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， 長沙 410141； 4. 崇禮縣氣象局， 河北 張家口 076350；5. 安順黃果樹機(jī)場， 貴州 安順 561000； 6. 德江縣氣象局， 貴州 銅仁 565200；7. 中國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， 人們在室內(nèi)學(xué)習(xí)、 生活和工作的時(shí)間越來越長， 如何利用室內(nèi)人體舒適度的預(yù)報(bào)產(chǎn)品來改進(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．

在國外， 有關(guān)室內(nèi)人體舒適度的研究相對較早． 根據(jù)劉梅等[1]、 吳兌[2]的研究， 早在1947年， 國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

在國內(nèi)， 有關(guān)室內(nèi)人體舒適度的研究起步相對較晚． 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為相對濕度． 通過實(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， 建立了我國室外月平均溫度與中性溫度的相關(guān)模型． 胡毅等[14]針對四川盆地、 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． 李思陽等[15]分析了綠化屋頂對室內(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)， 對黔江區(qū)氣候舒適性進(jìn)行分析．

綜上所述， 我國在室內(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山脈． 成都屬于亞熱帶濕潤季風(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)干濕表測量室內(nèi)溫濕度， 測量濕度時(shí)能在-10～45 ℃的環(huán)境下正常工作； 相對濕度測量范圍為10%～100%； 溫度表的測量范圍為-26～51 ℃， 精度為0.2 ℃．

利用WQG-11干濕球表(置于觀測場百葉箱內(nèi))測量室外溫濕度， 干球表測量范圍-27～41 ℃， 濕球表測量范圍-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， 對國家氣象局的基本觀測標(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所；

④ 室外， 選取校內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)氣象觀測場， 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， 并對模型的顯著性進(jìn)行檢驗(yàn)．

1.5 人體舒適度分級

胡毅等[14]針對四川盆地、 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

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， 對計(jì)算出來的室內(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值對室內(nèi)人體舒適度Y值的貢獻(xiàn)很大， 在該問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值對室內(nèi)人體舒適度Y的值貢獻(xiàn)很大， 在該問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值對室內(nèi)人體舒適度Y的值貢獻(xiàn)很大， 在該問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(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在中午相對最小， 而早晚的相關(guān)系數(shù)較中午大， 但差異沒有統(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)外人體舒適度等級相同的天數(shù)除以觀測總天數(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)測值等級相同的天數(shù)除以觀測總天數(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， 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預(yù)測室內(nèi)人體舒適度的正確率， 因此采用預(yù)報(bào)模型公式來預(yù)測室內(nèi)人體舒適度在實(shí)際應(yīng)用中是可行的； 針對同一地點(diǎn)不同時(shí)刻， 利用預(yù)報(bào)模型公式預(yù)測室內(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， 當(dāng)環(huán)境溫度較高時(shí)， 可以利用室外人體舒適度來預(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)

通過為期一個(gè)月的問卷調(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， 所以在做舒適度問卷調(diào)查和預(yù)報(bào)時(shí)， 對于室內(nèi)人體舒適度預(yù)報(bào)值范圍可以采用五級劃分的方法， 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． 利用五級劃分方法重新對全年室外舒適度預(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

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

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， 具有一定的代表性．

通過對數(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相對較??； 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?。?/p>

通過對模型季節(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， 主要適用于相對比較寒冷的秋、 冬季節(jié)以及春、 夏季的上午． 對于相對比較熱的春夏季節(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)等級來代替室內(nèi)人體舒適度預(yù)報(bào)等級．

本研究除了對室內(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)為在做舒適度問卷調(diào)查和預(yù)報(bào)時(shí)， 可以將胡毅等[14]對室內(nèi)人體舒適度預(yù)報(bào)值范圍的九級劃分研究成果改為五級劃分法， 對于室內(nèi)人體舒適度預(yù)報(bào)值范圍可以采用五級劃分的方法， 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．