室內(nèi)人體舒適度預(yù)報(bào)模型研究*

楊云潔， 張 濱， 李玉姣， 袁 波，黎 榮， 韓 琳， 王 鴿

1. 成都信息工程大學(xué)， 成都 610225； 2. 新晃侗族自治縣氣象局， 湖南 懷化 419200；3. 民航湖南空管分局， 長(zhǎng)沙 410141； 4. 崇禮縣氣象局， 河北 張家口 076350；5. 安順黃果樹(shù)機(jī)場(chǎng)， 貴州 安順 561000； 6. 德江縣氣象局， 貴州 銅仁 565200；7. 中國(guó)氣象局成都高原氣象研究所/高原與盆地暴雨旱澇災(zāi)害省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 成都 610072

隨著信息技術(shù)的迅猛發(fā)展， 人們?cè)谑覂?nèi)學(xué)習(xí)、 生活和工作的時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng)， 如何利用室內(nèi)人體舒適度的預(yù)報(bào)產(chǎn)品來(lái)改進(jìn)室內(nèi)環(huán)境， 進(jìn)而提高學(xué)習(xí)和工作效率已成為了一個(gè)重要論題．

在國(guó)外， 有關(guān)室內(nèi)人體舒適度的研究相對(duì)較早． 根據(jù)劉梅等[1]、 吳兌[2]的研究， 早在1947年， 國(guó)外就有研究人員根據(jù)人體在不同氣溫、 濕度和風(fēng)速條件下所產(chǎn)生的熱感覺(jué)指標(biāo)提出了實(shí)感氣溫． 1966年， Terjung[3]提出氣候舒適性指數(shù)這一概念． 1979年， 美國(guó)生物氣象學(xué)家Steadman[4-5]提出了體感溫度． 之后， Steadman[6]建立了室內(nèi)廣泛適用的體感溫度模型：Tape=-1.30+0.92Ta+0.22ea(-40

在國(guó)內(nèi)， 有關(guān)室內(nèi)人體舒適度的研究起步相對(duì)較晚． 1998年， 張清[9]提出了溫濕指數(shù)：IT=Td-0.55(1-R)×(Td-58)， 式中：IT為炎熱指數(shù)，Td為干球溫℉，R為相對(duì)濕度． 通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明該指數(shù)不僅適合成都地區(qū)的室外預(yù)報(bào)， 同樣適合成都地區(qū)室內(nèi)的預(yù)報(bào)． 徐大海等[10]認(rèn)為根據(jù)室內(nèi)人體體表溫度Tp的大小， 可以判斷室內(nèi)人體舒適度． 王昭俊[11]認(rèn)為可以將有效溫度作為冬季嚴(yán)寒地區(qū)室內(nèi)熱舒適指標(biāo)． 王宇等[12]考慮成都地區(qū)夏季氣候高溫高濕微風(fēng)的特點(diǎn)， 提出了補(bǔ)償溫度和評(píng)價(jià)溫度的概念． 楊柳[13]根據(jù)大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析， 建立了我國(guó)室外月平均溫度與中性溫度的相關(guān)模型． 胡毅等[14]針對(duì)四川盆地、 云南麗江等地的實(shí)際情況將北京人體舒適度指數(shù)范圍劃分進(jìn)行了修正． 李思陽(yáng)等[15]分析了綠化屋頂對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境及人體熱舒適性的影響． 雷婷等[16]基于溫濕指數(shù)， 對(duì)黔江區(qū)氣候舒適性進(jìn)行分析．

綜上所述， 我國(guó)在室內(nèi)人體舒適度預(yù)報(bào)模型的研究方面雖有一定的基礎(chǔ)， 但離人們對(duì)公共氣象服務(wù)精細(xì)化的需求還有一定的差距． 因此， 有必要對(duì)室內(nèi)人體舒適度的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性進(jìn)行深入研究， 其研究成果不僅具有公共服務(wù)價(jià)值， 而且具有社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值．

1 材料方法

1.1 研究區(qū)概況

成都市(102°54′-104°53′E， 30°05′-31°26′N)位于四川盆地西部的岷江中游地段， 東部為龍泉山脈， 西部為縱貫?zāi)媳钡凝堥T(mén)山脈． 成都屬于亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)， 熱量豐富， 雨量充沛， 日照較少． 全市年平均氣溫為15.6～16.9 ℃． 最高溫出現(xiàn)在7月， 月平均氣溫為25.0～26.3 ℃； 最低溫出現(xiàn)在1月， 月平均氣溫為5.0～6.0 ℃． 全市年平均降水量為759.1～1 155.0 mm． 年平均日照時(shí)數(shù)為825.7～1 202.9 h．

1.2 儀器設(shè)備

利用DHM2機(jī)械通風(fēng)干濕表測(cè)量室內(nèi)溫濕度， 測(cè)量濕度時(shí)能在-10～45 ℃的環(huán)境下正常工作； 相對(duì)濕度測(cè)量范圍為10%～100%； 溫度表的測(cè)量范圍為-26～51 ℃， 精度為0.2 ℃．

利用WQG-11干濕球表(置于觀測(cè)場(chǎng)百葉箱內(nèi))測(cè)量室外溫濕度， 干球表測(cè)量范圍-27～41 ℃， 濕球表測(cè)量范圍-36～46 ℃； 干濕表的精度均為0.2 ℃．

1.3 數(shù)據(jù)收集及樣地選取

利用通風(fēng)干濕表等儀器， 采集了成都信息工程大學(xué)室內(nèi)外的溫度、 濕度和風(fēng)速等氣象要素， 采樣時(shí)間為2013年5月-2014年5月， 共獲得數(shù)據(jù)近7 000多條． 分為8： 00， 14： 00， 20： 00， 夜間凌晨2： 00． 考慮到采樣人員的實(shí)際情況， 對(duì)國(guó)家氣象局的基本觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)采樣時(shí)間進(jìn)行了調(diào)整， 采樣時(shí)間分別為每日的8： 00， 13： 30和19： 00．

分別選取以下4種空間類型：

① 人流量少的小型室內(nèi)， 選取教師辦公室， 面積為13 m2， 人流量為2～3人， 可代表家庭、 辦公室等場(chǎng)所；

② 人流量多的小型室內(nèi)， 選取學(xué)生宿舍， 面積為20 m2， 人流量為4～6人， 可代表公共廁所， 學(xué)生、 工人宿舍， 賓館等場(chǎng)所；

③ 人流量多的大型室內(nèi)， 選取成都信息工程大學(xué)三樓的大型階梯型教室， 面積為200 m2， 人流量為150人以上， 可代表小型超市等場(chǎng)所；

④ 室外， 選取校內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)氣象觀測(cè)場(chǎng)， 在距離地面1.5 m的百葉箱內(nèi)置儀器采集數(shù)據(jù)．

各類型室內(nèi)的朝向均為北向， 避免太陽(yáng)直接輻射， 均處于自然通風(fēng)的狀態(tài)， 室內(nèi)通風(fēng)干濕表安裝在距離地面1.5 m處， 距離墻0.5 m以上．

1.4 人體舒適度計(jì)算公式

由于儀器設(shè)備等的局限性和預(yù)報(bào)公式服務(wù)應(yīng)用的廣泛性， 本研究暫時(shí)只從溫濕度考慮適合成都室內(nèi)人體舒適度預(yù)報(bào)的模型．

本研究利用溫濕指數(shù)I來(lái)計(jì)算：

I=Td-0.55(1-R)×(Td-58)

式中：Td為干球溫度(華氏度溫標(biāo)， 單位℉)；R為空氣相對(duì)濕度． 攝氏度與華氏度的換算關(guān)系為：Td(℉)=Td(℃)×9/5+32．

利用SPSS 19.0， 建立了室內(nèi)外人體舒適度預(yù)報(bào)模型， 并對(duì)模型的顯著性進(jìn)行檢驗(yàn)．

1.5 人體舒適度分級(jí)

胡毅等[14]針對(duì)四川盆地、 云南麗江等地的實(shí)際情況將北京人體舒適度指數(shù)范圍以及感覺(jué)程度的指數(shù)劃分進(jìn)行了修正(表1)．

表1 舒適指數(shù)分級(jí)表

2 結(jié)果與分析

2.1 不同類型室內(nèi)外人體舒適度相關(guān)性的日變化趨勢(shì)

本研究利用溫濕指數(shù)公式計(jì)算出室內(nèi)外人體舒適度的實(shí)際指標(biāo)值， 對(duì)計(jì)算出來(lái)的室內(nèi)外實(shí)際指標(biāo)值進(jìn)行分析和處理， 采用2013年5月18日-2014年4月30日的數(shù)據(jù)， 利用一元線性回歸方程建立預(yù)報(bào)模型．

2.1.1 室外與人流量少的小型室內(nèi)之間的人體舒適度相關(guān)關(guān)系

圖1給出了室外與人流量少的小型室內(nèi)人體舒適度的關(guān)系． 從圖1可以看出， 室外與人流量少的小型室內(nèi)人體舒適度的相關(guān)性很大， 相關(guān)系數(shù)R2值都達(dá)到了0.84以上， 且有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義． 因此， 室外人體舒適度X值對(duì)室內(nèi)人體舒適度Y值的貢獻(xiàn)很大， 在該問(wèn)題上選擇一元線性回歸方程是合適的； 人流量少的小型室內(nèi)在不同的時(shí)刻與室外人體舒適度的指標(biāo)值的相關(guān)性不同， 其中最大值出現(xiàn)在19： 00，R2=0.923， 最小值出現(xiàn)在13：30，R2=0.848． 8： 00室外與人流量少的小型室內(nèi)人體舒適度的相關(guān)系數(shù)R2值略小于19： 00的相關(guān)系數(shù)值， 但相差不大．

圖1 不同時(shí)刻室外與人流量少的小型室內(nèi)的人體舒適度相關(guān)關(guān)系

2.1.2 室外與人流量多的小型室內(nèi)之間的人體舒適度相關(guān)關(guān)系

圖2給出了室外與人流量多的小型室內(nèi)人體舒適度的關(guān)系． 從圖2可以看出， 室外與人流量多的小型室內(nèi)人體舒適度的相關(guān)性很大， 相比與人流量少的小型室內(nèi)人體舒適度其相關(guān)系數(shù)R2值略高， 達(dá)到了0.88以上． 同樣的， 室外人體舒適度X值對(duì)室內(nèi)人體舒適度Y的值貢獻(xiàn)很大， 在該問(wèn)題上選擇一元線性回歸方程是合適的； 人流量較多的小型室內(nèi)中， 相關(guān)系數(shù)最大值同時(shí)出現(xiàn)在19： 00和8： 00，R2=0.926， 最小值同樣出現(xiàn)在13：30，R2=0.888．

圖2 不同時(shí)刻室外與人流量多的小型室內(nèi)的人體舒適度相關(guān)關(guān)系

2.1.3 室外與人流量多的大型室內(nèi)之間的人體舒適度相關(guān)關(guān)系

圖3給出了室外與人流量多的大型室內(nèi)人體舒適度的關(guān)系． 從圖3可以看出： 室外與人流量多的大型室內(nèi)人體舒適度的相關(guān)性同樣很大， 相比與人流量多的小型室內(nèi)人體舒適度其相關(guān)系數(shù)R2值整體略低， 但是都達(dá)到了0.88以上， 且有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義． 同樣的， 室外人體舒適度X值對(duì)室內(nèi)人體舒適度Y的值貢獻(xiàn)很大， 在該問(wèn)題上選擇一元線性回歸方程是適合的； 人流量較多的大型室內(nèi)中， 相關(guān)系數(shù)最大值同樣出現(xiàn)在上午8：00，R2=0.915， 最小值同樣出現(xiàn)在中午13：30，R2=0.887．

圖3 不同時(shí)刻室外與人流量多的大型室內(nèi)的人體舒適度相關(guān)關(guān)系

2.1.4 室內(nèi)外人體舒適度相關(guān)關(guān)系綜合分析

不同類型室內(nèi)與室外人體舒適度的相關(guān)關(guān)系均具有顯著的日變化趨勢(shì)(表2)． 同一地點(diǎn)， 不同時(shí)刻， 室內(nèi)外人體舒適度的相關(guān)關(guān)系相差較大： 兩者相關(guān)系數(shù)R2在中午相對(duì)最小， 而早晚的相關(guān)系數(shù)較中午大， 但差異沒(méi)有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義． 同一時(shí)刻， 不同地點(diǎn)， 室內(nèi)外人體舒適度的相關(guān)系數(shù)差異相對(duì)較小， 其與人流量和室內(nèi)大小有關(guān)； 室內(nèi)與人流量多的小型室外的人體舒適度相關(guān)性在一天中的不同時(shí)刻均為最大值， 而與其他兩種類型的相關(guān)性相對(duì)較低．

表2 室內(nèi)外人體舒適度預(yù)報(bào)模型

2.2 預(yù)報(bào)模型的正確率比較

基準(zhǔn)正確率是指室內(nèi)外人體舒適度等級(jí)相同的天數(shù)除以觀測(cè)總天數(shù)； 利用表2公式計(jì)算室內(nèi)人體舒適度擬合值， 擬合值與實(shí)測(cè)值等級(jí)相同的天數(shù)除以觀測(cè)總天數(shù)即為預(yù)報(bào)正確率； 預(yù)報(bào)正確率減去基準(zhǔn)正確率得到正確率提高的百分率． 不同季節(jié)正確率及正確率提高的百分率見(jiàn)表3～表7．

2.2.1 預(yù)報(bào)模型在夏季的正確率

如表3所示， 夏季13： 30和19： 00的基準(zhǔn)正確率均達(dá)到了55%以上， 最高的正確率是80%， 因此該時(shí)段利用室外人體舒適度代替室內(nèi)人體舒適度是可行的． 利用預(yù)報(bào)模型預(yù)測(cè)室內(nèi)人體舒適度在不同類型的室內(nèi)的8： 00均得到了明顯的提高， 但是其他時(shí)間的正確率變化并不明顯． 因此， 在夏季， 預(yù)報(bào)模式僅在溫度較低的8： 00有訂正效應(yīng)．

表3 2013年夏季室內(nèi)人體舒適度預(yù)報(bào)正確率比較

2.2.2 預(yù)報(bào)模型在秋季的正確率

如表4所示， 秋季基準(zhǔn)正確率普遍降低， 特別是8： 00， 人流量多的室內(nèi)正確率均低于10%． 除了人流量少的室內(nèi)13： 30正確率達(dá)到60.3%以外， 其他時(shí)間的正確率都低于了50%， 因此該時(shí)段利用室外人體舒適度代替室內(nèi)人體舒適度的誤差較大． 然而， 預(yù)報(bào)模型正確率均達(dá)到了60%， 最高的正確率達(dá)到了82.1%， 其訂正效果非常的顯著． 預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率的提高幅度也非常明顯， 最多提高了74.6%． 因此， 該預(yù)報(bào)模型在秋季是十分適用的．

表4 2013年秋季室內(nèi)人體舒適度預(yù)報(bào)正確率比較

2.2.3 預(yù)報(bào)模型在冬季的正確率

如表5所示， 冬季基準(zhǔn)正確率與秋季類似， 普遍比較低， 除人流量少的小型室內(nèi)13： 30正確率達(dá)到54.5%以外， 其他時(shí)間的正確率都低于了30%． 然而， 利用預(yù)報(bào)模型預(yù)測(cè)室內(nèi)人體舒適度， 正確率得到了普遍的提高， 最高的正確率達(dá)到了72%， 最低的正確率也有30.2%． 提高幅度非常顯著， 最高提高了50%． 因此， 預(yù)報(bào)模型在冬季也十分適用．

表5 2013年冬季室內(nèi)人體舒適度預(yù)報(bào)正確率比較

2.2.4 預(yù)報(bào)模型在春季的正確率

如表6所示， 春季基準(zhǔn)正確率除8： 00較低外， 其他時(shí)間均較高， 達(dá)到了50%以上， 最高的正確率為67.3%． 預(yù)報(bào)正確率， 除了8： 00正確率有很大的提高外， 其他時(shí)間的正確率沒(méi)有明顯提高． 13： 30， 人流量多的小型室內(nèi)和人流量多的大型室內(nèi)出現(xiàn)了明顯的負(fù)值， 然而人流量少的小型室內(nèi)出現(xiàn)的負(fù)值并不明顯． 由此可見(jiàn)， 預(yù)報(bào)模式的適用性不僅與溫度的日變化有關(guān)， 還與室內(nèi)類型有關(guān)．

表6 2014年春季室內(nèi)人體舒適度預(yù)報(bào)正確率比較

2.2.5 預(yù)報(bào)模型在一年內(nèi)總體正確率

如表7所示， 就一年內(nèi)整體而言， 利用預(yù)報(bào)模型公式預(yù)測(cè)室內(nèi)人體舒適度的正確率要高于直接用室外人體舒適度來(lái)預(yù)測(cè)室內(nèi)人體舒適度的正確率， 因此采用預(yù)報(bào)模型公式來(lái)預(yù)測(cè)室內(nèi)人體舒適度在實(shí)際應(yīng)用中是可行的； 針對(duì)同一地點(diǎn)不同時(shí)刻， 利用預(yù)報(bào)模型公式預(yù)測(cè)室內(nèi)人體舒適度， 其正確率提高的百分率中， 8： 00提高的百分率最高， 其次是19： 00， 正確率的提高百分率最低的是13：30， 提高率都小于10%， 由此可見(jiàn)， 當(dāng)環(huán)境溫度較高時(shí)， 可以利用室外人體舒適度來(lái)預(yù)報(bào)室內(nèi)人體舒適度， 但是當(dāng)環(huán)境溫度較低時(shí)， 采用預(yù)報(bào)模式來(lái)預(yù)報(bào)室內(nèi)人體舒適度的可信度更高．

表7 室內(nèi)人體舒適度預(yù)報(bào)正確率比較表

2.3 室內(nèi)人體舒適度預(yù)報(bào)模型的檢驗(yàn)

通過(guò)為期一個(gè)月的問(wèn)卷調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)， 由于極不舒適與不舒適、 舒適與非常舒適， 其本身的界限不是很明顯， 而且受試者多數(shù)為非氣象專業(yè)人員， 所以在做舒適度問(wèn)卷調(diào)查和預(yù)報(bào)時(shí)， 對(duì)于室內(nèi)人體舒適度預(yù)報(bào)值范圍可以采用五級(jí)劃分的方法， 即-2，-1，0，1，2， 其分別表示： 寒冷， 不舒適； 偏冷， 較不舒適； 涼爽， 舒適； 偏熱， 較不舒適； 悶熱， 極不舒適． 利用五級(jí)劃分方法重新對(duì)全年室外舒適度預(yù)報(bào)室內(nèi)的正確率、 預(yù)報(bào)模型公式預(yù)測(cè)室內(nèi)的正確率和正確率提高的百分率進(jìn)行了分析比較(表8)．

表8 室內(nèi)人體舒適度預(yù)報(bào)正確率比較

對(duì)于室內(nèi)人體舒適度預(yù)報(bào)范圍的等級(jí)劃分不同， 其預(yù)報(bào)的正確率也不同， 雖然范圍劃分為五級(jí)的正確率提高的百分率比劃分為九級(jí)的正確率提高的百分率相對(duì)較小， 但是五級(jí)劃分的正確率普遍要高于九級(jí)劃分的正確率， 由此可知， 當(dāng)劃分范圍相對(duì)粗略時(shí)， 正確率也相對(duì)較高．

3 結(jié)論與討論

Steadman[4-6]、 張清[9]、 李玉姣等[17]普遍認(rèn)為室內(nèi)空氣溫度、 空氣濕度等因素對(duì)室內(nèi)人體舒適度起決定性作用． 彭昌海[18]研究的南京室內(nèi)自然條件下PMV-PPD分析中， 在夏、 冬兩季節(jié)各取3天作為實(shí)驗(yàn)樣本， 比較出夏、 冬季節(jié)南京室內(nèi)人體舒適差異． 本研究中， 充分考慮室內(nèi)空氣溫度、 空氣濕度在室內(nèi)人體舒適度研究中的重要地位， 采集的數(shù)據(jù)相比其他關(guān)于室內(nèi)人體舒適度的研究而言， 數(shù)據(jù)量較多， 采集時(shí)間較長(zhǎng)， 具有一定的代表性．

通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的綜合處理分析， 室內(nèi)外人體舒適度的實(shí)際指標(biāo)值具有極顯著正相關(guān)關(guān)系，R2值都達(dá)到了0.84以上． 利用一元線性回歸方程， 能夠建立相關(guān)性較高的室內(nèi)外人體舒適度模型． 對(duì)于同一地點(diǎn)， 不同時(shí)刻， 室內(nèi)外人體舒適度呈極顯著正相關(guān)關(guān)系． 一般而言， 13： 30時(shí)，R2相對(duì)較小； 8： 00和19： 00相關(guān)系數(shù)都比中午的大， 兩者之間的差異不明顯； 對(duì)于同一時(shí)刻， 不同地點(diǎn)， 室內(nèi)外人體舒適度的正相關(guān)關(guān)系差異小， 其差異與人流量和室內(nèi)大小有關(guān)． 無(wú)論在什么時(shí)刻， 室外與人流量多的小型室內(nèi)的人體舒適度相關(guān)系數(shù)較大； 室外與人流量少的小型室內(nèi)和人流量多的大型室內(nèi)的人體舒適度相關(guān)系數(shù)較小．

通過(guò)對(duì)模型季節(jié)性的檢驗(yàn)， 室內(nèi)人體舒適度的預(yù)報(bào)模型的適用范圍比較廣， 主要適用于相對(duì)比較寒冷的秋、 冬季節(jié)以及春、 夏季的上午． 對(duì)于相對(duì)比較熱的春夏季節(jié)， 中午和下午適用性并不是很強(qiáng)， 此時(shí)可以直接使用室外人體舒適度預(yù)報(bào)等級(jí)來(lái)代替室內(nèi)人體舒適度預(yù)報(bào)等級(jí)．

本研究除了對(duì)室內(nèi)外人體舒適度理論進(jìn)行研究外， 還做了一系列的問(wèn)卷調(diào)查， 將人體舒適度的理論值和人體實(shí)際感受值進(jìn)行了比較， 有力地支持了本文觀點(diǎn)． 在進(jìn)行問(wèn)卷調(diào)查時(shí)發(fā)現(xiàn)， 由于極不舒適與不舒適、 舒適與非常舒適， 其本身的界限不是很明顯， 而且受試者多數(shù)為非氣象專業(yè)人員， 對(duì)于它們的區(qū)分更加不清楚， 所以筆者認(rèn)為在做舒適度問(wèn)卷調(diào)查和預(yù)報(bào)時(shí)， 可以將胡毅等[14]對(duì)室內(nèi)人體舒適度預(yù)報(bào)值范圍的九級(jí)劃分研究成果改為五級(jí)劃分法， 對(duì)于室內(nèi)人體舒適度預(yù)報(bào)值范圍可以采用五級(jí)劃分的方法， 即-2，-1，0，1，2， 其分別表示： 寒冷， 不舒適； 偏冷， 較不舒適； 涼爽， 舒適； 偏熱， 較不舒適； 悶熱， 極不舒適．