陳 茜，李 晉，唐松林

1.華南理工大學(xué)，廣東 廣州 510641

2.空軍廣州工程設(shè)計(jì)室，廣東 廣州 510052

隨著人民生活水平的逐漸提高，越來(lái)越多的人開(kāi)始參與體育運(yùn)動(dòng)，相應(yīng)的體育館室內(nèi)環(huán)境問(wèn)題也逐漸受到人們的重視[1]。運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下人體對(duì)熱的反應(yīng)與非運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下人體對(duì)熱的反應(yīng)有明顯的區(qū)別，熱感覺(jué)為中性的狀態(tài)點(diǎn)并不是受試者感到舒適的最佳狀態(tài)點(diǎn)，人們?cè)诖藭r(shí)可能會(huì)期望溫度升高或降低。基于此，熱偏好作為比熱中性更恰當(dāng)?shù)淖罴褵釥顟B(tài)而受到重視和研究[2]。文章將期望溫度作為運(yùn)動(dòng)人群對(duì)熱環(huán)境適應(yīng)性的評(píng)價(jià)指標(biāo)，將不同場(chǎng)所內(nèi)不同運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度下的溫度期望變化趨勢(shì)進(jìn)行對(duì)比并總結(jié)出規(guī)律。

文章實(shí)測(cè)時(shí)間為過(guò)渡季，因?yàn)閺V州地區(qū)位于亞熱帶氣候區(qū)，過(guò)渡季較長(zhǎng)且氣候溫和，適合體育運(yùn)動(dòng)；將屋頂圍護(hù)結(jié)構(gòu)材質(zhì)不同的廣東藥科大學(xué)體育館主館和副館作為研究對(duì)象，進(jìn)而總結(jié)出廣州地區(qū)體育館室內(nèi)熱環(huán)境改善策略。

1 研究方法

1.1 測(cè)試地點(diǎn)與時(shí)間

廣東藥科大學(xué)體育館作為2007年全國(guó)大學(xué)生運(yùn)動(dòng)會(huì)的藝術(shù)體操館和2010年廣州亞運(yùn)會(huì)的排球比賽館，在功能和地域上具有廣州地區(qū)體育館的代表性。主館屋頂由橫向鋁合金遮陽(yáng)板構(gòu)成；副館屋頂為覆土屋面，結(jié)合大平臺(tái)布置大面積綠化。主館、副館屋頂剖面如圖1、圖2所示[3]。

圖1 主館屋頂剖面示意圖

圖2 副館屋頂剖面示意圖

文章實(shí)測(cè)時(shí)間為2020年10—11月選取的13個(gè)典型氣候日，每日涵蓋體育訓(xùn)練館一般使用時(shí)間段——上午9：00～11：00和下午2：00～6：00。體育館運(yùn)動(dòng)對(duì)風(fēng)速有嚴(yán)格要求且過(guò)渡季室內(nèi)門(mén)窗基本處于關(guān)閉狀態(tài)，測(cè)試期間室內(nèi)平均風(fēng)速為0.1m/s，且主要受人流活動(dòng)影響，因此這里不做詳細(xì)分析。

1.2 測(cè)試方案

實(shí)測(cè)分為環(huán)境指標(biāo)測(cè)量和溫度期望問(wèn)卷兩部分。環(huán)境指標(biāo)測(cè)量對(duì)象包括室內(nèi)外空氣溫度、黑球溫度、濕度，選用的儀器為T(mén)esto480、五合一空氣質(zhì)量探頭、黑球輻射溫度探頭，測(cè)試地點(diǎn)如圖3所示。溫度期望問(wèn)卷的測(cè)試對(duì)象為32名經(jīng)常參加運(yùn)動(dòng)的大學(xué)生（男20名，女12名），均在廣州生活了一年以上，并適應(yīng)了廣州地區(qū)的熱環(huán)境。為了保證研究的可靠性和結(jié)果的科學(xué)性，研究對(duì)象在實(shí)測(cè)期間身穿標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)服飾：短褲、短袖及運(yùn)動(dòng)鞋。

圖3 室內(nèi)外實(shí)測(cè)地點(diǎn)

當(dāng)人體在不同的新陳代謝水平之間轉(zhuǎn)換時(shí)，人體熱感覺(jué)和體表溫度需要15～20min才能達(dá)到穩(wěn)態(tài)[4]。實(shí)測(cè)以20min為一個(gè)單元分別進(jìn)行投籃、上籃、折返跑。為控制變量，每項(xiàng)運(yùn)動(dòng)前靜坐20min以恢復(fù)初始狀態(tài)。全過(guò)程通過(guò)運(yùn)動(dòng)手表實(shí)時(shí)監(jiān)控受試者的心率以穩(wěn)定新陳代謝率，記錄人員每3min詢(xún)問(wèn)一次受試人員的溫度期望并進(jìn)行記錄，用于后續(xù)統(tǒng)計(jì)分析的數(shù)據(jù)均取自各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行15min后受試者身體狀態(tài)基本達(dá)到穩(wěn)定的數(shù)據(jù)。

2 測(cè)試結(jié)果分析

2.1 室內(nèi)外空氣溫度

將測(cè)試期間每20min取平均值形成室內(nèi)外空氣溫度日變化曲線(xiàn)，如圖4所示。主館溫度較副館溫度變化劇烈，最大溫差為2.69℃；副館變化相對(duì)平滑，最大溫差為1.38℃。主館過(guò)渡季平均溫度為26.5℃，副館過(guò)渡季平均溫度為26.4℃，測(cè)試過(guò)程中主館最高溫度可達(dá)30.3℃，副館最高溫度為28.8℃，如表1所示。主館為金屬屋面，熱惰性較低，太陽(yáng)照射下日最高溫度較高，空氣溫度受室外溫度變化影響大；副館為覆土屋面，熱惰性較高，日最高溫度相對(duì)較低且全天氣溫變化較小。因此，覆土種植屋面更能起到保溫隔熱的作用，對(duì)維持室內(nèi)溫度效果顯著。

表1 室內(nèi)外場(chǎng)館熱環(huán)境相關(guān)物理量對(duì)比

圖4 室內(nèi)外空氣溫度隨時(shí)間變化圖

2.2 室內(nèi)外空氣濕度

室內(nèi)外日平均空氣濕度變化如圖5所示。測(cè)試期間室外相對(duì)濕度隨氣溫升高而降低，最低至34.95%，主館和副館均保持在50%以上。主館下午相對(duì)濕度最低，平均濕度為51.7%；副館濕度上午到中午逐漸降低，中午到下午逐漸升高，平均值為53.8%。因此，副館較主館能有效維持相對(duì)濕度。

圖5 室內(nèi)外相對(duì)濕度隨時(shí)間變化圖

2.3 室內(nèi)操作溫度

操作溫度考慮了多環(huán)境因素的綜合影響，可以更全面地代表室內(nèi)熱環(huán)境。ISO Standard 7726-2002所提供的溫度計(jì)算公式如下[5]：

式中：Tr為平均輻射溫度，℃；Tg為黑球輻射溫度，℃；Ta為空氣溫度，℃；V為空氣流速，m/s；D為黑球半徑，采用標(biāo)準(zhǔn)黑球，取值0.15m；ε為黑球吸收率，取0.95。

根據(jù)Tr計(jì)算操作溫度：

式中：T0為操作溫度，℃；A為常數(shù)，按照風(fēng)速＜0.2計(jì)算，其值取0.5。

計(jì)算可得，主館的操作溫度為19.1～30.3℃，標(biāo)準(zhǔn)差為2.1；副館的操作溫度為21.5～28.6℃，標(biāo)準(zhǔn)差為1.4，因此副館的熱環(huán)境穩(wěn)定性較好。

3 室內(nèi)熱環(huán)境期望評(píng)價(jià)

分別將不同場(chǎng)館內(nèi)進(jìn)行的不同運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的操作溫度根據(jù)上文公式計(jì)算出來(lái)，生成溫度期望投票值與操作溫度的回歸方程關(guān)系，如圖6～圖8所示。按照期望降溫投票值與期望溫度升高投票值交點(diǎn)為期望溫度參考標(biāo)準(zhǔn)，在主館進(jìn)行投籃、上籃、折返跑三項(xiàng)運(yùn)動(dòng)的期望溫度分別趨于23.1℃、21.1℃、18.2℃；副館中對(duì)應(yīng)的溫度分別趨于24.6℃、21.8℃、20.8℃。對(duì)比可知，隨著運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的增加，期望溫度都呈下降的趨勢(shì)，而在副館中期望溫度始終比主館高。綜合上文分析的環(huán)境指標(biāo)對(duì)比可知，有覆土種植屋面的場(chǎng)館由于熱環(huán)境穩(wěn)定，屋頂受到太陽(yáng)輻射得熱較金屬屋面小，能給人良好的熱感覺(jué)，使運(yùn)動(dòng)人群對(duì)操作溫度的接受度更高。

圖6 投籃時(shí)溫度期望投票比率與操作溫度的關(guān)系

圖7 上籃時(shí)溫度期望投票比率與操作溫度的關(guān)系

圖8 折返跑時(shí)溫度期望投票比率與操作溫度的關(guān)系

4 結(jié)論

（1）過(guò)渡季主館平均單日最大溫差為2.69℃，副館最大溫差為1.38℃；主館過(guò)渡季平均溫度為26.5℃，副館平均溫度為26.4℃。因此，覆土種植屋面有效地起到了保溫隔熱的作用，對(duì)維持室內(nèi)溫度效果顯著。

（2）過(guò)渡季主館平均濕度在51.7%，副館平均濕度為53.8%。副館較主館能有效維持空氣濕度。

（3）過(guò)渡季主館的操作溫度為19.1～30.3℃，標(biāo)準(zhǔn)差為2.1。副館的操作溫度為21.5～28.6℃，標(biāo)準(zhǔn)差為1.4。因此，副館的熱環(huán)境穩(wěn)定性較好。

（4）過(guò)渡季在主館進(jìn)行投籃、上籃、折返跑三項(xiàng)運(yùn)動(dòng)時(shí)的期望溫度分別趨于23.1℃、21.1℃、18.2℃；在副館中對(duì)應(yīng)的期望溫度分別趨于24.6℃、21.8℃、20.8℃。在副館中的期望溫度始終比主館高，對(duì)熱環(huán)境操作溫度的接受度更高。

（5）在體育館建筑的設(shè)計(jì)過(guò)程中，圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料的選擇除了需要考慮傳熱系數(shù)，還應(yīng)考慮材料的熱惰性以減少室外溫度變化對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的影響。覆土種植屋面相較金屬屋面能有效隔絕太陽(yáng)輻射得熱，達(dá)到保溫隔熱的目的，形成穩(wěn)定的建筑熱環(huán)境，從而提高運(yùn)動(dòng)人群對(duì)溫度變化的接受度，改善運(yùn)動(dòng)過(guò)程中對(duì)環(huán)境的熱適應(yīng)性。