CBE热舒适工具：免费热舒适度计算和可视化工具，满足国际标准，多种实际应用

软件X 12（2020）100563原始软件出版物CBE热舒适工具：热舒适计算和可视化的在线工具Federico Tartarinia， Stefano Schiavonb，Toby Cheunga，Tyler HoytbSinBerBEST，伯克利教育研究联盟，新加坡b美国加州大学伯克利分校建筑环境中心ar t i cl e i nf o文章历史记录：收到2020年收到修订版2020年6月29日接受2020年保留字：热舒适性预测平均投票自适应舒适性模型局部热不适a b st ra ct建筑环境中心（CBE）热舒适度工具是一个免费的热舒适度计算和可视化工具，符合ASHRAE 55-2017，ISO 7730：2005和EN 16798-1：2019标准。它集成了主要的热舒适模型，包括预测平均投票（PMV），标准有效温度（SET），自适应模型，局部不适模型，SolarCal和动态预测服装绝缘。我们的工具还提供热舒适区的动态和交互式可视化CBE热舒适工具有几个实际应用，每年有超过49，000名用户使用，包括工程师，建筑师，研究人员，教育工作者，设施管理人员和政策制定者。©2020作者由爱思唯尔公司出版这是CC BY许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）中找到。代码元数据当前代码版本v2.0.0用于此代码版本的代码/存储库的永久链接https://github.com/ElsevierSoftwareX/SOFTX_2020_242GNU通用公共许可证（GPL）第2使用git的代码版本控制系统使用Python、JavaScript的软件代码语言、工具和服务如果可用，链接到开发人员文档/手册https://centerforthebuiltenvironment.github.io/comfort_tool问题支持电子邮件cbecomforttool@gmail.com1. 动机和意义人们大部分时间都在室内度过，热环境条件会显著影响他们的健康、表现和对建筑环境的总体满意度[1出于这个原因，从20世纪60年代开始，已经开发了许多热舒适指数。其中，最广泛采用和使用的是预测平均投票（PMV）[4]，标准有效温度（SET）[5]以及EN和ASHRAE自适应热舒适模型[6，7]。国际热舒适标准，如ASHRAE 55-2017 [ 8 ]和ISO 7730：2005[ 9 ]，以及科学规范提供了此外，即使对于*通讯作者。电子邮件地址：federicotartarini@berkeley.edu（F. Tartarini）。https://doi.org/10.1016/j.softx.2020.100563熟练的用户可能花费大量的时间来重写源代码以计算舒适度指数，这使其成为容易出错的过程。计算热舒适指数的开源软件包，如：comf[10]和pythermalcomfort[11]，可供研究人员或熟练用户使用。然而，我们没有发现任何可用的工具，可以用来计算热舒适指数，提供视觉和高度互动的热舒适区的表示，没有事先编码技能[12]。可能是因为将等式转换为代码需要高编程技能和大量时间投资的组合，这反过来又另一方面，开源交互式可视化工具可以帮助工程师、建筑师、研究人员、教育工作者、设施管理者和政策制定者更好地了解如何设计和操作建筑物，以提高室内热舒适条件，同时最大限度地减少能源消耗。2352-7110/©2020作者。 由Elsevier B.V.出版。这是一篇开放获取的文章，使用CC BY许可证（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表SoftwareX期刊主页：www.elsevier.com/locate/softx2F. Tartarini，S.Schiavon，T.Cheung等人粤公网安备44010502000011号为了克服上述所有问题，并提供一个易于使用的平台来计算和可视化热舒适指数，我们开发了建筑环境中心（CBE）热舒适工具。我们的工具提供了一个简单的用户界面，使其成为具有不同背景和技能的用户的宝贵工具它允许用户执行复杂的热舒适计算，而无需编写代码。CBE热舒适工具可通过以下公共URL免费访问：https://comfort.cbe.berkeley.edu。它提供了广泛的功能，从简单的，如允许用户选择他们的首选单位制（即单位制），SI或IP）到高级功能，如“上传”页面，该页面CBE热舒适工具的第一版最初于2014年发布[12]。在2019年，我们发布了一个新版本，为原始工具添加了几个新功能，包括：“上传”页面; ISO 7730：2005 [ 9 ]和EN 16798-1：2019 [ 13 ]标准的舒适度合规性计算和可视化;“热损失对空气温度”图表;“空气速度对操作温度”图表;我们使代码符合最新版本的ASHRAE 55-2017[ 8 ]标准;添加了对踝部吃水模型不满意的预测百分比[ 14 ];以及对垂直温度梯度不满意的预测百分比[ 15 ]。我们改进了图形用户界面的设计和可用性。CBE热舒适工具功能的详细描述见第2.2节。本文介绍了CBE热舒适工具。软件架构和功能如第2节所述。关于如何使用我们的软件的说明性示例在第3节中介绍。工具的影响和实际应用详见第4节。结论见第5节。2. 软件描述图1显示了CBE热舒适工具主页的屏幕截图。该工具包括六个不同的页面：ASHRAE 55，EN 16798，比较，范围，上传和其他CBE工具。网页顶部的导航栏允许用户在页面之间导航。每个页面的左侧（不包括Upload和Other CBE工具）包含用户可以修改和调整的输入右侧显示结果，通常包含一个交互式图表。当用户更改输入值时，图表此外，当鼠标悬停在绘图区域上时，某些图表会显示湿度参数关于适用性限制的注释和每个图表的简要说明（如果存在）显示在主图下方。绝大多数文本包含指向相应维基百科页面或工具官方文档的静态链接。最后，位于页面底部的页脚报告有关如何引用网站，联系开发人员，报告代码问题或请求新功能，以及如何使用该工具的视频教程链接。2.1. 软件构架CBE热舒适工具是一个基于网络的应用程序。它使用Flask [17]作为Python [18]的Web服务器网关接口，同时使用HTML5，CSS和JavaScript [19]来控制客户端页面行为。Bootstrap用于确保不同设备之间的最大兼容性[20]。CBE热舒适工具已在GoogleChrome、Firefox、Safari、微软Edge、Microsoft Explorer和Opera中成功测试。该工具使用了几个JavaScript开源库，包括d3.js [21]，jQuery，jQueryUI和Chart.js [22]，用于绘制交互式图表并实现HTML5中该工具的计算引擎主要由JavaScript函数组成，唯一的例外是用于计算上传页面中的热舒适指数的函数，该函数使用pythermalcomfortPython包[11]。2.2. 软件功能CBE热舒适工具的主要功能如下所述热舒适指数可视化-该工具在用户更改输入参数时动态更新图表和计算的热舒适指数（例如PMV、预测不满意百分比（PPD）、SET、冷却效果（CE））。用户可以选择根据ASHRAE 55-2017 或 EN 16798-1 ： 2019 标 准 计 算 PMV 和PPD。此外，用户可以决定在以下任何图表中可视化结果：在x轴上具有操作温度或空气温度的湿度图;相对湿度与空气温度图;或空气速度与操作温度图。最后，用户可以绘制人体热量损失（用PMV方法估计）的变化作为用户定义的输入参数和室内干球空气温度（TdB）的函数。自适应舒适可视化-该工具允许在图表上可视化热舒适区域，室内工作温度作为纵坐标，不同的室外温度指数作为横坐标，符合ASHRAE 55-2017或EN 16798-1：2019标准中提供的自适应模型可以使用位于输入部分顶部的下拉菜单选择此可视化当用户更改输入值时，图形和结果都会实时更新。热舒适度比较（比较页面）-最多可计算三种热舒适度条件，并同时绘制然后，用户可以比较输入条件的不同组合如何影响热舒适条件。热舒适度范围（范围页）--一般来说，舒适度指数的计算是在恒定的输入参数下进行的，然而，实际建筑物中的热环境条件通常在空间和时间上都不均匀。为了克服这个问题，CBE热舒适工具允许用户定义一系列离散的间隔，在这些间隔内，平均空气速度（va）、代谢率或衣服绝缘可以变化。此功能允许用户评估热舒适区如何根据所选输入参数变化。舒适度指数计算（上传页面）-它允许用户上传时间序列数据或大量输入参数，并自动计算：PMV，PPD，SET和CE。例如，该特征可以用于执行模拟或真实建筑物的预测（年度或季节）局部不适评估-可通过点击“局部不适”按钮访问此功能它包括几个局部不适模型，包括ASHRAE [14，15，23]和EN标准中定义的辐射温度不对称性、踝部通风和垂直空气温差地球平均辐射温度（tr）-此功能可以通过点击“地球温度”按钮来访问它允许用户根据ISO 7726标准[24]中提供的公式计算tr作为tdb，va和全球温度（tg·······F. Tartarini，S.Schiavon，T.Cheung等人粤公网安备44010502000011号3图1.一、 CBE热舒适工具主页。• 下拉列表可用于选择典型任务的代谢率参考值和典型服装项目的服装绝缘。• 动态预测服装计算器-此功能可以点击“动态预测服装”按钮即可访问它估计衣服绝缘作为室外干球温度在早上6：00的函数 [25]。• 自定义集成创建器-此功能可以访问通过点击“创建自定义集合”按钮。用户可以通过添加单独的衣服来计算总的衣服绝缘。• 短波（太阳能）增益计算器-此功能可以通过点击“居住者的太阳能增益”按钮访问它允许用户将太阳能增益（即，直接的、天空漫射的和地面反射的短波辐射）到等效TR[26]。• SI/IP单位选择-用户可以在内部和外部之间切换国际单位制（SI）和帝国单位制（IP）。3. 说明性实例3.1. PMV和PPD计算此示例描述了用户如何计算PMV和PPD指数，并绘制热舒适区边界区域。首先，用户需要通过选择导航栏中的“ASHRAE-55”或“EN-16798”选项卡来选择是否执行符合ASHRAE或EN标准在本例中，我们将选择“ASHRAE-55”选项卡，但两种情况下的计算过程相同。其次，用户需要通过更改网页左侧的默认值来定义输入参数，如图所示。1.一、 当用户更改输入值时，更改将实时显示在页面右侧。用户可以使用位于图表上方的下拉菜单在不同图表类型上可视化结果图2a和图图2b分别显示了“相对湿度与空气温度”图和“空气速度与工作温度图”上的热舒适区域边界4F. Tartarini，S.Schiavon，T.Cheung等人粤公网安备44010502000011号图二. CBE热舒适工具中提供的热舒适可视化示例。图（a）和（b）在两种不同的图表类型上显示了相同的热舒适区域（即，使用相同的输入生成）空气温度操作温度3.2. 舒适指数计算-上传页面此示例显示用户如何使用Upload页面计算PMV、PPD、SET和CE值首先，用户需要使用提供的链接下载SI或IP模板。其次，他们应该用自己的数据替换先前下载文件中的示例数据不允许有缺失值最后，他们应该将编辑后的文件保存为.csv格式，并通过先单击“选择文件”按钮，然后单击“上传文件”按钮来上传CBE热舒适工具将在后端执行计算，并在所有计算完成后自动下载文件4. 影响CBE热舒适工具是一个免费的开源网络工具，用于计算和可视化热舒适指数。它旨在供具有不同背景的用户使用，包括工程师、建筑师、研究人员、教育工作者、设施管理人员和政策制定者。它甚至可以被没有分析或编程技能的非技术用户使用。据我们所知，这是唯一免费提供的工具，允许用户执行热舒适计算符合主要的热舒适标准和结果是可视化的用户友好的界面。CBE热舒适工具可以通过任何具有浏览器的设备使用，并且与GoogleChrome，Firefox，Safari，微软Edge，Microsoft Explorer和Opera兼容。我们还开放了代码，因此世界各地的用户可以为我们的项目做出贡献或使用我们的功能in their其applications应用 . 例 如 ， 源 代 码 被 用 于开 发 了 两 个 Python 包 ：pythermalcomfort [11]和ladybug-comfort [27]。CBE热舒适工具的前一版本在建筑行业产生了重大影响。2017年，它被ASHRAE采用为官方舒适工具。第13版建筑物机电设备[28]建议使用CBE热舒适工具进行热舒适计算和可视化。新加坡建筑管理局发布的2017年技术指南和要求指出，CBE热舒适工具可用于证明项目对热舒适性的适应性2019年，使用Google Analytics收集的数据显示，该工具已被除南极洲以外的所有大陆的49，000名独立用户CBE热舒适工具在不同的出版物中也被引用了175次。我们预计，新版本的CBE热舒适工具，它具有更好的用户界面和额外的功能，可以为许多行业带来更大的好处。5. 结论CBE热舒适工具是一个免费的基于网络的热舒适工具，允许用户执行计算和可视化，符合主要的热舒适标准。2019年，我们发布了该工具的新版本，该版本具有更好的用户界面，新的图表，功能和热舒适模型。此外，它符合更多的国际热舒适标准。因此，我们预计，这个新的更新版本将覆盖更广泛的受众，并将用于各种热舒适相关的应用。我们的工具允许用户执行复杂的热舒适计算并可视化结果，而无需编写任何代码，使其成为广泛受众的宝贵工具。竞合利益作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，可能会影响本文报告的工作致谢我们要感谢所有为CBE热舒适工具的GitHub存储库做出贡献的作者https://github.com/CenterForTheBuiltEnvironment/comfort_tool/graphs/contributors。这项研究得到了加州大学伯克利分校（美国）建筑环境中心（CBE）和新加坡共和国国家研究基金会的支持，该基金会引用[1]de Dear RJ，Akimoto T，Arens EA，Brager G，Mendo C，Cheong KWD，et al. Progress in thermal comfort research over the last twenty years. 室内空气2013;23（6）：442-61. http://dx.doi.org/10.1111/ina.12046网站。[2]Zhang F，de Dear R，Hancock P.中度热环境对认知能力的影响：多学科综述。应用能源2019;236（2018年11月）：760-77。http://dx.doi.org/10.1016/j.apenergy的网站。2018.12.005。[3]Wyon D，Wargocki P.室温对办公室工作的影响。上一篇：创造生产性工作场所Taylor and Francis; 2006 [Chapter 11].[4]Fanger PO.热舒适：环境工程分析与应用。New York：McGraw-Hill;1970.[5]李文，李文，等.热环境下人体热反应的标准预测指标.北京：科学出版社，2000，14（3）：117 - 118.《美国制冷空调工程学会》1986年;（92（2B））：709-31。F. Tartarini，S.Schiavon，T.Cheung等人粤公网安备44010502000011号5[6]作者声明：John M.建筑物的适应性热舒适和可持续热标准。能源建设2002;34（6）：563-72. http://dx.doi.org/10.1016/S0378-7788（02）00006-3.[7]放大图片作者：John W.开发热舒适和偏好的自适应模型-ASHRAE RP-884最终报告。Tech.代表，Sydney; 1997.[8]ANSI，ASHRAE。标准55 -人类居住的热环境条件。2017年。[9] ISO。ISO 7730 -热环境的人类工效学-使用PMV和PPD指数和局部热舒适标准计算的热舒适性的分析测定和解释。2005年[10] 施韦克湾 Comf：用 于热舒适研究 的R软件包。 R J 2016;8（2）： 341.http://dx.doi.org/10.32614/RJ-2016-050网站。[11] TartariniF，SchiavonS.Pythermalcomfort。2020，https://pypi.org/project/pythermalcomfort，[2020年3月19日访问]。[12]Schiavon S，Hoyt T，Piccioli A.根据ASHRAE标准55进行热舒适可视化和计算 的 Web 应 用 程 序 。 BuildSimul2014;7 （ 4 ） ： 321-34.http://dx.doi.org/10.1007/s12273-013-0162-3网站。[13]岑EN 16798-1建筑物的能源性能-建筑物通风。第1部分：建筑物能源性能设计和评估的室内环境输入参数，涉及室内空气质量、热环境、照明和声学。欧洲标准化委员会;2019年。[14]Liu S，Schiavon S，Kabanshi A，Nazaroff WW.预测踝关节牵引的不饱和百分 比 。 室 内 空 气 2017;27 （ 4 ） ： 852-62. http://dx.doi.org/10 的 网 站 。1111/ina.12364。[15]刘胜，王正，施亚文，何英，罗明，张宏，等。对垂直温度梯度不满意的预测百分比。能源建设2020;220：110085。http://dx.doi.org/10.1016/j.enbuild.2020.110085网站。[16]维基百科贡献者。热舒适。2019年，https://en.wikipedia.org/wiki/Thermal_comfort，[2020年3月4日访问]。[17]托盘项目。JavaScript.2020，https://developer.mozilla.org/en-US/docs/Web/JavaScript，[2020年3月4日访问]。[18]范 罗 森 湾 Python 教 程 。 Tech.代 表 CS-R9526 ， 阿 姆 斯 特 丹 ： 信 息 学 中 心（CWI）; 1995年。[19] 艾希湾烧瓶2020，https://palletsprojects.com/p/flask/，[2020年3月4日[20] 自助团队。引导。2020，https://getbootstrap.com，[2020年3月[21]Bostock M ， Ogievetsky V ， Heer J. D3 数 据 驱 动 文 档 。 IEEE Trans VisComput Graphics 2011;17（12）：2301http://dx.doi.org/10.1109/TVCG的网站。2011.185。[22] Chart.js. 2020，https://www.chartjs.org，[2020年3月4日访问]。[23] Schiavon S，Rim D，Pasut W，Nazaroff WW.暴露于置换通风和地板下空气分配系统的女性在裸露脚踝处的通风感觉2016年，《建筑环境》，第96卷，第228-36页。http://dx.doi.org/10的网站。1016/j.buildenv.2015.11.009。[24] ISO。7726 -测量物理量的热环境仪器的人类工程学。1998年[25] 作者：K.H.基于室外空气和室内工作温度的动态预测服装隔热模型。BuildEnviron 2013;59：250-60. http://dx.doi.org/10.1016/j.buildenv.2012.08.024网站。[26][10]张宏，黄立，周晓，张晓，李晓，李晓. 室内短波太阳辐射舒适效应之模拟。2015年，《环境建设》;88：3-9。http://dx.doi.org/10.1016/j.buildenv.2014.09.004网站。[27]瓢 虫 工 具 。 瓢 虫 安 慰 2019 年 ， https://pypi.org/project/ladybug-comfort ，[2020年3月19日访问]。[28]Grondzik WT，Kwok AG.建筑物机电设备。第十三版2019年。[29]BCA。技术指南和要求。新加坡：新加坡建筑和建设部绿色标志司机构;2018,网址：https://www.bca.gov.sg/GreenMark/others/GM_NRB2015_Technical_Guide_judiments.pdf。[2020年3月4日]。