高校小型体育馆建筑冬季室内热环境评价与分析

王首一，朱笛

（1.天津大学，天津 300072；2.河北工程大学建筑学院，河北 邯郸 056038）

0 前言

高校体育馆在高校体育教育及社会体育竞赛中发挥重要作用，是校园建筑的重要部分。体育馆室内热环境状况对体育活动的开展与运动员比赛成绩有较大影响。

评价室内热舒适状况的基于人体及室内环境多因素的综合评价方式的热舒适方程、图表及其PMV-PPD指标[1]由丹麦学者P.O.Fanger提出。目前PMV-PPD是国内外室内热舒使用最多的评价方法[2]。国内学者对热环境的研究主要集中在居住建筑中，如刘加平、杨柳等致力于地域性建筑热环境及舒适度研究[3]。钱锋[4]较多对于体育建筑环境研究，主要集中在体育建筑风环境数值模拟与建筑环境能效值分析，体育建筑的热环境研究较少。本文选取邯郸某大学体育馆为研究案例，在测量冬季温度、湿度、壁面温度的基础上，分析体育馆内部热环境状况。利用预计平均热感觉指数（predictied meanvote，PMV）和预计平均不满意者的百分数[6]（predictied percentage of dissatisfied，PPD）评价体育馆室内热舒适状况。运用主成分分析与主成分回归法计算出影响室内热舒适度因素的影响因子大小，进而提出体育馆的室内热环境改善策略，对以后体育馆建筑热环境设计以及改造起到借鉴作用。

1 体育馆建筑热环境实测

1.1 测试对象

目前国内高校体育馆以小型体育场馆为主，主要做教学和训练用，大多不设看台。本文选取建筑结构、体育馆类型较为典型，使用频率高的邯郸某大学体育馆进行测量分析研究。体育馆为两层建筑，建筑面积约为2500m2。体育馆为框架结构支撑的轻钢屋面。内部空间分为中部通高篮球场，一层北部为健身室，南部为空场，二层北部为乒乓球场，南侧为羽毛球场，东西两侧为配套的办公和准备用房。馆内设中央空调，在场馆开放时间内运行。体育馆平面图如图1。

图1 体育馆平面及测点图

1.2 测试方案

按《建筑热环境测试方法标准》（JGJ/T 347-2014）规定，测试时间选在当地冬季大寒日1月20日进行，当天天气状况为阴天。

测试内容：室内外温度、湿度，各场地围护结构壁面温度，室内风速。

测试方法及测试仪器：测试区域为篮球场、乒乓球场、健身室、羽毛球场。按照《建筑热环境测试方法标准》规定，大于60m2的房间测点布置取房间平面的2条对角线作为布点定位线，并应在其交点和3等分点处布点[7]，如图 1。测试时间分别为 8：00～18：00，测试间隔30min。

测试仪器分别选用testo635温湿度露点仪、testo425风速计、fluke65红外测温仪。

1.3 测试结果分析

1.3.1 室内外空气温度

测试场馆的室内外温度如图2所示。室内外温度整体较高，且室内温度变化趋势与室外温度变化趋势基本相同，室内各场地的温度在7～10.4℃之间，室外温度差在-0.9℃～7.8℃。在五个场馆的温度差异比较中，平均温度最低的是南侧空场为7.5℃，较其他场地低0.45～1.69℃。总体而言，测试期间各场地温度都比较恒定；室内温度主要受室外温度影响变化而波动。此外各场地温度差异主要受其围护结构热传导的影响。

图2 室内外平均温度

1.3.2 室内空气湿度

测试期间室内外湿度如图3所示。总体来看测试期间各场地相对湿度均在30%RH以上。室内相对湿度变化趋势为上午到中午湿度逐渐降低，中午到下午逐渐升高，湿度变化与温度变化成负相关关系。各场地平均湿度相差较小，平均湿度在36.5%RH～38.6%RH之间。

图3 室内外平均湿度

1.3.3 室内壁面温度与室内平均辐射温度

各场地壁面温度如图4所示，各部分壁面温度的数值变化基本与室外温度相一致。从各围护结构的波动趋势看，受太阳辐射时段的影响，变化趋势滞后于室外温度。各场地壁面温度最低的构件分别为，乒乓球场：西墙（4.0℃）；健身室：西墙（3.47℃）；篮球场：西墙：（4.97℃）；空场：南门（3.39℃）；羽毛球场：西墙（3.57℃），由此可知体育馆西墙对冬季室内热环境有较大影响。

根据辐射温度计算公式：

式中t1，t2，...，tn——表面温度；

S1，S2，...，Sn—各墙体面积。

计算得出各场地逐时平均辐射温度（MRT）的概算值（图5）。由图5可知各场地的平均辐射温度（MRT）与室内平均温度较为接近。

图4 各场地壁面温度

图5 各场地MRT

1.3.4 室内风速

由于体育馆运动对风速有严格要求，且冬季室内门窗基本处于关闭状态。测试期间室内平均风速为0.1m/s主要受人流活动影响，所以这里不做详细分析。

2 室内热环境评价

依据丹麦学者房格尔（P.O.Fanger)提出的PMV-PPD评价[8]，影响人的热感觉分为环境因素与人体因素，包括空气温度、相对湿度、平均辐射温度(MRT)、气流速度、人体新陈代谢率以及衣服热阻[9]。环境指标由以上测量结果得出，各项运动的人体代谢率。根据美国加州大学伯克利分校建筑环境中心的人体热舒适度PMV、PPD计算器[10]得出，利用计算器得出体育馆室内个场地的PMV-PPD结果。

根据计算结果显示，各场地PMV-PPD结果较为接近。以乒乓球场为例，如图6。PMV值上午逐渐升高，10：30左右达到区域峰值，PMV值为0.56，对应PPD 为 12%。11：30～15：30PMV 值逐渐升高，15：30PMV值为测量时间内峰值，对应PPD为16%。随后PMV值呈下降趋势。总体而言，测量时间段内PMV-PPD变化趋势为逐渐升高后逐渐降低。上午前半段热感觉为中性，中午时间段前后为稍暖，下午后半段为中性。

综上所述，除健身室在11点左右PMV值为2.02上下，热环境感觉为热，其他场地热环境总体感觉均为很热。可知体育馆热环境全天较差，舒适度较差。

图6 乒乓球场PMV-PPD曲线

3 室内热舒适度的主成分与回归分析

3.1 影响热舒适因素的选取

主成分分析是运用“降维”的思想，把多个变量通过树立数理与运算转换的方式转换成少数几个不存在密切联系的综合变量，而通过转换形成的新变量对原始信息进行有效分析[11]。

由于体育馆室内对风速要求较高，基本保持无风状态，所以在进行主成分分析时不把风速作为主要影响因素。因此选取平均温度、空气湿度、平均辐射温度3个影响因素进行主成分分析。本章运用主成分分析与主成分回归的方法得出3个影响因素对室内热舒适度的影响因子大小。

3.2 主要影响因素分析

运用spss19统计分析软件对五个场地的平均温度、空气湿度、辐射温度3个因素进行主成分分析。根据统计学理论及软件计算提取主成分，各场地的主成分累计贡献率分别为乒乓球场96.734%、健身室98.618%、篮球场96.964%、空场95.075%、羽毛球场94.721%。由于想要得到室内环境指标(温度、湿度、辐射温度)对室内热环境评价的影响因子数值，在提取主成分后暂且不对主成分概括。由表3各场地成分得分系数矩阵可以计算出各场地主成分表达式：

乒乓球场：

健身室：

篮球场：

空场：

羽毛球场：

（这里的公式作为备查，spss会自动生成个场地FAC新变量，为公因子的取值。）

成分得分系数矩阵 表3（a）乒乓球、健身、羽毛球场成分得分系数矩阵

3.3 主成分回归分析

由于直接进行变量间回归计算的回归方程存在共线性[12]。为了解多个自变量对因变量的影响程度大小，需将主成分回归方程还原回原始变量的形式，才能得到更为准确的分析结果。

因此，只需将公因子的计算公式带入标化主成分回归方程，方解出对应的原始变量对总的标化回归系数方程，而继续将标化主成分回归方程[13]。最终得到的标化原始变量作自变量的标化回归方程如下：

乒乓球场：

健身室：

篮球场：

空场：

羽毛球场：

由各场地标化原始变量的标化回归方程可知：乒乓球、健身室、空场和羽毛球场的辐射温度影响因子较大分别为0.705、0.563、0.612和0.737，相比于回归方程中其他因素系数较高。篮球场平均温度、相对湿度和辐射温度的影响因子相差较小，差值为0.033。

4 体育馆热环境优化建议

根据上一节三个变量对室内热舒适度评价的影响因子计算可知。辐射温度影响因子较大的场地为乒乓球、健身室、空场和羽毛球场，室内平均温度和相对湿度对所有场地室内热舒适度评价的影响因子大小相当。这是由于四个场地围护结构中有大面积开窗，且乒乓球场和羽毛球场接受轻钢屋顶的传热较多。对于体育馆室内热环境改善策略既应全面考虑三种因素对室内热舒适度的影响，也参考各项因素影响因子有针对性提出。

4.1 室内空气温度改善

经过对室内温度持续测量，冬季体育馆室内空气温度处于较低状态。体育馆室内空气温度较低的原因有：室内取暖设备能力有限、围护结构中门窗与屋顶无有效的保温措施，受室外环境影响较大。由于体育馆建筑内部空间巨大且层高较高，适宜采用热压通风的方式。热压通风的原理为在建筑垂直方向下方设置冷空气进风口，上方设置热空气出风口。利用冷热空气间的空气密度差产生空气流动，排出室内热空气。热压通风的方式既可以减少室内空调的运行消耗，也可最大程度减少壁面室内空气流动对体育运动的影响。

4.2 室内相对湿度改善

在夏季气候条件下室内相对湿度水平较高，也会加重人体的热感觉。测量期间体育馆室内相对湿度较高主要受室外湿度及室内人员的影响，且室内无主动的降湿手段。在不影响室内体育运动的情况下，较适宜的手段为运用空调等机械手段主动排湿降湿，以及在室内放置吸湿效果好的吸附剂来降低室内相对湿度。同时在场馆管理上可增加室内相对湿度的方面进行有效管控。

4.3 辐射温度改善

辐射温度是影响室内热舒适度重要因素，在体育馆内部的乒乓馆及羽毛球馆中尤为明显。辐射温度主要受围护结构传热影响，邯郸职业技术学院体育馆围护结构中，屋顶为轻钢屋顶，门窗为普通铝合金加单层玻璃，墙体为普通空心砌块墙体。这些围护结构较少考虑保温性能，因此室内热量流失严重，应考虑替换隔热性能较好的材料。目前体育馆屋顶隔热通常采用选取保温性能好的屋顶保温材料[15]。门窗应采用传热系数小的材料，如段热铝合金材料及Low-E镀膜玻璃减少室内外热量传递，同时做好门窗的密闭性能。围护墙体应适当增加保温隔热层的厚度，以降低墙体传热系数减少热量传递。除改善围护结构本身隔热性能外，增加墙体绿化与增设外部遮阳措施都可以有效改善室内热环境。

5 结论

在对邯郸职业技术学院室内热环境测量中发现，室内空气温度、相对湿度及壁面温度都处于较低水平，体育馆热环境亟需改善。

根据体育馆室内热测量结果与热环境评价结果，运用主成分分析与回归计算热环境相关因素影响因子，得到以下结论：①运用主成分分析与主成分回归分析，可有效判别热环境相关因素对室内热舒适度的影响因子，从而精确指导室内热环境改善，在改善中也便于提出更有针对性的策略。②乒乓球、健身室、空场和羽毛球场平均辐射温度影响因子显著大于空气温度与相对湿度的影响因子，在这些场地热环境改善时应侧重对围护结构保温性能进行的考虑。③在篮球场中空气温度、相对湿度和辐射温度的影响因子大小相近。这些场地在进行热环境改善时应均衡考量。