專利名稱：熱量預(yù)測(cè)方法和系統(tǒng)以及具有熱量預(yù)測(cè)程序的記錄介質(zhì)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及一種熱量預(yù)測(cè)方法、熱量預(yù)測(cè)系統(tǒng)、以及存儲(chǔ)有熱量預(yù)測(cè)程序的記錄介質(zhì)，更具體地，涉及一種用于測(cè)量流入對(duì)象的熱量的熱量預(yù)測(cè)方法、熱量預(yù)測(cè)系統(tǒng)、以及存儲(chǔ)有熱量預(yù)測(cè)程序的記錄介質(zhì)。
背景技術(shù)：
已經(jīng)開發(fā)了覆蓋在各種構(gòu)造物(structure)例如船、建筑物、機(jī)動(dòng)車、以及電子設(shè)備的外表面，用于接收太陽(yáng)輻射的太陽(yáng)熱反射涂層(熱屏蔽涂層)。太陽(yáng)熱反射涂層反射太陽(yáng)光，抑制構(gòu)造物內(nèi)溫度的上升，并保護(hù)構(gòu)造物的表面。太陽(yáng)熱反射涂層因此減少了例如構(gòu)造物中空調(diào)所需的能量消耗，并且提高了構(gòu)造物的耐久性。
當(dāng)將太陽(yáng)熱反射涂層用于構(gòu)造物以獲得上述效果時(shí)，測(cè)量太陽(yáng)熱反射涂層的熱屏蔽效果是很重要的。
在建筑環(huán)境工程和其它領(lǐng)域中使用的穩(wěn)態(tài)計(jì)算提供了一種計(jì)算構(gòu)造物的熱負(fù)荷的簡(jiǎn)單方法。
此外，提出了一種測(cè)量熱屏蔽涂層的效果的方法，該方法也使用穩(wěn)態(tài)計(jì)算。在該方法中，測(cè)量熱屏蔽涂層的太陽(yáng)反射比，從測(cè)得的太陽(yáng)反射比計(jì)算太陽(yáng)吸收率，從所計(jì)算的太陽(yáng)吸收率計(jì)算太陽(yáng)作用氣溫(sol-air temperature)，并從所計(jì)算的太陽(yáng)作用氣溫計(jì)算傳熱量。
專利文獻(xiàn)1日本特開2002-39977號(hào)公報(bào)然而，在建筑環(huán)境工程和其它領(lǐng)域中使用的穩(wěn)態(tài)計(jì)算只能夠計(jì)算穩(wěn)態(tài)條件下的熱量，不能對(duì)熱量進(jìn)行考慮熱容和氣象條件變化的預(yù)測(cè)性計(jì)算。為了計(jì)算考慮熱容和氣象條件變化的非穩(wěn)態(tài)條件下的熱量，使用運(yùn)行在大型機(jī)上的用于熱負(fù)荷計(jì)算的模擬程序。然而，這樣的模擬程序非常昂貴，并且不容易得到。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種熱量預(yù)測(cè)方法、熱量預(yù)測(cè)系統(tǒng)、以及存儲(chǔ)有熱量預(yù)測(cè)程序的記錄介質(zhì)，其基本上消除了由于相關(guān)技術(shù)的局限和缺點(diǎn)所引起的一個(gè)或多個(gè)問題。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的熱量預(yù)測(cè)方法、熱量預(yù)測(cè)系統(tǒng)、以及存儲(chǔ)有熱量預(yù)測(cè)程序的記錄介質(zhì)，提供了一種簡(jiǎn)單并且負(fù)擔(dān)得起的方式來計(jì)算非穩(wěn)態(tài)條件下的熱量。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，提供一種預(yù)測(cè)流入對(duì)象的熱量的方法，包括下述步驟設(shè)計(jì)表示流入所述對(duì)象的熱流的熱回路以及表示所述熱回路的方程；獲取所述方程的參數(shù)；將所述參數(shù)應(yīng)用到所述方程；以及求解所述方程以預(yù)測(cè)流入所述對(duì)象的熱量。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，當(dāng)流入所述對(duì)象的熱流為i、太陽(yáng)吸收率為a、太陽(yáng)輻照度為I、外部溫度為Tex、內(nèi)部溫度為Tin、所述對(duì)象的外部與內(nèi)部之間的結(jié)構(gòu)的熱阻為Rc、內(nèi)部結(jié)構(gòu)的傳熱阻為rin、以及外部結(jié)構(gòu)的傳熱阻為rex時(shí)，表示所述熱回路的方程表示如下i＝{(a×I×rex)+(Tex-Tin)}/(Rc+rin+rex)。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，所述熱量的變化通過下述步驟來預(yù)測(cè)(a)獲得兩組或更多組參數(shù)，每組參數(shù)對(duì)應(yīng)于一個(gè)時(shí)間點(diǎn)；(b)將其中一組參數(shù)應(yīng)用到所述方程；(c)求解所述方程，從而獲得在相應(yīng)時(shí)間點(diǎn)流入所述對(duì)象的所述熱流；(d)基于在步驟(c)中獲得的所述熱流，獲得在隨后的時(shí)間點(diǎn)的所述熱量；以及(e)重復(fù)步驟(b)到(d)，重復(fù)的次數(shù)與所述參數(shù)的組數(shù)相同。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，當(dāng)時(shí)間點(diǎn)j處的內(nèi)部溫度為Tin(j)、時(shí)間點(diǎn)j+1處的內(nèi)部溫度為Tin(j+1)、時(shí)間點(diǎn)j處的外部溫度為Tex(j)、通過組合與時(shí)間點(diǎn)j處所述對(duì)象的結(jié)構(gòu)條件和內(nèi)部條件有關(guān)的參數(shù)而獲得的參數(shù)為H(j)′和KS(j)、以及所述對(duì)象的熱容量為Ct時(shí)，時(shí)間點(diǎn)j+1處的內(nèi)部溫度Tin(j+1)如下計(jì)算Tin(j+1)＝Tex(j)+H(j)′/KS(j)-(Tex(j)+H(j)′/KS(j)-Tin(j))exp(-KS(j)/Ct)。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，所述時(shí)間點(diǎn)j和所述時(shí)間點(diǎn)j+1之間的時(shí)間間隔在約十分鐘至約一小時(shí)的范圍內(nèi)。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，提供一種預(yù)測(cè)流入對(duì)象的熱量的系統(tǒng)，在其中使用表示流入所述對(duì)象的熱流的熱回路以及表示所述熱回路的方程，該系統(tǒng)包括獲取單元，用于獲取所述方程的參數(shù)；以及處理單元，用于將所述參數(shù)應(yīng)用到所述方程，并求解所述方程以預(yù)測(cè)流入所述對(duì)象的熱量。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，提供一種記錄介質(zhì)，其內(nèi)包含有用于使計(jì)算機(jī)預(yù)測(cè)流入對(duì)象的熱量的程序，所述程序包括第一代碼單元，其設(shè)計(jì)表示流入所述對(duì)象的熱流的熱回路以及表示所述熱回路的方程；第二代碼單元，其獲取所述方程的參數(shù)；第三代碼單元，其將所述參數(shù)應(yīng)用到所述方程；以及第四代碼單元，其求解所述方程以預(yù)測(cè)流入所述對(duì)象的熱量。
在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的熱量預(yù)測(cè)方法中，通過對(duì)象的不同部分流入對(duì)象的熱通過穩(wěn)態(tài)計(jì)算進(jìn)行計(jì)算，并且被求和以獲得對(duì)象的總的熱負(fù)荷。利用所計(jì)算的熱負(fù)荷和上述方程，對(duì)象內(nèi)部溫度的變化可以例如考慮到氣象條件的變化來預(yù)測(cè)。


圖1是示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的典型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的方框圖；圖2是示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的熱負(fù)荷計(jì)算程序的典型處理的流程圖；圖3是示出用在熱負(fù)荷計(jì)算中的典型參數(shù)的表；
圖4是用于描述計(jì)算建筑物的熱負(fù)荷的方法的圖；圖5是示出熱負(fù)荷計(jì)算的典型處理的流程圖；圖6是示出用于典型模擬的建筑物的結(jié)構(gòu)條件的表；圖7是示出用于典型模擬的建筑物的內(nèi)部條件的表；圖8是示出在典型模擬中使用的建筑物所處的地點(diǎn)的典型氣象條件的表；圖9是示出在典型模擬中的計(jì)算處理的圖；圖10是示出典型內(nèi)部溫度模擬的結(jié)果的曲線圖；以及圖11是示出計(jì)算道路的熱負(fù)荷的典型方法的圖。
具體實(shí)施例方式
下面參考

本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖1是示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的典型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的方框圖。
本實(shí)施例的熱量預(yù)測(cè)系統(tǒng)100由個(gè)人計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，其包括輸入設(shè)備111、處理單元112、存儲(chǔ)設(shè)備113、存儲(chǔ)器114、顯示設(shè)備115、以及通信設(shè)備116。
輸入設(shè)備111包括例如鼠標(biāo)和鍵盤，用于輸入例如構(gòu)造物的對(duì)象的信息，例如位置、尺寸、以及內(nèi)部溫度設(shè)置。
處理單元112包括CPU，其執(zhí)行存儲(chǔ)于存儲(chǔ)設(shè)備113中的熱負(fù)荷計(jì)算程序。
存儲(chǔ)設(shè)備113包括盤驅(qū)動(dòng)器，例如硬盤驅(qū)動(dòng)器或CD-ROM驅(qū)動(dòng)器。熱負(fù)荷計(jì)算程序安裝在存儲(chǔ)設(shè)備113中。存儲(chǔ)設(shè)備113也用于存儲(chǔ)例如對(duì)象的信息和計(jì)算結(jié)果。
存儲(chǔ)器114由例如RAM的易失性存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)，用作處理單元112的臨時(shí)存儲(chǔ)區(qū)域。
顯示設(shè)備115由例如CRT或LCD實(shí)現(xiàn)，用于顯示例如輸入信息和計(jì)算結(jié)果。
通信單元116連接到網(wǎng)絡(luò)例如因特網(wǎng)，用于訪問例如氣象局的數(shù)據(jù)庫(kù)并獲取氣象信息。
熱負(fù)荷計(jì)算程序圖2是示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的熱負(fù)荷計(jì)算程序的典型處理的流程圖。在下面的描述中，以建筑物作為對(duì)象的例子。
當(dāng)在步驟S1-1中開始熱負(fù)荷計(jì)算程序時(shí)，在步驟S1-2，處理單元112根據(jù)熱負(fù)荷計(jì)算程序顯示用于請(qǐng)求建筑物的位置的屏幕。
當(dāng)在步驟S1-3中使用者輸入了建筑物的位置時(shí)，處理單元112在步驟S1-4從氣象局的數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取相應(yīng)的氣象信息。
在步驟S1-5中，處理單元112顯示用于請(qǐng)求建筑物的方向和尺寸的屏幕。當(dāng)在步驟S1-6中使用者輸入了建筑物的方向和尺寸時(shí)，處理單元112在步驟S1-7中獲取所輸入的建筑物的方向和尺寸。
在步驟S1-8中，處理單元112顯示用于請(qǐng)求內(nèi)部信息的屏幕，該內(nèi)部信息包括例如建筑物內(nèi)部溫度的條件。當(dāng)在步驟S1-9中輸入了內(nèi)部信息時(shí)，處理單元112在步驟S1-10中獲取內(nèi)部信息。
在步驟S1-11中，處理單元112計(jì)算用于熱負(fù)荷計(jì)算的參數(shù)。例如，處理單元112根據(jù)建筑物的位置計(jì)算太陽(yáng)輻射量，根據(jù)其尺寸計(jì)算表面面積，根據(jù)內(nèi)部信息計(jì)算建筑物的熱容量。利用在建筑環(huán)境工程或其它領(lǐng)域中普遍采用的公式，通過穩(wěn)態(tài)計(jì)算，很容易計(jì)算例如太陽(yáng)輻射量的參數(shù)。例如，這些公式在EnvironmentalEngineering Text Study Group(環(huán)境工程教材研究組)編寫的、Shokokusha Publishing Co.，Ltd.出版的Environmentalengineering Text(Kankyo Kougaku Kyokasho)SecondEdition中有描述。
圖3是示出用在熱負(fù)荷計(jì)算中的典型參數(shù)的表。
從氣象信息中獲取的參數(shù)包括外部溫度Tex[℃]、屋頂表面太陽(yáng)輻照度Ir[W/m^2]、墻表面太陽(yáng)輻照度Iw[W/m^2]、以及風(fēng)速v[m/s]。通過基于建筑物的位置確定當(dāng)?shù)貧庀笳荆睦鐨庀缶值臄?shù)據(jù)庫(kù)獲取當(dāng)?shù)貧庀笳镜臍庀笮畔?，來獲得外部溫度Tex[℃]。通信設(shè)備116通過例如因特網(wǎng)訪問氣象局或氣象信息服務(wù)公司來獲取氣象信息。
根據(jù)平均大氣透射率(transmittance)以及從當(dāng)?shù)貧庀笳镜臍庀笮畔⒅蝎@得的光照持續(xù)時(shí)間，來計(jì)算屋頂表面太陽(yáng)輻照度Ir[W/m^2]和墻表面太陽(yáng)輻照度Iw[W/m^2]，所述當(dāng)?shù)貧庀笳臼腔诮ㄖ锏奈恢煤彤?dāng)?shù)貧庀笳镜木暥群徒?jīng)度而確定的。
當(dāng)太陽(yáng)常數(shù)1.37[kW/m^2]為J0、太陽(yáng)高度[度]為h、并且大氣透射率為P時(shí)，法線方向太陽(yáng)輻射量JD可根據(jù)Buga公式由下式(1)得到JD＝0.5×J0×P^cosec(h) ... ...(1)并且，水平傳播的太陽(yáng)輻射量JS可通過下式(2)得到JS＝0.5×J0×sin(h)·(1-P^cosec(h))/(1-1.4×ln(p)) ...(2)水平方向太陽(yáng)輻射量IH是直接到達(dá)建筑物房頂或屋頂?shù)奶?yáng)輻射量，其可通過下式(3)得到IH＝JD×sin(h) ...(3)垂直方向太陽(yáng)輻射量IV是直接到達(dá)建筑物墻表面的太陽(yáng)輻射量，其可通過下式(4)得到IV＝JD×cos(h)×cos(α-AV) ...(4)在式(4)中，Av表示墻表面的方位角[度]。
水平實(shí)際太陽(yáng)輻照度根據(jù)水平方向太陽(yáng)輻射量和光照持續(xù)時(shí)間計(jì)算；垂直實(shí)際太陽(yáng)輻照度根據(jù)垂直方向太陽(yáng)輻射量和光照持續(xù)時(shí)間計(jì)算。光照持續(xù)時(shí)間可以從當(dāng)?shù)貧庀笳镜臍庀笮畔⒅蝎@得。
水平實(shí)際太陽(yáng)輻照度對(duì)應(yīng)于屋頂表面太陽(yáng)輻照度Ir[W/m^2]，垂直實(shí)際太陽(yáng)輻照度對(duì)應(yīng)于墻表面太陽(yáng)輻照度Iw[W/m^2]。
風(fēng)速v[m/s]可以從當(dāng)?shù)貧庀笳镜臍庀笮畔⒅蝎@得。
從建筑物的結(jié)構(gòu)條件中獲得的參數(shù)包括屋頂表面太陽(yáng)吸收率ar[％]，屋頂表面面積Sr[m^2]，屋頂傳熱阻(heat transferresistance)rrex[m^2k/W]，屋頂結(jié)構(gòu)熱阻Rrc[m^2k/W]，天花板傳熱阻rrin[m^2k/W]，墻表面太陽(yáng)吸收率aw[％]，外墻傳熱阻rwex[m^2k/W]，墻結(jié)構(gòu)熱阻Rwc[m^2k/W]，以及內(nèi)墻傳熱阻rwin[m^2k/W]。
例如，根據(jù)JIS R 3106或JIS A 5759確定屋頂表面太陽(yáng)吸收率ar[％]。屋頂表面面積Sr[m^2]根據(jù)建筑物的尺寸獲得。
屋頂傳熱阻rrex[m^2k/W]根據(jù)風(fēng)速v[m/s]計(jì)算。
屋頂結(jié)構(gòu)熱阻Rrc[m^2k/W]基于建筑物的屋頂結(jié)構(gòu)以及每個(gè)屋頂構(gòu)件的導(dǎo)熱率和厚度計(jì)算。
對(duì)于天花板傳熱阻rrin[m^2k/W]，使用空調(diào)工程中的常規(guī)值。
與屋頂表面太陽(yáng)吸收率ar[％]的情況相同，墻表面太陽(yáng)吸收率aw[％]可以根據(jù)例如JIS R 3106或JIS A 5759確定。
對(duì)于外墻傳熱阻rwex[m^2k/W]，使用空調(diào)工程中的常規(guī)值。
墻結(jié)構(gòu)熱阻Rwc[m^2k/W]基于建筑物的墻結(jié)構(gòu)和每個(gè)墻構(gòu)件的導(dǎo)熱率和厚度計(jì)算。
對(duì)于內(nèi)墻傳熱阻rwin[m^2k/W]，使用空調(diào)工程中的常規(guī)值。
從建筑物內(nèi)部條件中獲得的參數(shù)包括內(nèi)部溫度Tin[℃]，內(nèi)部空氣體積Vair[m^3]，內(nèi)部空氣容積熱容量cair[Wh/m^3k]，通風(fēng)換氣次數(shù)N[次數(shù)/h]，以及內(nèi)部熱源H[W]。
內(nèi)部溫度Tin[℃]為固定值，其為空調(diào)溫度(目標(biāo)溫度)。
內(nèi)部空氣體積Vair[m^3]根據(jù)建筑物的容積計(jì)算。
對(duì)于內(nèi)部空氣容積熱容量cair[Wh/m^3k]，使用空氣的物理屬性值。
通風(fēng)換氣次數(shù)N[次數(shù)/h]是基于建筑物的內(nèi)部的使用狀態(tài)而估計(jì)的值。
內(nèi)部熱源H[W]是基于建筑物中使用的設(shè)備的能量消耗和建筑物中的人數(shù)而估計(jì)的值。
上述參數(shù)可以通過使用者輸入或存儲(chǔ)于存儲(chǔ)設(shè)備113中。
在步驟S1-12中，處理單元112將上述參數(shù)應(yīng)用到表示熱回路的方程中，通過穩(wěn)態(tài)計(jì)算解方程，從而獲得建筑物的熱負(fù)荷。在步驟S1-13中，處理單元112顯示算出的熱負(fù)荷。
熱負(fù)荷計(jì)算圖4是用于描述計(jì)算建筑物的熱負(fù)荷的方法的圖，該建筑物在下面的說明中作為對(duì)象的例子。
典型建筑物具有屋頂，其包括屋頂基部211、涂層212和天花板結(jié)構(gòu)隔熱物213；以及墻，每個(gè)墻包括墻基部221、涂層222和墻結(jié)構(gòu)隔熱物223。
在上述建筑物的屋頂?shù)臒峄芈分校蓓攤鳠嶙鑢rex、屋頂結(jié)構(gòu)熱阻Rrc以及天花板傳熱阻rrin在外部溫度Tex和內(nèi)部溫度Tin之間串聯(lián)連接。將屋頂表面太陽(yáng)輻照度Ir與屋頂表面太陽(yáng)吸收率ar相乘而得到的熱流(ar×Ir)流入屋頂傳熱阻rrex和屋頂結(jié)構(gòu)熱阻Rrc之間的連接點(diǎn)。通過屋頂流入建筑物的熱流能通過使用基爾霍夫定律(Kirchhoff′s law)從表示上述熱回路的方程的穩(wěn)態(tài)解中得到。
外部溫度Tex和內(nèi)部溫度Tin之間的溫差由(Tex-Tin)表示。當(dāng)ir表示通過屋頂流入建筑物的熱流時(shí)，流出建筑物的熱流表示如下{(ar×Ir)-ir} ...(8)因此，(Tex-Tin)＝ir×(Rrc+rin)-{(ar×Ir)-ir}rrex＝ir×(Rrc+rin+rrex)-(ar×Ir×rrex)...(9)因此，
(Tex-Tin)+(ar×Ir×rrex)＝ir×(Rrc+rin+rrex) ...(10)于是，通過下式可以得到流入建筑物中的熱流ir＝{(ar×Ir×rrex)+(Tex-Tin)}/(Rrc+rin+rrex) ...(11)使用熱流ir，通過下式可以獲得屋頂表面溫度TrsTrs＝Tin+ir×(Rrc+rin) ...(12)使用熱流ir，通過下式可以獲得天花板溫度TrcTrc＝Tin+ir×rrin...(13)在上述建筑物的每個(gè)墻的熱回路中，外墻傳熱阻rwex、墻結(jié)構(gòu)熱阻Rwc、以及內(nèi)墻傳熱阻rwin在外部溫度Tex和內(nèi)部溫度Tin之間串聯(lián)連接。將墻表面太陽(yáng)輻照度Iw與墻表面太陽(yáng)吸收率aw相乘而得到的熱流(aw×Iw)流入外墻傳熱阻rwex和墻結(jié)構(gòu)熱阻Rwc之間的連接點(diǎn)。與熱流ir的情況相同，通過每個(gè)墻流入建筑物的熱流iw能通過使用基爾霍夫定律從表示上述熱回路的方程的穩(wěn)態(tài)解中得到。
熱流ir和iw中的每一個(gè)是每單位面積上的熱流。因此，能分別計(jì)算通過屋頂和北墻、南墻、東墻和西墻的熱流。當(dāng)ir是屋頂每單位面積的熱流，iwE是東墻每單位面積的熱流，iwW是西墻每單位面積的熱流，iwS是南墻每單位面積的熱流，iwN是北墻每單位面積的熱流，Sr是屋頂表面面積，SwE是東墻表面面積，SwW是西墻表面面積，SwS是南墻表面面積，SwN是北墻表面面積時(shí)，通過整個(gè)屋頂?shù)臒崃魍ㄟ^下式得到ir×Sr...(14)通過東墻的熱流通過下式得到iwE×SwE...(15)通過西墻的熱流通過下式得到iwW×SwW...(16)通過南墻的熱流通過下式得到iwS×SwS...(17)
通過北墻的熱流通過下式得到iwN×SwN...(18)由于通風(fēng)所引起的熱流Qair通常使用上述參數(shù)通過下式獲得Qair＝cair·Vair·(Tex-Tin)·N ...(19)來自內(nèi)部熱源的熱用H表示。
流入建筑物的熱量I通過將式(14)到(18)的結(jié)果、熱流Qair和來自內(nèi)部熱源的熱H相加而獲得。公式表示如下I＝(ir×Sr)+(iwE×SwE)+(iwW×SwW)+(iwS×SwS)+(iwN×SwN)+Qair+H ...(20)由以上方程(20)得到流入建筑物的熱量I?？梢酝ㄟ^穩(wěn)態(tài)計(jì)算容易地得到表示熱回路的方程的以上參數(shù)和解。
下面說明當(dāng)熱流為0時(shí)如何得到內(nèi)部溫度Tin。
從方程(11)，得到內(nèi)部溫度Tin如下Tin＝Tex+(ar×Ir×rrex)-ir·(Rrc+rin+rrex)當(dāng)考慮內(nèi)部熱源H和由通風(fēng)引起的熱流時(shí)，由以下方程(21)得到時(shí)間點(diǎn)j的內(nèi)部溫度Tin(j)Tin(j)＝Tex(j)+[H(j)+∑{Si·ai·Ii(j)·riex/(rex+Ric+riin)}]/[cair·Vair·N(j)+∑{Si/riex+Ric+riin}] ...(21)在方程(21)中，∑表示對(duì)屋頂以及北、南、東和西墻中的每一個(gè)在對(duì)應(yīng)的括號(hào)進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果的和。
在方程(21)中，沒有考慮建筑物的熱容量。為了提高測(cè)量精度，優(yōu)選考慮建筑物的熱容量。
當(dāng)屋頂結(jié)構(gòu)熱容量為Cr，墻結(jié)構(gòu)熱容量為Cw，內(nèi)部空氣熱容量為Cair，以及內(nèi)部家具熱容量為Cf時(shí)，一般由以下方程(22)得到建筑物熱容量CtCt＝{(Cr+Cw)/2}+Cair+Cf...(22)當(dāng)時(shí)間點(diǎn)j處的內(nèi)部溫度為Tin(j)、外部溫度為Tex(j)、以及屋頂表面太陽(yáng)輻照度為Ir(j)時(shí)，從方程(11)得到通過屋頂流入建筑物內(nèi)部的熱流ir(j)如下ir(j)＝{(ar×Ir(j)×rrex)+(Tex(j)-Tin(j))}/(Rrc+rin+rrex) ...(23)當(dāng)以下方程(24)用于簡(jiǎn)化時(shí)rrex+Rrc+rrin＝1/kr...(24)方程(23)表達(dá)如下ir(j)＝kr×{(ar×Ir(j)×rrex)+(Tex(j)-Tin(j))} ...(25)可以用相同的方式分別得到在時(shí)間點(diǎn)j處通過北、南、東和西墻的熱流iwN(j)、iwS(j)、iwE(j)和iwW(j)。
當(dāng)通風(fēng)換氣次數(shù)為N時(shí)，由以下方程(26)得到在時(shí)間點(diǎn)j處由通風(fēng)引起的熱流Qair(j)Qair(j)＝Cair(Tex(j)-Tin(j))·N(j)...(26)從方程(20)，由以下方程(27)得到在時(shí)間點(diǎn)j處流入建筑物的熱量I(j)I(j)＝(ir(j)×Sr)+(iwE(j)×SwE)+(iwW(j)×SwW)+(iwS(j)×SwS)+(iwN(j)×SwN)+Qair(j)+H(j)...(27)當(dāng)以下方程用于簡(jiǎn)化時(shí)(ir(j)×Sr)+(iwE(j)×SwE)+(iwW(j)×SwW)+(iwS(j)×SwS)+(iwN(j)×SwN)＝∑(ii(j)×Si)方程(27)表達(dá)如下I(j)＝∑(ii(j)×Si)+Qair(j)+H(j)...(28)從方程(25)和(26)，方程(28)表達(dá)如下I(j)＝∑[ki×Si×{(ai×Ii(j)×riex)+(Tex(j)-Tin(j))}]+{Cair(Tex(j)-Tin(j))·N(j)}+H(j)...(29)外部溫度Tex和每個(gè)表面上的太陽(yáng)輻照度Ii在時(shí)間點(diǎn)j和時(shí)間點(diǎn)j+1之間根據(jù)氣象條件連續(xù)變化。然而，在接近時(shí)間點(diǎn)j的時(shí)間點(diǎn)(j+1)處的外部溫度Tex和熱流I基本與時(shí)間點(diǎn)j處相同。
因此，當(dāng)Tex(j)＝Tex(j+1)Ii(j)＝Ii(j+1)時(shí)，并且當(dāng)建筑物熱容量為Ct時(shí)，在時(shí)間點(diǎn)j和時(shí)間點(diǎn)j+Δt(0＜Δt＜1)之間的內(nèi)部溫度的增量ΔTin(j)表達(dá)如下Ct·ΔTin(j)＝[∑[ki×Si×{(ai×Ii(j)×riex)+(Tex(j)-Tin(j))}]+{Cair(Tex(j)-Tin(j))·N(j)}+H(j)]·Δt...(30)當(dāng)(Tex(j)-Tin(j))＝x時(shí)，以微分方程的形式表達(dá)方程(30)如下{∑ki×Si×ai×Ii(j)×riex+H(j)}-{∑ki×Si+Cair×N(j)}×x＝Ct·(dx/dt)...(31)當(dāng)以下方程(32)和(33)用于簡(jiǎn)化時(shí)∑ki×Si×ai×Ii(j)×riex+H(j)＝H(j)′ ...(32)∑ki×Si+Cair×N(j)＝KS(j)...(33)方程(31)表達(dá)如下H(j)′+KS(j)×x＝Ct·(dx/dt) ...(34)方程(34)可以變形為以下方程(34-1)dx/{H(j)′+KS(j)×x}＝1/Ct·dt ...(34-1)方程(34-1)兩邊同乘以KS(j)得到以下方程(34-2)dx/{H(j)′/KS(j)+x}＝KS(j)/Ct·dt...(34-2)方程(34-2)可以進(jìn)一步變形為以下方程(34-3)dx/{-H(j)′/KS(j)-x}＝-(KS(j)/Ct)·dt...(34-3)當(dāng)通過使用以下積分公式(34-4)對(duì)方程(34-3)的兩邊積分時(shí)∫{dx/(a-x)}＝-{ln(a-x)+lnC} (C為積分常數(shù))...(34-4)并且當(dāng)Δt＝0且積分常數(shù)C使得Tin(j)＝Tin(j+Δt)時(shí)，得到以下方程(35)Tin(j+Δt)＝Tex(j)+H(j)′/KS(j)-(Tex(j)+H(j)′/KS(j)-Tin(j))exp(-KS(j)/Ct·Δt)...(35)當(dāng)Δt＝1時(shí)，方程(35)表達(dá)如下
Tin(j+1)＝Tex(j)+H(j)′/KS(j)-(Tex(j)+H(j)′/KS(j)-Tin(j))exp(-KS(j)/Ct) ...(36)可以通過在方程(36)中為內(nèi)部溫度Tin賦予適當(dāng)?shù)某跏贾祦砟M內(nèi)部溫度的變化。時(shí)間點(diǎn)j和時(shí)間點(diǎn)j+1之間的時(shí)間間隔優(yōu)選在約10分鐘和約一小時(shí)之間。
當(dāng)不考慮建筑物熱容量Ct時(shí)，以下方程(37)可以用于模擬內(nèi)部溫度TinTin(j)＝Tex(j)+H(j)′/KS(j)...(37)通過使用方程(24)、(32)和(33)重寫方程(21)，得到方程(37)。
可以通過使用從方程(12)得到的以下方程(38)來模擬屋頂表面溫度Trs的變化Trs(j)＝Tin(j)+ir(j)×(Rrc+rrin)...(38)可以通過使用從方程(13)得到的以下方程(39)來模擬天花板溫度Trc的變化Trc(j)＝Tin(j)+ir(j)×rrin...(39)熱負(fù)荷計(jì)算處理下面說明熱負(fù)荷計(jì)算的典型處理。
圖5是示出熱負(fù)荷計(jì)算的典型處理的流程圖。
在步驟S2-1中，處理單元112通過結(jié)合所得到的熱阻值來計(jì)算系數(shù)(1/ki)。通過將所得到的熱阻值riex、Ric和rrin應(yīng)用到方程(24)來得到系數(shù)(1/ki)。i代表表示屋頂?shù)膔、表示東墻的wE、表示西墻的wW、表示南墻的wS和表示北墻的wN。
在步驟S2-2中，處理單元112通過結(jié)合所得到的熱容量值來計(jì)算建筑物熱容量Ct。通過在方程(22)中對(duì)Cr、Cw和Cf賦予所得到的熱容量值來計(jì)算建筑物熱容量Ct。
在步驟S2-3中，處理單元112通過使用方程(32)和(33)結(jié)合參數(shù)，該參數(shù)包括通過結(jié)合熱阻得到的系數(shù)(1/ki)和得到的建筑物熱容量Ct。
在步驟S2-4中，處理單元112將時(shí)間點(diǎn)j復(fù)位為0。
在步驟S2-5中，處理單元112得到在時(shí)間點(diǎn)j處的參數(shù)。在步驟S2-6中，處理單元112在方程(36)中應(yīng)用得到的參數(shù)，從而計(jì)算在時(shí)間點(diǎn)j+1處的內(nèi)部溫度Tin(j+1)。
在步驟S2-7中，處理單元112判斷是否完成了全部計(jì)算。如果沒有完成，則處理單元112在步驟S2-8中遞增j的值，重復(fù)從步驟S2-5開始的步驟。當(dāng)完成了全部計(jì)算時(shí)，處理單元112顯示結(jié)果。
模擬結(jié)果下面說明使用上述熱量預(yù)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行的模擬的例子。
圖6是示出在典型模擬中使用的建筑物的結(jié)構(gòu)條件的表。圖7是示出在典型模擬中使用的建筑物的內(nèi)部條件的表。圖8是示出在典型模擬中使用的建筑物所在的地點(diǎn)的典型氣象條件的表。圖9是示出在典型模擬中的計(jì)算處理的圖。圖10是示出典型內(nèi)部溫度模擬的結(jié)果的曲線圖。
在該典型模擬中，使用日本Fukushima縣Koriyama市的倉(cāng)庫(kù)。將在6月13日24:00測(cè)量的內(nèi)部溫度18.5℃作為初始值。
通過在圖9中的(A)所示的方程中應(yīng)用圖6所示的結(jié)構(gòu)條件，得到作為熱阻的和的參數(shù)(1/ki)。
通過在圖9中的(B)所示的方程中應(yīng)用圖7所示的內(nèi)部條件，得到建筑物熱容量Ct。
通過在圖9中的(C)所示的方程(32)和(33)中應(yīng)用在時(shí)間點(diǎn)j＝0時(shí)的參數(shù)，得到參數(shù)H(j＝0)′和KS(j＝0)。
通過在圖9中的(D)所示的方程(36)中應(yīng)用初始內(nèi)部溫度Tin(j＝0)＝18.5℃與在圖9中的(C)得到的參數(shù)H(j＝0)′和KS(j＝0)，得到與時(shí)間點(diǎn)j＝0相距1小時(shí)(Δt)的時(shí)間點(diǎn)的內(nèi)部溫度Tin(j＝1)。如上所示，可以通過使用在時(shí)間點(diǎn)j＝0(6月13日24:00)的參數(shù)來預(yù)測(cè)在時(shí)間點(diǎn)j＝1(6月14日1:00)的內(nèi)部溫度Tin(j＝1)。
以類似方式，可以通過在圖9中的(E)所示的方程(方程(36)的等價(jià)方程)中應(yīng)用在時(shí)間點(diǎn)j＝1處的參數(shù)，得到在時(shí)間點(diǎn)j＝j(luò)+1＝2處的內(nèi)部溫度Tin(j＝2)。此外，可以類似地預(yù)測(cè)在隨后的時(shí)間點(diǎn)j的內(nèi)部溫度Tin(j)。
在圖10中，標(biāo)記○表示以上典型內(nèi)部溫度模擬的每小時(shí)預(yù)測(cè)結(jié)果。
根據(jù)本實(shí)施例的典型內(nèi)部溫度模擬的結(jié)果示出與在圖10中由標(biāo)記●表示的實(shí)際測(cè)量結(jié)果近似相同的溫度變化。這個(gè)結(jié)果顯示，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的熱量預(yù)測(cè)方法能夠進(jìn)行準(zhǔn)確的內(nèi)部溫度模擬。在相同的曲線圖中，標(biāo)記△示出不考慮建筑物熱容量進(jìn)行的內(nèi)部溫度模擬的結(jié)果，其與實(shí)際測(cè)量結(jié)果顯著不同，因此不準(zhǔn)確。從以上結(jié)果明顯可以看出，為了進(jìn)行準(zhǔn)確的模擬，應(yīng)當(dāng)考慮例如氣象條件和建筑物的熱容量的參數(shù)。曲線圖中的線示出外部溫度Tex的變化。
溫度Tin的變化的預(yù)測(cè)使得能夠評(píng)價(jià)涂層212和222。
效果在使用熱回路進(jìn)行計(jì)算的根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的熱量預(yù)測(cè)方法中，分別計(jì)算通過屋頂和北、南、東和西墻的熱流，由通風(fēng)引起的熱流，以及來自內(nèi)部熱源的熱流；將這些算出的熱流求和以得到對(duì)象的總的熱負(fù)荷。使用該熱量預(yù)測(cè)方法，可以通過穩(wěn)態(tài)計(jì)算很容易地計(jì)算熱流。
其他在以上實(shí)施例中模擬了內(nèi)部溫度Tin。然而，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的熱量預(yù)測(cè)方法，可以應(yīng)用于模擬例如可以使用熱回路來計(jì)算溫度的天花板溫度和墻表面溫度。此外，還可以從熱流模擬的結(jié)果計(jì)算空調(diào)設(shè)備的功耗。
在以上實(shí)施例中，計(jì)算了建筑物的熱負(fù)荷。然而，本發(fā)明還可以應(yīng)用于計(jì)算例如公路的任何其他構(gòu)造物的熱負(fù)荷。
圖11是示出計(jì)算公路的熱負(fù)荷的典型方法的圖。
圖11所示的典型公路具有分層結(jié)構(gòu)，其中路基(road bed)312布置在土壤311上，路面承重層(road base)313布置在路基312上，基面(base pavement)314和表面315布置在路面承重層313上，在表面315上形成涂層316。
在圖11所示的公路的典型熱回路中，作為土壤311的熱阻的土壤熱阻Rr1、路基結(jié)構(gòu)熱阻Rr2、作為路面承重層313的熱阻的路面承重層熱阻Rr3、基面結(jié)構(gòu)熱阻Rr4和表面?zhèn)鳠嶙鑢rex在外部溫度Tex和地下溫度Tin之間串聯(lián)連接。使用以上熱回路，可以以與建筑物相同的方式來預(yù)測(cè)通過公路的層的熱流。對(duì)通過公路的層的熱流的預(yù)測(cè)使得能夠評(píng)價(jià)涂層316。
如上所述，本發(fā)明實(shí)施例不僅能夠預(yù)測(cè)建筑物中的溫度變化、熱流等，還能夠預(yù)測(cè)例如公路的任何其他對(duì)象的溫度變化和熱流等。
本發(fā)明不限于所公開的具體實(shí)施例，在不脫離本發(fā)明的范圍內(nèi)，可以做出變化和變形。
本申請(qǐng)基于2005年7月7日提交的日本在先申請(qǐng)第2005-198760號(hào)，其全部?jī)?nèi)容在此引入作為參考。
權(quán)利要求
1.一種預(yù)測(cè)流入對(duì)象的熱量的方法，包括下述步驟設(shè)計(jì)表示流入所述對(duì)象的熱流的熱回路以及表示所述熱回路的方程；獲取所述方程的參數(shù)；將所述參數(shù)應(yīng)用到所述方程；以及求解所述方程以預(yù)測(cè)流入所述對(duì)象的熱量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的預(yù)測(cè)流入對(duì)象的熱量的方法，其特征在于，當(dāng)流入所述對(duì)象的熱流為i、太陽(yáng)吸收率為a、太陽(yáng)輻照度為I、外部溫度為Tex、內(nèi)部溫度為Tin、所述對(duì)象的外部與內(nèi)部之間的結(jié)構(gòu)的熱阻為Rc、內(nèi)部結(jié)構(gòu)的傳熱阻為rin、以及外部結(jié)構(gòu)的傳熱阻為rex時(shí)，表示所述熱回路的方程表示如下i＝{(a×I×rex)+(Tex-Tin)}/(Rc+rin+rex)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的預(yù)測(cè)流入對(duì)象的熱量的方法，其特征在于，所述熱量的變化通過下述步驟來預(yù)測(cè)(a)獲得兩組或更多組參數(shù)，每組參數(shù)對(duì)應(yīng)于一個(gè)時(shí)間點(diǎn)；(b)將其中一組參數(shù)應(yīng)用到所述方程；(c)求解所述方程，從而獲得在相應(yīng)時(shí)間點(diǎn)流入所述對(duì)象的所述熱流；(d)基于在步驟(c)中獲得的所述熱流，獲得在隨后的時(shí)間點(diǎn)的所述熱量；以及(e)重復(fù)步驟(b)到(d)，重復(fù)的次數(shù)與所述參數(shù)的組數(shù)相同。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的預(yù)測(cè)流入對(duì)象的熱量的方法，其特征在于，當(dāng)時(shí)間點(diǎn)j處的內(nèi)部溫度為Tin(j)、時(shí)間點(diǎn)j+1處的內(nèi)部溫度為Tin(j+1)、時(shí)間點(diǎn)j處的外部溫度為Tex(j)、通過組合與時(shí)間點(diǎn)j處所述對(duì)象的結(jié)構(gòu)條件和內(nèi)部條件有關(guān)的參數(shù)而獲得的參數(shù)為H(j)′和KS(j)、以及所述對(duì)象的熱容量為Ct時(shí)，時(shí)間點(diǎn)j+1處的內(nèi)部溫度Tin(j+1)如下計(jì)算Tin(j+1)＝Tex(j)+H(j)′/KS(j)-(Tex(j)+H(j)′/KS(j)-Tin(j))exp(-KS(j)/Ct)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的預(yù)測(cè)流入對(duì)象的熱量的方法，其特征在于，所述時(shí)間點(diǎn)j和所述時(shí)間點(diǎn)j+1之間的時(shí)間間隔在約十分鐘至約一小時(shí)的范圍內(nèi)。
6.一種預(yù)測(cè)流入對(duì)象的熱量的系統(tǒng)，在其中使用表示流入所述對(duì)象的熱流的熱回路以及表示所述熱回路的方程，該系統(tǒng)包括獲取單元，用于獲取所述方程的參數(shù)；以及處理單元，用于將所述參數(shù)應(yīng)用到所述方程，并求解所述方程以預(yù)測(cè)流入所述對(duì)象的熱量。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的預(yù)測(cè)流入對(duì)象的熱量的系統(tǒng)，其特征在于，當(dāng)流入所述對(duì)象的熱流為i、太陽(yáng)吸收率為a、太陽(yáng)輻照度為I、外部溫度為Tex、內(nèi)部溫度為Tin、所述對(duì)象的外部與內(nèi)部之間的結(jié)構(gòu)的熱阻為Rc、內(nèi)部結(jié)構(gòu)的傳熱阻為rin、以及外部結(jié)構(gòu)的傳熱阻為rex時(shí)，表示所述熱回路的方程表示如下i＝{(a×I×rex)+(Tex-Tin)}/(Rc+rin+rex)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的預(yù)測(cè)流入對(duì)象的熱量的系統(tǒng)，其特征在于，所述熱量的變化通過下述步驟來預(yù)測(cè)(a)獲得兩組或更多組參數(shù)，每組參數(shù)對(duì)應(yīng)于一個(gè)時(shí)間點(diǎn)；(b)將其中一組參數(shù)應(yīng)用到所述方程；(c)求解所述方程，從而獲得在相應(yīng)時(shí)間點(diǎn)流入所述對(duì)象的所述熱流；(d)基于在步驟(c)中獲得的所述熱流，獲得在隨后的時(shí)間點(diǎn)的所述熱量；以及(e)重復(fù)步驟(b)到(d)，重復(fù)的次數(shù)與所述參數(shù)的組數(shù)相同。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的預(yù)測(cè)流入對(duì)象的熱量的系統(tǒng)，其特征在于，當(dāng)時(shí)間點(diǎn)j處的內(nèi)部溫度為Tin(j)、時(shí)間點(diǎn)j+1處的內(nèi)部溫度為Tin(j+1)、時(shí)間點(diǎn)j處的外部溫度為Tex(j)、通過組合與時(shí)間點(diǎn)j處所述對(duì)象的結(jié)構(gòu)條件和內(nèi)部條件有關(guān)的參數(shù)而獲得的參數(shù)為H(j)′和KS(j)、以及所述對(duì)象的熱容量為Ct時(shí)，時(shí)間點(diǎn)j+1處的內(nèi)部溫度Tin(j+1)如下計(jì)算Tin(j+1)＝Tex(j)+H(j)′/KS(j)-(Tex(j)+H(j)′/KS(j)-Tin(j))exp(-KS(j)/Ct)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的預(yù)測(cè)流入對(duì)象的熱量的系統(tǒng)，其特征在于，所述時(shí)間點(diǎn)j和所述時(shí)間點(diǎn)j+1之間的時(shí)間間隔在約十分鐘至約一小時(shí)的范圍內(nèi)。
11.一種記錄介質(zhì)，其內(nèi)包含有用于使計(jì)算機(jī)預(yù)測(cè)流入對(duì)象的熱量的程序，所述程序包括第一代碼單元，其設(shè)計(jì)表示流入所述對(duì)象的熱流的熱回路以及表示所述熱回路的方程；第二代碼單元，其獲取所述方程的參數(shù)；第三代碼單元，其將所述參數(shù)應(yīng)用到所述方程；以及第四代碼單元，其求解所述方程以預(yù)測(cè)流入所述對(duì)象的熱量。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的記錄介質(zhì)，其特征在于，當(dāng)流入所述對(duì)象的熱流為i、太陽(yáng)吸收率為a、太陽(yáng)輻照度為I、外部溫度為Tex、內(nèi)部溫度為Tin、所述對(duì)象的外部與內(nèi)部之間的結(jié)構(gòu)的熱阻為Rc、內(nèi)部結(jié)構(gòu)的傳熱阻為rin、以及外部結(jié)構(gòu)的傳熱阻為rex時(shí)，表示所述熱回路的方程表示如下i＝{(a×I×rex)+(Tex-Tin)}/(Rc+rin+rex)。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的記錄介質(zhì)，其特征在于，所述熱量的變化通過下述步驟來預(yù)測(cè)(a)獲得兩組或更多組參數(shù)，每組參數(shù)對(duì)應(yīng)于一個(gè)時(shí)間點(diǎn)；(b)將其中一組參數(shù)應(yīng)用到所述方程；(c)求解所述方程，從而獲得在相應(yīng)時(shí)間點(diǎn)流入所述對(duì)象的所述熱流；(d)基于在步驟(c)中獲得的所述熱流，獲得在隨后的時(shí)間點(diǎn)的所述熱量；以及(e)重復(fù)步驟(b)到(d)，重復(fù)的次數(shù)與所述參數(shù)的組數(shù)相同。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的記錄介質(zhì)，其特征在于，當(dāng)時(shí)間點(diǎn)j處的內(nèi)部溫度為Tin(j)、時(shí)間點(diǎn)j+1處的內(nèi)部溫度為Tin(j+1)、時(shí)間點(diǎn)j處的外部溫度為Tex(j)、通過組合與時(shí)間點(diǎn)j處所述對(duì)象的結(jié)構(gòu)條件和內(nèi)部條件有關(guān)的參數(shù)而獲得的參數(shù)為H(j)′和KS(j)、以及所述對(duì)象的熱容量為Ct時(shí)，時(shí)間點(diǎn)j+1處的內(nèi)部溫度Tin(j+1)如下計(jì)算Tin(j+1)＝Tex(j)+H(j)′/KS(j)-(Tex(j)+H(j)′/KS(j)-Tin(j))exp(-KS(j)/Ct)。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的記錄介質(zhì)，其特征在于，所述時(shí)間點(diǎn)j和所述時(shí)間點(diǎn)j+1之間的時(shí)間間隔在約十分鐘至約一小時(shí)的范圍內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種熱量預(yù)測(cè)方法和系統(tǒng)以及具有熱量預(yù)測(cè)程序的記錄介質(zhì)，該方法包括下述步驟設(shè)計(jì)表示流入對(duì)象的熱流的熱回路以及表示熱回路的方程；獲取方程的參數(shù)；將參數(shù)應(yīng)用到方程；以及求解方程以預(yù)測(cè)流入對(duì)象的熱量。
文檔編號(hào)G01N21/27GK1892205SQ20061009025
公開日2007年1月10日 申請(qǐng)日期2006年7月7日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月7日
發(fā)明者金森博 申請(qǐng)人:日本油漆株式會(huì)社