过渡季覆土屋面训练馆热可接受度研究——以广东药科大学体育训练馆为例

赖志勇，李 晋，唐松林

1.华南理工大学建筑学院，广东 广州 510641

2.空军广州工程设计室，广东 广州 510052

在建筑设计中营造良好的室内热环境已成为现今建筑领域的重要话题。训练馆作为人们运动训练的主要场所，其室内环境直接影响运动的品质，同时运动状态区别于静息与非运动状态，人体热反应和对热环境的要求也存在差异。因此，现代体育训练馆有必要研究运动状态下人体对室内热环境的需求，并采用相关策略去改善训练馆室内热环境，保证运动质量。

覆土绿化屋面作为一种独特的建筑节能设计手法，尤其在如今城市热岛效应与公共绿化面积紧缺的状况下，被普遍运用。其以建筑物的屋顶作为结构基础，覆盖植被与土壤，一方面能改善外部城市环境，另一方面营造了内部舒适的空间环境[1]。广州地处亚热带气候区，常年高温、高湿，日照辐射强烈，水平面日照辐射量最高可达1000W/m2，这对建筑物遮阳隔热等性能提出了挑战，而覆土绿化屋面的热工性能优于金属屋面，对室内的调温效果也优于裸露屋顶，在广州地区的大空间建筑中具有可观的应用前景。

1 建筑概况

广东药科大学训练馆位于广州大学城广东药科大学教学区内，平面布置上自东向西分别为体操、篮球及武术训练场。馆内运动区域东西长约58m，南北长约为38m，建筑面积约为1920m2。其屋顶结合主入口的大台阶设计，向着城市的主广场、干道开放，屋顶平台逐级跌落成3组不同高差的平面，加上屋面绿化，形成层次丰富的景观。

2 研究方法

2.1 研究对象、时间

文章以广东药科大学体育训练馆为实测调研对象，在过渡季进行实测，广州地区过渡季时间较长、温度变化大且气候适于体育运动。实测时间为2020年10—11月，包括上午9：00—12：00及下午2：00—5：00，囊括运动的主要时段。实测期间场馆内部处于自然通风状态。

2.2 受试人群

研究人群为运动人群，共招募了30名受试者。受试者均在广州至少居住了2年，已适应广州地区的环境。人员信息如表1所示。考虑到衣服热阻对热感觉的影响[2]，受试人群在运动中均保持短袖短裤的衣着状态。

表1 实测人员信息

2.3 实测仪器

丹麦的Fanger教授提出了著名的热舒适方程[3]，将环境因素包括空气温度、相对湿度、空气流速和辐射温度与人体新陈代谢率、服装热阻这两个人体因素综合考虑，研究人体对热环境的反应。因次，此次实测也需要获取上述4个环境物理量，设备采用testo480主机，包括黑球辐射温度探头、风速探头、室内空气质量探头，布点包括室内篮球训练场及室外中庭，同时使用宜准运动手表实时监测运动者心率以达到运动强度。

2.4 主观问卷调查

实测采用的主观问卷包括环境感觉与评价，为热感觉以及热可接受度投票。问卷填写与环境参数记录同步进行，同时跟踪运动者的实时心率以保证达到所需运动强度。问卷填写为3min一次，期间控制运动者运动强度达到所需水平，投票刻度标尺如图1所示。

图1 主观评价标尺

2.5 实测过程

根据《人类居住热环境条件》（ANSI/ASHRAE标准55—2013）所给运动条件下的新陈代谢率，篮球运动下代谢率为5～7.6Met，其中1Met约为58.6W/m2。根据篮球运动的特点及代谢水平，概括为投篮、上篮及运球折返跑3种运动行为，代谢率分别为3.5Met、5Met及7Met。通过《热环境的人类工效学代谢率的测定》（ISO 8996—2004）中的标准，可以将新陈代谢率转换为心率从而实时监控代谢水平，而研究表明，人体在不同新陈代谢水平间转换时，热感觉需要15～20min才能达到稳态[4]，故将实测流程安排如图2所示，总时长为140min。

图2 实测流程

3 实测数据

3.1 热环境参数

为了更好地验证覆土绿化屋顶的热工性能，在进行室内运动的同时开展了室外的环境记录。各阶段室内外环境参数对比如表2所示。

表2 环境参数对比

其中，训练馆内各阶段平均黑球温度约在26.5℃上下，低于同阶段室外7～10℃；馆内各阶段平均空气温度约为26.4℃，低于同阶段室外4～6℃；馆内相对湿度保持在54%左右，高出室外约10%；馆内自然通风状态下的平均空气流速约为0.08m/s，远低于室外。

实测期间室内外所测日的日均气温对比如图3所示。过渡季室外气温差异明显，在24～36℃变化，而馆内整体温差变化较小，维持在26～28℃。这进一步验证了覆土绿化屋顶在维持良好室内热环境上的优越性[5]，而且当室外过热时室内气温会低于室外，室外过冷时室内气温会略高于室外。

图3 实测日均气温对比

3.2 主观调查问卷统计

（1）热感觉。热感觉投票值反映受试者对所处环境冷热程度的感觉。覆土屋面场馆内3种运动状态下的热感觉分布如图4所示。研究认为，热感觉投票值处于-1～1为热舒适区间，投篮状态下该区间投票占比为61%、上篮状态为15%、折返跑占比只有2%，投篮状态热感觉值主要集中在1、上篮集中在2、折返跑则集中于3，表明了人体运动热感觉与运动强度呈正相关，并且随着强度增加，人体热感觉明显上升。

图4 热感觉分布图

（2）热感觉与操作温度之间的关系。文章将操作温度To作为度量单位，探究人体运动热感觉与操作温度之间的关系。操作温度考虑了黑球温度、空气流速及空气温度的影响，计算公式如下：

式中：Tr为平均辐射温度；Tg为黑球辐射温度；Ta为空气温度；To为操作温度；V为空气流速；D为黑球半径，采用标准黑球取值0.15；ε为黑球吸收率，取0.95；空气流速小于0.2时A取值0.5。

过渡季室外日均气温在20～38℃，区间广、波动明显，而由于覆土绿化屋面自身良好的保温隔热效果，室内气温则主要在20～30℃。取运动15min后的数据，以0.5℃为一个区间取该区间内热感觉均值，建立热感觉与操作温度的线性关系，如图5所示。

图5 热感觉与操作温度关系

实测期间所得室外平均气温范围为20～38℃，故图5中所得方程只表达该室外环境状况下的线性关系。图5中公式的斜率表明人体对所处操作温度的热敏感度，由图5可以看出，随着运动强度的增大热敏感性逐渐降低，这是因为运动强度增大人体不舒适感也逐渐增加，加上运动疲劳感，导致建筑内环境对人体热舒适所产生的影响逐渐下降。

（3）热可接受度与操作温度之间的关系。实测中证明运动强度越大人体热感觉越高，因此采用热感觉为-1～1所对应的操作温度作为热可接受范围在较高运动强度下并不适用，文章采取直接问卷表明对热环境的接受程度，大于0的认为接受，反之不接受。整理每种运动状态下15min后的投票值，以0.5℃为一个区间计算该区间内“不接受”所占的百分比，建立热不满意度与操作温度之间的关系，如图6所示。

图6 热不满意度与操作温度关系

由图6可知，运动中热不满意度随着操作温度的升高而增加，操作温度小于25℃时投篮与上篮不满意度较为相似，随着操作温度升高热不满意度差异逐渐明显。通常80%的受试者所能接受的操作温度认定为该人群对当前室内热环境的接受范围，将热不满意度y=0.2带入图6方程可求解出对应的热可接受范围，得出10—11月具有覆土绿化的广药训练馆投篮状态下热可接受范围为17.52～28.60℃，上篮为20.32～25.92℃，折返跑上限温度为23.37℃。对比可知，运动强度越低可接受温度范围越广，且可接受温度上限更大。

4 结论

具有覆土绿化屋面的广药训练馆在过渡季室外气温波动明显的情况下，仍能维持良好的室内温度，为26～27℃，且较热天室内温度低于室外温度，较冷天室内温度略高于室外温度，具有良好的隔热保温性能。

在馆内3种运动状态下，随着运动强度的增大，热敏感性逐渐降低，热可接受范围逐渐缩小。在室外平均气温20～38℃或室内平均气温25～28℃温度下，投篮状态热可接受温度范围为17.52～28.60℃；上篮状态热可接受温度范围为20.32～25.92℃；运球折返跑热可接受温度上限为23.37℃。