基于運動人體熱舒適的體育場館環境溫度參數優化研究

高亞萍，肖勇強

體育承載著國家強盛、民族振興的夢想。體育強則中國強，國運興則體育興（李中文等，2017）。體育強國的發展離不開體育教育的根本支撐。體育作為一種有效的教育手段進入學校并在學校依靠一定的教學環境進行，而教學環境多依托于體育場館。可見，體育場館作為影響體育教育的一個重要影響因素，不僅影響了體育教學過程的組織與安排，更在某種程度上作用于大學生的運動水平及舒適效果（姚蕾，2003）。良好的體育場館熱環境對運動人體的健康舒適和運動效率都會產生積極有利的影響，即體育場館環境參數的協同作用影響著運動人體的熱舒適，它主要表現在環境溫度、濕度、風速和輻射溫度。熱舒適是人對周圍熱環境所做的主觀滿意度評價（邵偉德等，2004），主要依靠人體對冷熱應力的生理反應、運動疲勞、熱感覺心理主觀評價等判斷某一熱環境是否舒適。

有關人體熱舒性的研究從20世紀初逐步得到發展。然而，在20世紀60年代之前，多數研究只考慮環境因素中的某個或部分因素對人體熱舒適性的影響，直到1962年Macpherson（1962）提出6個熱舒性基本評價因素，包括空氣溫度、流動速度、平均輻射溫度、新陳代謝速率、相對濕度以及衣服熱阻。以上研究均建立在穩態熱環境和低代謝條件下，在新陳代謝速率較高（＞4.0 Met）或者高溫情況下無法準確地反映人體的熱感覺（王海英等，2009）。這是因為人體在運動時具備以下特點：新陳代謝速率大、衣著熱阻小、排汗量大、輻射環境復雜（季泰等，2015）。因此，季泰等（2017）發現，傳統的基于Fanger模型的人體熱舒適性評價指標難以準確預測運動人體的熱舒適性，通過對運動人體對流輻射模型以及體表擴散模型的修正，熱舒適評價模型更加合理。但理論意義上的運動人體熱舒適模型無法為體育場館空調系統的調節提出舒適環境溫度推薦范圍。這是因為，當前暖通空調國家相關標準規范中推薦的室內空調溫度（25℃～27℃）設計參數僅考慮了普通人群熱舒適，而運動人體處于空調環境時，由于運動負荷不斷增強，人體長時間處于高熱干燥狀態，皮膚失水散熱增強，形成強烈的運動冷熱沖擊，引起體內鹽分、維生素的缺失，形成強烈的不舒適及建筑病態綜合癥。這一特殊的高產熱、高代謝、高排汗的運動性功能，使確定體育場館環境設計參數時應充分權衡運動舒適性需求。

人體的熱舒適感與皮膚表面濕潤度及溫度密切相關（談美蘭等，2011）。由于夏季運動人體排汗量大，要維持人體產熱和散熱之間的熱平衡，必須控制體育場館環境溫度。為獲得舒適的體育場館環境溫度，通常要消耗大量的空調系統能耗。體育場館建筑具有巨大的節能潛力，應綜合考慮在滿足運動舒適性需求的同時，充分改善體育場館建筑所特有的空調系統能耗問題。

本研究以受試者運動疲勞評價來確定夏季體育場館環境參數中溫度因子的顯著性影響，進一步將受試者在不同環境溫度的安靜、運動狀態的實際熱感覺投票線性擬合分析機體運動過程的中性溫度，以人體平均皮膚溫度、血壓、心率表征生理參數指標進行描述性統計，進而采用方差分析計算效應量來反映各生理測試項目與環境溫度之間的顯著性差異，最后通過引入空間分析理論，對受試者實際熱感覺不滿意率、實際疲勞感覺不滿意率進行多元回歸，建立熱感覺滿意率、疲勞感覺滿意率與環境溫度之間的定量關系，兼顧運動人體熱舒適和疲勞感覺滿意率的綜合影響，提出舒適的環境溫度參數取值范圍，實現體育場館空調系統的節能低耗。

1 實驗調查

1.1 基礎理論

運動人體須同體育場館熱環境之間處于相對穩定的傳熱動態平衡狀態。在體育場館環境溫度（空調調節的室內溫度）、濕度、風速和輻射溫度的綜合影響下，人體的生理機能以及舒適度都會發生較大的變化。這是因為人們在運動過程中自身新陳代謝產熱、與空間環境之間的對流換熱、與體育設施和地面等圍護結構的輻射換熱、機體自身呼吸換熱以及皮膚表面汗液蒸發散熱之間存在傳熱過程（圖1）。

圖1 人體與場館環境熱交換過程Figure 1.Heat Exchange Process between Human Body and Stadium Environment

公式（1）中（朱穎心 等，2010），M為自身能量代謝速率，W/m2；W為人體在運動過程所做的功率，W/m2；Ed為人體皮膚蒸發擴散失熱速率，W/m2；Esk為人體皮膚表面汗液蒸發的熱損失，W/m2；Eres為人體呼吸潛熱損失，W/m2；El為人體呼吸顯熱損失，W/m2；Econv為著裝人體表面與環境對流換熱，W/m2；Erad為著裝人體表面與體育場館環境輻射換熱，W/m2。

運動人體熱舒適性是一種考慮了人體自身生理、心理調節功能對環境參數的適應能力的綜合影響機制。從主觀上說，體育場館環境溫度適應性調控對學生的運動疲勞呈現階梯性影響；從客觀上說，運動人體的生理熱調節與體育場館環境溫度的合理調控是密不可分的。

皮膚溫度是由人體核心至皮膚表面的熱流與皮膚表面至環境散熱之間的熱平衡決定的。Fanger（1967）基于人體熱平衡方程建立了熱舒適模型，進一步闡述了人體熱舒適的影響機制。季泰等（2015）基于Fanger模型建立了修正模型，并提出環境溫度、濕度對運動人體熱感覺投票（thermal sensation votes，TSV）影響顯著。在實際實驗過程中，通常以問卷調查方法獲得實測TSV，其采用七級分度（表1）。

表1 熱感覺標尺Table 1 Thermal Sensation Scale

1.2 實驗對象及儀器

熱舒適一般采用主觀或客觀現場調查研究的方法，從不到一周至全年不等（Mishra et al.，2015）。實驗地點選取代表性區域西安，其適用于與西安氣候參數相同的區域，如北京、蘭州、濟南等地，時間是夏季6～7月，測試對象為1 200名在西安某高校體育場館內進行羽毛球活動的大學生。通過查閱文獻得知羽毛球活動的新陳代謝速率 M=5.5 Mets（Ainsworth et al.，2011）。由于持續追蹤調查時間較長，研究以西安室外環境溫度達35℃以上的15天為例，實驗過程中，學生統一著裝（運動短褲背心，服裝熱阻較低忽略不計），生理參數的測試選取狀態在較穩定的時間段進行（Fabbri，2013），即每天運動測試時間為14：00～15：30。經實地勘測風速均保持在0.15 m/s以下。實驗過程中，有對象因為身體狀況無法繼續完成測試，故實驗有效數據為1 038人。參考Fabbri（2015）的研究，將熱舒適問卷的內容調整為包括姓名、性別、年齡、身高、體重等基本參數，在運動結束時填寫熱感覺和疲勞感覺，疲勞感覺主要包括正常狀態（0）、稍許疲勞（-1）、疲勞（-2）以及非常疲勞（-3）。

通過對體育場館運動區域內物理環境的監測，測試的具體環境參數為：環境溫度、相對濕度、黑球溫度及風速，同時對運動人體生理參數進行同步監測記錄，測試的具體生理參數為：皮膚溫度、心率及血壓。

1.3 實驗方案

體育場館熱環境對學生運動熱舒適的影響應采用多維的研究方向，通過環境參數對運動人體主觀心理感受、疲勞感覺認知以及自身生理反饋的交互作用，形成一個有機組合，如圖2所示，體育場館環境對運動人體熱舒適的影響機制，進一步整合關系式如（2）所示。

圖2 體育場館環境對運動人體熱舒適的影響機制Figure 2. The Influence Mechanism of Stadium Environment on Human Thermal Comfort

其中，CE（comfort efficiency）代表舒適效率輸出；EP（environmental parameters）代表體育場館環境參數；FE（fatigue evaluation）代表疲勞感覺評價；SE（subjective evaluation）代表主觀感覺評價；PR（pysiological response）代表生理反應。

2 結果分析

2.1 體育場館環境溫度對心理主觀評價的影響

2.1.1 疲勞感覺評價

如圖3（a）所示，經現場實驗測試，相對濕度在50%～60%范圍內小幅度波動，黑球溫度在室內中受到平均輻射變量影響較小，不作為對實驗的影響因素。經遴選實驗工況，受試者在運動過程中的主觀疲勞感覺評價如圖3（b）所示，環境溫度作為介質因子對受試者疲勞感覺產生了正態分布的影響，隨著環境溫度的逐漸升高，疲勞感覺投票百分比向“非常疲勞”方向轉移，且與環境溫度的數理性變化呈現趨同性變化，形成以“稍許疲勞”為中軸的對稱分布特點，呈現方向從“正常狀態”“稍許疲勞”到“疲勞”“非常疲勞”，同時在27℃～28℃時的疲勞感覺投票中，整體疲勞性處于穩定階段，即認為是受試者適應性疲勞作用溫度范圍。其次當環境溫度超過31℃時，受試者非常疲勞感覺顯著增強，且33℃時正常狀態與非常 疲勞的受試者形成強烈反差。

圖3 環境參數與疲勞感覺評價Figure 3. Environmental Parameters and Fatigue Sensation Evaluation

2.1.2 實際熱感覺投票

不同環境溫度條件下的學生熱感覺和熱舒適的主觀投票結果如圖4所示。學生的主觀熱感覺呈現從“涼”到“熱”的變化，具體來說，隨著環境溫度的逐漸升高，熱感覺投票百分比向“熱”方向轉移，且27℃～29℃時幾乎無強烈冷、熱感出現，機體處于舒適狀態；作用機理在于皮膚溫度與環境溫度的顯著差異下的熱交換增強，機體的熱量不能通過傳導、對流、輻射和蒸發而及時散熱，從而形成不同程度的冷熱感覺。

圖4 環境溫度與TSV投票百分比關系Figure 4.The Relation betweenAmbient Temperature and TSV Voting Percentage

環境溫度top作為自變量，安靜和運動后調查問卷的實際熱感覺投票作為因變量，兩者線性回歸得到擬合方程。由圖5運動狀態和安靜狀態時熱感覺投票所知，環境溫度與TSV兩者均呈現高度顯著性，其線性擬合方程如（3）、（4）所示：

圖5（a）中TSV擬合直線與TSV=0相交處反映了在運動狀態時的中性溫度，即t=29℃。當環境溫度從25℃～33℃，學生的平均熱感覺投票值從-2（涼）增加到＋3（熱），環境溫度每升高約2℃，熱感覺值升高1個單位，直到達到33℃后熱感覺不再變化，持續處于熱感峰值。其中安靜狀態下，中性溫度為26℃，學生的平均熱感覺投票值從-1（稍涼）增加到＋3（熱），且環境溫度每升高約2℃，熱感覺值升高1個單位，直到達到30℃后熱感覺不再變化，持續處于熱感峰值。

圖5 環境溫度與TSV擬合評價Figure 5.Environmental Temperature and TSV Fitting Evaluation

2.1.3 兼顧運動人體熱舒適和疲勞感覺綜合作用的環境溫度參數推薦范圍

受試者實際熱感覺不滿意率（actual percentage of dissatisfied，PD）和實際疲勞感覺不滿意率（fatigue dissatisfaction rate，FD）指標綜合反應學生熱舒適溫度參數取值范圍。具體來說，受試者所處體育場館熱環境與中性溫度的偏差，越接近中性溫度，不滿意率越低；受試者從事體育運動的過程中，機體熱敏感程度越低，學生潛在疲勞感覺越弱，不滿意率越低。由于存在個體差異性，在體育場館環境處于舒適狀態時，允許有一定量的不滿意率出現。受試者實際熱感覺不滿意率PD和實際疲勞感覺不滿意率FD計算公式如下：

公式中，xi，j指第i個測試學生在溫度工況j時的指標，n指每個測試學生進行的工況總數。

國際標準化組織7 730或美國采暖、制冷與空調工程標準55（2013）對TSV的推薦值為-0.5～＋0.5之間。如圖 6（a）所示，當-0.5≤TSV≤0.5時，環境溫度近似為27.8℃～29.8℃，通過線性分析環境溫度和熱感覺投票TSV的定量關系，得出體育場館環境溫度在一定程度上吻合了中性溫度取值，且偏離閾在0.5℃以內，滿足了受試者在體育場館內的適宜性冷需求，建立了環境溫度-熱感覺投票TSV之間的定量影響關系。

一般來說，受試者熱感覺投票在-1～＋1范圍內，認定為受試者可接受環境溫度；投票值為-3、-2、2、3，認定為受試者不可接受環境溫度。通過計算在某一環境溫度下受試者熱感覺投票不可接受人數占總投票人數的百分比，建立該環境溫度下的受試者熱舒適不滿意情況，并對實際熱感覺不滿意率PD和實際疲勞感覺不滿意率FD進行二次回歸分析，得到圖6（b）體育場館環境溫度-受試者實際不滿意率的關系，擬合方程為（6）、（7）：

圖6 匹配環境溫度舒適區域Figure 6.MatchAmbient Temperature Comfort Zone

數據顯示，實際熱感覺不滿意率PD和實際疲勞感覺不滿意率FD幾乎是在同一溫度范圍達到不滿意率最低，美國采暖、制冷與空調工程標準55（2013）中給出的舒適區域允許存在10%群體不滿意率，因此在受試者熱感覺投票中，90%學生可接受環境溫度范圍為27.8℃～29.8℃；受試者疲勞感覺投票中，90%學生可接受環境溫度范圍為28.5℃～29.5℃。兼顧熱感覺和疲勞感覺的綜合影響，提出了同一環境溫度達到的舒適性限值，即中性溫度29℃；確定基于疲勞感覺滿意率為基礎的受試者運動行為熱舒適的環境溫度參數推薦范圍，即27℃～29℃，較國家標準中的室內空調環境溫度低限制值提高了2℃，能夠有效降低夏季體育場館空調制冷能耗，顯示了體育場館的巨大節能潛力。

2.2 生理反應

Wyon和Wargock（2006）闡述了建筑室內溫度對工作效率的影響結果及機理，一方面會影響人體的舒適健康癥狀，另一方面還會對新陳代謝產生一定的作用。由于短時間內它無法反饋出對運動效率的顯著性影響，但生理參數能夠反映出對運動人體舒適健康的影響，具體包括人體平均皮膚溫度（mean skin temperature，MST）、血壓（blood presure，BP）以及心率（heart rate，HR）指數等。

由圖7可知，人體皮膚溫度通過傳熱系數和皮膚面積加權得到平均皮膚溫度，如公式（8）、（9）（10）所示：

圖7 紅外熱像儀記錄人體皮膚溫度六位測點布局Figure 7.Layout of Six Measurement Points of Infrared Thermal Imager Recorded Human Skin Temperature

對人體平均皮膚溫度進行了相關描述性統計，如圖8（a）所示，隨著環境溫度的逐漸升高，機體自身為了維持溫度恒定進行自身平衡調節，機體皮膚溫度迅速上升，且28℃～30℃人體平均皮膚溫度箱體幾乎等同大小，說明人體平均皮膚溫度處于穩定狀態（圖8（b），在環境溫度達33℃時基本達到峰值，且31℃～33℃時皮膚溫度近似同一值，差異性動態變化較小；環境溫度超過24℃時，通過血液循環把體內熱量輸送給皮膚表面，大量汗液蒸發實現機體散熱工效，出現瞬間降溫，機體運動繼續產熱，皮膚溫度升高，形成熱冷循環。

圖8 人體平均皮膚溫度變化Figure 8.Changes in Mean Skin Temperature

由圖 9（a）可知，收縮壓（systolic blood presure，SBP）差值均大于0，舒張壓（diastolic blood presure，DBP）除了32℃外均大于0，收縮壓差值均大于舒張壓差值，但都在人體正常血壓范圍，且舒張壓差值較小，在0 mmHg～6 mmHg范圍內波動，32℃時舒張壓出現臨界值，說明運動與環境溫度協同作用后機體大量出汗，電解質和水分流失，血管壓力降低，血壓出現下降現象。隨著環境溫度的逐漸升高，兩個壓差均呈現先增加后降低的變化規律，一段時間后血壓有輕微反彈的跡象，總體存在統計學差異，31℃、32℃、33℃時，收縮壓、舒張壓有顯著性差異，且在29℃～30℃時出現峰值，說明在30℃后熱刺激顯著引發了血壓下降，增加了機體心血管系統的負擔。

圖9 BP、HR隨環境溫度變化關系Figure 9.The Relationship between BPand HR Changes withAmbient Temperature

由圖9（b）可知，隨著環境溫度的逐漸升高，測試前后學生心率變化趨勢呈現相同周期性變化規律，在不同環境溫度時有不同的差異性，且25℃、26℃、31℃時，心率存在顯著性差異。同時測試后的心率均高于測試前，這是因為體育場館中的運動導致機體出汗量增加，機體循環血量減少，心率反應性升高，其中在25℃～31℃時，心率呈現先增長后降低規律，在31℃后心率緩慢增長，對機體運動安全形成潛在安全隱患。

效應量表示不同環境溫度下的總體均值之間差異的大小 ，據 Cohen’sd（2013）指出 0.10≤ES≤0.29，0.30≤ES≤0.49，ES≥0.50，分別表示對小、中、大效應量，其中效應量越大，兩總體重疊程度越小，效應越好。目前較多學者（Cummings et al.，2017；Tarlow，2017）采用計算組間標準差SS組間和組總體（組間標準差和組內標準偏差）SS總體之間的比值來估計方差分析的效果大小，如公式11所示，利用SPSS 23.0程序進行統計分析。

如表2所示，方差分析結果得出，體育場館環境溫度對運動后的人體平均皮膚溫度、收縮壓、心率有顯著性影響（P＜0.05），其它生理參數未顯示統計差異；但效應量均大于0.5，說明環境溫度變化能帶動機體生理參數的巨大的連鎖反應。

表2 不同環境溫度下學生生理參數的P值和效應量ESTable 2 Prob and Effect Quantity ES of Physiological Parameters of Students under DifferentAmbient Temperatures

3 討論

體育場館熱環境與人體間的實際熱交換可知，體育場館相對濕度、黑球溫度、環境溫度及風速以對流、輻射、蒸發的形式對人體產生影響，因此體育場館熱環境對受試者運動熱舒適的影響應采用多維的研究方法。通過對現場場館測試發現，相對濕度和黑球溫度處于相對穩定，受試者對體育場館相對濕度、黑球溫度的主觀感覺在統計學上沒有顯著性差異，且由于羽毛球運動的風速特性，綜上所述提出環境溫度對受試者熱感覺評價、疲勞感覺認知以及生理參數存在交互作用，是能夠反映體育場館環境對受試者影響的主要指標。環境溫度對受試者的主觀心理感覺評價主要包括疲勞感覺評價和實際熱感覺。

3.1 環境溫度對主觀心理感覺評價影響

疲勞是人體行為活動的必然結果，過量的疲勞性運動會潛在性對人體產生影響。Gonz′alez-Alonso等（2003）指出，在高強度運動中，當環境溫度過高時，身體產生熱過量，需要借助汗液蒸發作用來完成體溫調節。然而高溫下的脫水是最大的負面影響因子，此時會嚴重減弱運動員耐受高溫的能力（Sawka et al.，2000）。

本研究發現，受試者的疲勞感覺與環境溫度的數理性變化呈等效性，也就是說實現了從“正常狀態”“稍許疲勞”到“疲勞”“非常疲勞”方向轉移。進一步分析發現，隨著環境溫度的逐漸升高，疲勞感覺的存在對受試者的運動行為在27℃～28℃時，幾乎未發生變化，而超過30℃時高溫效應在受試者的疲勞評價中表現顯著，與Gonz’alez-Alonso 等（2003）、Sawka等（2000）和 Russell等（2019）研究結果相似，作用機理在于高溫環境下的運動疲勞表現屬于潛在疲勞，是以機體熱感覺為主的一種機體調節控制功能，主要是通過機體主觀疲勞感覺保護機體運動不受熱損傷，同時為了維持動態傳熱平衡，環境溫度與機體熱交換從側面增強了機體的運動熱負荷，使機體主觀疲勞感覺增加。有研究認為，影響運動表現的一個有害因素是運動引起的疲勞（Wang et al.，2016），當人體處于高溫環境時，人體熱感覺強烈，由于人體對環境具有適應性的調節，引起嚴重的運動性應激負效應，而環境壓力則可能提前使疲勞行為發生，這是由于過度勞累導致身體和精神功能下降而引起的（Cheung，2010），因此以疲勞感覺認知作為熱舒適評價指標，給出了適應性潛在疲勞作用溫度參數推薦范圍為27℃～28℃。

對于運動人體來說，熱感覺除了受客觀環境因素的影響，還受人體主觀因素影響。研究顯示，由于人體對高溫環境的低耐受性，導致維持熱平衡的能力降低，繼而在不同程度上增加了人體的熱感覺。熱感覺不僅造成人的健康以及舒適度嚴重降低，而且就體力勞動而言，更不利于減小熱應力，致使人體在行為活動中逐漸減緩速度，降低工作效率。

本研究發現，安靜狀態與運動狀態受試者形成明顯的差異性，受試者在安靜狀態下的熱感覺普遍高于運動狀態，與季泰等（2015）和Elhakeem等（2017）的人體行為活動研究結果一致。進一步分析發現，運動狀態的中性溫度比安靜狀態高了3℃，產生這種結果的原因主要是因為運動機體體表產熱增加，汗腺分泌出大量汗液，附著在皮膚表面，通過汗液液化轉化為氣態帶走皮膚表面大量熱量，起到自然降溫作用。運動行為與安靜狀態間中性溫度存在的差異，也更好地表明了運動人體的良好耐熱性。因此，本研究認為，運動狀態時需要提高環境溫度，避免形成強烈的運動熱冷沖擊，引起體內鹽分、維生素的缺失，保證運動過程中人體運動效果為最佳狀態，穩定人體傳熱動態平衡。

3.2 環境溫度對客觀生理反應影響

客觀生理反應是反映人體在運動過程中身體機能變化的重要指標，并且受環境溫度的影響顯著。研究表明，高溫環境對人體生理有明顯的影響，進而對運動行為具有負面影響（趙杰修，2008）。尹慧等（2017）在不同運動水平下人體生理參數（皮膚溫度、皮膚導熱熱流量）變化研究中，發現在活動量較大時皮膚溫度與人體熱感覺表現出相關性。但是人體的心率和血壓波動必須控制在一個合理范圍內，否則會危機到人體的健康。

本研究發現，環境溫度對生理反應有顯著性影響，具體來說，人體平均皮膚溫度與實際熱感覺間存在響應關系，這與尹慧等（2017）的研究一致；在20℃～35℃范圍內，溫度與心率變化呈線性相關，合適的心率是達到最佳運動效果的前提條件，與孫潔等（2007）的研究一致。在實驗測試范圍內，心率及血壓的變化均處于人體正常生理調節范圍內，但是隨環境溫度的升高，所產生的統計學差異，也證明了環境溫度變化能使機體生理參數產生巨大的連鎖反應，主要是因為環境溫度與運動產熱協同作用增加了機體生理負荷，對機體心血管系統形成潛在安全隱患。隨著運動時間的逐漸增加，代謝產熱與外環境熱的聯合作用增強，機體皮膚溫度對環境冷熱應激和熱流量動態傳遞，此時皮膚溫度持續升高，可使機體的內熱蓄積量增加，熱負荷達到一定程度，生理熱應激反應更加強烈，人體生理機能無法滿足運動需求，導致血壓、心率無法繼續升高。

4 結論

環境溫度和運動行為的協同熱作用，造成人體熱感覺顯著，促進疲勞的提前發生，人體的生理機能無法滿足運動需求，引起皮膚溫度、血壓及心率的顯著變化；兼顧熱感覺和疲勞感覺的綜合影響，獲得了27℃～29℃推薦溫度，較國家標準中的室內空調環境溫度的低限制值提高了2℃，表明了運動行為下人體的耐熱能力較強。