王首一 朱 笛

(1.天津大學，天津 300072； 2.河北工程大學建筑學院，河北 邯鄲 056038)

0 引言

高校體育館建筑作為校園建筑的重要組成部分，是開展體育競賽的活動中心，同時是舉行室內(nèi)校園活動的場地。體育競賽或集會活動對內(nèi)部熱環(huán)境狀況要求比較高，較差的室內(nèi)熱環(huán)境會影響運動員的比賽發(fā)揮，也會使觀眾產(chǎn)生不適感。

目前在室內(nèi)熱舒適度評價研究中，丹麥學者房格爾(P.O.Fanger)提出了基于人體及環(huán)境多因素考量的綜合評價方式的熱舒適方程、圖表及其PMV-PPD指標[1]。國內(nèi)外學者也廣泛選用房格爾提出的PMV-PPD進行熱舒適度評價[2]。本文通過測量邯鄲大學體育館夏季溫度、濕度、壁面溫度等熱環(huán)境指標并利用預計平均熱感覺指數(shù)(Predictied Meanvote，PMV)和預計平均不滿意者的百分數(shù)(Predictied Percentage of Dissatisfied，PPD)對體育館建筑進行熱舒適評價，分析體育館內(nèi)部熱環(huán)境狀況。

主成分分析法又稱主元分析法是由H.霍特林在1933年首次提出來的。它是利用降低維度的思想通過研究指標體系內(nèi)在關(guān)系，把多指標轉(zhuǎn)換成幾個互不相關(guān)且保留了原變量提供的主要信息的綜合指標，這有利于抓住主要特征使復雜問題簡單化。從統(tǒng)計學的角度分析，一個變量所含有的信息可用其方差來表征,方差越大，所包含的信息量越大。運用主成分分析找出影響室內(nèi)熱舒適度的關(guān)鍵因素，針對關(guān)鍵問題提出影響體育館熱環(huán)境問題的優(yōu)化意見，對以后體育館建筑熱環(huán)境設(shè)計以及改造起到借鑒作用。

1 研究對象介紹

由于體育建筑對空間的特殊要求，目前國內(nèi)高校體育館大部分為輕鋼屋面的框架結(jié)構(gòu)。本文選取的邯鄲職業(yè)技術(shù)學院體育館，為地上2層建筑，建筑面積約為2 475 m2。體育館為由框架結(jié)構(gòu)支撐的輕鋼屋面，功能分區(qū)為1層中部籃球場，北側(cè)為健身室，東西兩側(cè)為比賽配套用房。2層北側(cè)為乒乓球場地，南側(cè)為羽毛球場地，東西兩側(cè)為辦公用房。該體育館全年開放，教學時期供學校教職工及學生使用，放假期間對外開放。體育館平面圖如圖1所示。

2 室內(nèi)熱舒適度的主成分與回歸分析

2.1 影響熱舒適因素的選取

根據(jù)Fanger提出影響室內(nèi)熱舒適度的因素，分別為人體活動程度、衣服熱阻、空氣溫度、平均溫度、平均輻射溫度、空氣濕度、空氣流速[3]。由于室內(nèi)風速在測量時有很大隨機性，所以在主成分分析中不把風速作為主要影響因素考慮。在文本研究室內(nèi)熱環(huán)境優(yōu)化策略中，選取平均溫度、空氣濕度、平均輻射溫度3個因素為影響室內(nèi)熱舒適度的影響因素進行主成分分析。平均溫度、空氣濕度由實際測量得出，輻射溫度、PMV值由計算得出，在這里不一一羅列。

2.2 主要影響因素分析

本文運用spss19統(tǒng)計分析軟件對5個場地的平均溫度、空氣濕度、輻射溫度3個因素進行主成分分析。根據(jù)統(tǒng)計學理論特征值大于1的提取為主成分，5個場地的計算特征值、各主成分的貢獻率及累計貢獻率見表1，從表1中可以看出5個場地都提取了特征值大于1的主成分，累計貢獻率分別達到了90.020%,76.557%,94.867%,92.070%,86.893%的貢獻率。

表1 各場地成分解釋總方差

在上述分析中，spss軟件默認初始特征值大于1的為主成分，根據(jù)結(jié)果軟件默認為每個場地只有一個主成分[4]。在實際分析中，乒乓球、健身室、羽毛球場的第二成分小于1，但與第三成分相比，遠大于第三成分。為了統(tǒng)計的準確性，將這3個場地的前兩個成分設(shè)為主成分。調(diào)整后的解釋總方差為表2～表4。

表2 乒乓球場解釋的總方差

表3 健身室解釋的總方差

表4 羽毛球場解釋的總方差

調(diào)整后各場地提取公因子攜帶的信息量為97.614%,99.392%,95%,94.867%,97.860%。由于我們想要得到室內(nèi)環(huán)境指標(溫度、濕度、輻射溫度)對室內(nèi)熱環(huán)境評價的影響因子數(shù)值，在提取主成分后我們暫且不對主成分概括。由表5，表6各場地成分得分系數(shù)矩陣可以計算出各場地主成分表達式：

乒乓球場：

F1=0.358Z溫度-0.356Z濕度+0.34Z輻射溫度,

F2=0.737Z溫度-0.918Z濕度+1.735Z輻射溫度。

健身室：

F1=0.429Z溫度-0.399Z濕度+0.304Z輻射溫度，

F2=-0.211Z溫度+0.568Z濕度+1.045Z輻射溫度。

籃球場：

F=0.349Z溫度-0.337Z濕度+0.34Z輻射溫度。

空場：

F=0.357Z溫度-0.341Z濕度+0.343Z輻射溫度。

羽毛球場：

F1=0.374Z溫度-0.359Z濕度+0.339Z輻射溫度，

F2=-0.345Z溫度+0.971Z濕度+1.406Z輻射溫度。

其中，Z為標準正態(tài)變換后的變量。

這里的公式作為備查，spss會自動生成整個場地FAC新變量，為公因子的取值。

表5 乒乓球、健身、羽毛球場成分得分系數(shù)矩陣

表6 籃球、空場成分得分系數(shù)矩陣

2.3 主成分回歸分析

由于直接建模所得到的回歸方程存在共線性，因此結(jié)果不可靠[5]。為了了解原始變量在回歸方程中的重要性依次是什么，必須通過將主成分回歸方程還原回原始變量的形式，才能得到更穩(wěn)妥的分析結(jié)果。

因此，只需將公因子的計算公式代入標化主成分回歸方程，就可以解出對應的原始變量對總的標化回歸系數(shù)方程，而繼續(xù)將標化主成分回歸方程[6]。最終得到的標化原始變量作自變量的標化回歸方程如下：

乒乓球場：

PMV估值=0.228Z溫度-0.196Z濕度+0.620Z輻射溫度。

健身室：

PMV估值=0.347Z溫度-0.331Z濕度+0.218Z輻射溫度。

籃球場：

PMV估值=0.339Z溫度-0.328Z濕度+0.330Z輻射溫度。

空場：

PMV估值=0.349Z溫度-0.333Z濕度+0.335Z輻射溫度。

羽毛球場：

PMV估值=0.204Z溫度+0.054Z濕度+0.857Z輻射溫度。

由各場地標化原始變量的標化回歸方程可知：乒乓球和羽毛球場地的輻射溫度影響因子較大分別達到了0.620和0.857，健身室、籃球場和空場的三個變量影響因子最大相差0.129，影響因子大小相當。

3 體育館熱環(huán)境優(yōu)化建議

根據(jù)上述分析可以明顯看出空氣溫度、空氣濕度、平均輻射溫度對各場地熱舒適度評價的影響因子，除乒乓球場和羽毛球場平均輻射的影響因子較大外，其他場地3個指標的影響因子相差不大，這是由于乒乓球場和羽毛球場位于2層，相比其他場地較多接受屋頂?shù)妮椛?，且在實際測量屋頂溫度時，屋頂溫度一直處于較高水平。對于體育館室內(nèi)熱環(huán)境優(yōu)化策略應參考各項指標的影響因子有針對性提出。

3.1 屋頂

經(jīng)過測量與計算發(fā)現(xiàn)，屋頂溫度一直處于較高的水平且對室內(nèi)熱環(huán)境影響較大。由于體育館內(nèi)部大空間限制，屋頂一般采用輕鋼型屋頂，在減輕重量的同時犧牲了屋頂?shù)母魺嵝阅?。為進一步改善屋頂?shù)母魺嵝阅芪蓓斂稍O(shè)置中間層，在間層內(nèi)鋪設(shè)反射系數(shù)大、輻射系數(shù)小的材料以減少傳熱量[7]。

3.2 門窗

邯鄲大學體育館門窗均為普通鋁合金材質(zhì)門窗，這種材質(zhì)的門窗傳熱系數(shù)大，是影響室內(nèi)溫度的重要因素。在改進室內(nèi)熱環(huán)境過程中可以采用傳熱系數(shù)小的隔熱斷橋材料的門窗，有效降低了通過門窗傳導的熱量。同時為防止夏季南向陽光直射導致室內(nèi)過熱，可在南向窗戶內(nèi)側(cè)設(shè)置百葉窗簾。

3.3 建筑外部遮陽

建筑外部遮陽有效地防止太陽輻射進入室內(nèi)，遮擋太陽輻射熱量和在密閉情況下降低室內(nèi)溫度。同時可以有效緩解“西曬”過熱現(xiàn)象，對室內(nèi)熱環(huán)境改善效果顯著，且有較好的建筑節(jié)能效果[8]。

4 結(jié)語

根據(jù)實地測量結(jié)果與體育館進行熱環(huán)境評價，計算出影響室內(nèi)各場地熱舒適度評價的影響因子，得到以下結(jié)論：1)在進行室內(nèi)熱環(huán)境分析與熱舒適度評價時可運用主成分分析與主成分回歸對數(shù)據(jù)進行處理，確定影響室內(nèi)熱舒適因素的影響因子，從而有針對性的對室內(nèi)熱環(huán)境優(yōu)化。2)位于2層的乒乓球與羽毛球場地平均輻射溫度影響因子明顯大于其他兩項因素，在乒乓球和羽毛球場地熱環(huán)境優(yōu)化時應著重對門窗屋頂?shù)葒o結(jié)構(gòu)進行改善。3)其他場地的各項影響因子大小相近，在熱環(huán)境優(yōu)化時三個因素應均衡考慮。