室内运动场馆O2和CO2实时监测与学生体质健康保障机制研究

魏 玮，李永登

(天津体育学院，天津 300381)

1 问题的提出

学校室内运动场馆是指用于学校体育竞赛、体育教学、课外体育活动、学生健身，并满足我国《体育馆卫生标准》要求具有代表性的建筑物，也是保证学校体育教学、开展课外体育活动和增强学生体质的物质基础。近年来，随着我国综合国力的不断提高和教育投入的增加，我国近1000多所大、中、专院校修建了具有一定规模的室内运动场馆，据2003年第五次全国体育场地普查数据公告统计，我国共有64种标准体育场地。其中，室内体育场馆共55678个，占标准体育场地总数的10.2%;其中分布在校园的体育场地有549654个，占全国体育场地总数的67.7%。可见，室内运动场馆的大力建设在一定程度上改善了我国学校体育教学和学生体育锻炼的环境。但是从我国公共卫生监测角度来看，由于我国经济的迅速发展，学校体育场馆建设在追求数量的同时，忽略了室内运动场馆空气污染以及衍生的局部运动环境问题对学生体质健康造成了负效影响。世界卫生组织做过一项调查显示，室内运动场馆污染引起的疾病负担是环境大气引起疾病负担的5倍，2012年国发办53号文件第七条明确提出加快学校体育设施建设，必须执行《国家学校体育卫生条件试行基本标准》和《中小学体育设施技术规程》两个标准。因此，在加大室内运动场馆建设的同时注重科学规划、绿色环保、营造节能、安全、舒适的运动环境，在良好的体育环境进行体育活动是充分发挥体育健身功能的前提。

本研究基于国内已有的研究进展，以某市高校室内运动场馆空气状况为研究对象，通过实验监测，构建适合我国室内运动场馆运动安全标准与预防机制系统的模型，为相关部门制定室内运动场馆标准提供理论与技术参考。

2 研究对象和研究方法

2.1 研究对象

本论文主要以室内运动场馆监测指标的相关问题为研究对象，对某市19～24岁在校20名学生在室内、外进行体育活动实验研究，监测了不同环境中受试者身体形态、体温、心率和血乳酸的变化情况。受试者身体健康，无心肺系统疾病史，自愿参加本次监测。具体受试者分布情况如下:

表1 受试者基本情况统计

2.2 实验方法

实验1，首先采用5点采集监测室内运动场馆无人条件下的温度、氧气浓度和二氧化碳浓度，开始监测240名学生在室内运动场馆活动5min后的室内温度、氧气和二氧化碳浓度，以后每隔5min监测一次室内氧气和二氧化碳浓度，监测时间为45min，并记录5点采集的数据。

实验2，首先在进行测试当天，让20名受试者在室内运动场馆静坐休息10min，测其安静时的身高、体重、体温、心率和血乳酸。其次受试者进行5min热身的准备活动后，稍作休息，心率控制在70次左右，然后受试者在功率自行车上按照要求做递增负荷运动，功率负荷从40 W开始开始，每隔3min递增40W，要求受试者始终保持自行车转速在60 r/min，在测试过程中，受试者带心率遥测仪，心率遥测仪与计算机连接，同步保存数据记录。一周后，在室外进行同样的测试。

2.3 测试指标

实验1中主要监测每5min室内运动场馆的温度、氧气和二氧化碳浓度;在实验2中，测试受试者在进行递增负荷运动中第3min～15min的身体体温、心率值和血乳酸值。

2.4 测试仪器

心率遥测表、血乳酸测定仪、红外体温测试仪、采集仪和监测仪。

2.5 数理统计处理

对实验数据进行统计和编号，对所取得的调查数据运用Excel 2007进行分类整理，然后运用SPSS17.0 for windows软件对所获得的数据进行分析。

3 结果与分析

3.1 不同时间室内运动场馆氧气和二氧化碳浓度变化特征

氧气和二氧化碳浓度是反映室内运动场馆空气质量的一个重要的指标，同时也间接的反映了室内空气的新鲜程度或室内新风输送的强弱。根据我国《体育馆卫生标准》GB9688－1996规定，我国室内运动场馆相对湿度为40%～80%，二氧化碳日平均浓度应≦0.1%，最低标准为 0.12%，如果二氧化碳超过0.12%，室内空气就会呈现出气态污染物，室内空气质量超标，长时间在超标环境中进行体育活动，体内物质代谢增强，如果人体安静时每分钟吸入空气按照9L计算，在进行剧烈体育活动时，人体每分钟可吸入体内的空气约为100L，增加了10余倍，在此环境中运动，人体内电解质平衡遭到破坏，将会产生轻度的血乳酸中毒，导致头痛和疲劳提前，严重时会引起一系列病症。室内国际标准的二氧化碳为0.07%，室内运动场馆环境与室外空气环境完全一致。

表2 室内运动场馆氧气和二氧化碳浓度变化统计

表2实验结果显示，受试者在室内运动场馆进行体育活动时候，随着时间的增加室内运动场馆二氧化碳浓度逐渐升高，正常情况下，风速保持在0.06 m/s，室内运动场馆二氧化碳体积分数为0.043%，氧气体积分数为20.12%;受试者随着运动负荷的增加，每隔5min监测一次氧气和二氧化碳体积分数，当受试者活动40min后，室内运动场馆二氧化碳体积分数达到0.113%，临近最低标准为0.12%，如果受试者在此环境中长时间进行体育活动，不仅达不到体育锻炼和改善学生体质，在一定程度对学生身心健康产生影响。

3.2 不同负荷、不同时间下室内外运动场馆环境对学生体质健康的影响

表3 室内、外运动场馆环境对学生体质健康的影响

体温主要受体温调节系统自动控制，当调节系统的散热过程不能保证体热平衡时，体温会升高，适度的升高可以提高运动神经系统的兴奋性，降低肌肉的粘滞性，加速血液循环，有利于人体进行体育活动。表3实验结果显示，受试者在室内、外进行递增负荷运动至力竭后，体温随着运动时间和运动强度的增加逐渐升高。安静状态下人体体温在室内、外运动场馆均值为36.2±0.1℃，每3min增加40W进行5次递增负荷的运动后，负荷强度从40W增至120W，室外运动场地人体体温均值升高到36.8±0.2℃，室内运动场馆人体体温为37.5±0.2℃，体温均值升高了0.7±0.2℃;受试者负荷强度从160W增至200W的力竭运动中，体温明显升高，15min后，室内和室外受试者的体温相差值达到了0.9±0.2℃。说明人体在室内运动场馆体育活动前10min，体温的升高有利于人体进行体育活动，随着运动强度的增加，室内场馆人体体温升高明显高于室外运动场地，两种锻炼环境人体体温无显著差异。(p﹤0.05)

心率变化主要取决于运动的强度和运动持续的时间，安静状态正常心率均值为75次/min。通过表3呈现变化可见，受试者安静状态平均心率为65.97±6.7次/min，受试者在室内、外运动场馆功率自行车上进行递增负荷运动至力竭时，随着运动时间和运动强度的增加，分别承受40 W、80 W、120 W、160 W 和200W逐次递增的5个负荷，每个负荷持续运动3 min，无论是在室内、外运动场馆，心率出现明显上升，室内运动场馆的上升幅度明显高于室外，运动时间由3min增至12min时，室内运动场馆和室外运动场地对心率的影响较大，差值分别为3.3次/min、4.06次/min、7.82 次/min、5.88 次/min、15.71 次/min;当运动负荷达到200W，时间为15min时，心率和负荷强度出现非线性关系，呈现出一定水平上的稳定状态，此时的稳定状态心率值称为心率阈值，室外和室内运动场馆心率阈值分别为152.43±2.4次/min和155.46±6.3次/min，但是室内环境下运动的受试者心率阈值提前5min出现。表明在室内运动场馆进行体育活动与室外环境中存在差异，具有相关性，但是在场馆上座率为0的情况下两种锻炼环境之间差异不显著。(p﹤0.05)

血乳酸是反映有氧工作能力的重要指标，安静时血乳酸浓度为2mmol/L以下，最高为32mmol/L。通过表3实验结果显示，每隔3 min受试者接受新的负荷刺激，血乳酸值随着运动负荷和运动时间的变化而升高，安静状态时血乳酸水平为1.23±0.7mmol/L。根据实验数据结果可知，在递增负荷运动中的起始阶段，室内、外运动场馆血乳酸浓度上升较缓慢，主要因为负荷强度较小，有氧代谢供能尚能满足机体的需求，随着负荷强度的增加，ATP、CP的消耗，细胞内ADP、AMP、磷酸和肌酸的含量逐渐增多，糖原分解加速，丙酮酸生成超过了丙酮酸脱氢酶的范围，乳酸生成速率增加，表现为血乳酸浓度升高。当运动负荷强度为160W，室外运动场地的受试者乳酸阈出现在12min，血乳酸浓度达到5.13mmol/L;室内运动场馆受试者血乳酸阈出现在9min，负荷强度为120W，血乳酸浓度为4.86mmol/L;可见在不同环境中运动血乳酸值变化具有差异性，在室内参加体育活动时血乳酸上升速度明显高于室外参加体育活动的血乳酸值，综上表明，室内运动场馆的空气质量对于在其中进行体育锻炼学生的锻炼效果和身心健康将产生极大的影响。

3.3 室内运动场馆氧气与二氧化碳监测的实施程序

目前，由于我国室内运动场馆使用人群集中、尚没有建立体育场馆环境安全标准及预防体系，另外我国大多数学校室内运动场馆对外开放，易成为公共群体交叉感染、传播疾病的源头，成为青少年身心健康造成了隐形隐患。通过调查发现，我国室内运动场馆空气质量的净化集中采用中央空调，送风的主要方式采用:上送方式、侧送方式、下送方式、分区送风四种形式。中央空调在新风输送过程中存在以下隐患:第一，中央空调的主要功能是供热供冷，尚未安装空气净化装置，新风得不到高效净化;第二，中央空调在智能输风的过程中未新风进行监测;第三，中央空调系统在送风过程容易产生交叉污染。针对以上的问题，本文在前人研究的基础上，基于绿色环保、供需平衡理念，自动高效监测和智能治理通风技术相结合，构建了室内运动场馆氧气与二氧化碳监测的实施程序。

3.3.1 监测指标

本次监测根据《体育馆卫生标准》GB9688－1996和《中小学校体育设施技术规程》JGJ/T 280－2012文件规定，系统设置的监测指标为:温度、氧气、二氧化碳。

3.3.2 工作原理

采用5点采集法和监测法，将5个由二氧化碳浓度传感器和氧气浓度传感器采集到的数据经NRF24L01无线收发模块上传至数据接收端，数据经汇总和处理后，发送至空气状态实时动态监控中心，同步发送大屏幕进行实时显示，如果室内运动场馆氧气浓度过低或者二氧化碳浓度过高，系统将通过自动调节系统(设定值和室内氧气浓度过低或者二氧化碳浓度过高)启动或停止送风系统。

3.3.3 实时动态监控中心

监控中心是该系统的控制管理中心，主要是现场收集处理室内的监测数据，监督出风口、送风口的空气质量，新风口装有空气净化模块，自动调节净化空气，指挥设备运行的状况。

图1 五点监测实施程序

3.4 构建室内运动场馆氧气与二氧化碳监测理论模型

3.4.1 对室内运动场馆不同时间、不同人数情况进行分析，得出分布规律，运用计算流体动力学方法，通过5点采集点和2点监测点的数据，系统根据室内和室外温度，汇总发至接收端，接收端通过分析和处理得出

其中ti(i=1，2，…，5)代表5个采集点的实时温度为反馈到接收端后处理的平均值，当≥16 时，达到标准要求;而当＜16时，系统自动启动空气加热。

3.4.2 建立室内运动场馆空气质量自动检测和智能治理的模块化集成技术，通过5点采集点和2点监测点的室内和室外氧气与二氧化碳浓度数据，经接收端汇总和处理后得出

其中ci(i=1，2，…，5)代表5个采集点的实时温≤度 为反馈到接收端后处理的平均值，当0.07≤0.12时，达到标准要求;而当0.12时，系统自动预警并启动送风系统，送风系统装有符合国家标准的净化消毒的装置。

室内运动场馆氧气与二氧化碳监测理论模型模型具有以下特点(1)完整性:全面监测室内运动场馆环境，能够实现直接或间接的评估室内运动场馆的空气质量。(2)可操作性:通过监测中心对采集和监测的数据进行分析。(3)实时动态性:采用5点采集，实时动态监测系每时每刻对室内和室外的空气质量进行监测，同步发送至 LED显示，可以对整个室内运动场馆的空气质量进行监控。(4)节约性:整套监测系统为室内运动场馆保障了节约了大量的人力和物力，通过监测中心可以监控整个室内运动场馆的空气质量。(6)科技性:本监测系统运用NRF24L01无线收发模块，以绿色环保为理念，建立室内和室外氧气和二氧化碳浓度动态平衡，自动监测和智能治理相结合，保障室内运动场馆的环境和室外运动场馆环境一致。

4 结论

4.1 受试者持续时间活动40min，室内运动场馆二氧化碳体积分数临近最低标准，室内运动场馆二氧化碳浓度是反映室内运动场馆空气质量的一个重要的指标。

4.2 室内运动场馆中受试者体温的升高有利于人体进入准备活动，随着运动强度的增加，室内场馆人体体温升高明显高于室外运动场地，两种锻炼环境人体体温无显著差异。

4.3 安静状态下室内和室外运动场馆受试者的心率无差异，进行递增运动负荷持续至力竭，心率上升明显，室内运动场馆受试者的心率阈值比室外提前3min出现。

4.4 受试者在室内运动场馆和室外运动场地进行递增运动负荷持续至力竭，室内运动场馆受试者血乳酸浓度上升幅度明显高于室外，血乳酸阈值比室外运动场馆提前5min出现。

4.5 室内运动场馆氧气和二氧化碳监测理论模型，采用定量和定性分析相结合，具体操作使用了实验操作和数理统计，表明该指标计算模型具有较强的可操作性。

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