構(gòu) 的每個(gè)圖像處理算法首先提供了其在像素中的尺寸并且然后提供了其真實(shí)尺寸。因此，可 至少半自動(dòng)地識(shí)別和測(cè)量在測(cè)量對(duì)象平面上/內(nèi)的對(duì)象/結(jié)構(gòu)，而不損失精度。這在對(duì)于 建筑物等的測(cè)量對(duì)象的數(shù)據(jù)拍攝時(shí)具有明顯的時(shí)間和成本優(yōu)點(diǎn)。
[0047]對(duì)于3)，簡(jiǎn)單地確定環(huán)境流體的參數(shù)：
[0048] 由于任意的測(cè)量對(duì)象通常并非處在無(wú)空氣的空間內(nèi)而是處在我們的（空氣）環(huán)境 內(nèi)，所以必須考慮其所有表面與其周?chē)牧黧w的能量交換。因此，需要與另外的（能量交 換）相關(guān)的參數(shù)一起，將此參數(shù)務(wù)必盡可能同時(shí)地一同采集。這通常相對(duì)簡(jiǎn)單地以對(duì)此合 適的專(zhuān)用測(cè)量裝置t2 (例如，對(duì)于ivuft、、濕度…）來(lái)完成，所述測(cè)量裝置例如通過(guò)無(wú) 線(xiàn)電將其測(cè)量結(jié)果直接提供到總系統(tǒng)以用于另外的處理。因此，此測(cè)量值/結(jié)果在總系統(tǒng) 內(nèi)的集成也可簡(jiǎn)單地并且低成本地得以保證。
[0049]對(duì)于4)，簡(jiǎn)單地確定測(cè)量對(duì)象周?chē)目臻g的參數(shù)：
[0050] 如果周?chē)臻g是空的或以（IR)透明的介質(zhì)/流體填充，則必須也考慮并且特別地 考慮所述介質(zhì)/流體對(duì)與各測(cè)量表面的現(xiàn)在的輻射能量交換的參與。由于在此使用的普朗 克輻射定律帶有其T4的比例，所以在此即使小的溫度差異也比在所有另外的熱傳輸機(jī)制情 況下起到超過(guò)4倍的更大的作用。由此，關(guān)鍵的是物理上正確的采集重要的能量交換參與 者。如在圖2或圖9中清晰地可見(jiàn)，幸運(yùn)的是基本上僅存在三個(gè)真正重要的參與者。它們 是：
[0051] ?各表面元件AA(i,k)自身，
[0052] ?表面元件AA(i，k)周?chē)膸в蠺sky的（或多或少地空的）宇宙空間/天空，和
[0053] ?從表面元件AA(i，k)分別可見(jiàn)的景物/環(huán)境，包括帶有TMe的大地。
[0054] 如容易地可認(rèn)識(shí)到，天空或大地的輻射特征不被測(cè)量對(duì)象或AA(i，k)所影響，并 且可因此作為（純）黑體輻射器在物理上正確地建模。確切而言，則現(xiàn)在以特殊的IR傳感 器TK2或熱成像照相機(jī)TK2實(shí)現(xiàn)了對(duì)于（輻射）環(huán)境對(duì)表面元件AA(i，k)/每個(gè)表面元件 AA(i，k)的"反向輻射"的（精確的）測(cè)量，如在圖9中圖示。因此，可避免對(duì)普朗克輻射 交換積分的通常幾乎總是不可能的建立和求解，并且計(jì)算每個(gè)AA(i，k)和因此還有測(cè)量 對(duì)象與周?chē)臻g的（輻射）能量交換。此方法絕非限制于測(cè)量對(duì)象的（輻射）環(huán)境的此簡(jiǎn) 單劃分，雖然對(duì)于建筑物通常足夠精確。如果為測(cè)量此"反向輻射溫度"使用帶有MXK像 素的2 31熱成像照相機(jī)（例如圖9中的TK2)，則可將相應(yīng)的環(huán)境容易地也按照相同的分辨 率成像并且在能量平衡中也正確地考慮。這當(dāng)然對(duì)于"復(fù)雜的熱環(huán)境"是足夠精確的。但 在此示例中可見(jiàn)，帶有僅兩個(gè)"反向輻射溫度"（Tsky、TEnJ的很簡(jiǎn)單的"建筑物解決方法"通 常實(shí)際上足夠精確，只要對(duì)于MXK空間角度分量的T4平均考慮了類(lèi)似地使用的2 熱成 像照相機(jī)。
[0055] 對(duì)于5)，簡(jiǎn)單地采集測(cè)量對(duì)象的能量相關(guān)的表面參數(shù)：
[0056] 這些參數(shù)（根據(jù)VDI熱圖）是幾何屬性以及物理屬性。相關(guān)的幾何參數(shù)/所有 相關(guān)的幾何參數(shù)（例如，aDadl、…）根據(jù)1)和2)提供了整合的幾何測(cè)量系統(tǒng)（在 圖8中的帶有評(píng)估系統(tǒng)的DM1)。物理相關(guān)的參數(shù)，在此特別是各表面溫度（如需要也包括 粗糙度、質(zhì)地等）也由整合的（熱成像）照相機(jī)TK1物理上正確地提供，作為帶有所有TSe/ TSi(i，k)的圖像信息。除已在1)至4)中收集的測(cè)量值外，不需求另外的用于物理上正確 地確定流過(guò)各表面的（熱）能量流的對(duì)流分量和輻射分量的另外的測(cè)量值。
[0057] 對(duì)于6)，物理上正確地計(jì)算幾何參數(shù)以及能量特征值（Pv、Rw、(；--?）：
[0058] 通過(guò)（測(cè)量）表面ISe/ISi (i，k)的總（熱）能量流，如在圖4、圖6和圖9中詳細(xì) 圖示和解釋的，具有兩個(gè)分量：
[0059] ?-般地重要的并且由于普朗克輻射定律而與溫度差很強(qiáng)地相關(guān)（M倍）的輻射 分量IKyiKi(i，k)，和
[0060] ?與環(huán)境流體（通常為空氣）的對(duì)流分量Lk/Lu(i，k)，所述對(duì)流分量?jī)H與各溫度 差線(xiàn)性地相關(guān)。
[0061] 因此，總是分開(kāi)地考慮和計(jì)算這兩個(gè)參數(shù)。
[0062] 輻射分量IK6/IKi(i，k)在此可根據(jù)4)的假定和簡(jiǎn)化，作為AA(i，k)的"黑體輻射" 和各輻射環(huán)境（例如，Tsky、TEnJ的純的加和被計(jì)算。
[0063] 然而為計(jì)算能量流與環(huán)境流體（空氣）的對(duì)流分量Ue/Lu (i，k)，必須附加地區(qū)分 多個(gè)情況。因此必須根據(jù)（在值和方向上）的各測(cè)量值，分開(kāi)地計(jì)算面與水平 面/垂直面的傾斜（例如，aDaJ以及面的幾何形狀O^J。評(píng)估系統(tǒng)必須將此值與對(duì)于測(cè) 量位置（i，k)處的層流和/或湍流流動(dòng)的另外的條件一起盡可能自動(dòng)地考慮（見(jiàn)圖9)。對(duì) 于計(jì)算所需的情況區(qū)別和取決于所述情況區(qū)別的對(duì)用于Nusselt數(shù)、Raleigh數(shù)、Grashof數(shù)、Prandtl數(shù)和Reynold數(shù)的待應(yīng)用的計(jì)算公式的正確選擇（見(jiàn)圖9)也應(yīng)由評(píng)估系統(tǒng)盡 可能自動(dòng)地并且在每個(gè)情況中物理上正確地作出。這在VDI熱圖中執(zhí)行的多個(gè)不同的情況 的復(fù)雜性方面不是簡(jiǎn)單的任務(wù)。這必須在評(píng)估系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中高度仔細(xì)地并且以高的物理專(zhuān)業(yè) 知識(shí)來(lái)保證。
[0064] 對(duì)于7)，流程控制和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：
[0065] 測(cè)量對(duì)象的各表面的測(cè)量值和對(duì)于環(huán)境輻射的各測(cè)量值應(yīng)盡可能同時(shí)地被確定。 對(duì)于環(huán)境空氣或流體的測(cè)量值則一般地通過(guò)時(shí)間平均而變得更精確。在此，如需要?jiǎng)t甚至 建議超過(guò)測(cè)量對(duì)象的實(shí)際的熱照相測(cè)量的測(cè)量時(shí)間。這通常提供了物理上更有意義的平均 值。
[0066] 幾何測(cè)量值在此根據(jù)本發(fā)明總是與熱照相檢查的溫度測(cè)量值和環(huán)境測(cè)量值一起 出現(xiàn)。這是因?yàn)閷?duì)于計(jì)算也需要這些測(cè)量值。這明顯地簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和流程控制。因 此，如需要?jiǎng)t僅需使得"較遲滯的"（因?yàn)橥ǔ１黄骄模?duì)于環(huán)境流體的測(cè)量值也可隨后 被（必要時(shí)自動(dòng)地）"后處理"。
[0067] 帶有完整的評(píng)估、分析和計(jì)算軟件的計(jì)算工作站將此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)完整化為方便的、 快速的并且低成本的（完備的）對(duì)于幾乎任意的3D測(cè)量對(duì)象的熱分析（見(jiàn)圖10)。
[0068] 本發(fā)明的另外的優(yōu)點(diǎn)和構(gòu)造從描述和附圖中得到。
[0069] 應(yīng)理解的是前述的和下文中仍將解釋的特征不僅以給出的組合而且以另外的組 合可使用或獨(dú)立地可使用，而不偏離本發(fā)明的范圍。
【專(zhuān)利附圖】
【附圖說(shuō)明】
[0070] 本方面在下文中根據(jù)附圖中的實(shí)施例闡述并且在下文中通過(guò)參考附圖進(jìn)一步解 釋。
[0071] 圖1示出了住房的典型的損失。
[0072] 圖2示出了建筑物的能量損失的物理原因。
[0073] 圖3示出了建筑物的能量損失和熱流模型。
[0074] 圖4示出了根據(jù)熱流模型和有限元模型的測(cè)量物理意義。
[0075] 圖5示出了根據(jù)等效熱流模型和熱圖像模型的測(cè)量物理意義。
[0076] 圖6示出了根據(jù)物理意義與ENEV2009的差異的測(cè)量物理意義。
[0077] 圖7示出了根據(jù)能量特征值的計(jì)算的測(cè)量物理意義。
[0078] 圖8示出了根據(jù)部件尺寸/幾何形狀的計(jì)算的測(cè)量物理意義
[0079] 圖9示出了根據(jù)能量流的計(jì)算的測(cè)量物理意義。
[0080] 圖10示出了用于測(cè)量能量損失的設(shè)備。
【具體實(shí)施方式】
[0081] 因此根據(jù)多個(gè)實(shí)施例在圖1至圖10中進(jìn)一步解釋本發(fā)明。在此，圖1至圖10示 出了對(duì)于測(cè)量方法的（第一次）物理正確性（圖1至圖3,圖9)以及對(duì)于建模的物理正確 性的細(xì)節(jié)（圖4至圖6)的例子和細(xì)節(jié)。圖7至圖9示出了根據(jù)本發(fā)明的評(píng)估方法。圖2 以及圖8至圖10示出了測(cè)量和計(jì)算的根據(jù)本發(fā)明的執(zhí)行以及用于執(zhí)行方法的設(shè)備的、整合 的測(cè)量系統(tǒng)的由此得到的總系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（圖10)。
[0082] 在圖1至圖3中解釋了測(cè)量對(duì)象（在此為住房）在其環(huán)境中的（熱）能量傳輸機(jī) 制，示出了對(duì)此關(guān)鍵的影響因素/參數(shù)（圖2)并且給出了對(duì)此物理上正確的建模（圖3)。 圖9最后示出，以此為基礎(chǔ)可如何在真實(shí)的測(cè)量對(duì)象上根據(jù)本發(fā)明進(jìn)行物理上正確的測(cè)量 和計(jì)算。
[0083] 在圖4至圖6中逐步地圖示了（熱）能量傳輸?shù)脑摻Ｊ俏锢砩险_的并且為何 如此（圖4至圖5)，并且為何熱圖像測(cè)量和由此導(dǎo)出的能量流被正確地建模。在圖6中最 后示出為何ENEV或DIN-EN-IS0 6946的目前的值和定義在物理上是不正確的，并且因此不 適合于測(cè)量方法。
[0084] 對(duì)用于計(jì)算能量特征值（RW，CW，…）的測(cè)量的根據(jù)本發(fā)明的評(píng)估在圖7至圖9中 示出。在此，圖7示出了基于必要時(shí)多個(gè)（能量）流測(cè)量，對(duì)能量特征值（RW，CW，…）的物 理上正確的確定。圖8和圖9示出了如何由不同的測(cè)量值可確定所需的幾何信息（圖8) 以及最終可確定（能量）流本身（圖9)。
[0085] 圖 1 至圖 10 :
[0086] 圖1在示意性示例中示出了平均的（單戶(hù)）住房EH!的（熱）能量損失的來(lái)源和 數(shù)量級(jí)（值對(duì)于法國(guó)是典型的）。
[0087] 圖2作為原理圖示出了負(fù)責(zé)根據(jù)圖1的通過(guò)各表面的能量損失的所有三個(gè)熱傳輸 機(jī)制。即：
[0088] 1?在地面內(nèi)的熱傳導(dǎo)，其中TBQden = Xl°K，
[0089] 2.鄰接各面的在此為空氣的流體的對(duì)流加熱/冷卻，其中IYuft =x2°K，
[0090] 3.與包圍各面的2ji半空間的輻射交換。在此對(duì)于建筑物，特別重要的是特別是 天空的（福射）溫度，其中Tsky =x3°K，或周?chē)木拔锏模ǜＩ洌囟?，其中TErde =x4°K。[0091] Bzl:由于缺少對(duì)于溫度和材料的知識(shí)（TB()d6n、入p屯…），通常僅可間接地確定在 地面內(nèi)的熱傳導(dǎo)/損失。
[0092] 圖3示出了對(duì)于圖1中的（典型的）熱損失的等效的熱流模型。在此模型中，所 有圍成了房間的墻壁/表面通過(guò)等效熱阻來(lái)模擬（確切而言，由于其單獨(dú)的墻壁組成部分 /覆層的不可避免熱存儲(chǔ)容量導(dǎo)致的阻抗）。進(jìn)一步地，所有墻壁或表面溫度分別等效于熱 流模型中的相應(yīng)的電勢(shì)/電壓（例如，Tint =U(Tint))。因此，現(xiàn)在在熱流模型中所有（電） 流在量值和方向上對(duì)應(yīng)于在真實(shí)的部件/表面內(nèi)或通過(guò)所述部件/表面的各（熱）能量流。 在此，能量守恒定律由對(duì)于電流和電壓的基爾霍夫節(jié)點(diǎn)定律和網(wǎng)孔定律反映。
[0093] 圖4根據(jù)有限元單元示意性地示出了典型的真實(shí)的墻壁結(jié)構(gòu)如何在等效的有限 元熱流模型中被描述。在此模型中，所有（熱能）流僅流過(guò)在模型的每個(gè)節(jié)點(diǎn)（i，j，k)的 六個(gè)直接相鄰節(jié)點(diǎn)中的各兩個(gè)（i±l，k±l，z)和（i，k，z±l)之間的通常取決于材料的 阻抗。因此，出入部件的墻壁/表面的總（熱）流因此如在圖4中可見(jiàn)，是每個(gè)被建模的 表面點(diǎn)的所有ISi(i，k，Zl)和IS6(i，k，zN)與由IR測(cè)量照相機(jī)可采集的所屬的溫度/電壓 TSi(i，k，Zl)和TSe(i，k，zN)的總和。此（熱能）流在各輻射環(huán)境（IKe(i，k)和IKi(i，k))或 在對(duì)流環(huán)境（L(i，k)和Iu(i，k))上被釋放，或被此環(huán)境吸收。必須的能量守恒因此總是 使得流ISi (i,k,zD和ISe;(i，k,zN)與在位置（i,k,z/zj處的此福射流和對(duì)流流的總和相 等。其大小和方向因此由測(cè)量結(jié)果（IR圖像和環(huán)境參數(shù)）可直接導(dǎo)出。
[0094] Bzl:損失的測(cè)量2ikISe(i，k):
[0095] *TK1 (TS11，TS12，…，Tsln，…，TSmn)
[0096] * 損失2ikISe(i，k)，因?yàn)镮j(ik)=0!
[0097] *ISeQk) =IKe(ik)+ILe(ik)
[0098] *IKe(ik) =F(TSe (ik)，TKe (環(huán)境），AA)
[0099] *TKe(環(huán)境）=F(Tsky，TErde)
[0100] *ILe (ik) =F(TSe (ik)，TLe，ak，Lchar，AA)
[0101] 圖5在三個(gè)傳輸部分中示出了與任意的墻壁/表面結(jié)構(gòu)等效的有限元熱流模型到 也與之等效的（有限元）熱圖像模型的轉(zhuǎn)換。在此，在兩個(gè)任意的相鄰表面點(diǎn)（i，k，zk)和 a1，Zk)之間的所測(cè)量的溫度/電壓差通過(guò)具有在那個(gè)點(diǎn)之間的所屬的（阻抗）流的受控 電流源描述（在圖5中的第2個(gè)傳輸步驟）。其現(xiàn)在可根據(jù)基爾霍夫定律（能量守恒）通過(guò) 無(wú)電流的電壓源替換，其帶有在熱圖像中的兩個(gè)任意的表面點(diǎn)P(i，k，Zl/zN)和P(j，1，Zl/ zN)的測(cè)量的溫度差A(yù)TSK。因?yàn)樗辛硗獾某鋈雺Ρ?表面的流因此消失，所以唯一地取決 于各表面溫度TSe(i，k)和TSi(i，k)的流ISe(i，k)和ISi(i，k)是出入各墻壁/表面P(i，k，Zl/ zN)的總（熱）能傳輸。這可以使用_更好地必須僅使用-熱成像照相機(jī)非接觸地采集，因 為每個(gè)另外的測(cè)量方法通常明顯地導(dǎo)致結(jié)果的錯(cuò)誤和畸變。
[0102] 圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的物理正確的通過(guò)墻壁/部件表面的（熱）能量流ISe/ISi 的建模/測(cè)量和在所有（可購(gòu)得的）建筑物仿真模型中使用的根據(jù)DINENISO6946(ENEV 2009/2012)的標(biāo)準(zhǔn)的差異。因?yàn)樵诖四Ｐ椭袃H（外部/內(nèi)部）空氣溫度1/^作為唯一 的環(huán)境參數(shù)出現(xiàn)，所以所述模型對(duì)于測(cè)量部件/表面的熱阻和（熱）阻抗完全不合適。此 (標(biāo)準(zhǔn)）RSe值/RSi值物理上無(wú)意義并且因此不可用于實(shí)際的測(cè)量/計(jì)算。此值僅適合于在 (熱）能量流的強(qiáng)度的（月/年）平均的仿真時(shí)，在需要時(shí)補(bǔ)償通過(guò)所選擇的模型簡(jiǎn)化（例 如，缺少"輻射氣候"和"輻射環(huán)境"）必然出現(xiàn)的誤差。
[0103]Bzl:計(jì)算熱阻：
【權(quán)利要求】
1. 一種用于測(cè)量和計(jì)算通過(guò)外殼面的熱傳輸?shù)姆椒?，其中考慮熱輻射和對(duì)流，其中，為 確定熱福射考慮外殼面的表面溫度和外殼面周?chē)陌肭虻姆聪蚋Ｉ錅囟取?br>
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，為確定表面溫度使用熱成像照相機(jī)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其中，為確定反向輻射溫度使用熱成像照相機(jī)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的方法，其中，在計(jì)算對(duì)流時(shí)考慮外殼面的幾何條 件。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的方法，其中，考慮與地面的對(duì)流熱傳輸。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的方法，所述方法對(duì)于建筑物執(zhí)行。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在測(cè)量對(duì)象部分地整合或 覆蓋在未知的導(dǎo)熱介質(zhì)-在此提到地面-內(nèi)/通過(guò)所述導(dǎo)熱介質(zhì)部分地整合或覆蓋的情況 中，也通過(guò)整合的內(nèi)部測(cè)量和外部測(cè)量的求差來(lái)確定地面內(nèi)的熱傳導(dǎo)損失。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的方法，其中，通過(guò)照相機(jī)或傳感器非接觸地采集 所有面元件的各表面溫度，并且通過(guò)整合的幾何測(cè)量系統(tǒng)同時(shí)采集和計(jì)算其在空間內(nèi)的各 實(shí)際位置和幾何形狀。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的方法，其中，測(cè)量對(duì)象環(huán)境到各被測(cè)量面元件 內(nèi)的輻射能量輸入通過(guò)整合的2 半空間輻射傳感器，按照至少兩個(gè)可調(diào)節(jié)的空間角度 (9sky，（PEartH)被分離，并且與各面元件的表面溫度的測(cè)量值被同時(shí)采集。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中，2JI半空間輻射傳感器將待測(cè)量的半空間分為 MXK個(gè)相等/不相等的空間角度，將其分開(kāi)地測(cè)量并且將單個(gè)空間角度的各輻射溫度以空 間角度分量正確的方式傳遞到整合的測(cè)量系統(tǒng)。
11. 根據(jù)權(quán)利要求9和10所述的方法，其中，2 半空間輻射傳感器的任務(wù)通過(guò)帶有附 加的用于自動(dòng)采集測(cè)量面的完全的2 半球的全景功能的根據(jù)權(quán)利要求8的傳感器實(shí)現(xiàn)， 或通過(guò)2 照相機(jī)樞轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1至11中任一項(xiàng)所述的方法，其中，整合了照相機(jī)的幾何測(cè)量系統(tǒng) 與溫度測(cè)量同時(shí)地，通過(guò)帶有已知的角度U12,a13,a12，…）的三個(gè)或多個(gè)測(cè)量射線(xiàn)（Sp S2，S3，…），在與照相機(jī)圖像平面的位置和距離上，測(cè)量各測(cè)量平面上的三個(gè)或多個(gè)點(diǎn)（Pp P2,P3，…），并且因此通過(guò)簡(jiǎn)單的三角學(xué)計(jì)算為測(cè)量對(duì)象的每個(gè)圖像像素賦予真實(shí)的物理 尺寸（例如，以m為單位），并且因此使得熱成像或測(cè)量照相機(jī)的總圖像也與真實(shí)的x/y/z 坐標(biāo)相關(guān)。
13. -種用于計(jì)算通過(guò)外殼面的熱傳輸?shù)脑O(shè)備，特別是用于執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求1至12 中任一項(xiàng)所述的方法的設(shè)備，所述設(shè)備帶有計(jì)算單元，所述計(jì)算單元被構(gòu)造為考慮熱輻射 和對(duì)流，其中，為確定熱輻射考慮外殼面的表面溫度和外殼面周?chē)陌肭虻姆聪蜉椛錅囟取?br>
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的設(shè)備，所述設(shè)備包括熱成像照相機(jī)。
15. -種計(jì)算機(jī)產(chǎn)品，所述計(jì)算機(jī)產(chǎn)品可直接下載到計(jì)算機(jī)的內(nèi)部存儲(chǔ)器內(nèi)并且包括 軟件段，以所述軟件段可執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求1至12中任一項(xiàng)所述的方法。
【文檔編號(hào)】G01J5/10GK104412081SQ201380033487
【公開(kāi)日】2015年3月11日 申請(qǐng)日期:2013年5月10日 優(yōu)先權(quán)日:2012年5月9日
【發(fā)明者】杰拉爾德.米施克 申請(qǐng)人:杰拉爾德.米施克
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