基于运动人群热适应性的广州地区体育馆过渡季室内热环境对比研究

陈 茜，李 晋，唐松林

1.华南理工大学，广东 广州 510641

2.空军广州工程设计室，广东 广州 510052

随着人民生活水平的逐渐提高，越来越多的人开始参与体育运动，相应的体育馆室内环境问题也逐渐受到人们的重视[1]。运动状态下人体对热的反应与非运动状态下人体对热的反应有明显的区别，热感觉为中性的状态点并不是受试者感到舒适的最佳状态点，人们在此时可能会期望温度升高或降低。基于此，热偏好作为比热中性更恰当的最佳热状态而受到重视和研究[2]。文章将期望温度作为运动人群对热环境适应性的评价指标，将不同场所内不同运动强度下的温度期望变化趋势进行对比并总结出规律。

文章实测时间为过渡季，因为广州地区位于亚热带气候区，过渡季较长且气候温和，适合体育运动；将屋顶围护结构材质不同的广东药科大学体育馆主馆和副馆作为研究对象，进而总结出广州地区体育馆室内热环境改善策略。

1 研究方法

1.1 测试地点与时间

广东药科大学体育馆作为2007年全国大学生运动会的艺术体操馆和2010年广州亚运会的排球比赛馆，在功能和地域上具有广州地区体育馆的代表性。主馆屋顶由横向铝合金遮阳板构成；副馆屋顶为覆土屋面，结合大平台布置大面积绿化。主馆、副馆屋顶剖面如图1、图2所示[3]。

图1 主馆屋顶剖面示意图

图2 副馆屋顶剖面示意图

文章实测时间为2020年10—11月选取的13个典型气候日，每日涵盖体育训练馆一般使用时间段——上午9：00～11：00和下午2：00～6：00。体育馆运动对风速有严格要求且过渡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，且主要受人流活动影响，因此这里不做详细分析。

1.2 测试方案

实测分为环境指标测量和温度期望问卷两部分。环境指标测量对象包括室内外空气温度、黑球温度、湿度，选用的仪器为Testo480、五合一空气质量探头、黑球辐射温度探头，测试地点如图3所示。温度期望问卷的测试对象为32名经常参加运动的大学生（男20名，女12名），均在广州生活了一年以上，并适应了广州地区的热环境。为了保证研究的可靠性和结果的科学性，研究对象在实测期间身穿标准运动服饰：短裤、短袖及运动鞋。

图3 室内外实测地点

当人体在不同的新陈代谢水平之间转换时，人体热感觉和体表温度需要15～20min才能达到稳态[4]。实测以20min为一个单元分别进行投篮、上篮、折返跑。为控制变量，每项运动前静坐20min以恢复初始状态。全过程通过运动手表实时监控受试者的心率以稳定新陈代谢率，记录人员每3min询问一次受试人员的温度期望并进行记录，用于后续统计分析的数据均取自各项运动进行15min后受试者身体状态基本达到稳定的数据。

2 测试结果分析

2.1 室内外空气温度

将测试期间每20min取平均值形成室内外空气温度日变化曲线，如图4所示。主馆温度较副馆温度变化剧烈，最大温差为2.69℃；副馆变化相对平滑，最大温差为1.38℃。主馆过渡季平均温度为26.5℃，副馆过渡季平均温度为26.4℃，测试过程中主馆最高温度可达30.3℃，副馆最高温度为28.8℃，如表1所示。主馆为金属屋面，热惰性较低，太阳照射下日最高温度较高，空气温度受室外温度变化影响大；副馆为覆土屋面，热惰性较高，日最高温度相对较低且全天气温变化较小。因此，覆土种植屋面更能起到保温隔热的作用，对维持室内温度效果显著。

表1 室内外场馆热环境相关物理量对比

图4 室内外空气温度随时间变化图

2.2 室内外空气湿度

室内外日平均空气湿度变化如图5所示。测试期间室外相对湿度随气温升高而降低，最低至34.95%，主馆和副馆均保持在50%以上。主馆下午相对湿度最低，平均湿度为51.7%；副馆湿度上午到中午逐渐降低，中午到下午逐渐升高，平均值为53.8%。因此，副馆较主馆能有效维持相对湿度。

图5 室内外相对湿度随时间变化图

2.3 室内操作温度

操作温度考虑了多环境因素的综合影响，可以更全面地代表室内热环境。ISO Standard 7726-2002所提供的温度计算公式如下[5]：

式中：Tr为平均辐射温度，℃；Tg为黑球辐射温度，℃；Ta为空气温度，℃；V为空气流速，m/s；D为黑球半径，采用标准黑球，取值0.15m；ε为黑球吸收率，取0.95。

根据Tr计算操作温度：

式中：T0为操作温度，℃；A为常数，按照风速＜0.2计算，其值取0.5。

计算可得，主馆的操作温度为19.1～30.3℃，标准差为2.1；副馆的操作温度为21.5～28.6℃，标准差为1.4，因此副馆的热环境稳定性较好。

3 室内热环境期望评价

分别将不同场馆内进行的不同运动过程中的操作温度根据上文公式计算出来，生成温度期望投票值与操作温度的回归方程关系，如图6～图8所示。按照期望降温投票值与期望温度升高投票值交点为期望温度参考标准，在主馆进行投篮、上篮、折返跑三项运动的期望温度分别趋于23.1℃、21.1℃、18.2℃；副馆中对应的温度分别趋于24.6℃、21.8℃、20.8℃。对比可知，随着运动强度的增加，期望温度都呈下降的趋势，而在副馆中期望温度始终比主馆高。综合上文分析的环境指标对比可知，有覆土种植屋面的场馆由于热环境稳定，屋顶受到太阳辐射得热较金属屋面小，能给人良好的热感觉，使运动人群对操作温度的接受度更高。

图6 投篮时温度期望投票比率与操作温度的关系

图7 上篮时温度期望投票比率与操作温度的关系

图8 折返跑时温度期望投票比率与操作温度的关系

4 结论

（1）过渡季主馆平均单日最大温差为2.69℃，副馆最大温差为1.38℃；主馆过渡季平均温度为26.5℃，副馆平均温度为26.4℃。因此，覆土种植屋面有效地起到了保温隔热的作用，对维持室内温度效果显著。

（2）过渡季主馆平均湿度在51.7%，副馆平均湿度为53.8%。副馆较主馆能有效维持空气湿度。

（3）过渡季主馆的操作温度为19.1～30.3℃，标准差为2.1。副馆的操作温度为21.5～28.6℃，标准差为1.4。因此，副馆的热环境稳定性较好。

（4）过渡季在主馆进行投篮、上篮、折返跑三项运动时的期望温度分别趋于23.1℃、21.1℃、18.2℃；在副馆中对应的期望温度分别趋于24.6℃、21.8℃、20.8℃。在副馆中的期望温度始终比主馆高，对热环境操作温度的接受度更高。

（5）在体育馆建筑的设计过程中，围护结构材料的选择除了需要考虑传热系数，还应考虑材料的热惰性以减少室外温度变化对室内热环境的影响。覆土种植屋面相较金属屋面能有效隔绝太阳辐射得热，达到保温隔热的目的，形成稳定的建筑热环境，从而提高运动人群对温度变化的接受度，改善运动过程中对环境的热适应性。