寒冷地区某高校体育馆地下空间过渡季热湿环境研究

沈真真

（中国矿业大学建筑与设计学院，江苏 徐州 221116）

0 引言

随着城市化进程加快，交通堵塞、土地稀缺、环境污染等城市问题日益突出。城市地下空间的开发利用是缓解城市现有发展困局的重要途径，东京国际会议也提出“21世纪是地下空间开发利用的世纪”。地下空间是指地表以下的土地空间，在建筑领域，地下空间是指地下商城、地下停车场、地铁等建筑空间，即地表以下经过人工开发而形成的空间。

基于当前城市发展现状及未来规划，地下空间具有极大的发展潜力；但就使用现状而言，人们对地下空间的主观感受普遍不佳。因此，有必要结合使用者的需求和地下空间物理环境现状，对地下空间热湿环境进行参数研究和优化设计。本文通过对中国矿业大学文昌校区体育馆的地下热湿环境进行主观感受调研和现状环境实测，从热舒适角度出发，通过实地调研和软件模拟的方法，对比不同优化方案对地下空间热湿环境的调控效果，为徐州市地下空间开发设计提供优化策略及参考。

1 热湿环境主观感受研究与分析

1.1 调研对象及方法

1）调研对象 热舒适的研究主要集中在空调建筑的空调季节及自然通风建筑夏季自然通风状况，但空调建筑非空调季节（即过渡季）的热舒适很少有人研究，特别是对于地下空间，使用者在建筑过渡季的热舒适问题值得关注。综合考虑地下空间现阶段研究成果的不完整性及半地下体育馆的功能特殊性，选取位于徐州的中国矿业大学文昌校区体育馆为典型研究对象。

2）调研方法 为得到体育馆内使用者热舒适状况，实地调研中采用主观问卷调查和热湿环境实测相结合的方式，将调研人员分为两组，在选定的测点采用相关仪器记录客观热湿环境参数，并随机对测点周围的使用者发放问卷。

空调建筑非空调季是一种普遍存在却缺乏关注的热舒适研究对象，特别是对于寒冷地区的公共建筑，其制冷和供暖时间并非根据实际情况而是由规范决定。根据规范，寒冷地区公共建筑空调期为5月15日至9月15日，采暖期为11月15日到次年3月31日。主观问卷调研时间为2021年4月和10月，均包含工作日和休息日，问卷发放时段为每天的10：00-16：00，以避免人员密度差异对最终结果的影响。

1.2 调研问卷设计

热舒适是室内热环境最重要的评价指标之一，是一种“建筑内用户对建筑室内热环境是否满意的主观评价”。参照ASHRAE Standard 55—2004，结合地下体育馆建筑类型特点进行热舒适调查问卷的制定。问卷基本内容包括受访者性别、年龄、着装及服装热阻；受访者对体育馆热湿环境的感受，包括春秋季热感觉值投票、热舒适投票，对春秋季湿度及风速的感知。其中热感觉投票值采用FANGER P O的热感觉7级标尺，即冷（-3），凉（-2），稍凉（-1），中性（0），稍暖（1），暖（2），热（3）。热舒适投票值采用5级标尺，即舒适（2），稍不舒适（1），不舒适（0），很不舒适（-1），不能忍受（-2）。

1.3 调研结果分析

通过对热感觉和热舒适的统计分析，可得到过渡季中国矿业大学文昌校区体育馆内人员对热环境的满意程度。

1.3.1 过渡季体育馆室内热环境统计结果分析

1）由受访者的总体热舒适投票统计结果可知，在春季和秋季受访者的热舒适频率相似，投票主要集中在舒适区间，分别占总投票数的43%和40%，大多数受访者对体育馆内过渡季的热环境比较满意。其中，春季有34%的受访者感觉所处体育馆热环境稍不舒适，有16%的受访者感觉所处体育馆热环境不舒适，有2%和5%的受访者感觉所处体育馆热环境很不舒适甚至不能忍受；秋季有37%的受访者感觉所处体育馆热环境稍不舒适，有16%的受访者感觉所处体育馆热环境不舒适，有4%和3%的受访者感觉所处体育馆热环境很不舒适甚至不能忍受。

2）由热感觉投票统计结果可知，春秋季受访者的热感觉有较大差别。在春季，得票率最高的是热（42%），秋季得票率最高的是适中（中性，37%）。以ISO推荐的热感觉区间（-1，1）作为标准，春季42%的受访者热感觉投票值在-1（稍凉）到1（稍热）之间，在秋季则是62%。

通过结果分析可知，过渡季体育馆室内热环境不能满足使用者的需求，特别是在春季，有约58%的受访者热感觉投票超出ISO推荐的热舒适区间（-1，1）。春季的体育馆室内热湿环境也成为仪器实测阶段的重点研究对象。

1.3.2 过渡季体育馆室内湿环境及风速统计结果分析

1）由湿度主观问卷调查结果可知，受访者对湿度的感觉主要集中在舒适区间，春季和秋季各占总问卷数的44%和46%。对比数据得出，体育馆内春季偏潮湿，秋季偏干燥。

2）由风速主观问卷调查结果可知，受访者对风速的感觉主要集中在风正好区间，春季和秋季各占总问卷数的44%和43%。过渡季风速感觉整体偏大，其中由于春季体育馆内的热感觉偏热而秋季偏冷，春季风速感觉小于秋季。

2 文昌校区体育馆热湿环境调研

2.1 现状调研及建模模拟

中国矿业大学文昌校区体育馆为半地下空间，其平面为东西向的矩形，长宽比大于2∶1。地下室仅有北侧开窗，只能通过单侧窗与门进行通风，室内采光及通风条件差。

2.2 热湿环境实测

2.2.1 测试对象及测试时间

实地测试对象为中国矿业大学文昌校区半地下体育馆，分为多点位和多时段测试。多时段测试的测试时间为 2020年4月15日的 10：00，15：00，16：00，17：00，多点位测试在体育馆室内（不包括黑房间）按照柱网分布选择了20个间距相等的点位，平面及选点位置如图1所示。

图1 体育馆平面及选点位置

2.2.2 测试参数及测试仪器

实地测试的热环境参数包括体育馆内的空气温度、相对湿度、CO2和PM2.5浓度等。仪器均需人工手持测试并记录，测试点距离地面1.5m。其中，空气温度和相对湿度采用DT-172温湿度测量器；风速采用DT1332A光照度测量器；CO2和PM2.5浓度采用PCS3空气质量测量器。

2.3 实测数据分析

2.3.1 多点位实测结果

在多点位实测中，体育馆室内温度和相对湿度数据结果如图2，3所示，由此可看出，体育馆空间内部热湿环境相对稳定，温度稳定在21℃左右，相对湿度保持在42%。但从体育馆入口到最深处，温度呈升高趋势，相对湿度也略有增大，有闷热潮湿的体感，存在优化可能性。体育馆内CO2浓度和PM2.5浓度数据结果如图4，5所示，空气质量方面，由于缺乏对流通风，半地下体育馆内空气质量很差，不同点位的CO2浓度相差不大，平均值为 527.40ppm，15号点位的 CO2浓度高达698.00ppm，PM2.5 浓度在 13～24μg/m3。

图2 体育馆室内温度

图3 体育馆室内相对湿度

图4 体育馆室内CO2浓度

图5 体育馆室内PM2.5浓度

2.3.2 多时段实测结果

在多时段测量中，体育馆内春季热环境参数如图6所示，体育馆室内平均相对湿度为33.20%，室外平均相对湿度为18.37%，室内相对湿度远高于室外，尤其是黑房间内缺少通风和日照，平均相对湿度达45.20%。室内平均温度为17.73℃，室外平均温度为20.67℃，比室内高约3.00℃；黑房间的温度略低于有开窗的室内空间的温度，平均温度为16.41℃。室内不同点位的温度随时间变化差异较大，黑房间内温度受时间变化影响较小。

图6 体育馆内春季热环境参数

体育馆内气体环境参数如图7所示，统计分析多时段测量的CO2和PM2.5浓度数据可得出：体育馆内CO2浓度远高于室外CO2浓度，平均浓度达477.83ppm，而黑房间内由于人的活动较少，主要作为器材存放的空间，CO2浓度较低，平均值为418.86ppm，和室外接近。然而体育馆内的PM2.5浓度小于室外，室内PM2.5浓度范围在6～10μg/m3，室外PM2.5浓度范围在9～12μg/m3；黑房间内的PM2.5浓度随时间变化范围较小，在6～8μg/m3。由此可知，体育馆内由于人的活动和缺少通风等原因，CO2浓度较高，但空气质量稍好于室外。

图7 体育馆内气体环境参数

3 优化策略

经统计分析和调研实测可发现，中国矿业大学文昌校区的半地下体育馆空间在热湿环境上存在较大优化空间。其中，体育馆的温度、相对湿度、CO2浓度和PM2.5浓度可从通风方面改善，其方法包括热压通风和机械通风。

目前体育馆开窗面积小且均为高窗，由于地下室东侧在室外地面以下，不具备开窗条件，只能在房间顶部设计开窗；而西侧与外界相通，可在底部设置开窗。房间东侧大气压力小，温度低；西侧大气压力大，温度高。因此在不同高度开窗有助于形成垂直方向上密度梯度的压差，从而形成热压通风。在此基础上，增加外接的机械通风装置，使热压通风的中和面上升，可改良室内通风效果。

4 结语

1）过渡季体育馆室内热环境不能完全满足使用者需求，特别是在春季，有约58%的受访者热感觉投票超出ISO推荐的热舒适区间（-1，1）。相较秋季，春季的湿度偏高，风速感觉偏小。

2）多点位实测结果显示，由于缺乏对流通风，室内潮湿闷热；多时段实测结果显示，有无开窗对室内温度、相对湿度及空气质量影响较大。因此主要在通风方面对半地下体育馆进行热湿环境的优化，增加开窗面积，提高热压通风效率。

本文对缺乏关注的过渡季地下空间热湿环境进行研究，希望在没有空调的前提下，充分利用自然通风方式改善和调节室内热湿环境，通过优化措施提高地下建筑中使用者的热舒适度。