体育承载着国家强盛、民族振兴的梦想。体育强则中国强，国运兴则体育兴（李中文等，2017）。体育强国的发展离不开体育教育的根本支撑。体育作为一种有效的教育手段进入学校并在学校依靠一定的教学环境进行，而教学环境多依托于体育场馆。可见，体育场馆作为影响体育教育的一个重要影响因素，不仅影响了体育教学过程的组织与安排，更在某种程度上作用于大学生的运动水平及舒适效果（姚蕾，2003）。良好的体育场馆热环境对运动人体的健康舒适和运动效率都会产生积极有利的影响，即体育场馆环境参数的协同作用影响着运动人体的热舒适，它主要表现在环境温度、湿度、风速和辐射温度。热舒适是人对周围热环境所做的主观满意度评价（邵伟德等，2004），主要依靠人体对冷热应力的生理反应、运动疲劳、热感觉心理主观评价等判断某一热环境是否舒适。
有关人体热舒性的研究从20世纪初逐步得到发展。然而，在20世纪60年代之前，多数研究只考虑环境因素中的某个或部分因素对人体热舒适性的影响，直到1962年Macpherson（1962）提出6个热舒性基本评价因素，包括空气温度、流动速度、平均辐射温度、新陈代谢速率、相对湿度以及衣服热阻。以上研究均建立在稳态热环境和低代谢条件下，在新陈代谢速率较高（＞4.0 Met）或者高温情况下无法准确地反映人体的热感觉（王海英等，2009）。这是因为人体在运动时具备以下特点：新陈代谢速率大、衣着热阻小、排汗量大、辐射环境复杂（季泰等，2015）。因此，季泰等（2017）发现，传统的基于Fanger模型的人体热舒适性评价指标难以准确预测运动人体的热舒适性，通过对运动人体对流辐射模型以及体表扩散模型的修正，热舒适评价模型更加合理。但理论意义上的运动人体热舒适模型无法为体育场馆空调系统的调节提出舒适环境温度推荐范围。这是因为，当前暖通空调国家相关标准规范中推荐的室内空调温度（25℃～27℃）设计参数仅考虑了普通人群热舒适，而运动人体处于空调环境时，由于运动负荷不断增强，人体长时间处于高热干燥状态，皮肤失水散热增强，形成强烈的运动冷热冲击，引起体内盐分、维生素的缺失，形成强烈的不舒适及建筑病态综合症。这一特殊的高产热、高代谢、高排汗的运动性功能，使确定体育场馆环境设计参数时应充分权衡运动舒适性需求。
人体的热舒适感与皮肤表面湿润度及温度密切相关（谈美兰等，2011）。由于夏季运动人体排汗量大，要维持人体产热和散热之间的热平衡，必须控制体育场馆环境温度。为获得舒适的体育场馆环境温度，通常要消耗大量的空调系统能耗。体育场馆建筑具有巨大的节能潜力，应综合考虑在满足运动舒适性需求的同时，充分改善体育场馆建筑所特有的空调系统能耗问题。
本研究以受试者运动疲劳评价来确定夏季体育场馆环境参数中温度因子的显著性影响，进一步将受试者在不同环境温度的安静、运动状态的实际热感觉投票线性拟合分析机体运动过程的中性温度，以人体平均皮肤温度、血压、心率表征生理参数指标进行描述性统计，进而采用方差分析计算效应量来反映各生理测试项目与环境温度之间的显著性差异，最后通过引入空间分析理论，对受试者实际热感觉不满意率、实际疲劳感觉不满意率进行多元回归，建立热感觉满意率、疲劳感觉满意率与环境温度之间的定量关系，兼顾运动人体热舒适和疲劳感觉满意率的综合影响，提出舒适的环境温度参数取值范围，实现体育场馆空调系统的节能低耗。
1 实验调查
1.1 基础理论
运动人体须同体育场馆热环境之间处于相对稳定的传热动态平衡状态。在体育场馆环境温度（空调调节的室内温度）、湿度、风速和辐射温度的综合影响下，人体的生理机能以及舒适度都会发生较大的变化。这是因为人们在运动过程中自身新陈代谢产热、与空间环境之间的对流换热、与体育设施和地面等围护结构的辐射换热、机体自身呼吸换热以及皮肤表面汗液蒸发散热之间存在传热过程（图1）。
图1 人体与场馆环境热交换过程Figure 1.Heat Exchange Process between Human Body and Stadium Environment
公式（1）中（朱颖心 等，2010），M为自身能量代谢速率，W/m2；W为人体在运动过程所做的功率，W/m2；Ed为人体皮肤蒸发扩散失热速率，W/m2；Esk为人体皮肤表面汗液蒸发的热损失，W/m2；Eres为人体呼吸潜热损失，W/m2；El为人体呼吸显热损失，W/m2；Econv为着装人体表面与环境对流换热，W/m2；Erad为着装人体表面与体育场馆环境辐射换热，W/m2。
运动人体热舒适性是一种考虑了人体自身生理、心理调节功能对环境参数的适应能力的综合影响机制。从主观上说，体育场馆环境温度适应性调控对学生的运动疲劳呈现阶梯性影响；从客观上说，运动人体的生理热调节与体育场馆环境温度的合理调控是密不可分的。
皮肤温度是由人体核心至皮肤表面的热流与皮肤表面至环境散热之间的热平衡决定的。Fanger（1967）基于人体热平衡方程建立了热舒适模型，进一步阐述了人体热舒适的影响机制。季泰等（2015）基于Fanger模型建立了修正模型，并提出环境温度、湿度对运动人体热感觉投票（thermal sensation votes，TSV）影响显著。在实际实验过程中，通常以问卷调查方法获得实测TSV，其采用七级分度（表1）。
表1 热感觉标尺Table 1 Thermal Sensation Scale热感觉TSV值冷 凉-3-2稍凉-1中性0稍暖1暖2热3
1.2 实验对象及仪器
热舒适一般采用主观或客观现场调查研究的方法，从不到一周至全年不等（Mishra et al.，2015）。实验地点选取代表性区域西安，其适用于与西安气候参数相同的区域，如北京、兰州、济南等地，时间是夏季6～7月，测试对象为1 200名在西安某高校体育场馆内进行羽毛球活动的大学生。通过查阅文献得知羽毛球活动的新陈代谢速率 M=5.5 Mets（Ainsworth et al.，2011）。由于持续追踪调查时间较长，研究以西安室外环境温度达35℃以上的15天为例，实验过程中，学生统一着装（运动短裤背心，服装热阻较低忽略不计），生理参数的测试选取状态在较稳定的时间段进行（Fabbri，2013），即每天运动测试时间为14：00～15：30。经实地勘测风速均保持在0.15 m/s以下。实验过程中，有对象因为身体状况无法继续完成测试，故实验有效数据为1 038人。参考Fabbri（2015）的研究，将热舒适问卷的内容调整为包括姓名、性别、年龄、身高、体重等基本参数，在运动结束时填写热感觉和疲劳感觉，疲劳感觉主要包括正常状态（0）、稍许疲劳（-1）、疲劳（-2）以及非常疲劳（-3）。
通过对体育场馆运动区域内物理环境的监测，测试的具体环境参数为：环境温度、相对湿度、黑球温度及风速，同时对运动人体生理参数进行同步监测记录，测试的具体生理参数为：皮肤温度、心率及血压。
1.3 实验方案
体育场馆热环境对学生运动热舒适的影响应采用多维的研究方向，通过环境参数对运动人体主观心理感受、疲劳感觉认知以及自身生理反馈的交互作用，形成一个有机组合，如图2所示，体育场馆环境对运动人体热舒适的影响机制，进一步整合关系式如（2）所示。
图2 体育场馆环境对运动人体热舒适的影响机制Figure 2. The Influence Mechanism of Stadium Environment on Human Thermal Comfort
其中，CE（comfort efficiency）代表舒适效率输出；EP（environmental parameters）代表体育场馆环境参数；FE（fatigue evaluation）代表疲劳感觉评价；SE（subjective evaluation）代表主观感觉评价；PR（pysiological response）代表生理反应。
2 结果分析
2.1 体育场馆环境温度对心理主观评价的影响
2.1.1 疲劳感觉评价
如图3（a）所示，经现场实验测试，相对湿度在50%～60%范围内小幅度波动，黑球温度在室内中受到平均辐射变量影响较小，不作为对实验的影响因素。经遴选实验工况，受试者在运动过程中的主观疲劳感觉评价如图3（b）所示，环境温度作为介质因子对受试者疲劳感觉产生了正态分布的影响，随着环境温度的逐渐升高，疲劳感觉投票百分比向“非常疲劳”方向转移，且与环境温度的数理性变化呈现趋同性变化，形成以“稍许疲劳”为中轴的对称分布特点，呈现方向从“正常状态”“稍许疲劳”到“疲劳”“非常疲劳”，同时在27℃～28℃时的疲劳感觉投票中，整体疲劳性处于稳定阶段，即认为是受试者适应性疲劳作用温度范围。其次当环境温度超过31℃时，受试者非常疲劳感觉显著增强，且33℃时正常状态与非常 疲劳的受试者形成强烈反差。
图3 环境参数与疲劳感觉评价Figure 3. Environmental Parameters and Fatigue Sensation evaluation
2.1.2 实际热感觉投票
不同环境温度条件下的学生热感觉和热舒适的主观投票结果如图4所示。学生的主观热感觉呈现从“凉”到“热”的变化，具体来说，随着环境温度的逐渐升高，热感觉投票百分比向“热”方向转移，且27℃～29℃时几乎无强烈冷、热感出现，机体处于舒适状态；作用机理在于皮肤温度与环境温度的显著差异下的热交换增强，机体的热量不能通过传导、对流、辐射和蒸发而及时散热，从而形成不同程度的冷热感觉。
图4 环境温度与TSV投票百分比关系Figure 4.The Relation betweenAmbient Temperature and TSV Voting Percentage
环境温度top作为自变量，安静和运动后调查问卷的实际热感觉投票作为因变量，两者线性回归得到拟合方程。由图5运动状态和安静状态时热感觉投票所知，环境温度与TSV两者均呈现高度显著性，其线性拟合方程如（3）、（4）所示：
图5（a）中TSV拟合直线与TSV=0相交处反映了在运动状态时的中性温度，即t=29℃。当环境温度从25℃～33℃，学生的平均热感觉投票值从-2（凉）增加到＋3（热），环境温度每升高约2℃，热感觉值升高1个单位，直到达到33℃后热感觉不再变化，持续处于热感峰值。其中安静状态下，中性温度为26℃，学生的平均热感觉投票值从-1（稍凉）增加到＋3（热），且环境温度每升高约2℃，热感觉值升高1个单位，直到达到30℃后热感觉不再变化，持续处于热感峰值。
图5 环境温度与TSV拟合评价Figure Temperature and TSV Fitting evaluation
2.1.3 兼顾运动人体热舒适和疲劳感觉综合作用的环境温度参数推荐范围
受试者实际热感觉不满意率（actual percentage of dissatisfied，PD）和实际疲劳感觉不满意率（fatigue dissatisfaction rate，FD）指标综合反应学生热舒适温度参数取值范围。具体来说，受试者所处体育场馆热环境与中性温度的偏差，越接近中性温度，不满意率越低；受试者从事体育运动的过程中，机体热敏感程度越低，学生潜在疲劳感觉越弱，不满意率越低。由于存在个体差异性，在体育场馆环境处于舒适状态时，允许有一定量的不满意率出现。受试者实际热感觉不满意率PD和实际疲劳感觉不满意率FD计算公式如下：
公式中，xi，j指第i个测试学生在温度工况j时的指标，n指每个测试学生进行的工况总数。
国际标准化组织7 730或美国采暖、制冷与空调工程标准55（2013）对TSV的推荐值为-0.5～＋0.5之间。如图 6（a）所示，当-0.5≤TSV≤0.5时，环境温度近似为27.8℃～29.8℃，通过线性分析环境温度和热感觉投票TSV的定量关系，得出体育场馆环境温度在一定程度上吻合了中性温度取值，且偏离阈在0.5℃以内，满足了受试者在体育场馆内的适宜性冷需求，建立了环境温度-热感觉投票TSV之间的定量影响关系。
一般来说，受试者热感觉投票在-1～＋1范围内，认定为受试者可接受环境温度；投票值为-3、-2、2、3，认定为受试者不可接受环境温度。通过计算在某一环境温度下受试者热感觉投票不可接受人数占总投票人数的百分比，建立该环境温度下的受试者热舒适不满意情况，并对实际热感觉不满意率PD和实际疲劳感觉不满意率FD进行二次回归分析，得到图6（b）体育场馆环境温度-受试者实际不满意率的关系，拟合方程为（6）、（7）：
图6 匹配环境温度舒适区域Figure Temperature Comfort Zone
数据显示，实际热感觉不满意率PD和实际疲劳感觉不满意率FD几乎是在同一温度范围达到不满意率最低，美国采暖、制冷与空调工程标准55（2013）中给出的舒适区域允许存在10%群体不满意率，因此在受试者热感觉投票中，90%学生可接受环境温度范围为27.8℃～29.8℃；受试者疲劳感觉投票中，90%学生可接受环境温度范围为28.5℃～29.5℃。兼顾热感觉和疲劳感觉的综合影响，提出了同一环境温度达到的舒适性限值，即中性温度29℃；确定基于疲劳感觉满意率为基础的受试者运动行为热舒适的环境温度参数推荐范围，即27℃～29℃，较国家标准中的室内空调环境温度低限制值提高了2℃，能够有效降低夏季体育场馆空调制冷能耗，显示了体育场馆的巨大节能潜力。
2.2 生理反应
Wyon和Wargock（2006）阐述了建筑室内温度对工作效率的影响结果及机理，一方面会影响人体的舒适健康症状，另一方面还会对新陈代谢产生一定的作用。由于短时间内它无法反馈出对运动效率的显著性影响，但生理参数能够反映出对运动人体舒适健康的影响，具体包括人体平均皮肤温度（mean skin temperature，MST）、血压（blood presure，BP）以及心率（heart rate，HR）指数等。
由图7可知，人体皮肤温度通过传热系数和皮肤面积加权得到平均皮肤温度，如公式（8）、（9）（10）所示：
图7 红外热像仪记录人体皮肤温度六位测点布局Figure 7.Layout of Six Measurement Points of Infrared Thermal Imager Recorded Human Skin Temperature
公式中各部分温度分量总和为=1；Ts代表平均皮肤温度，℃；hr代表考虑了二次人体辐射时的辐射传热系数，kcal/（m2·h·°）；hc代表人体表面对流传热系数，kcal/（m2·h·°）；As代表人体的有效放热面积，m2；εs代表人体表面辐射率；σ为玻尔兹曼常数，取5.67×10-8W/（m2K4）；k为有关辐射传热的温度因数，k3；V代表风速，m/s。
对人体平均皮肤温度进行了相关描述性统计，如图8（a）所示，随着环境温度的逐渐升高，机体自身为了维持温度恒定进行自身平衡调节，机体皮肤温度迅速上升，且28℃～30℃人体平均皮肤温度箱体几乎等同大小，说明人体平均皮肤温度处于稳定状态（图8（b），在环境温度达33℃时基本达到峰值，且31℃～33℃时皮肤温度近似同一值，差异性动态变化较小；环境温度超过24℃时，通过血液循环把体内热量输送给皮肤表面，大量汗液蒸发实现机体散热工效，出现瞬间降温，机体运动继续产热，皮肤温度升高，形成热冷循环。
图8 人体平均皮肤温度变化Figure in Mean Skin Temperature
由图 9（a）可知，收缩压（systolic blood presure，SBP）差值均大于0，舒张压（diastolic blood presure，DBP）除了32℃外均大于0，收缩压差值均大于舒张压差值，但都在人体正常血压范围，且舒张压差值较小，在0 mmHg～6 mmHg范围内波动，32℃时舒张压出现临界值，说明运动与环境温度协同作用后机体大量出汗，电解质和水分流失，血管压力降低，血压出现下降现象。随着环境温度的逐渐升高，两个压差均呈现先增加后降低的变化规律，一段时间后血压有轻微反弹的迹象，总体存在统计学差异，31℃、32℃、33℃时，收缩压、舒张压有显著性差异，且在29℃～30℃时出现峰值，说明在30℃后热刺激显著引发了血压下降，增加了机体心血管系统的负担。
图9 BP、HR随环境温度变化关系Figure 9.The Relationship between BPand HR Changes withAmbient Temperature注：*表示显著性0.01＜P＜0.05；**表示高度显著P＜0.01；***表示显著性P＜0.005。
由图9（b）可知，随着环境温度的逐渐升高，测试前后学生心率变化趋势呈现相同周期性变化规律，在不同环境温度时有不同的差异性，且25℃、26℃、31℃时，心率存在显著性差异。同时测试后的心率均高于测试前，这是因为体育场馆中的运动导致机体出汗量增加，机体循环血量减少，心率反应性升高，其中在25℃～31℃时，心率呈现先增长后降低规律，在31℃后心率缓慢增长，对机体运动安全形成潜在安全隐患。
效应量表示不同环境温度下的总体均值之间差异的大小 ，据 Cohen’sd（2013）指出 0.10≤ES≤0.29，0.30≤ES≤0.49，ES≥0.50，分别表示对小、中、大效应量，其中效应量越大，两总体重叠程度越小，效应越好。目前较多学者（Cummings et al.，2017；Tarlow，2017）采用计算组间标准差SS组间和组总体（组间标准差和组内标准偏差）SS总体之间的比值来估计方差分析的效果大小，如公式11所示，利用SPSS 23.0程序进行统计分析。
如表2所示，方差分析结果得出，体育场馆环境温度对运动后的人体平均皮肤温度、收缩压、心率有显著性影响（P＜0.05），其它生理参数未显示统计差异；但效应量均大于0.5，说明环境温度变化能带动机体生理参数的巨大的连锁反应。
表2 不同环境温度下学生生理参数的P值和效应量ESTable 2 Prob and Effect Quantity ES of Physiological Parameters of Students under DifferentAmbient Temperatures注：*表示显著0.01＜P＜0.05；**表示高度显著P＜0.01。环境温度P ES MST/℃＜0.05*9.52 0.008*0.97 SBP/mmHg前后0.304 0.87 0.268 1.43 DBP/mmHg前后0.641 1.02 0.045*0.54 HR/BPM前后0.889 0.61
3 讨论
体育场馆热环境与人体间的实际热交换可知，体育场馆相对湿度、黑球温度、环境温度及风速以对流、辐射、蒸发的形式对人体产生影响，因此体育场馆热环境对受试者运动热舒适的影响应采用多维的研究方法。通过对现场场馆测试发现，相对湿度和黑球温度处于相对稳定，受试者对体育场馆相对湿度、黑球温度的主观感觉在统计学上没有显著性差异，且由于羽毛球运动的风速特性，综上所述提出环境温度对受试者热感觉评价、疲劳感觉认知以及生理参数存在交互作用，是能够反映体育场馆环境对受试者影响的主要指标。环境温度对受试者的主观心理感觉评价主要包括疲劳感觉评价和实际热感觉。
3.1 环境温度对主观心理感觉评价影响
疲劳是人体行为活动的必然结果，过量的疲劳性运动会潜在性对人体产生影响。Gonz′alez-Alonso等（2003）指出，在高强度运动中，当环境温度过高时，身体产生热过量，需要借助汗液蒸发作用来完成体温调节。然而高温下的脱水是最大的负面影响因子，此时会严重减弱运动员耐受高温的能力（Sawka et al.，2000）。
本研究发现，受试者的疲劳感觉与环境温度的数理性变化呈等效性，也就是说实现了从“正常状态”“稍许疲劳”到“疲劳”“非常疲劳”方向转移。进一步分析发现，随着环境温度的逐渐升高，疲劳感觉的存在对受试者的运动行为在27℃～28℃时，几乎未发生变化，而超过30℃时高温效应在受试者的疲劳评价中表现显著，与Gonz’alez-Alonso 等（2003）、Sawka等（2000）和 Russell等（2019）研究结果相似，作用机理在于高温环境下的运动疲劳表现属于潜在疲劳，是以机体热感觉为主的一种机体调节控制功能，主要是通过机体主观疲劳感觉保护机体运动不受热损伤，同时为了维持动态传热平衡，环境温度与机体热交换从侧面增强了机体的运动热负荷，使机体主观疲劳感觉增加。有研究认为，影响运动表现的一个有害因素是运动引起的疲劳（Wang et al.，2016），当人体处于高温环境时，人体热感觉强烈，由于人体对环境具有适应性的调节，引起严重的运动性应激负效应，而环境压力则可能提前使疲劳行为发生，这是由于过度劳累导致身体和精神功能下降而引起的（Cheung，2010），因此以疲劳感觉认知作为热舒适评价指标，给出了适应性潜在疲劳作用温度参数推荐范围为27℃～28℃。
对于运动人体来说，热感觉除了受客观环境因素的影响，还受人体主观因素影响。研究显示，由于人体对高温环境的低耐受性，导致维持热平衡的能力降低，继而在不同程度上增加了人体的热感觉。热感觉不仅造成人的健康以及舒适度严重降低，而且就体力劳动而言，更不利于减小热应力，致使人体在行为活动中逐渐减缓速度，降低工作效率。
本研究发现，安静状态与运动状态受试者形成明显的差异性，受试者在安静状态下的热感觉普遍高于运动状态，与季泰等（2015）和Elhakeem等（2017）的人体行为活动研究结果一致。进一步分析发现，运动状态的中性温度比安静状态高了3℃，产生这种结果的原因主要是因为运动机体体表产热增加，汗腺分泌出大量汗液，附着在皮肤表面，通过汗液液化转化为气态带走皮肤表面大量热量，起到自然降温作用。运动行为与安静状态间中性温度存在的差异，也更好地表明了运动人体的良好耐热性。因此，本研究认为，运动状态时需要提高环境温度，避免形成强烈的运动热冷冲击，引起体内盐分、维生素的缺失，保证运动过程中人体运动效果为最佳状态，稳定人体传热动态平衡。
3.2 环境温度对客观生理反应影响
客观生理反应是反映人体在运动过程中身体机能变化的重要指标，并且受环境温度的影响显著。研究表明，高温环境对人体生理有明显的影响，进而对运动行为具有负面影响（赵杰修，2008）。尹慧等（2017）在不同运动水平下人体生理参数（皮肤温度、皮肤导热热流量）变化研究中，发现在活动量较大时皮肤温度与人体热感觉表现出相关性。但是人体的心率和血压波动必须控制在一个合理范围内，否则会危机到人体的健康。
本研究发现，环境温度对生理反应有显著性影响，具体来说，人体平均皮肤温度与实际热感觉间存在响应关系，这与尹慧等（2017）的研究一致；在20℃～35℃范围内，温度与心率变化呈线性相关，合适的心率是达到最佳运动效果的前提条件，与孙洁等（2007）的研究一致。在实验测试范围内，心率及血压的变化均处于人体正常生理调节范围内，但是随环境温度的升高，所产生的统计学差异，也证明了环境温度变化能使机体生理参数产生巨大的连锁反应，主要是因为环境温度与运动产热协同作用增加了机体生理负荷，对机体心血管系统形成潜在安全隐患。随着运动时间的逐渐增加，代谢产热与外环境热的联合作用增强，机体皮肤温度对环境冷热应激和热流量动态传递，此时皮肤温度持续升高，可使机体的内热蓄积量增加，热负荷达到一定程度，生理热应激反应更加强烈，人体生理机能无法满足运动需求，导致血压、心率无法继续升高。
4 结论
环境温度和运动行为的协同热作用，造成人体热感觉显著，促进疲劳的提前发生，人体的生理机能无法满足运动需求，引起皮肤温度、血压及心率的显著变化；兼顾热感觉和疲劳感觉的综合影响，获得了27℃～29℃推荐温度，较国家标准中的室内空调环境温度的低限制值提高了2℃，表明了运动行为下人体的耐热能力较强。
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文章来源：墙材革新与建筑节能 网址: http://qcgxyjzjn.400nongye.com/lunwen/itemid-54201.shtml
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