影响严寒地区体育馆低能耗设计的建筑特征要素研究

摘要：严寒地区体育馆建筑能耗巨大，对其进行建筑低能耗设计研究十分必要。由于体育馆建筑独特的建筑功能及建筑形态，使得其低能耗建筑设计与其他建筑类型有着极大的区别。本论文旨在分析研究严寒地区体育馆建筑特征对低能耗设计的影响，为严寒地区体育馆低能耗设计打下基础，有助于建立并完善建筑低能耗设计研究的理论框架，为今后不同地域、不同建筑类型的低能耗设计研究提供理论依据。影响严寒地区体育馆低能耗设计的建筑特征要素有：比赛空间尺度的巨大化，室内物理环境的特殊化及体育经营模式的多样化。

关键词：体育馆；低能耗设计；建筑特征；严寒地区；室内环境；空间尺度

中图分类号：TUlll.19 5

文献标识码：B

文章编号：1008-0422（2014）06-0139-02

1 引言

体育馆建筑作为体育教育、竞技运动、身体锻炼和体育娱乐等活动之用的建筑，在城市现代化发展与百姓日常生活中占用很大的分量。但随着中国严寒地区各个城市对体育建筑投入的增加，其所带来的能源消耗也成为关注的热点。由于我国在建筑低能耗设计、生态化设计、绿色设计方面的研究起步较晚，相关设计理论及政策非常匮乏，造成严寒地区每平米建筑能耗达到欧美发达国家的三倍以上。一个综合性的体育馆建筑不仅因比赛项目的要求使得比赛场地面积较大，再加上四周观众坐席的布置，使得体育馆建筑成为超出一般公共建筑的大跨巨型建筑，因此对体育馆建筑进行基于低能耗的设计研究十分必要。

建筑低能耗是指建筑在满足室内环境（热环境、光环境与风环境）要求的条件下，合理使用能源，不断提高能源利用效率，尽可能降低能耗。由于体育馆建筑独特的建筑功能及建筑形态，使得其低能耗建筑设计与其他建筑类型有着极大的区别。为更加深入全面的研究严寒地区体育馆建筑的低能耗设计，首先需要分析研究严寒地区体育馆建筑特征对低能耗设计的影响。影响严寒地区体育馆低能耗设计的建筑特征要素有：比赛空间尺度的巨大化，室内物理环境的特殊化及体育经营模式的多样化。

2 比赛空间尺度的巨大化

本文所研究的体育馆是主要提供篮球比赛、训练的，其他项目为辅助的空间。为了满足篮球比赛的使用功能并且容纳众多观众，使其空间尺度非常巨大。概括起来体育馆具有跨度大、高度高及容积大的特征，这种明显区别与其他建筑类型的空间塑造特征也对建筑能耗造成了较大影响。

首先，体育馆的大尺度对热能耗的影响。体育馆跨度大、高度高及容积大的特征，造成了建筑外表面积的增加，因而增加了与外界对流换热的机会，造成建筑制冷与采暖的热能耗巨大。尤其是对于严寒地区体育馆而言，冬季漫长而寒冷，由于建筑外表面积过大而造成的冬季采暖能耗将进一步增加。依据董巧慧在论文《体育馆能耗调控分析》中的体育馆建筑能耗统计可知，中国严寒地区体育馆建筑是其他建筑类型建筑能耗的十倍以上。依据齐虹、李静等人发表的期刊论文《北方高校体育馆建筑能耗模拟分析》中的模拟计算，一座建筑面积11600m2，坐席数为3000人，冬季供暖时间为11月至次年3月的高校体育馆，在建筑供暖、制冷、照明三项能耗中，供暖能耗占到76.28%，制冷能耗占到11.16%，照明能耗占到12.56%。而将供暖能耗与制冷能耗这两个热系统能耗相加，竟然占到了全部能耗的87.44%，如图1所示。体育馆热能耗如此巨大，建筑空间尺度大是主因。

第二，体育馆的大尺度对室内天然采光带来的影响。如图2所示，由于体育馆建筑尺寸较大，造成室内天然采光的困难。体育馆的建筑跨度普遍在40m以上，最小级别的体育馆，即无坐席小型体育馆，建筑跨度也达到了至少20m。当体育馆内部出现观众坐席布置时，室内天然采光困难将进一步加大，从侧面采光窗进入的阳光很难到达篮球场地。虽然天窗采光可以缓解侧面采光的不足，但若体育馆高度过高，将会使得从天窗进入的阳光散光或衰减过于严重，到达篮球场地上方的阳光照度大幅减少。无坐席小型体育馆的建筑高度也达到了至少12.5m，而其他级别的体育馆建筑高度往往在20m以上，有的甚至达到了30m以上。当天然采光无法满足室内运动员的要求，只能通过人工照明进行弥补，这将造成建筑能耗增加。但高度的增加也不全是坏事，高侧窗高度的增加可以有效地提高阳光入射角，因而增加阳光进入体育馆室内的机会。因此应减少体育馆大尺度对于室内天然采光的不利影响，并最大化的增加高侧窗有利影响。

第三，体育馆的大尺度对室内自然通风带来的影响。体育馆的大跨度对于其室内自然通风影响巨大。尤其是当体育馆室内存在观众坐席时，通风窗口处的风速在到达篮球场地上前，往往被观众区域衰减至无风，因而体育馆自然通风对于观众区域影响更大。若体育馆建筑尺寸较小，例如小型无坐席体育馆，其室内自然通风还是可以实现的，因而本论文研究体育馆的低能耗适风设计，主要针对的是小型体育馆。体育馆较高的建筑高度对于自然通风而言是一个有利条件。这是因为自然通风的一个形成因素是进出风口之间的高度差所形成的风压差，由于体育馆建筑高度较高且侧墙面积大，因此可以通过设计高度相差较大的自然通风窗未形成室内空气流动，进而减少体育馆空调能耗。

3 室内物理环境的特殊化

由于体育馆功能的特殊性与复杂性，其对室内热环境、光环境及风环境也有着特殊、复杂的要求。

首先，体育馆内部温度环境对体育运动竞技水平、运动员及观众的身体健康都有着重要的影响，而不同的体育比赛项目对体育馆内的温度要求也不尽相同。体育馆室内温度的控制是以运动员在比赛活动时的心理及生理需要为核心的。人体运动时新陈代谢速度加剧，因此对所处环境要求也会有相应的变化。运动时由于人体肌肉的物质代谢增强，人体产热量增加，虽然通过人体自身的调节机能，如排汗可以进行一定的散热，但在比赛较为激烈的情况下，产热量会大于散热量，导致人体温度上升。体温升高能够促进呼吸和血液循环，降低肌肉的粘滞性，从而有助于肌肉收缩和力量的爆发，进而提高比赛成绩。但是如果体育馆室内温度与运动员体温相差较大，就会使皮肤上的神经感受器不断受到刺激，于是通过中枢神经系统引起肌肉挛缩，造成抽筋甚至受伤。另外在运动员活动停止后，皮肤表面的大量汗水快速挥发，如果体育馆室内温度较低，会导致运动员感冒受凉。由此可见控制体育馆室内温度是十分重要的。

2003年10月1日国家颁布了《体育建筑设计规范》，对体育馆室内环境要素做了一些概括的规定，但是由于体育比赛项目较多，国内目前还没有比较详细的执行标准。目前的体育建筑室内环境标准，都是按照卫生标准和比赛项目要求，参照国外标准规范和手册规定，结合实际情况和经验来确定的。体育馆比赛大厅空气调节参数如表1所示。

其次，体育馆室内各功能空间大小差异性较大，使用功能多样，不同的使用者和空间大小直接导致了光环境需求的差异。例如运动员和观众要求光环境质量较高，照度较大；办公室及会议室内的工作人员对光环境要求较小，往往自然采光就可以满足。另一方，体育馆按照使用模式可以分成比赛模式和训练模式，这两种模式对光环境要求也不尽相同。比赛模式要求繁复，需要兼顾运动员、现场观众、电视转播等不同需求。运动员需要光环境能够满足整场比赛要求，不论现场观众还是电视机前的观众则希望能够看清运动员的比赛体态、动作甚至表情等。训练模式相对比较简单，只要能够满足场地上的正常训练要求即可，往往自然采光就可以达到效果。由此可见由于功能需求的不同，体育馆自身光环境需求也不同。本论文主要研究比赛大厅内的天然采光。

我国的体育馆室内照明标准可以参照多项国家标准，如《民用建筑照明设计标准GBJl33》、《建筑采光设计标准GB/T50033-2001》、《建筑照明设计标准GB50034-2004》；甲级以上体育馆还应负荷有关国际单项体育组织的规定。综合以上标准及使用要求，列出体育馆照明照度及照度均匀度要求如表2所示。

再次，现代化的体育馆不仅需要为观众提供舒适卫生的风环境，还要达到运动员比赛训练的风速、湿度要求。风速与湿度的不同会对运动员的比赛项目造成较大干扰，其中以羽毛球和乒乓球这两个比赛项目要求最为苛刻。对于篮球比赛的要求也较为严格，以防止风速过大时对比赛的正常运行造成干扰。同时对于非正式比赛及训练使用，最好能够有一定的自然通风以尽快散发运动员皮肤表面的汗液，为运动员提供较好的比赛舒适性。同时由于体育馆内往往观众较多，适量的自然通风可以为观众提供新鲜空气与观赏比赛的舒适性。

不同的比赛项目有着不同的风环境要求：篮球、排球等比赛项目运动员活动量较大，需要将运动员身上的余热尽快带走，因此风速要求不能太低，一般应达到0.5m/s左右。羽毛球、乒乓球等小型球类项目，若风速太高会将球吹偏，因而风度不能太低，一般不应超过0.2m/s左右。对于观众坐席而言，最良好的状态是风环境较为均匀分布，无吹风感并避免吹到后脑部位，风速一般应控制在0.15-0.3m/s左右。另外风环境中对湿度的控制也比较重要，以游泳和跳水等室内水上项目为例，夏季室内温度较高时会产生大量湿气，此时若不能及时将湿气排除，会对观众和运动员的舒适性造成干扰。综上所述，体育馆室内风环境技术指标应符合表3要求。

4 体育经营模式的多样化

体育馆按照使用模式特征多样化，可以分为校园体育馆、社区体育馆与奥体中心体育馆。

第一，校园体育馆使用模式的影响。校园体育馆可以进一步划分为高校体育馆和中小学体育馆，这两者的使用模式也不尽相同。中小学体育馆由于使用人数有限，以小型无坐席体育馆为主。白天根据学生上体育馆时间自由开闭，并且为了便于学校管理，在晚间体育馆不对外开放，因而全年体育馆真正开启的时间较少。根据这一特性，有些严寒地区中小学校体育馆为减少体育馆运行费用，不设置空调系统，人工照明系统也较为简单。在进行中小学体育馆建筑设计时，应该格外注重对天然采光及自然通风的设计。高校体育馆由于学生及教师数量较多，往往是全年白天及夜晚均对外开放，体育馆开启时间较长。且高校体育馆为便于开展各项比赛及社会活动，均设有观众坐席，以中型体育馆居多。高校体育馆对自然通风设计可以慎重对待。

第二，社区体育馆使用模式影响。社区体育馆的建筑尺度差异性较大，以小型及中性体育馆为主。为了服务社区居民，社区体育馆往往是全年白天及夜晚均对外开放。在进行社区体育馆建筑设计时，可以依据其具体建筑尺度及管理时间灵活设计。小型体育馆仍然要注重天然采光及自然通风，中性体育馆注重天然采光设计即可。

第三，奥体中心体育馆使用模式影响。奥体中心体育馆往往建筑级别较高且建筑尺寸巨大，以大型及超大型体育馆居多。这类体育馆一旦开启，运营费用将较为庞大，因此白天体育馆不对外开放，而是为晚间的体育馆比赛或演唱会等社会活动做准备。体育馆的对外开启时间主要是在晚间，因此这类体育馆可以不考虑自然通风及天然采光，以免造成热能耗的不必要损失。

5 结语

影响严寒地区体育馆低能耗设计的建筑特征要素有：比赛空间尺度的巨大化，室内物理环境的特殊化及体育经营模式的多样化。对影响严寒地区体育馆低能耗设计的建筑特征要素的研究，将为今后的严寒地区体育馆低能耗设计打下基础，有助于建立并完善建筑低能耗设计研究的理论框架，为今后不同地域、不同建筑类型的低能耗设计研究提供理论依据。