過渡季覆土屋面訓練館熱可接受度研究
——以廣東藥科大學體育訓練館為例

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.空軍廣州工程設計室，廣東 廣州 510052

在建筑設計中營造良好的室內熱環境已成為現今建筑領域的重要話題。訓練館作為人們運動訓練的主要場所，其室內環境直接影響運動的品質，同時運動狀態區別于靜息與非運動狀態，人體熱反應和對熱環境的要求也存在差異。因此，現代體育訓練館有必要研究運動狀態下人體對室內熱環境的需求，并采用相關策略去改善訓練館室內熱環境，保證運動質量。

覆土綠化屋面作為一種獨特的建筑節能設計手法，尤其在如今城市熱島效應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構基礎，覆蓋植被與土壤，一方面能改善外部城市環境，另一方面營造了內部舒適的空間環境[1]。廣州地處亞熱帶氣候區，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，而覆土綠化屋面的熱工性能優于金屬屋面，對室內的調溫效果也優于裸露屋頂，在廣州地區的大空間建筑中具有可觀的應用前景。

1 建筑概況

廣東藥科大學訓練館位于廣州大學城廣東藥科大學教學區內，平面布置上自東向西分別為體操、籃球及武術訓練場。館內運動區域東西長約58m，南北長約為38m，建筑面積約為1920m2。其屋頂結合主入口的大臺階設計，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練館為實測調研對象，在過渡季進行實測，廣州地區過渡季時間較長、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。實測期間場館內部處于自然通風狀態。

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，已適應廣州地區的環境。人員信息如表1所示。考慮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。

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，研究人體對熱環境的反應。因次，此次實測也需要獲取上述4個環境物理量，設備采用testo480主機，包括黑球輻射溫度探頭、風速探頭、室內空氣質量探頭，布點包括室內籃球訓練場及室外中庭，同時使用宜準運動手表實時監測運動者心率以達到運動強度。

2.4 主觀問卷調查

實測采用的主觀問卷包括環境感覺與評價，為熱感覺以及熱可接受度投票。問卷填寫與環境參數記錄同步進行，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《人類居住熱環境條件》（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換為心率從而實時監控代謝水平，而研究表明，人體在不同新陳代謝水平間轉換時，熱感覺需要15～20min才能達到穩態[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 實測數據

3.1 熱環境參數

為了更好地驗證覆土綠化屋頂的熱工性能，在進行室內運動的同時開展了室外的環境記錄。各階段室內外環境參數對比如表2所示。

表2 環境參數對比

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

實測期間室內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熱環境上的優越性[5]，而且當室外過熱時室內氣溫會低于室外，室外過冷時室內氣溫會略高于室外。

圖3 實測日均氣溫對比

3.2 主觀調查問卷統計

（1）熱感覺。熱感覺投票值反映受試者對所處環境冷熱程度的感覺。覆土屋面場館內3種運動狀態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為熱舒適區間，投籃狀態下該區間投票占比為61%、上籃狀態為15%、折返跑占比只有2%，投籃狀態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，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，室內氣溫則主要在20～30℃。取運動15min后的數據，以0.5℃為一個區間取該區間內熱感覺均值，建立熱感覺與操作溫度的線性關系，如圖5所示。

圖5 熱感覺與操作溫度關系

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境狀況下的線性關系。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，導致建筑內環境對人體熱舒適所產生的影響逐漸下降。

（3）熱可接受度與操作溫度之間的關系。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。整理每種運動狀態下15min后的投票值，以0.5℃為一個區間計算該區間內“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系，如圖6所示。

圖6 熱不滿意度與操作溫度關系

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熱環境的接受范圍，將熱不滿意度y=0.2帶入圖6方程可求解出對應的熱可接受范圍，得出10—11月具有覆土綠化的廣藥訓練館投籃狀態下熱可接受范圍為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 結論

具有覆土綠化屋面的廣藥訓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溫度，為26～27℃，且較熱天室內溫度低于室外溫度，較冷天室內溫度略高于室外溫度，具有良好的隔熱保溫性能。

在館內3種運動狀態下，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℃或室內平均氣溫25～28℃溫度下，投籃狀態熱可接受溫度范圍為17.52～28.60℃；上籃狀態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℃。