量化基于舒适度的建筑控制系统中热感觉评价的一致性和信息量

《BUILDING AND ENVIRONMENT》：Quantifying the consistency and informativity of thermal sensation votes for comfort-driven building control

温度感知问题的3点与7点量表在建筑控制中的适用性研究。通过分析ASHRAE Global Thermal Comfort Database II和Scales Database，发现3点量表在一致性上优于7点量表，信息增益差异小于5%，但7点量表在数据开发中更精细。研究提出基于Jensen-Shannon距离评估语义不一致性，并利用逻辑感知互信息增益量化信息量，最终指出3点量表更适合无偏好反馈的控制场景。

　　

马志豪 | 阿塔纳西奥斯·岑佩利科斯

普渡大学莱尔斯土木工程学院，550 Stadium Mall Dr.，西拉斐特，印第安纳州，47907，美国

摘要

1. 尽管热偏好问题更适合用于热控制应用，但仍有许多研究依赖热感觉评分作为指标。量化不同问题与量表之间的不一致性，并评估它们在高效建筑控制中的有效性仍然具有挑战性。本研究探讨了热感觉问题（例如3分制和7分制）是否为基于偏好的控制提供了可靠且具有信息量的内容，这些内容来自两个公共数据库（即ASHRAE全球热舒适度数据库II和Scales数据库）中的热偏好响应。首先，确定了7分制热感觉评分与3分制热感觉评分之间的映射规则。然后，通过使用Jensen-Shannon距离（JSD）计算与它们的语言锚点相关的温度分布差异来检验不同量表评分的可靠性。使用3分制评分时，区分能力提高了30-50%。随后，提出了一种基于逻辑的互信息增益指标，以评估3分制和7分制热感觉量表的信息量，以热偏好为基准。结果表明，这两种量表的信息量相似（差异小于5%）。这些发现表明，在建筑控制应用中应谨慎解释热感觉量表。虽然7分制热感觉量表在数据库开发和热舒适度研究方面具有优势，但在缺乏偏好反馈的情况下，3分制热感觉量表更适合以居住者为中心的控制，因为它在保持信息量的同时，与偏好变化的一致性显著更高，从而成为一种认知效率更高的选择。

引言

1. 居住者的热舒适度是以居住者为中心的建筑控制中的关键考虑因素[45,48]，主观反馈通常为控制器的决策过程提供信息，并作为预测模型的真实依据。因此，在这种情况下，热环境调查对于收集此类反馈是不可或缺的。热舒适度研究中使用了各种问题和量表，用于不同的目的[8,72]，如热偏好、热感觉、热接受度等。然而，目前尚不清楚这些问题和量表是否同样适合用于建筑控制应用，即从这些问题中收集的响应是否与预期的控制措施一致。
2. 最常用的调查方法是热感觉评分，通常会询问居住者“你现在的感觉如何？”并提供“冷”、“中性”和“热”等响应选项。热感觉问题旨在捕捉人体温度感受器激活的心理反应。这种反应被认为反映了个体对当前热环境的感知。一般认为，当个体报告中性热感觉时，就达到了热舒适度。因此，基于热感觉的舒适度控制的最终目标是调整室内空气温度、流速等，使居住者感到热中性。然而，这一观点存在争议，因为热中性并不一定意味着对每个人来说都是热舒适的。例如，[17]的研究发现，在一项大学舒适度调查中，57%的参与者偏好“中性”以外的感觉，他们将这种现象描述为热感觉问题中的“语义偏移”。同样，[60]报告称36%的受试者认为“中性”以外的热感觉是舒适的。这是因为热感觉本质上不同于整体热舒适度。热感觉反映了当前热环境的感官反馈，这受到室内温度和空气流速等物理因素以及影响身体温度调节的个体生理变量的强烈影响。与主要由皮下温度感受器和下丘脑处理的热感觉相比，热舒适度或热愉悦是一种更高层次的感知，涉及大脑的认知处理。因此，非热因素也会影响整体热舒适度[4]，包括人口统计因素[17,42,69]、情境[9,18,32]、跨模态交互[8,51]和认知[11,21,33]。这些发现表明，仅依赖热感觉评分来指导舒适度控制中的决策是有问题的。
1. 同时，关于热感觉问题中的响应选项也存在其他问题。通常建议使用分类响应选项，因为它们提供了清晰的指导[19]并有可能减少个体内部的响应不确定性[71]。然而，在使用热感觉评分进行控制决策或预测建模时，会出现一些重要问题，包括解释偏差和类别数量偏差。
2. 解释偏差源于居住者对给定热感觉语言锚点与其潜在热舒适度之间理解的不同[58]。有研究表明，受试者对常用的7分制感觉类别有不同的解释，导致报告的响应存在差异。因此，包含自由定位问题以定义他们自己的舒适区和感知的锚点位置是有益的。不同语言之间的语义差异也会改变响应选项的含义[1,22,47]。个体和语言对热感觉响应的解释会影响热感觉评分与偏好/预期控制措施之间的一般一致性。
3. 热感觉响应选项的数量是另一个重要考虑因素[57]，这取决于使用的目的。在开发数据库或研究热感觉与影响因素之间的关系时，更多的响应选项可以提高粒度。ASHRAE标准55（ASHRAE, 2017）推荐使用7分制热感觉量表，这是基于早期关于人类认知通道容量的心理学研究，表明个体可以有效地对大约七个离散的输入水平进行分类[41,54]。也提出了包含超过七个选项的扩展感觉量表，因为七个类别可能不足以捕捉全部的热感觉范围[6,62]。然而，提供过多的响应选项也可能降低响应的可靠性[67]，因为过多的选择可能会让受访者感到不知所措，迫使他们在实际感知较为粗略的情况下做出细致的区分。这会增加认知负担[5,63,79]和响应不确定性[34]，最终降低热感觉评分与偏好/控制措施之间的一致性。
4. 另一方面，热偏好问题[13,38,40]被视为热控制应用中更可靠的指标。[37]后来提出了一个正式的3分制热偏好问题：“我希望温度更高/不变/更低”。提出偏好的优势在于它在个体内部层面更一致[39]，并且更准确地反映了真实的热需求状态[19,43]。最近的研究进一步表明，热偏好是代表真实感知热状态的潜在变量的主要贡献因素，其解释能力超过了热感觉[35]。因此，3分制偏好问题特别适合用于控制应用[61,70,74]。例如，[23]排除了感觉问题，转而使用偏好问题来评估基于加热/冷却的椅子个人舒适系统。他们声称感觉问题可能会让椅子用户感到困惑或误解。此外，该系统中的个人加热或冷却控制行为已被证明是个人热偏好的有效代理，从而解决了数据不足的问题[78]。这表明热偏好评分与控制措施之间存在强烈的相关性。
5. 因此，偏好问题特别适合与环境控制系统集成[3,25,27,61,76]，因为特定的偏好响应可以直接指示所需的室内环境参数调整（例如，在热偏好的情况下是室内空气温度，在视觉偏好的情况下是照明水平）。热感觉类别与温度呈对数关系[59]，这使得它们不太适合用于指导基于温度的控制决策。随着以居住者为中心的控制系统[48]和个人热管理技术[36,49]的不断发展，热偏好问题预计将在热环境调查中发挥越来越重要的作用，高效偏好学习模型也在不断演变[7,52,68,75,77]（Canton等人，2024）。
6. 尽管热偏好问题在建筑控制中取得了丰硕的成果[28,50,76,77,80]，但仍有大量研究依赖热感觉评分作为指标，或者使用诸如预测平均评分（PMV）模型[16,24,29]等成熟的感觉模型。在这种情况下，有必要检查热感觉响应是否与控制措施一致，如果不一致，不一致的程度如何。此外，如果必须使用热感觉评分进行控制，那么探讨使用7分制或3分制量表是否会导致一致性和信息量的差异是值得的。在这种情况下，一致性和信息量指的是1）不同量表与偏好/控制措施是否同样吻合（例如，“热”热感觉响应是否意味着希望降低温度设定值），以及2）它们是否提供了不同的信息来推断控制措施（例如，我们能够多有效地根据居住者的热感觉响应区分他们的变化需求）。热响应的代表性不足（即不一致性）可能导致控制措施不佳，从而引发控制失败、热不满以及供暖、通风和空调（HVAC）能源消耗的增加。同样，信息量的缺乏会使响应收集变得毫无意义。例如，如果调查只提供一个可能的答案，那么得到的数据将无法洞察居住者的热需求或偏好的控制措施。
7. 为了探索和回答这些问题，使用了两个现有的热舒适度数据库进行分析和结果展示。热偏好评分与控制措施之间的强相关性使得可以使用数据库中的偏好评分作为居住者在给定条件下会采取的控制措施的代理。因此，热感觉评分与控制措施之间的一致性，以及使用热感觉评分作为确定控制措施的指标的可靠性，可以等同地解释为热感觉评分与热偏好评分之间的一致性。基于此，通过测量与它们的语言锚点相关的温度分布差异，详细检查了不同数量量表（7分制和3分制）评分的可靠性。然后，使用信息论方法评估每个感觉量表的信息量。第3节展示了相应的结果，随后是讨论部分和总结部分，重点介绍了主要发现。

方法论

1. 本研究开发的方法论旨在量化控制导向的热舒适度评估中不同问题和量表之间的一致性和信息量。如图1所示，该过程从两个热舒适度数据集开始，即ASHRAE全球热舒适度数据库II（ASHRAE II）[12]和Scales数据库[56]。这些数据库中记录的热偏好评分被用作预期控制措施的代理。首先，

结果

1. 首先，展示了热感觉评分与热偏好评分之间的不一致性矩阵，并采用了映射规则2，因为它的语义不一致性百分比较低。然后，发现3分制热感觉量表与热偏好评分的一致性高于7分制量表，表明3分制量表在确定控制措施方面更可靠。最后，对两种量表进行了基于逻辑的互信息增益分析，揭示了它们的

讨论

1. 本节讨论了本文提供的见解，包括热感觉问题和偏好问题的区别、考虑响应一致性和信息量之间权衡的响应选项设计，以及本工作的局限性。

结论

1. 问卷设计在以居住者为中心的建筑控制中起着关键作用。本研究使用来自两个公共数据库的热偏好响应作为代理，调查了热感觉量表（例如3分制和7分制）与预期控制措施之间的一致性和信息量。首先，通过检查热感觉评分与偏好评分之间的语义不一致性，确定了7分制热感觉量表到3分制热感觉量表的映射规则。

未引用的参考文献

[66]

CRediT作者贡献声明

马志豪：撰写——原始草稿、方法论、正式分析、数据整理、概念化。 阿塔纳西奥斯·岑佩利科斯：撰写——审阅与编辑、监督、项目管理、资金获取。