王首一 朱 笛

(1.天津大学，天津 300072； 2.河北工程大学建筑学院，河北 邯郸 056038)

0 引言

高校体育馆建筑作为校园建筑的重要组成部分，是开展体育竞赛的活动中心，同时是举行室内校园活动的场地。体育竞赛或集会活动对内部热环境状况要求比较高，较差的室内热环境会影响运动员的比赛发挥，也会使观众产生不适感。

目前在室内热舒适度评价研究中，丹麦学者房格尔(P.O.Fanger)提出了基于人体及环境多因素考量的综合评价方式的热舒适方程、图表及其PMV-PPD指标[1]。国内外学者也广泛选用房格尔提出的PMV-PPD进行热舒适度评价[2]。本文通过测量邯郸大学体育馆夏季温度、湿度、壁面温度等热环境指标并利用预计平均热感觉指数(Predictied Meanvote，PMV)和预计平均不满意者的百分数(Predictied Percentage of Dissatisfied，PPD)对体育馆建筑进行热舒适评价，分析体育馆内部热环境状况。

主成分分析法又称主元分析法是由H.霍特林在1933年首次提出来的。它是利用降低维度的思想通过研究指标体系内在关系，把多指标转换成几个互不相关且保留了原变量提供的主要信息的综合指标，这有利于抓住主要特征使复杂问题简单化。从统计学的角度分析，一个变量所含有的信息可用其方差来表征,方差越大，所包含的信息量越大。运用主成分分析找出影响室内热舒适度的关键因素，针对关键问题提出影响体育馆热环境问题的优化意见，对以后体育馆建筑热环境设计以及改造起到借鉴作用。

1 研究对象介绍

由于体育建筑对空间的特殊要求，目前国内高校体育馆大部分为轻钢屋面的框架结构。本文选取的邯郸职业技术学院体育馆，为地上2层建筑，建筑面积约为2 475 m2。体育馆为由框架结构支撑的轻钢屋面，功能分区为1层中部篮球场，北侧为健身室，东西两侧为比赛配套用房。2层北侧为乒乓球场地，南侧为羽毛球场地，东西两侧为办公用房。该体育馆全年开放，教学时期供学校教职工及学生使用，放假期间对外开放。体育馆平面图如图1所示。

2 室内热舒适度的主成分与回归分析

2.1 影响热舒适因素的选取

根据Fanger提出影响室内热舒适度的因素，分别为人体活动程度、衣服热阻、空气温度、平均温度、平均辐射温度、空气湿度、空气流速[3]。由于室内风速在测量时有很大随机性，所以在主成分分析中不把风速作为主要影响因素考虑。在文本研究室内热环境优化策略中，选取平均温度、空气湿度、平均辐射温度3个因素为影响室内热舒适度的影响因素进行主成分分析。平均温度、空气湿度由实际测量得出，辐射温度、PMV值由计算得出，在这里不一一罗列。

2.2 主要影响因素分析

本文运用spss19统计分析软件对5个场地的平均温度、空气湿度、辐射温度3个因素进行主成分分析。根据统计学理论特征值大于1的提取为主成分，5个场地的计算特征值、各主成分的贡献率及累计贡献率见表1，从表1中可以看出5个场地都提取了特征值大于1的主成分，累计贡献率分别达到了90.020%,76.557%,94.867%,92.070%,86.893%的贡献率。

表1 各场地成分解释总方差

在上述分析中，spss软件默认初始特征值大于1的为主成分，根据结果软件默认为每个场地只有一个主成分[4]。在实际分析中，乒乓球、健身室、羽毛球场的第二成分小于1，但与第三成分相比，远大于第三成分。为了统计的准确性，将这3个场地的前两个成分设为主成分。调整后的解释总方差为表2～表4。

表2 乒乓球场解释的总方差

表3 健身室解释的总方差

表4 羽毛球场解释的总方差

调整后各场地提取公因子携带的信息量为97.614%,99.392%,95%,94.867%,97.860%。由于我们想要得到室内环境指标(温度、湿度、辐射温度)对室内热环境评价的影响因子数值，在提取主成分后我们暂且不对主成分概括。由表5，表6各场地成分得分系数矩阵可以计算出各场地主成分表达式：

乒乓球场：

F1=0.358Z温度-0.356Z湿度+0.34Z辐射温度,

F2=0.737Z温度-0.918Z湿度+1.735Z辐射温度。

健身室：

F1=0.429Z温度-0.399Z湿度+0.304Z辐射温度，

F2=-0.211Z温度+0.568Z湿度+1.045Z辐射温度。

篮球场：

F=0.349Z温度-0.337Z湿度+0.34Z辐射温度。

空场：

F=0.357Z温度-0.341Z湿度+0.343Z辐射温度。

羽毛球场：

F1=0.374Z温度-0.359Z湿度+0.339Z辐射温度，

F2=-0.345Z温度+0.971Z湿度+1.406Z辐射温度。

其中，Z为标准正态变换后的变量。

这里的公式作为备查，spss会自动生成整个场地FAC新变量，为公因子的取值。

表5 乒乓球、健身、羽毛球场成分得分系数矩阵

表6 篮球、空场成分得分系数矩阵

2.3 主成分回归分析

由于直接建模所得到的回归方程存在共线性，因此结果不可靠[5]。为了了解原始变量在回归方程中的重要性依次是什么，必须通过将主成分回归方程还原回原始变量的形式，才能得到更稳妥的分析结果。

因此，只需将公因子的计算公式代入标化主成分回归方程，就可以解出对应的原始变量对总的标化回归系数方程，而继续将标化主成分回归方程[6]。最终得到的标化原始变量作自变量的标化回归方程如下：

乒乓球场：

PMV估值=0.228Z温度-0.196Z湿度+0.620Z辐射温度。

健身室：

PMV估值=0.347Z温度-0.331Z湿度+0.218Z辐射温度。

篮球场：

PMV估值=0.339Z温度-0.328Z湿度+0.330Z辐射温度。

空场：

PMV估值=0.349Z温度-0.333Z湿度+0.335Z辐射温度。

羽毛球场：

PMV估值=0.204Z温度+0.054Z湿度+0.857Z辐射温度。

由各场地标化原始变量的标化回归方程可知：乒乓球和羽毛球场地的辐射温度影响因子较大分别达到了0.620和0.857，健身室、篮球场和空场的三个变量影响因子最大相差0.129，影响因子大小相当。

3 体育馆热环境优化建议

根据上述分析可以明显看出空气温度、空气湿度、平均辐射温度对各场地热舒适度评价的影响因子，除乒乓球场和羽毛球场平均辐射的影响因子较大外，其他场地3个指标的影响因子相差不大，这是由于乒乓球场和羽毛球场位于2层，相比其他场地较多接受屋顶的辐射，且在实际测量屋顶温度时，屋顶温度一直处于较高水平。对于体育馆室内热环境优化策略应参考各项指标的影响因子有针对性提出。

3.1 屋顶

经过测量与计算发现，屋顶温度一直处于较高的水平且对室内热环境影响较大。由于体育馆内部大空间限制，屋顶一般采用轻钢型屋顶，在减轻重量的同时牺牲了屋顶的隔热性能。为进一步改善屋顶的隔热性能屋顶可设置中间层，在间层内铺设反射系数大、辐射系数小的材料以减少传热量[7]。

3.2 门窗

邯郸大学体育馆门窗均为普通铝合金材质门窗，这种材质的门窗传热系数大，是影响室内温度的重要因素。在改进室内热环境过程中可以采用传热系数小的隔热断桥材料的门窗，有效降低了通过门窗传导的热量。同时为防止夏季南向阳光直射导致室内过热，可在南向窗户内侧设置百叶窗帘。

3.3 建筑外部遮阳

建筑外部遮阳有效地防止太阳辐射进入室内，遮挡太阳辐射热量和在密闭情况下降低室内温度。同时可以有效缓解“西晒”过热现象，对室内热环境改善效果显著，且有较好的建筑节能效果[8]。

4 结语

根据实地测量结果与体育馆进行热环境评价，计算出影响室内各场地热舒适度评价的影响因子，得到以下结论：1)在进行室内热环境分析与热舒适度评价时可运用主成分分析与主成分回归对数据进行处理，确定影响室内热舒适因素的影响因子，从而有针对性的对室内热环境优化。2)位于2层的乒乓球与羽毛球场地平均辐射温度影响因子明显大于其他两项因素，在乒乓球和羽毛球场地热环境优化时应着重对门窗屋顶等围护结构进行改善。3)其他场地的各项影响因子大小相近，在热环境优化时三个因素应均衡考虑。