解决辐射:结合空间解决长波和短波测量改进辐射热通量反射和异质性的理解

介绍和背景

测量热在建筑环境对人的影响是至关重要的理解和解决人类健康问题,气候和城市设计的。气候变化是全球平均温度增加,与最近的政府间气候变化专门委员会(IPCC)的评估报告更高的平均气温上升在上世纪1.59°C /陆地比海洋,和另外说明城市会加剧人类活动导致的气候变暖在本地(联合国政府间气候变化专门委员会,2021)。热量也增加更多的在城市地区由于辐射俘获和人为排放的热量(好的,1982)。这些温度升高代表表面空气温度。当我们和其他人表明,表面温度可以很容易地> 30°C比气温暖和达到极端60°C以上(杨和李,2015年;花费et al ., 2016;Middel Krayenhoff, 2019;特拉维夫et al ., 2021)。我们认为这些热的直接辐射传热表面不仅增加热经历了从城市气温变暖,但实际上大大温暖的空气比城市居民更大的影响。在本文中,我们将演示新技术,产生新颖的结果描述复杂的长波、短波、反射辐射传热的组件通过城市环境空气温度独立的反弹。

一般人群主要将热量与空气温度,但在温暖的气候经历了大部分的热量在城市环境辐射传热的形式(霍普,1992;Thorsson et al ., 2007;约翰逊et al ., 2014;Middel et al ., 2014;林德伯格et al ., 2016)。我们已经构建了人体热模型(分类的et al ., 2020),建立实验辐射馆(陈et al ., 2020;分类的et al ., 2022),这都说明了随着气温接近人体皮肤温度是必要的代谢热消耗会变得几乎完全依赖辐射热传热。因此,我们认为它是探索的关键模型和测量辐射传热的新方法,包括其复杂的几何和光谱特性。

背景

辐射传热是由发射和吸收热量的交换的表面之间的电磁辐射。由由普朗克黑体辐射的物理描述,表面的温度驱动发射热辐射,包括人与周围环境之间。辐射热转移发生在全光谱的辐射,以及排放与温度有两种主导模式的辐射热经验:太阳短波辐射和地面长波辐射。太阳,在5000 K左右,发出短波光线窥视周围0.5 - 1微米波长与我们的眼睛,我们已经看到,但这也带来了约1 kWm⁻²地球表面。地球,包括那些我们现有的,只有300 k左右,因此很大程度上发出的长波波段微米8 - 15日,地球上创建一个表面之间动态交换人眼不可见。

短波辐射有一个直观的协会的热感觉强烈的太阳能直接梁,和一个黑色的理解材料(低反照率和热吸收)将吸收更多的热量比白色材料(高反照率和热反射)。长波辐射对人眼不可见的,它不是通过一束强烈的直接传播,而是广泛地发出之间交换和表面,使表面及其周围的观点因素不同的温度理解辐射热影响的关键。而找到来自太阳的阴影是一个显而易见的策略减少辐射热,几乎是不可能的对于人类适应分散长波热周围的城市环境。此外,即使在树荫下扩散短波辐射扩散地反射high-albedo表面也是重要的。

在本文中,我们建立在先前的工作,力求更好的描述看不见的长波辐射热量随着短波组件来自四面八方。所展示的工作移动human-biometeorological站(MaRTy车)实验前工作在坦佩亚利桑那州立大学(ASU),亚利桑那州(Middel Krayenhoff, 2019),我们可以测量精确使用6-direction长波和短波辐射的净辐射仪的设置,并将通过各种位置证明横向长波和短波辐射主导热经历了无形的长波是占主导地位的通量。这项工作表明,捷运达到75°C以上,这些网站上面沥青或混凝土。它还展示了绿色表面像天空树在减少的好处视角系数和平均辐射温度(捷运)。6-direction辐射计法提供了Wm平均方向的解读⁻²的辐射,但不解决特定的表面。在以前的工作在普林斯顿球面运动平均辐射温度(智能)传感器开发扫描和地图长波辐射散热从表面高分辨率热数组,使辐射热的确切来源分析和解决热表面及其几何的确切位置相对于潜在使用者在空间(分类的et al ., 2016,2017年;霍乔斯et al ., 2019)。与这项工作我们可以显示在表面辐射热有很大的差别,并计算捷运在空间任意点的分布高度的函数解决周围的表面温度和几何测量的传感器。这通常表明室内表面变化超过10°C和捷运会随> 2°C时只有2英尺(60厘米),一个标准的激烈的办公室。普林斯顿和ASU团队最初把马蒂购物车和智能传感器平台一起探索潜在的方法结合每个系统的高精度和高分辨率方面在一天实验活动在费城天普大学校园(特拉维夫et al ., 2021)。有很多空缺数据产生的系统,增加了模拟技术从合作者在佩恩,被告知的结果从两个系统创建城市环境的空间特征,建立在先前的射线跟踪技术长波传热(特拉维夫,2019;特拉维夫et al ., 2022)。建模技术成为集成作为数据还原和分析工具的两个传感器平台,使生成的结果创建一个数据驱动的映射不同的捷运在室外空间合作论文首次显示一个方法结合高分辨率表面温度显示捷运在空间的变化,可以根据精确的净辐射仪测量进行验证(特拉维夫et al ., 2021)。

短波的测量和建模都改善了。建模和在城市表面的辐射交往可以多种方式完成。一些城市气候研究整合到城市树冠模型射线追踪技术。neighborhood-scale多层城市冠模型(MUCM)结合射线跟踪方法开发占城市峡谷短波和长波辐射交换,但它是基于二维几何峡谷,因此不可行的使用一个详细的三维几何模型作为输入(Krayenhoff et al ., 2013)。Doan和Kusaka (2019)还引入了一个新的MUCM结合射线跟踪算法来代表城市表面短波和长波辐射过程。城市几何模型认为建筑和植被土地作为散货和热性能。基于城市峡谷模型,Rosado et al。(2017)提出了一个城市峡谷反照率模型(UCAM)计算的辐射通量占三个反射反射,结果表明需要使用实际的城市更准确研究几何。另一种方法是直接使用射线跟踪模型。一个三维数值模型是由基于射线跟踪方法杨和李(2015)预测详细城市表面温度分布。城市几何模型由归一化细胞,代表不同的场景的建筑密度、高度和安排。上述工作把反射和城市反照率作为重要参数在测试不同的场景。也有研究调查的影响短波反射能量平衡(Vallati et al ., 2018;Ali-Toudert 2021)。作为一种方法,可以支持详细的城市几何模型,太阳能和长波环境照度几何(SOLWEIG)模型可以模拟空间变化的三维辐射通量在复杂的城市环境和建筑数字高程模型作为输入(林德伯格et al ., 2008;林德伯格Grimmond, 2011),一直在不同的城市的情况下进行测试。例如,陈et al。(2016)采用SOLWEIG模型来模拟辐射热流密度在几个城市设置在上海,显示良好的协议与六个方向辐射通量密度的测量。研究更多的土地覆盖类型和反思的具体贡献辐射热通量是必需的。

太阳辐射测量领域的研究已经进行了使用传感器来更好地解决天空辐射的新型组合在出版工作(布卢姆et al ., 2022)。这里一个精确的日射强度计结合天空成像仪改善解决精确的日射强度计的数据。这些天空成像系统本质上是有限精度由于他们使用CMOS传感器不响应比例Wm⁻²辐照度的因为他们的有限的频谱响应。

客观的

本文的目的是要解决一些初始的局限性协作结合马蒂,聪明,和光线追迹模拟(特拉维夫et al ., 2021),开展更广泛的领域运动测试和演示的改进方法。在第一项研究中一个重要的限制是智能传感器无法解决任何短波辐射以及创纪录的高分辨率长波扫描在短时间内的运动,以导致显著的低分辨率图像。

本研究使用一个更新版本的智能传感器、智能短波和长波(SMaRT-SL)记录360°短波和长波全景图像,这是部署在马蒂跨位置的车在坦佩亚利桑那州立大学,亚利桑那两热清楚天。它使用一个更新建模技术来更好地解决短波天空辐射和反射。我们旨在产生结果,帮助更好的描述通过测量和建模的相关性扩散短波反射以及长波排放几何分辨率高。我们希望这将提供一个更明确的证据表明建筑环境,及其规划和景观设计和建筑,容易忽视的辐射热量之间的关系经历了由城市居民。

理解城市热量测量辐射传热是至关重要的,然而这高度可变的现象仍然经常影响人们未经检验的和被低估了的作用。提高这一现象的特征,此外,提供新的工具和技术更城市规划者,设计师和建筑师将创造新的机会,以更好地解决城市热的挑战。我们认为这些交流有许多细微差别包括高度复杂和可变热影响人们穿过城市织物的几何形状。

方法

实验装置和位置

实验5月18日和19日,2021年在亚利桑那州坦佩亚利桑那大学校园。每天马蒂购物车和SMaRT-SL传感器平台是建立在不同的位置~ 2 h增量上午8:00至下午5:30。从每个设备读数记录,全景(见照片图1)拍摄的地点,和表面的反射率和辐射率估计。

有5个站点(参见测试图1)。这些不同的条件从草地到混凝土与不同程度的天空曝光。这些被选来实现不同的场景不同的天空,代表太阳,地平线,地面覆盖,地面温度。五个网站测试在2天。一个网站被测量在这两天(海登草坪)的引用。

首先,SMaRT-SL传感器把一个完整的测量了~ 16 - 17分钟才能完成。第二,马蒂被放置在同一位置和措施~ 1分钟,其中包括20多岁占净辐射仪的传感器滞后和温度传感器。部署和测量马蒂购物车和SMaRT-SL传感器需要每个位置略低于20分钟。测量三个地方需要~ 1 h包括位置之间的行走。

第一天,5月18日,传感器部署在三个位置(1)海登草地,开阔的草地,(2)μPV树冠,户外座位区在一个大型光伏遮阳结构;(3)森林大街作一个具体的开放区域的前面Lattie f .亚利桑那州立大学作大厅。5测量在海登的草坪,6 MUPV树冠,和四个测量在森林大街作所有间距为h ~ 2之间的海登和μPV开始8和9点μPV 9和10点之间有一个额外的数据收集8和9点之间由于数据丢失。

第二天,5月19日,传感器旋转通过三个位置,再次(1)海登草坪(参考位置),(2)停车场,一个开放的区域由沥青混凝土,和(3)作峡谷,作大厅附近的一个混凝土建筑物之间的走道。

马蒂车移动净辐射仪平台

马蒂购物车设置是我们之前的合作中描述的一样(特拉维夫et al ., 2021),作为第一个实验详细在坦佩亚利桑那州立大学(Middel Krayenhoff, 2019)。这是一个human-biometeorological平台(图2),这是定制的移动平台,很容易从位置移动到的位置。

马蒂传感器平台记录位置(纬度/经度,°),空气温度(°C);相对湿度(RH %);风速(m·s⁻¹);长波(Wm⁻²)和短波(Wm⁻²)辐射通量密度6-directional Hukseflux NR-01净辐射仪的设置。它决定了捷运从结合定向短波和长波辐射、净辐射仪读数权重每个方向根据角站人根据方程的因素1:

一个_k= 0.70,_我= 0.97是没有单位的吸收系数为短波和长波辐射通量密度σ是Wm斯蒂芬玻尔兹曼常数⁻²K⁻⁴,没有单位的角的加权因素W_我= 0.06上下面对传感器和W_我= 0.22传感器指向每一个基本方向。

SMaRT-SL短和长波映射

我们建立在以前的工作开发扫描平均辐射温度传感器(智能)传感器。新扩展的版本包括短期和长波(SMaRT-SL)热电堆探测器数组。它由四个方向辐射能量传感器安装在两轴旋转舞台,能够360度方位的运动方向和运动180度高程按需完整球面覆盖所有四个传感器。在这个实现中,伺服系统是用于驱动减速机在每个旋转阶段,允许定向精度高、权力和通信电缆的传递在减速齿轮的中心。该系统是由Arduino由于单片机控制。

传感器包包括:一个最高点仪器sp - 510热电堆日射强度计,远地点仪器sl - 510地面辐射强度计,80•海曼著HTPA x64d R2 L10.5/0.95 F7.7HiC热电堆数组热感摄像机,小说和一个定制的热电堆数组短波相机使用HTPA 80 R2 x64d L0 FCaF2热电堆传感器。小说之外的短波紫外线(这里的意思短波红外成像灵敏度)热电堆相机传统的长波红外热成像系统允许显式定向和空间量化的热舒适性的重要辐射组件。然后使用单一日射强度计和地面辐射强度计测量作为比较的参考信号,另外,日射强度计用于初始校准灵敏度系数的短波热电堆传感器。

日射强度计远地点仪器和地面辐射强度计测量使用ADS1115 16位精度、微分μV ADC的分辨率3.9。地面辐射强度计热敏电阻通道读取标准的12位ADC的分辨率0.8 mV。传感器所示规格和错误表1。

80•海曼著HTPA x64d R2 L10.5/0.95 F7.7HiC热电堆数组有5120个元素,和视野~ 39 31度。f / 0.95镜头的LWP涂层用在(Tr: 5%) 7.7μmμm±0.3。精度±3% |来- - - - - -助教|或±3 k(无论大)对象温度< 300°C和环境温度从5到50°C, 140 mK@1Hz经济技术开发区。

短波热电堆传感器结合无透镜的数组,未经过滤的热电堆数组与一双可见涂消色差光学浮法玻璃镜头。结果是一个低分辨率的相机与dell光谱响应从375到2500纳米。80 HTPA x64d R2 L0 FCaF2热电堆传感器有一个~ 1毫米厚CaF2窗口密封装置,它提供了近200平带通响应在μm ~ 10000μm范围。聚焦透镜是N-BAF10 / N-SF5消色差搭配14 mm焦距1.15和12.5毫米直径的焦距比数。可见(400 - 1000 nm) anti-reflection涂层可以减少眩光频谱的主要部分,和50%的信号范围从375到2650纳米。一个矩形镜头罩进一步减少眩光,一个持续的问题由于太阳直射光束的强度。最后,使用伺服shutter-flap变黑热补偿归零法和校准的设备。看到图3下摆裁成圆角的3 d模型的短波传感器。

SMaRT-SL可以完成一个完整的测量在15分钟内。在启动时,使用三脚架基地北方的传感器方向一致。接下来,传感器旋转起来,北,东,南,西方向,暂停在每个~ 30年代日射强度计和地面辐射强度计读数记录远地点工具,创建一个完整的6-direction净辐射计测量只有两个传感器。这6个方向测量完成后,SW热电堆相机上的快门关闭和原始电压输出热电堆的阅读和平均~ 30岁以上。这提供了基线信号电平抵消由于温度依赖的长波红外发射的光元素。校准后运行时,设备开始全景扫描,实现完整的球形覆盖率从70年与小重叠图像全景后约8分钟。完成后,后续短波红外成像相机标定和6方向净辐射测量。

SMaRT-SL传感器图像处理

SMaRT-SL传感器原始数据,一组图片的形式,进行后期处理以创建一个完整的朗伯等积圆柱投影的场景。这个过程分发,高档,平滑和平均重叠图像,也符合均匀分布的重要作用像素数据平等立体角观点的因素。图像像素被扔进垃圾箱,间隔在整数值离散均匀分布在水平和垂直维度在最后的投影,保证在3 d向量空间投影图像中的每个像素值有平等的立体角的看法的因素。矩阵相应的3 d矢量坐标保存图像,允许进一步计算然后在投影空间利用甚至点扩散。

生成平面辐照度值对于一个给定的方向从SMaRT-SL数据,虚拟日射强度计和地面辐射强度计模型被用来产生奇异的数字。3 d矢量坐标的像素被用来朗伯余弦定律适用于体重的数据点在视图模拟飞机。这不仅使得一代的红衣主教方向平面辐照度值以匹配实验日射强度计和地面辐射强度计数据,但任意平面的方向。

进一步了解通过独特的决议和配对传感器设置SMaRT-SL允许非常准确分类的任何给定像素的投影场景不是陆地,天空,或直接太阳能的起源。这是通过使用逻辑搭配长波和短波图片:如果长波读数低于环境温度超过25°C的阅读被分类为“天空”,如果上面的短波是1000 W·sr⁻¹·米⁻²阅读是归类为“直接太阳,”和所有其他点被分类为“地面。“这种方法被证明是相当强劲,然而进一步测试和细化过程可能需要的场景与重要的云层。图4展示了技术能力的分类树、建筑物和整个不同的地平线。这种分类允许在任何给定的量化测量直接和反映个人贡献的来源,以及计算统计等分散水平照度(济)和直接正常发光(DNI)。

模拟方法

对短波模拟辐照度,射线跟踪模型构造使用蜜蜂(版本0.66),验证环境插件在犀牛/蚱蜢算法3 d建模平台。输入的位置(美国凤凰城33°25 ' N, 111°56 ' W),实验的日期和时间(2021年5月18日和19日,8 am - 4”点,造价),和正常的直接辐照度和扩散水平照度,模型首先为每个模拟用例生成矩阵的天空。该决议确定太阳的位置是1小时。太阳路径和在实验中显示为太阳的位置图5一个。每小时全球水平照度收集在亚利桑那州的一个气象站的气象网络,位于中央凤凰和16公里左右实验网站。然而,气象数据不包括直接正常的辐照度和扩散水平照度。为了估计上述两个参数,提供的典型气象年数据集(TMY) ISD(美国NOAA的综合数据库)表面包含辐照度数据,并作为参考。基于两个方面的结合,估计直接正常的辐照度和扩散水平校准辐照度。

几何建模、三维模型的建筑物,土地表面不同类型和树木被建造和所有表面的反射系数分配基于测量在每个站点上与ASD FieldSpec 4光谱仪实验后,用反射率值平均在350 - 2500纳米波长测量范围:0.11沥青地面,为路面0.2 - -0.25,0.5,0.3为砾石,光伏板0.4,0.3混凝土、砖0.15,0.2的树木。为每个模拟情况下,空间地图球形发光变化是创建一个测试飞机在离地面1.1米的高度代表人类的质心和测试点1米分辨率的生成。箱集中在测试点分为六个表面平面辐照度计算和结果对应于东部,西部,南部,北部,分别向上和向下的方向(图5 b)。基于这些输入,光辉引擎嵌入到蜜蜂被用来构建一个射线跟踪模型对仿真辐照度(病房里,1994)。所有测试箱的平面辐照度的表面可以计算,在此基础上的意思是球形发光使用立方计算方法。这种模拟技术已经开发在我们先前的研究(侯et al ., 2021)。

为了调查周围环境的反射率及其影响辐照度得到了在地面上,一组平行的模拟是针对每种情况进行的所有周围的表面的反射系数为0,同时保持其他设置不变。并行测试还包括间接辐照度从天空而不是表面的建筑环境等建筑信封,自扩散反射的最大数量计算的间接计算四例。

结果

我们选择的结果集五位置最好的说明了小说的数据可以通过结合这些技术来解决。完整的数据集将作为data-in-brief提交和发布到github库(chaos-laboratory /解决-辐射- 2022 -纸-数据)。我们选择的数据收集从森林大街网站作建筑旁边,海登草坪,MUPV树冠。这些提供一系列短波和长波条件公开长波户外的角色,和地面反射的短波的来源,这两个经常被认为是小天空相对于直接的太阳辐射。我们表明,他们不仅是重要的,但是他们有高度变量分布影响经历的热人短的地区,并使阴影区域重要的热应力的能力。

长波和短波辐射能量球面全景图

我们第一次呈现的结果收集的长波和短波高分辨率扫描SMaRT-SL平台。我们是伪彩色图像,类似于热成像,但在这种情况下,梯度是代表W·sr⁻¹·米⁻²来自这个方向。对于每一个站点,森林大街图6海登的草坪上,图7,MUPV图8我们还包括一个可见的全景图供参考,让它更容易解释的来源和结构出现在辐射全景照片。每个形象都是一个完整的360度全景,热辐射的重大变化是显而易见的。在森林大街图6图片有两次,上午11点和下午3点。短波急剧变化从上午11点到下午3点,太阳经过作建筑后面,创建了一个巨大的阴影区域。仍然还有non-insignificant来源反映短波的相似,在一些地区更大,比天空漫射强度。长波形象也非常有趣的森林大街建设中起着重要作用作为热源和热混凝土在地上。下午2点树荫下创建了一个明显的减少短波,虽然没有直接加热的长波减少了从太阳表面,它还代表了一个相当高的辐射热量的来源,在建筑的情况下,阻止原本是热酷长波的天空。

海登草坪数据是开阔的地区的代表。短波数据再次显示了显著的反射周围的表面。长波分量是更重要的重大转变温度从草地到混凝土辐射热引起重大变化。草表面的辐射热约10 - 20%低于混凝土表面。这种转变从热站在草坪上站在混凝土就相当于空气温度变化几度。SMaRT-SL传感器数据不仅使我们能够计算辐射温度场的主要方向,但现在可视化,所有设计表面的环境中发挥作用的热负荷放置在人们使用的空间。

MUPV林冠呈现一个最有趣的辐射对我们的高分辨率测量案例研究数据集。开口的变化在树冠和重要的加热板造成独特的短波和长波条件。当然短波的总量减少了树冠阴影,仍有大量的短波,到达的树冠上的差距。这很大程度上可以避免由用户根据需要,因为热点明显寄存器中的可见光图像,但我们注意到,测量甚至跨几英寸可以显著影响高度可变系统,所投下的阴影和通过空间用户仍将经历这些小空间的短波辐射和反射从他们通常不被认为是热源,但仍然有影响。

什么是更重要的,是完全看不见的添加发出的长波热板加热在阳光下和辐射长波。阴影树冠实际块天空的表面热路面一样热。而阻塞缓解短波太阳是至关重要的,其余的天空作为一个重要的长波辐射散热器。SMaRT-SL系统可以清楚地显示了重要的长波辐射的热量面板,然后还显示天空的长波辐射的潜力,或冷却器,也阻碍了面板。

长波方向辐照度

接下来我们现在长波数据解析的结果在原则方向为各种工具的比较图9。我们收购了长波数据类似于我们之前的工作(特拉维夫et al ., 2021)把阅读材料使用标准的净辐射仪测量从马蒂。SMaRT-SL传感器的一种改进的阵列探测器更快速获取高分辨率的全景图长波启用,这将解决的一个问题在第一次合作马蒂SMaRT-SL扫描了超过30分钟,有有限的决议。长波的结果图9数据从马蒂车和加工SMaRT-SL传感器长波数组,分数从天空和从地面见堆叠柱形。安装在的远地点Pyrgometer SMaRT-SL额外验证没有产生准确的数据,很可能由于过热亚利桑那州在炎热的气温。

地面的长波数据显示持续高值下降方向,615 W·m⁻²地面的森林大街,天空在按预期方向有较低的值,在366 W·m⁻²天空森林大道这MUPV林冠显著增加了长波方向发光由于高温光伏面板树冠。同时提供树荫,PV树冠有最高的长波热影响的场景。一还可以看到暂时的影响森林大街作建筑阴影下午地面导致减少长波,而同样MUPV树冠导致增加长波方向上由于热建筑的存在和降低冷却器的天空。

马蒂和SMaRT-SL数据之间有良好的协议,与最大的差异来自方向可能不是重要的天空部分读相同的光谱灵敏度的探测器由于滤波器被切断长波传感器组件,以及不同的错误模式,如自我加热。一般天空分数增加导致SMaRT-SL阅读减少马蒂相比阅读。不过,结果是一个重大的进步在我们以前的工作与两个系统(特拉维夫et al ., 2021)。

短波方向和总辐照度

短波成像数据从我们以前的工作另一个重要的扩展。新的SMaRT-SL短波阵列传感器的结果也显示相对较好的协议森林大街上午10点和海登草坪下午2点见图10。在这种情况下,我们也有额外的比较数据的远地点高温计安装在SMaRT-SL和短波模拟进行比较的结果SMaRT-SL数组分解成天空和反射表面。森林大街3点和MUPV数据都显示在不同的尺度,因为没有阳光直射,特别是短波强度有限的森林大街3点数据。它有一个最大的超过100 W·m⁻²在早上,但在阳光下近1000 W·m⁻²在天空向上的方向。MUPV数据说明了强烈的局部变化可能由于光伏面板shading-small差异的物理尺寸和位置传感器产生高度可变的结果。海登草坪上说明了反映部分是控制和重大北部和东部directions-due晴朗的天空,天空的短波辐射扩散相当低。的比较森林Ave上午11点和下午3点显示阴影的显著差异。森林大街太阳建筑物的后面,下午3点去了。向上和向下的方向,进一步显著变化的部分反映在主方向主导整个辐射负载。数据之间的差异在森林大街下午3点可能是因为解析出更低的总体难度的增加信号的精确统计约450 W·m⁻²事件的热电堆传感器由于longwave-emitting的辐射温度,短波透明的透镜系统。类似的错误模式可以在低强度日射强度计测量。

重要结论证实了仿真和SMaRT-SL传感器数据的意义反映部分的整体辐射光谱的负载。各自的数据集所示图10上下,一个简单的会计比较日射强度计数据显示向下反射部分为22.5,18.2,21岁,和2.8%的向上方向,相比更准确的会计比率的球形辐照总量为32.4,45.9,33.5,36.7%的平均SMaRT-SL和仿真数据。简单的日射强度计比较掩盖了反思的意义缺乏整体辐射传热的一个更精确的占反射的方法。此外,会计反映的不仅仅是向下的方向对人体热舒适,拥有意义随着向下方向较小的影响在人类形态(Rizzo et al ., 1991)。

短波反射辐射热

图11显示的变化分数反映短波。这里我们有数据直接取自SMaRT-SL以及仿真,这都是能够解决短波从天空和阳光直射以及短波反射陆地表面。又有相对良好的模拟和传感器之间的协议。现场时差异产生阴影,有更重要的变化在现场的测量。

提高短波反射测量和理解是特别感兴趣的,因为在实践中从地球表面反射的短波辐射通常被认为是无关紧要的相对于直接的太阳和天空辐射。反射辐射的来源范围从10到总数的70%,与开放的海登草坪接受更一致的25 - 35%的范围。此外,你可以看到时间和定向反射的短波的依赖关系。在三个地方,反映短波是一个强大的组件总辐射的热负荷,与某些当地条件像高度反光的建筑物甚至导致它成为占主导地位的一部分。通过把数据分解的方向,你会发现一个简单的会计短波的仅仅是由直接从天空辐射是非常不完整的。此外,重大的变化在这个数据显示更准确的重要性和SMaRT-SL提供的空间解决的计算和仿真方法来更好地理解复杂的影响反映辐射来源。

北、南、东、西方向提供深入了解太阳反射不同的表面一整天,和高热量的变化经历了从间接的短波辐射的来源。在所有情况下,显然只提供方向反射,但有趣的是向上的方向不仅仅是直接和包括反射。这些是由于相邻建筑,特别是光伏树冠站点有明显的反映。

为图11在森林大街,意思是球形的辐照度不断降低从11点(当它达到峰值320.4 W·m⁻²)。的百分比反映平均球形发光部分仍在30%左右,最高的32.9%下午3点,下午5点最低为26.5%。南北方向的大道高H / W比两边的建筑。簇树是朝北的。混凝土路面和草是反光。从东反射的比例增加,达到峰值83.2% (58.1 W·m⁻²)下午3点,当阳光直射光线来自于西南方向,反映在砖建筑,树木,草地和混凝土路面。从西方早上反射的比例很高,达到峰值91.6% (119.8 W·m⁻²)上午11点,不断降低之后,当阳光直射光线来自东南方向,反映在建筑玻璃面和混凝土路面在西区。来自北方的辐照度达到峰值88.0% (110.5 W·m⁻²)上午11点,有减少的趋势。从南反射比例降低到最低,下午1点,增加。反射比例大约在下午4点(~ 47%)低于在草坪(51.3%)和PV (62.3%)。两个开放的网站,大道的混凝土路面的反射率是低于在草坪草。光伏阴影下的空间结构有一个砖建筑和树木在南边,可能导致从南方向发光通过多个反射,导致反射比例更高。

为图11 bMUPV,意思是球形发光白天波动不大,最高为89.1 W·m⁻²下午12点和最低为56.9 W·m⁻²下午4点。部分反映在意味着球形发光的百分比变化不大,12点最高的37.4%和最低的30.3%在8点。上行方向的辐照度(224.4 W·m⁻²)低于草坪(797.6 W·m⁻²没有上面的阴影。因为以上的光伏电池板阴影只有一些面板之间的缝隙让阳光直射,从各个方向接收到的短波辐照度低于在草坪等开放空间。从东方向从8点反射的比例增加,达到峰值87.6% (30.8 W·m⁻²)下午2点,当阳光直射光线来自于西南方向,反映在列由砖和半透明的玻璃和人行道上。从西方早上反射的比例很高,达到峰值91.9% (35.3 W·m⁻²)晚上12点,从北方向和辐照度相对较高,达到峰值94.2% (41.5 W·m⁻²)也在12点,当阳光直射光线来自南方的方向和反映的砖建筑,树木和朝鲜一侧的人行道上。大峡谷西方向有一个较大的高宽比,从而导致更高的百分比反映北方向。南反射比例减少从早上8点和12点到达最低,并增加。它与更直接射线约40 - 60%,主要反映收到了人行道上。

为图11 c在海登草坪意味着球形辐照度达到最高的12点左右。的辐照度的方向做出最大的贡献。第二个最高的是来自南方的方向符合阳光直射的方向。反映部分达到最高的33%在12点左右。东方向从8点反射的比例增加,达到峰值86.6% (107 W·m⁻²)下午2点,当阳光直射光线来自于西南方向,反映在砖建筑,树和草在东区。对西方的方向是早上到达峰值89.9% (119.8 W·m⁻²)am-12pm 10时左右,当阳光直射光线来自东南方向,反映由砖建筑,草西侧。从北方峭壁是高的,上午10点——下午2点峰值超过90%,当阳光直射光线来自东南/南/西南方向,反映在北边的树木。来自南方的障碍也会减少阳光直射从南方向,反射比例大约是40 - 60%,主要反映在草地上。

模拟反射辐射热变异的贡献

进一步的仿真方法是创建2 d空间热图总数的球形发光在网站中所示图12。这些地图提供有用的背景反射的短波数据点显示之前。一个可以看到两个之间强度的显著差异就直接入射辐射相比,一个完整的会计与反思。反射的部分也可以清楚地看到一个强大的司机总辐照度增加的空间变化的网站。

反射和几何对比所有网站

表2概述相关的站点的几何的高度周围基础设施、地形或植物所有网站的四个水平方向。表3给每个网站的平均反射的短波辐射。

总结各网站的整体反思的结果如下:

•开放空间,如停车场有一个相对较低的百分比,而草坪很大一部分是因为反射辐射,草地。

•对于其他三个站点在城市峡谷,材质结构反射MUPV比例增加,而其H / W比率低于森林大道和作。

•森林大道东方向的平均反射比例高,由于混凝土外观的建筑旁边的东区反光的地面上。

•MUPV反射比例最高,然而球形辐照度是最低的白天在所有网站,这是归因于上述光伏电池板阴影只有一些面板之间的缝隙让阳光直射。

•反射的比例作高尤其是在东方向,因为建筑的混凝土外墙北面多有助于反映尤其是当太阳射线从南方向。尽管在每个方向的平均反射比例作并不总是最高的,白天高峰总是高于其他网站。由于表面朝东或西,反射比例并不总是白天高,导致没有这么高的平均水平。

讨论和未来的工作

最近的工作评估长波(相比Vanos et al ., 2021),我们展示了另一种方法来解决与热电堆阵列系统长波辐射传感器,使用温和的成本不敏感的对流与模拟设备如黑球温度计。比较最近的工作与天空结合高温计数据成像(布卢姆et al ., 2022),我们展示了另一种方法使用一个定制的短波热电堆传感器,与标准CMOS摄像头传感器提供了一个准确、全面短波辐照度的测量。我们已经验证了长波和短波系统对模拟结果精确的高温计和pygometer净辐射仪的设置。相比,一个典型的球温度计的ISO 7726标准甚至承认对流流动模拟装置周围不允许测量优于±2°C,我们演示的系统都可以产生值独立于对流与辐射温度的结果在1°C平台测试。

从实验原理的结果集是一组数据在W·m⁻²辐照度的短波和长波从两个不同的传感器平台和仿真。与许多研究在辐射热,我们不关注这个翻译成一个代理的肉辐射温度。当我们认识到温度的重要性代理解释热量,辐射传热的定向和几何性质实际上是使用温度代理时丢失,导致大多数与空气温度。W·米⁻²来自每个方向代表重要的司机从辐射不对称的感觉,和整体W·m⁻²有着更直接的关系视角系数和表面面积,这是辐射传热的这两个方面,可以受到城市设计师的情况下表面尺寸,以及城市居民可以行动的通知或指导下项目少的地方直接来源的辐射热反射的短波和红外长波可以最小化。

一个挑战的辐射结果W·m⁻²是,由于所有表面发射时,正值表面像天空或冷却器植物是违反直觉的。它们排放瓦,但冷却,因为他们的排放小于接收人体的温度。在我们的分析,我们有意地忽略了接收机的温度。在人体中,温度在30°C的范围,因此它本身就是发射的500 W·m⁻²。这是净负交换冷却器表面使得他们冷。但这种分析的净交换会导致关注长波交流与捷运分析通常是做建筑室内热舒适。我们认为分别在室内和室外空间的一个独立的会计解决短波和长波辐射热量可以提供更具体的和可操作的信息周围的表面是如何传授瓦的热在一个位置。例如,在光伏树冠,总球形长波瓦到达一个点以下面板有两倍的热量被交付在长波发射从上面的热光伏电池板比将交付的凉爽和晴朗的天空背后隐藏的,但仍然只有大约一半的无遮蔽的直接太阳短波。然而,而不是减少的长波加热板的影响,这进一步引出了一个问题的阴影的几何结构是否会有更少的随机和更多的战略位置的孔都遮挡太阳的直接路径路径而暴露更晴朗天空的长波冷却。在未来的工作中,我们希望使用这些工具的分析,做出更明智的物理设计和城市规划决策不仅基于平均温度代理,但通过一个高度解决辐射通量的理解。

正如我们所提到的,我们忽视人的温度,但可以简单地添加到估计净交流。也必须承认是什么形式的意义的人或其他辐射接收器。平面辐射通量的定向结果都和我们的总结果球源接收从四面八方辐射。在其他工作室内人体建模(特拉维夫et al ., 2022),我们正在努力更好地整合人体的几何形状是插入到这些复杂的辐射场。与现代的计算能力可以使用光线追踪技术用于模拟反射包括净与更复杂的几何图形交互的实际的人可能会经历热应力或明显不舒服由于不同身体部位的局部加热,和提供的高分辨率数据SMaRT-SL至关重要的使用这些技术更好地占人类形态。

尽管我们的目的是研究短波反射的意义,我们还展示了反射的长波的意义(特拉维夫et al ., 2022)。这些更加复杂因为表面发射率和反射率长波可以更加难以评估。不过,反射的长波与辐射热提供另一个机会。

最后,所有这些分析本质上是依赖于表面和天空属性的理解。这包括短波反射率估计,而且长波辐射。也有一些光谱影响可能不是准确捕获,黑色或greybody假设。我们相信未来的迭代SMaRT-SL我们将能够使用扫描表面不仅捕获从解决表面辐射热通量,但也捕捉表面类型和评估表面的发射率和反射率原位。这将前馈允许模拟做快速确定辐射通量在任何时候在空间准确占所有反射测量材料属性。

结论

我们演示了一种新的方法来提高辐射传热是如何解决在短波和长波光谱域。它一直认识到直接来自太阳的短波强光造成重大热,大温暖的表面可以造成严重的长波辐射热量。结合这些存在重大潜在风险户外热应力和添加到热负担和城市基础设施的能源需求。

小说的组合工具说明精度高净辐射测量在移动平台可以快速评估短期和长波辐射热量变化的细微差别热坦佩亚利桑那州立大学校园,与扫描热电堆探测器阵列我们可以进一步解决短的确切来源和跨站点的具体几何长波热。高分辨率数据验证通过定向平均对净辐射仪和球形总辐照度的测量位置和变化具有良好的协议从10到20%值> 100 W·m⁻²以较低的价值,更重要的相对差异的内部设备的温度有更重要的影响相对较小的测量值。

通过解决短波辐射来源我们也可以区分从地面反射的来源和直接从天空和扩散源。这也验证了使用模拟考虑相互反射的短波导致总辐射热经历过在一个位置。我们能够显示传感器能精确测量反射的短波,还表明,30%以上的五个网站平均4 - 5测量时采取了一整天。

最后,我们认为有巨大的潜力,以更好地评估辐射热通量作为他们在各种各样的方式影响城市居民。在未来我们希望这些改进技术有助于更好的表征和理想情况下暴露的机会更好地应对挑战呈现在我们的城市气候变暖。

数据可用性声明

在这项研究中提出的数据集可以在网上找到存储库。库的名称/存储库和加入数量(s)可以发现:https://github.com/chaos laboratory/resolving -辐射- 2022的论文数据。

作者的贡献

厘米,调频,MH,哒,FS,我计划的实验和结果的解释。FS,进行了实验并提供和运营SMARTY车传感器系统。MH和DA计划和相应进行了模拟和分析。厘米的构思和构建小说扫描阵列传感器SMART-LS和小说的规划和实施SMART-LS数据分析方法。调频和CM带头写手稿,MH提供贡献。所有作者提供了重要的反馈和帮助形状的研究、分析和手稿。所有作者的文章和批准提交的版本。

资金

这项研究的部分资金由美国国家科学基金会的可持续发展研究网络合作协议# 1444758。

的利益冲突

厘米和调频正在基于和相关传感器开发潜在的商业化技术作为这项工作的一部分。

其余作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。

出版商的注意

本文表达的所有索赔仅代表作者,不一定代表的附属组织,或出版商、编辑和审稿人。任何产品,可以评估在这篇文章中,或声称,可能是由其制造商,不保证或认可的出版商。

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