基于運動人群熱適應性的廣州地區(qū)體育館過渡季室內熱環(huán)境對比研究

陳 茜，李 晉，唐松林

1.華南理工大學，廣東 廣州 510641

2.空軍廣州工程設計室，廣東 廣州 510052

隨著人民生活水平的逐漸提高，越來越多的人開始參與體育運動，相應的體育館室內環(huán)境問題也逐漸受到人們的重視[1]。運動狀態(tài)下人體對熱的反應與非運動狀態(tài)下人體對熱的反應有明顯的區(qū)別，熱感覺為中性的狀態(tài)點并不是受試者感到舒適的最佳狀態(tài)點，人們在此時可能會期望溫度升高或降低。基于此，熱偏好作為比熱中性更恰當的最佳熱狀態(tài)而受到重視和研究[2]。文章將期望溫度作為運動人群對熱環(huán)境適應性的評價指標，將不同場所內不同運動強度下的溫度期望變化趨勢進行對比并總結出規(guī)律。

文章實測時間為過渡季，因為廣州地區(qū)位于亞熱帶氣候區(qū)，過渡季較長且氣候溫和，適合體育運動；將屋頂圍護結構材質不同的廣東藥科大學體育館主館和副館作為研究對象，進而總結出廣州地區(qū)體育館室內熱環(huán)境改善策略。

1 研究方法

1.1 測試地點與時間

廣東藥科大學體育館作為2007年全國大學生運動會的藝術體操館和2010年廣州亞運會的排球比賽館，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板構成；副館屋頂為覆土屋面，結合大平臺布置大面積綠化。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

文章實測時間為2020年10—11月選取的13個典型氣候日，每日涵蓋體育訓練館一般使用時間段——上午9：00～11：00和下午2：00～6：00。體育館運動對風速有嚴格要求且過渡季室內門窗基本處于關閉狀態(tài)，測試期間室內平均風速為0.1m/s，且主要受人流活動影響，因此這里不做詳細分析。

1.2 測試方案

實測分為環(huán)境指標測量和溫度期望問卷兩部分。環(huán)境指標測量對象包括室內外空氣溫度、黑球溫度、濕度，選用的儀器為Testo480、五合一空氣質量探頭、黑球輻射溫度探頭，測試地點如圖3所示。溫度期望問卷的測試對象為32名經常參加運動的大學生（男20名，女12名），均在廣州生活了一年以上，并適應了廣州地區(qū)的熱環(huán)境。為了保證研究的可靠性和結果的科學性，研究對象在實測期間身穿標準運動服飾：短褲、短袖及運動鞋。

圖3 室內外實測地點

當人體在不同的新陳代謝水平之間轉換時，人體熱感覺和體表溫度需要15～20min才能達到穩(wěn)態(tài)[4]。實測以20min為一個單元分別進行投籃、上籃、折返跑。為控制變量，每項運動前靜坐20min以恢復初始狀態(tài)。全過程通過運動手表實時監(jiān)控受試者的心率以穩(wěn)定新陳代謝率，記錄人員每3min詢問一次受試人員的溫度期望并進行記錄，用于后續(xù)統計分析的數據均取自各項運動進行15min后受試者身體狀態(tài)基本達到穩(wěn)定的數據。

2 測試結果分析

2.1 室內外空氣溫度

將測試期間每20min取平均值形成室內外空氣溫度日變化曲線，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℃；副館變化相對平滑，最大溫差為1.38℃。主館過渡季平均溫度為26.5℃，副館過渡季平均溫度為26.4℃，測試過程中主館最高溫度可達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，對維持室內溫度效果顯著。

表1 室內外場館熱環(huán)境相關物理量對比

圖4 室內外空氣溫度隨時間變化圖

2.2 室內外空氣濕度

室內外日平均空氣濕度變化如圖5所示。測試期間室外相對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濕度。

圖5 室內外相對濕度隨時間變化圖

2.3 室內操作溫度

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熱環(huán)境。ISO Standard 7726-2002所提供的溫度計算公式如下[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，采用標準黑球，取值0.15m；ε為黑球吸收率，取0.95。

根據Tr計算操作溫度：

式中：T0為操作溫度，℃；A為常數，按照風速＜0.2計算，其值取0.5。

計算可得，主館的操作溫度為19.1～30.3℃，標準差為2.1；副館的操作溫度為21.5～28.6℃，標準差為1.4，因此副館的熱環(huán)境穩(wěn)定性較好。

3 室內熱環(huán)境期望評價

分別將不同場館內進行的不同運動過程中的操作溫度根據上文公式計算出來，生成溫度期望投票值與操作溫度的回歸方程關系，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為期望溫度參考標準，在主館進行投籃、上籃、折返跑三項運動的期望溫度分別趨于23.1℃、21.1℃、18.2℃；副館中對應的溫度分別趨于24.6℃、21.8℃、20.8℃。對比可知，隨著運動強度的增加，期望溫度都呈下降的趨勢，而在副館中期望溫度始終比主館高。綜合上文分析的環(huán)境指標對比可知，有覆土種植屋面的場館由于熱環(huán)境穩(wěn)定，屋頂受到太陽輻射得熱較金屬屋面小，能給人良好的熱感覺，使運動人群對操作溫度的接受度更高。

圖6 投籃時溫度期望投票比率與操作溫度的關系

圖7 上籃時溫度期望投票比率與操作溫度的關系

圖8 折返跑時溫度期望投票比率與操作溫度的關系

4 結論

（1）過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，對維持室內溫度效果顯著。

（2）過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）過渡季主館的操作溫度為19.1～30.3℃，標準差為2.1。副館的操作溫度為21.5～28.6℃，標準差為1.4。因此，副館的熱環(huán)境穩(wěn)定性較好。

（4）過渡季在主館進行投籃、上籃、折返跑三項運動時的期望溫度分別趨于23.1℃、21.1℃、18.2℃；在副館中對應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，對熱環(huán)境操作溫度的接受度更高。

（5）在體育館建筑的設計過程中，圍護結構材料的選擇除了需要考慮傳熱系數，還應考慮材料的熱惰性以減少室外溫度變化對室內熱環(huán)境的影響。覆土種植屋面相較金屬屋面能有效隔絕太陽輻射得熱，達到保溫隔熱的目的，形成穩(wěn)定的建筑熱環(huán)境，從而提高運動人群對溫度變化的接受度，改善運動過程中對環(huán)境的熱適應性。