過渡季覆土屋面訓(xùn)練館熱可接受度研究
——以廣東藥科大學體育訓(xùn)練館為例

賴志勇，李 晉，唐松林

1.華南理工大學建筑學院，廣東 廣州 510641

2.空軍廣州工程設(shè)計室，廣東 廣州 510052

在建筑設(shè)計中營造良好的室內(nèi)熱環(huán)境已成為現(xiàn)今建筑領(lǐng)域的重要話題。訓(xùn)練館作為人們運動訓(xùn)練的主要場所，其室內(nèi)環(huán)境直接影響運動的品質(zhì)，同時運動狀態(tài)區(qū)別于靜息與非運動狀態(tài)，人體熱反應(yīng)和對熱環(huán)境的要求也存在差異。因此，現(xiàn)代體育訓(xùn)練館有必要研究運動狀態(tài)下人體對室內(nèi)熱環(huán)境的需求，并采用相關(guān)策略去改善訓(xùn)練館室內(nèi)熱環(huán)境，保證運動質(zhì)量。

覆土綠化屋面作為一種獨特的建筑節(jié)能設(shè)計手法，尤其在如今城市熱島效應(yīng)與公共綠化面積緊缺的狀況下，被普遍運用。其以建筑物的屋頂作為結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，覆蓋植被與土壤，一方面能改善外部城市環(huán)境，另一方面營造了內(nèi)部舒適的空間環(huán)境[1]。廣州地處亞熱帶氣候區(qū)，常年高溫、高濕，日照輻射強烈，水平面日照輻射量最高可達1000W/m2，這對建筑物遮陽隔熱等性能提出了挑戰(zhàn)，而覆土綠化屋面的熱工性能優(yōu)于金屬屋面，對室內(nèi)的調(diào)溫效果也優(yōu)于裸露屋頂，在廣州地區(qū)的大空間建筑中具有可觀的應(yīng)用前景。

1 建筑概況

廣東藥科大學訓(xùn)練館位于廣州大學城廣東藥科大學教學區(qū)內(nèi)，平面布置上自東向西分別為體操、籃球及武術(shù)訓(xùn)練場。館內(nèi)運動區(qū)域東西長約58m，南北長約為38m，建筑面積約為1920m2。其屋頂結(jié)合主入口的大臺階設(shè)計，向著城市的主廣場、干道開放，屋頂平臺逐級跌落成3組不同高差的平面，加上屋面綠化，形成層次豐富的景觀。

2 研究方法

2.1 研究對象、時間

文章以廣東藥科大學體育訓(xùn)練館為實測調(diào)研對象，在過渡季進行實測，廣州地區(qū)過渡季時間較長、溫度變化大且氣候適于體育運動。實測時間為2020年10—11月，包括上午9：00—12：00及下午2：00—5：00，囊括運動的主要時段。實測期間場館內(nèi)部處于自然通風狀態(tài)。

2.2 受試人群

研究人群為運動人群，共招募了30名受試者。受試者均在廣州至少居住了2年，已適應(yīng)廣州地區(qū)的環(huán)境。人員信息如表1所示?？紤]到衣服熱阻對熱感覺的影響[2]，受試人群在運動中均保持短袖短褲的衣著狀態(tài)。

表1 實測人員信息

2.3 實測儀器

丹麥的Fanger教授提出了著名的熱舒適方程[3]，將環(huán)境因素包括空氣溫度、相對濕度、空氣流速和輻射溫度與人體新陳代謝率、服裝熱阻這兩個人體因素綜合考慮，研究人體對熱環(huán)境的反應(yīng)。因次，此次實測也需要獲取上述4個環(huán)境物理量，設(shè)備采用testo480主機，包括黑球輻射溫度探頭、風速探頭、室內(nèi)空氣質(zhì)量探頭，布點包括室內(nèi)籃球訓(xùn)練場及室外中庭，同時使用宜準運動手表實時監(jiān)測運動者心率以達到運動強度。

2.4 主觀問卷調(diào)查

實測采用的主觀問卷包括環(huán)境感覺與評價，為熱感覺以及熱可接受度投票。問卷填寫與環(huán)境參數(shù)記錄同步進行，同時跟蹤運動者的實時心率以保證達到所需運動強度。問卷填寫為3min一次，期間控制運動者運動強度達到所需水平，投票刻度標尺如圖1所示。

圖1 主觀評價標尺

2.5 實測過程

根據(jù)《人類居住熱環(huán)境條件》（ANSI/ASHRAE標準55—2013）所給運動條件下的新陳代謝率，籃球運動下代謝率為5～7.6Met，其中1Met約為58.6W/m2。根據(jù)籃球運動的特點及代謝水平，概括為投籃、上籃及運球折返跑3種運動行為，代謝率分別為3.5Met、5Met及7Met。通過《熱環(huán)境的人類工效學代謝率的測定》（ISO 8996—2004）中的標準，可以將新陳代謝率轉(zhuǎn)換為心率從而實時監(jiān)控代謝水平，而研究表明，人體在不同新陳代謝水平間轉(zhuǎn)換時，熱感覺需要15～20min才能達到穩(wěn)態(tài)[4]，故將實測流程安排如圖2所示，總時長為140min。

圖2 實測流程

3 實測數(shù)據(jù)

3.1 熱環(huán)境參數(shù)

為了更好地驗證覆土綠化屋頂?shù)臒峁ば阅埽谶M行室內(nèi)運動的同時開展了室外的環(huán)境記錄。各階段室內(nèi)外環(huán)境參數(shù)對比如表2所示。

表2 環(huán)境參數(shù)對比

其中，訓(xùn)練館內(nèi)各階段平均黑球溫度約在26.5℃上下，低于同階段室外7～10℃；館內(nèi)各階段平均空氣溫度約為26.4℃，低于同階段室外4～6℃；館內(nèi)相對濕度保持在54%左右，高出室外約10%；館內(nèi)自然通風狀態(tài)下的平均空氣流速約為0.08m/s，遠低于室外。

實測期間室內(nèi)外所測日的日均氣溫對比如圖3所示。過渡季室外氣溫差異明顯，在24～36℃變化，而館內(nèi)整體溫差變化較小，維持在26～28℃。這進一步驗證了覆土綠化屋頂在維持良好室內(nèi)熱環(huán)境上的優(yōu)越性[5]，而且當室外過熱時室內(nèi)氣溫會低于室外，室外過冷時室內(nèi)氣溫會略高于室外。

圖3 實測日均氣溫對比

3.2 主觀調(diào)查問卷統(tǒng)計

（1）熱感覺。熱感覺投票值反映受試者對所處環(huán)境冷熱程度的感覺。覆土屋面場館內(nèi)3種運動狀態(tài)下的熱感覺分布如圖4所示。研究認為，熱感覺投票值處于-1～1為熱舒適區(qū)間，投籃狀態(tài)下該區(qū)間投票占比為61%、上籃狀態(tài)為15%、折返跑占比只有2%，投籃狀態(tài)熱感覺值主要集中在1、上籃集中在2、折返跑則集中于3，表明了人體運動熱感覺與運動強度呈正相關(guān)，并且隨著強度增加，人體熱感覺明顯上升。

圖4 熱感覺分布圖

（2）熱感覺與操作溫度之間的關(guān)系。文章將操作溫度To作為度量單位，探究人體運動熱感覺與操作溫度之間的關(guān)系。操作溫度考慮了黑球溫度、空氣流速及空氣溫度的影響，計算公式如下：

式中：Tr為平均輻射溫度；Tg為黑球輻射溫度；Ta為空氣溫度；To為操作溫度；V為空氣流速；D為黑球半徑，采用標準黑球取值0.15；ε為黑球吸收率，取0.95；空氣流速小于0.2時A取值0.5。

過渡季室外日均氣溫在20～38℃，區(qū)間廣、波動明顯，而由于覆土綠化屋面自身良好的保溫隔熱效果，室內(nèi)氣溫則主要在20～30℃。取運動15min后的數(shù)據(jù)，以0.5℃為一個區(qū)間取該區(qū)間內(nèi)熱感覺均值，建立熱感覺與操作溫度的線性關(guān)系，如圖5所示。

圖5 熱感覺與操作溫度關(guān)系

實測期間所得室外平均氣溫范圍為20～38℃，故圖5中所得方程只表達該室外環(huán)境狀況下的線性關(guān)系。圖5中公式的斜率表明人體對所處操作溫度的熱敏感度，由圖5可以看出，隨著運動強度的增大熱敏感性逐漸降低，這是因為運動強度增大人體不舒適感也逐漸增加，加上運動疲勞感，導(dǎo)致建筑內(nèi)環(huán)境對人體熱舒適所產(chǎn)生的影響逐漸下降。

（3）熱可接受度與操作溫度之間的關(guān)系。實測中證明運動強度越大人體熱感覺越高，因此采用熱感覺為-1～1所對應(yīng)的操作溫度作為熱可接受范圍在較高運動強度下并不適用，文章采取直接問卷表明對熱環(huán)境的接受程度，大于0的認為接受，反之不接受。整理每種運動狀態(tài)下15min后的投票值，以0.5℃為一個區(qū)間計算該區(qū)間內(nèi)“不接受”所占的百分比，建立熱不滿意度與操作溫度之間的關(guān)系，如圖6所示。

圖6 熱不滿意度與操作溫度關(guān)系

由圖6可知，運動中熱不滿意度隨著操作溫度的升高而增加，操作溫度小于25℃時投籃與上籃不滿意度較為相似，隨著操作溫度升高熱不滿意度差異逐漸明顯。通常80%的受試者所能接受的操作溫度認定為該人群對當前室內(nèi)熱環(huán)境的接受范圍，將熱不滿意度y=0.2帶入圖6方程可求解出對應(yīng)的熱可接受范圍，得出10—11月具有覆土綠化的廣藥訓(xùn)練館投籃狀態(tài)下熱可接受范圍為17.52～28.60℃，上籃為20.32～25.92℃，折返跑上限溫度為23.37℃。對比可知，運動強度越低可接受溫度范圍越廣，且可接受溫度上限更大。

4 結(jié)論

具有覆土綠化屋面的廣藥訓(xùn)練館在過渡季室外氣溫波動明顯的情況下，仍能維持良好的室內(nèi)溫度，為26～27℃，且較熱天室內(nèi)溫度低于室外溫度，較冷天室內(nèi)溫度略高于室外溫度，具有良好的隔熱保溫性能。

在館內(nèi)3種運動狀態(tài)下，隨著運動強度的增大，熱敏感性逐漸降低，熱可接受范圍逐漸縮小。在室外平均氣溫20～38℃或室內(nèi)平均氣溫25～28℃溫度下，投籃狀態(tài)熱可接受溫度范圍為17.52～28.60℃；上籃狀態(tài)熱可接受溫度范圍為20.32～25.92℃；運球折返跑熱可接受溫度上限為23.37℃。