亞熱帶地區(qū)自然通風(fēng)體育館室內(nèi)熱舒適范圍

李晉，盧頻，鄭海林

(華南理工大學(xué) 建筑學(xué)院；亞熱帶建筑科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510000)

提高建筑室內(nèi)熱環(huán)境和建筑能效已經(jīng)成為建筑相關(guān)領(lǐng)域的重要課題[1]。首先，為了提高建筑用戶的健康，適宜的室內(nèi)熱環(huán)境是必需的。室內(nèi)熱環(huán)境是除光環(huán)境、聲環(huán)境和空氣質(zhì)量環(huán)境之外的室內(nèi)環(huán)境的重要組成部分之一[2]。當(dāng)室內(nèi)熱環(huán)境質(zhì)量較低時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)疾病、生產(chǎn)效率低和不滿意等問題。此外，由于建筑的高能耗意味著資源的浪費(fèi)，甚至?xí)觿∪蜃兣痆3]，因此，節(jié)約建筑能耗也具有必要性。

熱舒適是室內(nèi)熱環(huán)境最重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)之一，是一種“建筑內(nèi)用戶對(duì)建筑室內(nèi)熱環(huán)境是否滿意的主觀評(píng)價(jià)”[4]。尤其對(duì)位于氣候條件較為極端的區(qū)域(比如在亞熱帶地區(qū))的建筑，這個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)極為重要。熱舒適研究有助于創(chuàng)造良好的室內(nèi)熱環(huán)境，在提高人們的健康和工作效率的同時(shí)保持合理的能耗[5]。

目前，大多數(shù)熱舒適研究集中在辦公樓、教學(xué)樓或居民樓等，其內(nèi)用戶處于靜坐等低強(qiáng)度活動(dòng)狀態(tài)。但除此之外，人們還在室內(nèi)進(jìn)行其他中高強(qiáng)度的活動(dòng)，比如在建筑內(nèi)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。過去人們主要在戶外進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，但近年隨著來(lái)人們對(duì)皮膚癌和其他健康風(fēng)險(xiǎn)認(rèn)識(shí)的不斷提高和體育運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目類型的不斷增加，越來(lái)越多的人開始在室內(nèi)進(jìn)行體育運(yùn)動(dòng)，室內(nèi)體育館日益流行。因此，人們對(duì)體育建筑室內(nèi)熱環(huán)境質(zhì)量的要求也日益提高。

亞熱帶地區(qū)常年炎熱潮濕，而且夏季持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，夏季體育建筑室內(nèi)環(huán)境過熱是該地區(qū)面臨的主要問題。為解決這一問題，該地區(qū)體育建筑中最主要的室內(nèi)熱環(huán)境調(diào)節(jié)方法有兩種：空調(diào)調(diào)節(jié)和自然通風(fēng)調(diào)節(jié)?？照{(diào)調(diào)節(jié)在該地區(qū)使用最為普遍，因?yàn)樗梢詾橛脩籼峁┮粋€(gè)穩(wěn)定舒適的室內(nèi)環(huán)境。但是，長(zhǎng)期呆在全封閉空調(diào)環(huán)境下會(huì)給人體健康帶來(lái)諸多不良的影響，而且過度使用空調(diào)會(huì)導(dǎo)致高建筑能耗以及對(duì)環(huán)境的污染[6]。自然通風(fēng)調(diào)節(jié)被認(rèn)為是“一種極具吸引力的室內(nèi)熱環(huán)境調(diào)節(jié)方法”[6]。一個(gè)優(yōu)秀的自然通風(fēng)調(diào)節(jié)方案可以在以被動(dòng)方式維持一個(gè)舒適、健康的室內(nèi)熱環(huán)境的同時(shí)減少建筑主動(dòng)通風(fēng)和冷卻系統(tǒng)的能耗”[6]。但是，由于自然通風(fēng)建筑內(nèi)環(huán)境會(huì)隨著室外環(huán)境的變化而發(fā)生改變，因此，該類建筑不能保證全天每時(shí)每刻都能為運(yùn)動(dòng)人群提供舒適的室內(nèi)環(huán)境。某些時(shí)刻過高的室內(nèi)溫度甚至?xí)l(fā)健康問題，比如頭昏、脫水、中暑等癥狀[2]。為了最大化自然通風(fēng)系統(tǒng)節(jié)能效率的同時(shí)保證室內(nèi)環(huán)境的舒適，及時(shí)介入空調(diào)、風(fēng)扇等主動(dòng)調(diào)節(jié)手段成為必須。建立自然通風(fēng)體育館室內(nèi)用戶的熱舒適范圍，可以為這種協(xié)同調(diào)節(jié)手段提供理論依據(jù)，即為主動(dòng)調(diào)節(jié)手段選擇合理的介入時(shí)間。

適應(yīng)性熱舒適模型是當(dāng)前探究自然通風(fēng)建筑室內(nèi)用戶舒適范圍的主要研究方法[7]。該方法之所以被科學(xué)界廣泛采用，是因?yàn)樗紤]了人體對(duì)環(huán)境的行為適應(yīng)、生理適應(yīng)和心理適應(yīng)[8]。正是由于這些適應(yīng)性，自然通風(fēng)建筑內(nèi)，用戶可以在更大的溫度范圍內(nèi)依舊感覺舒適[9-10]。因此，該方法預(yù)測(cè)的舒適范圍比其他方法預(yù)測(cè)的舒適范圍更寬、更精確，從而可以降低用于維持室內(nèi)用戶舒適度的主動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的能耗[11]。

相關(guān)模型已經(jīng)被國(guó)際上的熱舒適標(biāo)準(zhǔn)所采用，作為預(yù)測(cè)自然通風(fēng)建筑室內(nèi)環(huán)境熱舒適的工具。比如de Dear[12]和McCartney等[13]所建立的模型分別被美國(guó)熱舒適標(biāo)準(zhǔn)ASHRAE 55和歐洲熱舒適標(biāo)準(zhǔn)EN 15251所采用[4,14]。除此之外，考慮到國(guó)際熱舒適標(biāo)準(zhǔn)中的模型并不適用于所有地區(qū)，先后有研究者們通過實(shí)地調(diào)研，建立了不同地理環(huán)境和氣候區(qū)域的模型[15-18]。但是，現(xiàn)有模型依舊不能直接用于自然通風(fēng)體育館，因?yàn)檫@些模型的研究對(duì)象多為居住建筑或辦公建筑內(nèi)處于靜坐狀態(tài)的人。受試者的熱感覺不僅會(huì)根據(jù)氣候、地理位置的變化而變化，還會(huì)根據(jù)運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的變化而發(fā)生改變[19-21]。迄今為止，鮮有研究以自然通風(fēng)體育館內(nèi)用戶(運(yùn)動(dòng)人群和觀眾人群)為研究對(duì)象，建立對(duì)應(yīng)的適應(yīng)性熱舒適模型和舒適范圍。

廣州地處亞熱帶地區(qū)，其氣候特征為常年溫暖多雨、光照充足、夏季長(zhǎng)，夏季高溫和維持體育館室內(nèi)熱舒適是該地區(qū)的主要矛盾。因此，本文以廣州地區(qū)夏季自然通風(fēng)體育館中運(yùn)動(dòng)人群和觀眾人群為研究對(duì)象，嘗試通過建立兩者的適應(yīng)性熱舒適模型，對(duì)自然通風(fēng)體育館室內(nèi)用戶的熱舒適范圍進(jìn)行研究與分析。

1 研究方法

1.1 調(diào)研地點(diǎn)

選擇廣州市3個(gè)典型的自然通風(fēng)體育館進(jìn)行實(shí)地調(diào)研。3個(gè)體育館分別位于市中心的3所大學(xué)，具有相似的室外氣候。3個(gè)體育館皆為側(cè)面開敞，但側(cè)面開敞的面積比不同，涵蓋了該地區(qū)自然通風(fēng)體育館的主要類型。3個(gè)體育館主要供在校學(xué)生進(jìn)行籃球運(yùn)動(dòng)，因此，建筑中的籃球場(chǎng)地被選作調(diào)研地點(diǎn)(其中，每個(gè)體育館隨機(jī)選擇了6個(gè)半場(chǎng)籃球場(chǎng)作為調(diào)研場(chǎng)地)。實(shí)地調(diào)研選在籃球場(chǎng)處于完全自然通風(fēng)狀態(tài)，即沒有開啟風(fēng)扇及空調(diào)等主動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的情況下進(jìn)行。實(shí)地調(diào)研在夏天進(jìn)行，5月、7月和9月各7 d。調(diào)研環(huán)境如圖1所示，調(diào)研場(chǎng)地的平面圖如圖2所示。

圖1 3個(gè)體育館現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境Fig.1 Field photos of the surveyed surroundings

圖2 3個(gè)體育館的平面圖Fig.2 Floor plans of three sports

1.2 調(diào)研對(duì)象

為了保證研究的可靠性和代表性，建筑中1 093名身體健康的大學(xué)生被隨機(jī)抽選出來(lái)參加調(diào)研。調(diào)研對(duì)象首先作為觀眾人群在籃球場(chǎng)邊觀看他人進(jìn)行籃球運(yùn)動(dòng)，這個(gè)階段他們處于靜坐狀態(tài)；然后，再作為運(yùn)動(dòng)人群在籃球場(chǎng)內(nèi)進(jìn)行籃球運(yùn)動(dòng)，這個(gè)階段他們處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。所有研究對(duì)象均在廣州生活超過兩年，已經(jīng)基本適應(yīng)廣州地區(qū)的熱環(huán)境。調(diào)研對(duì)象的基本信息如表1所示。

表1 研究對(duì)象的基本信息Table 1 Anthropometric information of the surveyed subjects

1.3 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研

1.3.1 客觀物理因素調(diào)研 客觀物理因素調(diào)研包括室外環(huán)境參數(shù)和室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的采集。室外環(huán)境參數(shù)(主要包括室外空氣溫度)由本地區(qū)氣象站所采集，室內(nèi)環(huán)境參數(shù)(主要包括室內(nèi)空氣溫度、相對(duì)濕度、黑球溫度、風(fēng)速等)由布置在體育館內(nèi)的測(cè)量?jī)x器采集。測(cè)量?jī)x器的具體型號(hào)及對(duì)應(yīng)功能如表2所示。測(cè)量?jī)x器被放置在籃球場(chǎng)邊界(如圖3所示)，儀器探頭距離地面1.1 m。

圖3 測(cè)量?jī)x器布置圖Fig.3 Layout of instruments around basketball

儀器名稱型號(hào)測(cè)量?jī)?nèi)容儀器測(cè)量范圍測(cè)量精度熱線風(fēng)速儀TES-1341空氣溫度-10～60 ℃±0.5 ℃黑球溫度1～60 ℃±0.2 ℃風(fēng)速0～5 m/s±0.03 m/s相對(duì)濕度0%～100%±5%黑球溫度表AZ-8778平均輻射溫度0～50 ℃±0.3 ℃

1.3.2 主觀人為因素調(diào)研 采用調(diào)查問卷進(jìn)行主觀人為因素調(diào)研。調(diào)查問卷分為3個(gè)部分：第1部分用來(lái)是收集受試者的基本信息，包括：年齡、性別、體重、身高、生活在廣州的時(shí)間等；第2部分用來(lái)收集觀眾人群的主觀熱感受和適應(yīng)性行為；第3部分用來(lái)收集運(yùn)動(dòng)人群的主觀熱感受和適應(yīng)性行為。問卷中的主觀熱感覺投票刻度采用ASHRAE Standard 55-2013 所建議使用的7級(jí)刻度，具體刻度圖如表3所示。

表3 熱感覺投票刻度Table 3 The scale of thermal sensation vote

1.4 實(shí)測(cè)計(jì)劃

每個(gè)研究對(duì)象在8:00—18:00之間參與了一次時(shí)長(zhǎng)60 min的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，該實(shí)測(cè)分為3個(gè)階段。第1個(gè)階段，實(shí)測(cè)人員用10 min的時(shí)間向研究對(duì)象介紹實(shí)測(cè)計(jì)劃和方法,并在問卷上記錄研究對(duì)象的基本信息；第2個(gè)階段，研究對(duì)象作為觀眾人群在籃球場(chǎng)邊觀看他人進(jìn)行籃球運(yùn)動(dòng)(這個(gè)階段他們處于靜坐或者放松站立的狀態(tài))，并于20 min后及時(shí)填寫了這個(gè)階段的主觀熱感受問卷，與此同時(shí)，實(shí)測(cè)人員用儀器記錄了20 min內(nèi)的室內(nèi)環(huán)境參數(shù)；第3個(gè)階段，研究對(duì)象作為運(yùn)動(dòng)人群在籃球場(chǎng)內(nèi)進(jìn)行籃球運(yùn)動(dòng)(這個(gè)階段他們處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài))，并于20 min后及時(shí)填寫了有關(guān)這個(gè)階段的主觀熱感受問卷，與此同時(shí)，實(shí)測(cè)人員用儀器記錄了20 min內(nèi)的室內(nèi)環(huán)境參數(shù)。具體實(shí)驗(yàn)流程如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)流程及時(shí)間安排Fig.4 Procedure and time management of field

考慮到當(dāng)代謝率改變時(shí)人的熱感覺和皮膚溫度在15～20 min內(nèi)會(huì)趨于穩(wěn)定[22]，實(shí)測(cè)將靜坐狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的測(cè)試時(shí)間都設(shè)定為20 min。除此之外，考慮到高強(qiáng)度活動(dòng)產(chǎn)生的熱量或汗水可能會(huì)影響受試者在低強(qiáng)度活動(dòng)測(cè)試中對(duì)熱環(huán)境的反應(yīng)[23]，實(shí)測(cè)將靜坐狀態(tài)測(cè)試安排在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)測(cè)試之前。

2 研究結(jié)果

2.1 環(huán)境參數(shù)測(cè)量結(jié)果

2.1.1 室外環(huán)境參數(shù)測(cè)量結(jié)果 實(shí)測(cè)采集的主要室外環(huán)境參數(shù)為室外空氣溫度。為了使模型更加準(zhǔn)確，ASHARE Standard 55推薦使用連續(xù)平均室外空氣溫度，因?yàn)樵撝悼梢泽w現(xiàn)人對(duì)環(huán)境的適應(yīng)[4]。除此之外，de Dear等人指出7 d短得足夠包含最近的天氣的動(dòng)態(tài)變化，長(zhǎng)得足夠捕捉到天氣的暫時(shí)記憶，因此，建議在熱適應(yīng)的研究中使用過去7 d的連續(xù)平均室外空氣溫度[24]。據(jù)此，結(jié)合ASHARE Standard 55給出的計(jì)算連續(xù)平均室外溫度的計(jì)算式[4]，推算出了計(jì)算過去7 d連續(xù)平均室外溫度的計(jì)算式(1)。

tpma(out)=(1-α) [te(1)+αte(2)+α2te(3)+α3te(4)+α4te(5)+α5te(6)+α6te(7)]

(1)

式中：te(1)和te(2)表示所測(cè)時(shí)間點(diǎn)前一天和前兩天的平均室外溫度，其他以此類推；α是一個(gè)推薦值介于0.6和0.9之間的常數(shù)，研究中取值為0.6。 根據(jù)該計(jì)算式和實(shí)測(cè)搜集的室外空氣溫度，研究計(jì)算了實(shí)測(cè)期間每天的連續(xù)7 d平均室外空氣溫度，如圖5所示。

圖5 調(diào)研期間室外日平均氣溫Fig.5 Prevailing mean outdoor air temperature

2.1.2 室內(nèi)環(huán)境參數(shù)測(cè)量結(jié)果 實(shí)測(cè)采集的室內(nèi)環(huán)境參數(shù)包括室內(nèi)空氣溫度、黑球溫度、風(fēng)速和濕度。為了使模型更加準(zhǔn)確，研究采用操作溫度作為室內(nèi)熱環(huán)境指標(biāo)。原因有兩個(gè)：1)較其他室內(nèi)環(huán)境參數(shù)，操作溫度可以與人的熱感覺生成更好的線性關(guān)系；2)較其他室內(nèi)環(huán)境參數(shù)，操作溫度考慮了多環(huán)境因素的綜合影響，可以更全面地代表室內(nèi)熱環(huán)境[25]。使用ISO Standard 7726-2002所提供的計(jì)算公式(2)計(jì)算操作溫度[26]。

top=Ata+(1-A)tr

(2)

式中：top是操作溫度；ta是平均空氣溫度；tr是平均輻射溫度；A是一個(gè)常數(shù)，ISO Standard中列出了它在不同的風(fēng)速范圍下對(duì)應(yīng)的不同數(shù)值。根據(jù)該計(jì)算式和實(shí)測(cè)所得室內(nèi)環(huán)境參數(shù)，計(jì)算出實(shí)測(cè)期間每天的室內(nèi)操作溫度，如表4所示。

表4 實(shí)測(cè)期間的室內(nèi)環(huán)境參數(shù)Table 4 Indoor environmental parameters during field survey

2.2 衣服熱阻和新陳代謝率

2.2.1 衣服熱阻 分別記錄了受試者在靜坐狀態(tài)下和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的穿衣情況，并按照ASHRAE Standard提供的方法計(jì)算了對(duì)應(yīng)的衣服熱阻。觀眾人群的衣服熱阻范圍在0.50～1.00 clo之間，運(yùn)動(dòng)人群的衣服熱阻范圍在0.50～0.65 clo之間。需要指出的是，夏季人群(特別是運(yùn)動(dòng)人群)衣服熱阻的最小值受到社會(huì)習(xí)俗的約束，即極少有人穿著暴露或赤裸上身在體育館進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，因此，基于更換衣物所產(chǎn)生的適應(yīng)性調(diào)節(jié)行為大大減少。

2.2.2 新陳代謝率 依據(jù)ASHRAE Standard中提供的不同活動(dòng)強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的新陳代謝率，對(duì)靜坐和運(yùn)動(dòng)人群的新陳代謝率分別給與了賦值。調(diào)查對(duì)象作為觀眾的狀態(tài)為ASHRAE Standard中所述的靜坐狀態(tài)和放松站立狀態(tài)，對(duì)應(yīng)的代謝率為1.0～1.2 met；調(diào)查對(duì)象進(jìn)行籃球運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的新陳代謝率為5.0～7.6 met。值得指出的是，ASHRAE Standard中所應(yīng)用的適應(yīng)性熱舒適模型并不適用于新陳代謝率高于1.3 met的人群，目前，也沒有相關(guān)研究建立新陳代謝率高于1.3 met的運(yùn)動(dòng)人群的適應(yīng)性熱舒適模型。因此，第一次探討了運(yùn)動(dòng)人群的熱感覺與室外環(huán)境參數(shù)之間的關(guān)系，并嘗試建立了運(yùn)動(dòng)人群的適應(yīng)性熱舒適模型。

2.3 適應(yīng)性熱舒適模型和熱舒適范圍

2.3.1 熱感覺投票結(jié)果 受試者在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和靜坐狀態(tài)下的熱感覺投票分布如圖6所示。運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和靜坐狀態(tài)下的熱感覺投票值處于-1～1之間的百分比分別是98.08%和91.67%(5月份)，59.74%和57.58%(7月份)，94.07%和93.39%(9月份)。熱感覺投票值處于-1～1之間的區(qū)間為舒適范圍區(qū)間[27]，因此可推斷：實(shí)測(cè)期間覺得舒適的運(yùn)動(dòng)人群要多于觀眾人群。

圖6 實(shí)測(cè)期間熱感覺投票百分比Fig.6 The Percentage of Thermal Sensation Vote in Each

2.3.2 中性溫度和舒適溫度的上下限 研究依據(jù)de Dear的推薦，采用建立線性回歸的方法求出了受試者處于靜坐狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的中性溫度[28]，具體方法如下：

1)將所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分組，把每天每個(gè)半場(chǎng)對(duì)應(yīng)的室內(nèi)外環(huán)境參數(shù)和該球場(chǎng)中受試者在靜坐和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的熱感覺投票值作為一個(gè)數(shù)據(jù)組。

2)建立每組數(shù)據(jù)中靜坐和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的熱感覺投票值和對(duì)應(yīng)區(qū)域操作溫度的線性關(guān)系，得到每組數(shù)據(jù)的靜坐和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的等式(3)和式(4)。

TSV觀眾=a+b×top

(3)

TSV運(yùn)動(dòng)=c+d×top

(4)

式中：TSV觀眾為靜坐狀態(tài)下的平均熱感覺投票值；TSV運(yùn)動(dòng)為運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的平均熱感覺投票值；top為操作溫度。建立線性回歸過程中，顯著性大于0.001(p>0.001)的數(shù)據(jù)組會(huì)被作為無(wú)效數(shù)據(jù)組剔除。

3)計(jì)算每組數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的兩個(gè)等式中當(dāng)TSV觀眾和TSV運(yùn)動(dòng)為零時(shí)對(duì)應(yīng)的操作溫度值，這兩個(gè)溫度值即是每組數(shù)據(jù)中受試者分別處于靜坐狀態(tài)下和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的中性溫度。

4)熱感覺投票值處于-1～1之間的區(qū)間為舒適范圍區(qū)間。計(jì)算每組數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)等式中，當(dāng)TSV觀眾為+1和-1時(shí)對(duì)應(yīng)的操作溫度值，這兩個(gè)溫度值即是每組數(shù)據(jù)中受試者處于靜坐狀態(tài)下的舒適溫度上下限。同理，可求得受試者處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的舒適溫度上下限。

2.3.3 適應(yīng)性熱舒適模型 將每天每個(gè)球場(chǎng)受試者處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和靜坐狀態(tài)下的中性操作溫度分別與當(dāng)天連續(xù)平均室外空氣溫度相關(guān)聯(lián)，生成的線性關(guān)系如表5和圖7所示，其中，Tout為室外日平均氣溫，Tn為日中性溫度。

表5 運(yùn)動(dòng)人群和觀眾人群中性操作溫度和室外溫度的回歸方程Table 5 The regression equations of neutral temperature and outdoor temperature for exercising people and spectators

注：Tn表示中性操作溫度；Tout表示室外空氣溫度

圖7 運(yùn)動(dòng)人群和觀眾人群的適應(yīng)性熱舒適模型Fig.7 Adaptive thermal comfort model of exercising

如表5中所示，對(duì)于觀眾人群，0.379 9是日中性溫度隨室外空氣溫度的變化率，15.604是一個(gè)常數(shù)。模型的室外空氣溫度的有效范圍為22.72～35.61 ℃，對(duì)應(yīng)的中性溫度范圍為24.24～29.13 ℃。良好的決定系數(shù)R2(R2=0.762 6)表明方程式(6)能較好的解釋觀眾人群的中性溫度隨著室外溫度的變化而變化。顯著性水平p<0.001表明觀眾人群的中性溫度和室外空氣溫度之間的線性回歸方程具有高度統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。對(duì)于運(yùn)動(dòng)人群，0.326 6是日中性溫度隨室外空氣溫度的變化率，18.301是一個(gè)常數(shù)。模型的室外空氣溫度的有效范圍為22.72～35.61 ℃，對(duì)應(yīng)的中性溫度范圍為25.72～29.93 ℃。良好的決定系數(shù)R2(R2=0.415 0)表明方程式(5)能較好地解釋運(yùn)動(dòng)人群的中性溫度隨著室外溫度的變化而變化。顯著性水平p<0.001表明運(yùn)動(dòng)人群的中性溫度和室外空氣溫度之間的線性回歸方程具有高度統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。如圖7所示，觀眾人群和運(yùn)動(dòng)人群中性溫度(舒適溫度)隨著室外空氣溫度的改變而改變。室外空氣溫度越高，中性溫度也越高。這表明觀眾人群和運(yùn)動(dòng)人群的中性溫度都跟對(duì)應(yīng)的室外環(huán)境密切相關(guān)。

2.3.4 熱舒適范圍 將每天每個(gè)球場(chǎng)受試者處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和靜坐狀態(tài)下的舒適溫度上下限值分別與對(duì)應(yīng)的當(dāng)天連續(xù)平均室外空氣溫度相關(guān)聯(lián)，生成的線性關(guān)系如表6和圖8所示。 圖8中運(yùn)動(dòng)人群的上限和下限之間為運(yùn)動(dòng)人群的舒適范圍，觀眾人群的上限和下限之間為觀眾人群的舒適范圍。室外空氣溫度的有效范圍為22.72～35.61 ℃，對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)人群舒適溫度范圍為23.13～32.85 ℃，觀眾人群舒適溫度范圍為22.60～31.00 ℃。如圖8所示，觀眾人群和運(yùn)動(dòng)人群舒適溫度范圍隨著室外空氣溫度的改變而改變。室外空氣溫度越高，舒適溫度上下限值也越高。這表明觀眾人群和運(yùn)動(dòng)人群的舒適溫度范圍都跟對(duì)應(yīng)的室外環(huán)境密切相關(guān)。

表6 運(yùn)動(dòng)人群和觀眾人群的中性溫度與室外溫度的回歸方程Table 6 The regression equations of comfort temperature andoutdoor temperature for exercising people and spectators

注：Tc為舒適溫度；Tout為室外空氣溫度

圖8 觀眾人群和運(yùn)動(dòng)人群的舒適溫度范圍Fig.8 Comfort range of exercising people and

3 討論

3.1 觀眾人群和運(yùn)動(dòng)人群的對(duì)比

比較觀眾人群和運(yùn)動(dòng)人群的適應(yīng)性熱舒適模型的斜率(見表5)，發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)人群的斜率(0.326 6)要小于觀眾人群的斜率(0.379 9)。已有研究指出適應(yīng)性熱舒適模型的斜率可以被看作人對(duì)溫度變化的敏感程度[29]。因此，運(yùn)動(dòng)人群熱敏感度要小于觀眾人群。

比較觀眾人群和運(yùn)動(dòng)人群適應(yīng)性熱舒適模型的中性操作溫度(見圖7)，發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)人群和觀眾人群的中性操作溫度都隨著室外空氣溫度的升高而升高，但相同的室外空氣溫度對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)人群的中性操作溫度要高于觀眾人群，差值維持在0.80 ℃到1.48 ℃之間。這說(shuō)明兩類人群的適應(yīng)性熱舒適模型具有較大差別，為了準(zhǔn)確的推斷出相同環(huán)境下兩類人群的舒適溫度，應(yīng)該分別建立相應(yīng)的適應(yīng)性熱舒適模型。

比較觀眾人群和運(yùn)動(dòng)人群的舒適溫度范圍(見圖8)，發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)人群和觀眾人群的舒適溫度范圍上下限皆隨著室外溫度的升高而升高，但運(yùn)動(dòng)人群的舒適范圍比觀眾人群的舒適范圍更寬，前者舒適溫度下限與后者舒適溫度下限相近，但前者舒適溫度上限比后者舒適溫度上限高，差值維持在1.86～2.48 ℃之間。這說(shuō)明當(dāng)觀眾人群覺得舒適的時(shí)候，運(yùn)動(dòng)人群基本感覺舒適，但當(dāng)運(yùn)動(dòng)人群感覺舒適的時(shí)候，觀眾人群則不一定舒適。

目前，已有研究指出人的熱感覺(包括：熱敏感度、中性溫度和舒適范圍等)會(huì)被環(huán)境因素、生理因素和心理因素影響[30]。為了找到影響研究中受試者熱感覺的主要因素，下文將依次對(duì)這3種因素進(jìn)行討論。關(guān)于環(huán)境因素：受試者處于靜坐狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)都在球場(chǎng)附近，而且處于這兩個(gè)狀態(tài)之間的時(shí)差僅30 min，因此，受試者在兩個(gè)狀態(tài)下所處的環(huán)境基本相似。關(guān)于生理因素：靜坐狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下受試者的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度有較大區(qū)別。目前，已有大量研究指出人體中性溫度和舒適溫度會(huì)隨著運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的升高而降低[19-21]，但本文結(jié)果卻與之相反。綜合以上兩點(diǎn)，推測(cè)受試者處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與靜坐狀態(tài)的熱感覺有差異的主要原因不是環(huán)境因素和生理因素，而是心理因素。由于研究中的調(diào)查對(duì)象多為運(yùn)動(dòng)愛好者，他們即便在高溫環(huán)境下依舊渴望參加運(yùn)動(dòng)，這一心理因素使得他們?nèi)菀缀雎詼囟鹊淖兓?shí)測(cè)中各個(gè)溫度段所對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)人群的熱感覺投票值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(如圖9所示)，當(dāng)室內(nèi)溫度高于30 ℃時(shí)，依舊有高達(dá)60%的投票值處于舒適區(qū)間(-1、0、1)。 這表明即便在炎熱的室內(nèi)環(huán)境中，大部分運(yùn)動(dòng)人群依舊感覺舒適。

圖9 不同室內(nèi)溫度范圍的運(yùn)動(dòng)人群熱感覺投票百分比Fig.9 The percentage of thermal sensation vote in diffferent

基于上述討論，推測(cè)運(yùn)動(dòng)愛好者渴望參加運(yùn)動(dòng)的心理因素使他們?nèi)菀缀雎詼囟鹊淖兓踔猎诟邷叵乱琅f愿意進(jìn)行體育鍛煉，從而忽視溫度的變化和高溫對(duì)他們健康造成的潛在威脅。因此，未來(lái)對(duì)運(yùn)動(dòng)人群熱環(huán)境的研究應(yīng)考慮兩種溫度，一種對(duì)應(yīng)運(yùn)動(dòng)人群生理健康的需求，另一種對(duì)應(yīng)運(yùn)動(dòng)人群舒適的需求。

3.2 舒適范圍與體育館室內(nèi)溫度對(duì)比

將實(shí)測(cè)中3個(gè)自然通風(fēng)體育館室內(nèi)溫度分別和觀眾人群、運(yùn)動(dòng)人群的舒適溫度范圍進(jìn)行比較，具體步驟如下：首先，選擇實(shí)測(cè)期間5月、7月和9月室外空氣溫度最高的那天作為夏季典型日。如圖5中所示，3個(gè)典型日的室外溫度分別為27.17、35.61、31.16 ℃。其次，根據(jù)觀眾人群和運(yùn)動(dòng)人群熱舒適范圍的計(jì)算式(7)～式(10)，計(jì)算出3個(gè)典型日中觀眾人群和運(yùn)動(dòng)人群熱舒適范圍：24.26～27.59 ℃和24.46～29.86 ℃(5月典型日)，27.28～30.99 ℃和26.98～32.86 ℃(7月典型日)；25.69～29.20 ℃和25.65～31.28 ℃(9月典型日)。最后，將3個(gè)典型日中兩類人群的舒適溫度范圍分別與當(dāng)天3個(gè)自然通風(fēng)體育館的全天室內(nèi)操作溫度進(jìn)行比較，結(jié)果如圖10、圖11、圖12所示。

圖10 5月份典型日3個(gè)體育館室內(nèi)操作溫度與舒適范圍的比較Fig.10 Indoor operative temperature and comfort range of three sports buildings in typical day of

圖11 7月份典型日3個(gè)體育館室內(nèi)操作溫度與舒適范圍的比較Fig.11 Indoor operative temperature and comfort range of three sports buildings in typical day of

圖12 9月份典型日3個(gè)體育館室內(nèi)操作溫度與舒適范圍的比較Fig.12 Indoor operative temperature and comfort range of three sports buildings in typical day of

圖中深藍(lán)色線和淺藍(lán)色線分別代表運(yùn)動(dòng)人群和觀眾人群的舒適溫度上下限，橙色線代表室內(nèi)操作溫度。如圖所示，3個(gè)典型日中運(yùn)動(dòng)人群的舒適溫度范圍都比觀眾人群舒適范圍更寬。在5月份典型日當(dāng)天，3個(gè)建筑全天室內(nèi)操作溫度基本都處于觀眾人群和運(yùn)動(dòng)人群的舒適溫度范圍之內(nèi)；在7月份典型日當(dāng)天，3個(gè)建筑全天室內(nèi)操作溫度基本都處于觀眾人群舒適溫度范圍之外。3個(gè)建筑室內(nèi)操作溫度在13：00前基本都處于運(yùn)動(dòng)人群舒適溫度范圍之內(nèi)，在13：00后基本都處于運(yùn)動(dòng)人群舒適溫度范圍之外；在9月份典型日當(dāng)天，3個(gè)建筑室內(nèi)操作溫度只在12：00前基本處于觀眾人群舒適溫度范圍之內(nèi)，在12：00后基本處于觀眾人群舒適溫度范圍之外。3個(gè)建筑全天室內(nèi)操作溫度基本都處于運(yùn)動(dòng)人群的舒適溫度范圍之內(nèi)。

上述比較結(jié)果說(shuō)明，自然通風(fēng)體育館可以在不使用主動(dòng)調(diào)節(jié)的情況下在某些時(shí)間段為用戶提供舒適的環(huán)境，但在某些時(shí)間段，過高的室內(nèi)溫度依舊無(wú)法有效滿足用戶的舒適需求。其能滿足運(yùn)動(dòng)人群舒適的時(shí)間要長(zhǎng)于能滿足觀眾人群舒適的時(shí)間。

因此，為了最大化自然通風(fēng)系統(tǒng)的效率，同時(shí)保證建筑室內(nèi)環(huán)境的舒適，及時(shí)地介入空調(diào)制冷等主動(dòng)調(diào)節(jié)手段成為必須。將自然通風(fēng)系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)作為相互輔助的手段，對(duì)建筑室內(nèi)熱環(huán)境進(jìn)行協(xié)同調(diào)節(jié)，可以有效提高建筑的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性能[31]。而通過建立運(yùn)動(dòng)人群適應(yīng)性熱舒適模型推測(cè)出運(yùn)動(dòng)人群的舒適范圍，則可以為這種協(xié)同調(diào)節(jié)手段提供理論依據(jù)，即為空調(diào)制冷等主動(dòng)調(diào)節(jié)手段選擇準(zhǔn)確的介入時(shí)間。需要注意的是，應(yīng)該分別以運(yùn)動(dòng)人群和觀眾人群的舒適范圍為參考依據(jù)去設(shè)定運(yùn)動(dòng)區(qū)域和觀眾區(qū)域的主動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的介入時(shí)間。

研究保證了數(shù)據(jù)的精確性和分析方法的嚴(yán)謹(jǐn)性，建立了自然通風(fēng)體育建筑室內(nèi)運(yùn)動(dòng)人群的適應(yīng)性熱舒適模型和舒適范圍，從而為體育建筑室內(nèi)熱環(huán)境設(shè)計(jì)和管理提供依據(jù)，并對(duì)后續(xù)相似的研究提供理論基礎(chǔ)和參考依據(jù)。但是，由于研究的局限性，研究所得體育館內(nèi)運(yùn)動(dòng)人群熱舒適范圍的準(zhǔn)確度會(huì)受到影響。研究的局限性在于研究對(duì)象僅限于進(jìn)行籃球運(yùn)動(dòng)的人，由于籃球運(yùn)動(dòng)人群的生理和心理狀況與其他運(yùn)動(dòng)人群不完全相同，因此，研究結(jié)果不一定適用于其他種類的運(yùn)動(dòng)場(chǎng)館。為此，有必要在將來(lái)開展更廣泛的研究，討論不同運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度人群的適應(yīng)性熱舒適模型和舒適范圍。同時(shí)，還需要在將來(lái)采集更大的樣本量去做進(jìn)一步的研究來(lái)支持本文的研究結(jié)果，使該方向的研究更加精確。

4 結(jié)論

1)運(yùn)動(dòng)人群和觀眾人群的中性操作溫度都與連續(xù)平均室外空氣溫度存在良好線性關(guān)系，這說(shuō)明適應(yīng)性熱舒適模型對(duì)亞熱帶地區(qū)自然通風(fēng)體育館中這兩類人群皆具有適用性。

2)運(yùn)動(dòng)人群熱敏感度0.326 6，小于觀眾人群的熱敏感度0.379 9。

3)運(yùn)動(dòng)人群和觀眾人群的中性操作溫度都隨著室外空氣溫度的升高而升高，前者中性操作溫度一直比后者高，差值維持在0.80～1.48 ℃之間。

4)運(yùn)動(dòng)人群和觀眾人群的熱舒適范圍上下限皆隨著室外空氣溫度的升高而升高，前者熱舒適范圍下限與后者相近，但前者熱舒適范圍上限一直比后者高，差值維持在1.86～2.48 ℃之間。

5)廣州地區(qū)自然通風(fēng)體育館在夏季某些時(shí)間段無(wú)法有效滿足觀眾人群和運(yùn)動(dòng)人群的舒適需求。分別以運(yùn)動(dòng)人群和觀眾人群的熱舒適范圍為參考去設(shè)定運(yùn)動(dòng)區(qū)域和觀眾席區(qū)域的主動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)開啟時(shí)間，可以在最大化自然通風(fēng)功效的同時(shí)，保證體育館室內(nèi)熱環(huán)境舒適。