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 前言

高校體育館在高校體育教育及社會體育競賽中發(fā)揮重要作用，是校園建筑的重要部分。體育館室內(nèi)熱環(huán)境狀況對體育活動的開展與運動員比賽成績有較大影響。

評價室內(nèi)熱舒適狀況的基于人體及室內(nèi)環(huán)境多因素的綜合評價方式的熱舒適方程、圖表及其PMV-PPD指標[1]由丹麥學者P.O.Fanger提出。目前PMV-PPD是國內(nèi)外室內(nèi)熱舒使用最多的評價方法[2]。國內(nèi)學者對熱環(huán)境的研究主要集中在居住建筑中，如劉加平、楊柳等致力于地域性建筑熱環(huán)境及舒適度研究[3]。錢鋒[4]較多對于體育建筑環(huán)境研究，主要集中在體育建筑風環(huán)境數(shù)值模擬與建筑環(huán)境能效值分析，體育建筑的熱環(huán)境研究較少。本文選取邯鄲某大學體育館為研究案例，在測量冬季溫度、濕度、壁面溫度的基礎上，分析體育館內(nèi)部熱環(huán)境狀況。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)[6]（predictied percentage of dissatisfied，PPD）評價體育館室內(nèi)熱舒適狀況。運用主成分分析與主成分回歸法計算出影響室內(nèi)熱舒適度因素的影響因子大小，進而提出體育館的室內(nèi)熱環(huán)境改善策略，對以后體育館建筑熱環(huán)境設計以及改造起到借鑒作用。

1 體育館建筑熱環(huán)境實測

1.1 測試對象

目前國內(nèi)高校體育館以小型體育場館為主，主要做教學和訓練用，大多不設看臺。本文選取建筑結(jié)構、體育館類型較為典型，使用頻率高的邯鄲某大學體育館進行測量分析研究。體育館為兩層建筑，建筑面積約為2500m2。體育館為框架結(jié)構支撐的輕鋼屋面。內(nèi)部空間分為中部通高籃球場，一層北部為健身室，南部為空場，二層北部為乒乓球場，南側(cè)為羽毛球場，東西兩側(cè)為配套的辦公和準備用房。館內(nèi)設中央空調(diào)，在場館開放時間內(nèi)運行。體育館平面圖如圖1。

圖1 體育館平面及測點圖

1.2 測試方案

按《建筑熱環(huán)境測試方法標準》（JGJ/T 347-2014）規(guī)定，測試時間選在當?shù)囟敬蠛?月20日進行，當天天氣狀況為陰天。

測試內(nèi)容：室內(nèi)外溫度、濕度，各場地圍護結(jié)構壁面溫度，室內(nèi)風速。

測試方法及測試儀器：測試區(qū)域為籃球場、乒乓球場、健身室、羽毛球場。按照《建筑熱環(huán)境測試方法標準》規(guī)定，大于60m2的房間測點布置取房間平面的2條對角線作為布點定位線，并應在其交點和3等分點處布點[7]，如圖 1。測試時間分別為 8：00～18：00，測試間隔30min。

測試儀器分別選用testo635溫濕度露點儀、testo425風速計、fluke65紅外測溫儀。

1.3 測試結(jié)果分析

1.3.1 室內(nèi)外空氣溫度

測試場館的室內(nèi)外溫度如圖2所示。室內(nèi)外溫度整體較高，且室內(nèi)溫度變化趨勢與室外溫度變化趨勢基本相同，室內(nèi)各場地的溫度在7～10.4℃之間，室外溫度差在-0.9℃～7.8℃。在五個場館的溫度差異比較中，平均溫度最低的是南側(cè)空場為7.5℃，較其他場地低0.45～1.69℃?？傮w而言，測試期間各場地溫度都比較恒定；室內(nèi)溫度主要受室外溫度影響變化而波動。此外各場地溫度差異主要受其圍護結(jié)構熱傳導的影響。

圖2 室內(nèi)外平均溫度

1.3.2 室內(nèi)空氣濕度

測試期間室內(nèi)外濕度如圖3所示?？傮w來看測試期間各場地相對濕度均在30%RH以上。室內(nèi)相對濕度變化趨勢為上午到中午濕度逐漸降低，中午到下午逐漸升高，濕度變化與溫度變化成負相關關系。各場地平均濕度相差較小，平均濕度在36.5%RH～38.6%RH之間。

圖3 室內(nèi)外平均濕度

1.3.3 室內(nèi)壁面溫度與室內(nèi)平均輻射溫度

各場地壁面溫度如圖4所示，各部分壁面溫度的數(shù)值變化基本與室外溫度相一致。從各圍護結(jié)構的波動趨勢看，受太陽輻射時段的影響，變化趨勢滯后于室外溫度。各場地壁面溫度最低的構件分別為，乒乓球場：西墻（4.0℃）；健身室：西墻（3.47℃）；籃球場：西墻：（4.97℃）；空場：南門（3.39℃）；羽毛球場：西墻（3.57℃），由此可知體育館西墻對冬季室內(nèi)熱環(huán)境有較大影響。

根據(jù)輻射溫度計算公式：

式中t1，t2，...，tn——表面溫度；

S1，S2，...，Sn—各墻體面積。

計算得出各場地逐時平均輻射溫度（MRT）的概算值（圖5）。由圖5可知各場地的平均輻射溫度（MRT）與室內(nèi)平均溫度較為接近。

圖4 各場地壁面溫度

圖5 各場地MRT

1.3.4 室內(nèi)風速

由于體育館運動對風速有嚴格要求，且冬季室內(nèi)門窗基本處于關閉狀態(tài)。測試期間室內(nèi)平均風速為0.1m/s主要受人流活動影響，所以這里不做詳細分析。

2 室內(nèi)熱環(huán)境評價

依據(jù)丹麥學者房格爾（P.O.Fanger)提出的PMV-PPD評價[8]，影響人的熱感覺分為環(huán)境因素與人體因素，包括空氣溫度、相對濕度、平均輻射溫度(MRT)、氣流速度、人體新陳代謝率以及衣服熱阻[9]。環(huán)境指標由以上測量結(jié)果得出，各項運動的人體代謝率。根據(jù)美國加州大學伯克利分校建筑環(huán)境中心的人體熱舒適度PMV、PPD計算器[10]得出，利用計算器得出體育館室內(nèi)個場地的PMV-PPD結(jié)果。

根據(jù)計算結(jié)果顯示，各場地PMV-PPD結(jié)果較為接近。以乒乓球場為例，如圖6。PMV值上午逐漸升高，10：30左右達到區(qū)域峰值，PMV值為0.56，對應PPD 為 12%。11：30～15：30PMV 值逐漸升高，15：30PMV值為測量時間內(nèi)峰值，對應PPD為16%。隨后PMV值呈下降趨勢?？傮w而言，測量時間段內(nèi)PMV-PPD變化趨勢為逐漸升高后逐漸降低。上午前半段熱感覺為中性，中午時間段前后為稍暖，下午后半段為中性。

綜上所述，除健身室在11點左右PMV值為2.02上下，熱環(huán)境感覺為熱，其他場地熱環(huán)境總體感覺均為很熱?？芍w育館熱環(huán)境全天較差，舒適度較差。

圖6 乒乓球場PMV-PPD曲線

3 室內(nèi)熱舒適度的主成分與回歸分析

3.1 影響熱舒適因素的選取

主成分分析是運用“降維”的思想，把多個變量通過樹立數(shù)理與運算轉(zhuǎn)換的方式轉(zhuǎn)換成少數(shù)幾個不存在密切聯(lián)系的綜合變量，而通過轉(zhuǎn)換形成的新變量對原始信息進行有效分析[11]。

由于體育館室內(nèi)對風速要求較高，基本保持無風狀態(tài)，所以在進行主成分分析時不把風速作為主要影響因素。因此選取平均溫度、空氣濕度、平均輻射溫度3個影響因素進行主成分分析。本章運用主成分分析與主成分回歸的方法得出3個影響因素對室內(nèi)熱舒適度的影響因子大小。

3.2 主要影響因素分析

運用spss19統(tǒng)計分析軟件對五個場地的平均溫度、空氣濕度、輻射溫度3個因素進行主成分分析。根據(jù)統(tǒng)計學理論及軟件計算提取主成分，各場地的主成分累計貢獻率分別為乒乓球場96.734%、健身室98.618%、籃球場96.964%、空場95.075%、羽毛球場94.721%。由于想要得到室內(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，在提取主成分后暫且不對主成分概括。由表3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：

健身室：

籃球場：

空場：

羽毛球場：

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

成分得分系數(shù)矩陣 表3（a）乒乓球、健身、羽毛球場成分得分系數(shù)矩陣

3.3 主成分回歸分析

由于直接進行變量間回歸計算的回歸方程存在共線性[12]。為了解多個自變量對因變量的影響程度大小，需將主成分回歸方程還原回原始變量的形式，才能得到更為準確的分析結(jié)果。

因此，只需將公因子的計算公式帶入標化主成分回歸方程，方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[13]。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：

健身室：

籃球場：

空場：

羽毛球場：

由各場地標化原始變量的標化回歸方程可知：乒乓球、健身室、空場和羽毛球場的輻射溫度影響因子較大分別為0.705、0.563、0.612和0.737，相比于回歸方程中其他因素系數(shù)較高?；@球場平均溫度、相對濕度和輻射溫度的影響因子相差較小，差值為0.033。

4 體育館熱環(huán)境優(yōu)化建議

根據(jù)上一節(jié)三個變量對室內(nèi)熱舒適度評價的影響因子計算可知。輻射溫度影響因子較大的場地為乒乓球、健身室、空場和羽毛球場，室內(nèi)平均溫度和相對濕度對所有場地室內(nèi)熱舒適度評價的影響因子大小相當。這是由于四個場地圍護結(jié)構中有大面積開窗，且乒乓球場和羽毛球場接受輕鋼屋頂?shù)膫鳠彷^多。對于體育館室內(nèi)熱環(huán)境改善策略既應全面考慮三種因素對室內(nèi)熱舒適度的影響，也參考各項因素影響因子有針對性提出。

4.1 室內(nèi)空氣溫度改善

經(jīng)過對室內(nèi)溫度持續(xù)測量，冬季體育館室內(nèi)空氣溫度處于較低狀態(tài)。體育館室內(nèi)空氣溫度較低的原因有：室內(nèi)取暖設備能力有限、圍護結(jié)構中門窗與屋頂無有效的保溫措施，受室外環(huán)境影響較大。由于體育館建筑內(nèi)部空間巨大且層高較高，適宜采用熱壓通風的方式。熱壓通風的原理為在建筑垂直方向下方設置冷空氣進風口，上方設置熱空氣出風口。利用冷熱空氣間的空氣密度差產(chǎn)生空氣流動，排出室內(nèi)熱空氣。熱壓通風的方式既可以減少室內(nèi)空調(diào)的運行消耗，也可最大程度減少壁面室內(nèi)空氣流動對體育運動的影響。

4.2 室內(nèi)相對濕度改善

在夏季氣候條件下室內(nèi)相對濕度水平較高，也會加重人體的熱感覺。測量期間體育館室內(nèi)相對濕度較高主要受室外濕度及室內(nèi)人員的影響，且室內(nèi)無主動的降濕手段。在不影響室內(nèi)體育運動的情況下，較適宜的手段為運用空調(diào)等機械手段主動排濕降濕，以及在室內(nèi)放置吸濕效果好的吸附劑來降低室內(nèi)相對濕度。同時在場館管理上可增加室內(nèi)相對濕度的方面進行有效管控。

4.3 輻射溫度改善

輻射溫度是影響室內(nèi)熱舒適度重要因素，在體育館內(nèi)部的乒乓館及羽毛球館中尤為明顯。輻射溫度主要受圍護結(jié)構傳熱影響，邯鄲職業(yè)技術學院體育館圍護結(jié)構中，屋頂為輕鋼屋頂，門窗為普通鋁合金加單層玻璃，墻體為普通空心砌塊墻體。這些圍護結(jié)構較少考慮保溫性能，因此室內(nèi)熱量流失嚴重，應考慮替換隔熱性能較好的材料。目前體育館屋頂隔熱通常采用選取保溫性能好的屋頂保溫材料[15]。門窗應采用傳熱系數(shù)小的材料，如段熱鋁合金材料及Low-E鍍膜玻璃減少室內(nèi)外熱量傳遞，同時做好門窗的密閉性能。圍護墻體應適當增加保溫隔熱層的厚度，以降低墻體傳熱系數(shù)減少熱量傳遞。除改善圍護結(jié)構本身隔熱性能外，增加墻體綠化與增設外部遮陽措施都可以有效改善室內(nèi)熱環(huán)境。

5 結(jié)論

在對邯鄲職業(yè)技術學院室內(nèi)熱環(huán)境測量中發(fā)現(xiàn)，室內(nèi)空氣溫度、相對濕度及壁面溫度都處于較低水平，體育館熱環(huán)境亟需改善。

根據(jù)體育館室內(nèi)熱測量結(jié)果與熱環(huán)境評價結(jié)果，運用主成分分析與回歸計算熱環(huán)境相關因素影響因子，得到以下結(jié)論：①運用主成分分析與主成分回歸分析，可有效判別熱環(huán)境相關因素對室內(nèi)熱舒適度的影響因子，從而精確指導室內(nèi)熱環(huán)境改善，在改善中也便于提出更有針對性的策略。②乒乓球、健身室、空場和羽毛球場平均輻射溫度影響因子顯著大于空氣溫度與相對濕度的影響因子，在這些場地熱環(huán)境改善時應側(cè)重對圍護結(jié)構保溫性能進行的考慮。③在籃球場中空氣溫度、相對濕度和輻射溫度的影響因子大小相近。這些場地在進行熱環(huán)境改善時應均衡考量。