魏 瑋，李永登

(天津體育學(xué)院，天津 300381)

1 問題的提出

學(xué)校室內(nèi)運(yùn)動場館是指用于學(xué)校體育競賽、體育教學(xué)、課外體育活動、學(xué)生健身，并滿足我國《體育館衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》要求具有代表性的建筑物，也是保證學(xué)校體育教學(xué)、開展課外體育活動和增強(qiáng)學(xué)生體質(zhì)的物質(zhì)基礎(chǔ)。近年來，隨著我國綜合國力的不斷提高和教育投入的增加，我國近1000多所大、中、專院校修建了具有一定規(guī)模的室內(nèi)運(yùn)動場館，據(jù)2003年第五次全國體育場地普查數(shù)據(jù)公告統(tǒng)計(jì)，我國共有64種標(biāo)準(zhǔn)體育場地。其中，室內(nèi)體育場館共55678個，占標(biāo)準(zhǔn)體育場地總數(shù)的10.2%;其中分布在校園的體育場地有549654個，占全國體育場地總數(shù)的67.7%?？梢姡覂?nèi)運(yùn)動場館的大力建設(shè)在一定程度上改善了我國學(xué)校體育教學(xué)和學(xué)生體育鍛煉的環(huán)境。但是從我國公共衛(wèi)生監(jiān)測角度來看，由于我國經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，學(xué)校體育場館建設(shè)在追求數(shù)量的同時，忽略了室內(nèi)運(yùn)動場館空氣污染以及衍生的局部運(yùn)動環(huán)境問題對學(xué)生體質(zhì)健康造成了負(fù)效影響。世界衛(wèi)生組織做過一項(xiàng)調(diào)查顯示，室內(nèi)運(yùn)動場館污染引起的疾病負(fù)擔(dān)是環(huán)境大氣引起疾病負(fù)擔(dān)的5倍，2012年國發(fā)辦53號文件第七條明確提出加快學(xué)校體育設(shè)施建設(shè)，必須執(zhí)行《國家學(xué)校體育衛(wèi)生條件試行基本標(biāo)準(zhǔn)》和《中小學(xué)體育設(shè)施技術(shù)規(guī)程》兩個標(biāo)準(zhǔn)。因此，在加大室內(nèi)運(yùn)動場館建設(shè)的同時注重科學(xué)規(guī)劃、綠色環(huán)保、營造節(jié)能、安全、舒適的運(yùn)動環(huán)境，在良好的體育環(huán)境進(jìn)行體育活動是充分發(fā)揮體育健身功能的前提。

本研究基于國內(nèi)已有的研究進(jìn)展，以某市高校室內(nèi)運(yùn)動場館空氣狀況為研究對象，通過實(shí)驗(yàn)監(jiān)測，構(gòu)建適合我國室內(nèi)運(yùn)動場館運(yùn)動安全標(biāo)準(zhǔn)與預(yù)防機(jī)制系統(tǒng)的模型，為相關(guān)部門制定室內(nèi)運(yùn)動場館標(biāo)準(zhǔn)提供理論與技術(shù)參考。

2 研究對象和研究方法

2.1 研究對象

本論文主要以室內(nèi)運(yùn)動場館監(jiān)測指標(biāo)的相關(guān)問題為研究對象，對某市19～24歲在校20名學(xué)生在室內(nèi)、外進(jìn)行體育活動實(shí)驗(yàn)研究，監(jiān)測了不同環(huán)境中受試者身體形態(tài)、體溫、心率和血乳酸的變化情況。受試者身體健康，無心肺系統(tǒng)疾病史，自愿參加本次監(jiān)測。具體受試者分布情況如下:

表1 受試者基本情況統(tǒng)計(jì)

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)1，首先采用5點(diǎn)采集監(jiān)測室內(nèi)運(yùn)動場館無人條件下的溫度、氧氣濃度和二氧化碳濃度，開始監(jiān)測240名學(xué)生在室內(nèi)運(yùn)動場館活動5min后的室內(nèi)溫度、氧氣和二氧化碳濃度，以后每隔5min監(jiān)測一次室內(nèi)氧氣和二氧化碳濃度，監(jiān)測時間為45min，并記錄5點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)。

實(shí)驗(yàn)2，首先在進(jìn)行測試當(dāng)天，讓20名受試者在室內(nèi)運(yùn)動場館靜坐休息10min，測其安靜時的身高、體重、體溫、心率和血乳酸。其次受試者進(jìn)行5min熱身的準(zhǔn)備活動后，稍作休息，心率控制在70次左右，然后受試者在功率自行車上按照要求做遞增負(fù)荷運(yùn)動，功率負(fù)荷從40 W開始開始，每隔3min遞增40W，要求受試者始終保持自行車轉(zhuǎn)速在60 r/min，在測試過程中，受試者帶心率遙測儀，心率遙測儀與計(jì)算機(jī)連接，同步保存數(shù)據(jù)記錄。一周后，在室外進(jìn)行同樣的測試。

2.3 測試指標(biāo)

實(shí)驗(yàn)1中主要監(jiān)測每5min室內(nèi)運(yùn)動場館的溫度、氧氣和二氧化碳濃度;在實(shí)驗(yàn)2中，測試受試者在進(jìn)行遞增負(fù)荷運(yùn)動中第3min～15min的身體體溫、心率值和血乳酸值。

2.4 測試儀器

心率遙測表、血乳酸測定儀、紅外體溫測試儀、采集儀和監(jiān)測儀。

2.5 數(shù)理統(tǒng)計(jì)處理

對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和編號，對所取得的調(diào)查數(shù)據(jù)運(yùn)用Excel 2007進(jìn)行分類整理，然后運(yùn)用SPSS17.0 for windows軟件對所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同時間室內(nèi)運(yùn)動場館氧氣和二氧化碳濃度變化特征

氧氣和二氧化碳濃度是反映室內(nèi)運(yùn)動場館空氣質(zhì)量的一個重要的指標(biāo)，同時也間接的反映了室內(nèi)空氣的新鮮程度或室內(nèi)新風(fēng)輸送的強(qiáng)弱。根據(jù)我國《體育館衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》GB9688－1996規(guī)定，我國室內(nèi)運(yùn)動場館相對濕度為40%～80%，二氧化碳日平均濃度應(yīng)≦0.1%，最低標(biāo)準(zhǔn)為 0.12%，如果二氧化碳超過0.12%，室內(nèi)空氣就會呈現(xiàn)出氣態(tài)污染物，室內(nèi)空氣質(zhì)量超標(biāo)，長時間在超標(biāo)環(huán)境中進(jìn)行體育活動，體內(nèi)物質(zhì)代謝增強(qiáng)，如果人體安靜時每分鐘吸入空氣按照9L計(jì)算，在進(jìn)行劇烈體育活動時，人體每分鐘可吸入體內(nèi)的空氣約為100L，增加了10余倍，在此環(huán)境中運(yùn)動，人體內(nèi)電解質(zhì)平衡遭到破壞，將會產(chǎn)生輕度的血乳酸中毒，導(dǎo)致頭痛和疲勞提前，嚴(yán)重時會引起一系列病癥。室內(nèi)國際標(biāo)準(zhǔn)的二氧化碳為0.07%，室內(nèi)運(yùn)動場館環(huán)境與室外空氣環(huán)境完全一致。

表2 室內(nèi)運(yùn)動場館氧氣和二氧化碳濃度變化統(tǒng)計(jì)

表2實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，受試者在室內(nèi)運(yùn)動場館進(jìn)行體育活動時候，隨著時間的增加室內(nèi)運(yùn)動場館二氧化碳濃度逐漸升高，正常情況下，風(fēng)速保持在0.06 m/s，室內(nèi)運(yùn)動場館二氧化碳體積分?jǐn)?shù)為0.043%，氧氣體積分?jǐn)?shù)為20.12%;受試者隨著運(yùn)動負(fù)荷的增加，每隔5min監(jiān)測一次氧氣和二氧化碳體積分?jǐn)?shù)，當(dāng)受試者活動40min后，室內(nèi)運(yùn)動場館二氧化碳體積分?jǐn)?shù)達(dá)到0.113%，臨近最低標(biāo)準(zhǔn)為0.12%，如果受試者在此環(huán)境中長時間進(jìn)行體育活動，不僅達(dá)不到體育鍛煉和改善學(xué)生體質(zhì)，在一定程度對學(xué)生身心健康產(chǎn)生影響。

3.2 不同負(fù)荷、不同時間下室內(nèi)外運(yùn)動場館環(huán)境對學(xué)生體質(zhì)健康的影響

表3 室內(nèi)、外運(yùn)動場館環(huán)境對學(xué)生體質(zhì)健康的影響

體溫主要受體溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)自動控制，當(dāng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的散熱過程不能保證體熱平衡時，體溫會升高，適度的升高可以提高運(yùn)動神經(jīng)系統(tǒng)的興奮性，降低肌肉的粘滯性，加速血液循環(huán)，有利于人體進(jìn)行體育活動。表3實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，受試者在室內(nèi)、外進(jìn)行遞增負(fù)荷運(yùn)動至力竭后，體溫隨著運(yùn)動時間和運(yùn)動強(qiáng)度的增加逐漸升高。安靜狀態(tài)下人體體溫在室內(nèi)、外運(yùn)動場館均值為36.2±0.1℃，每3min增加40W進(jìn)行5次遞增負(fù)荷的運(yùn)動后，負(fù)荷強(qiáng)度從40W增至120W，室外運(yùn)動場地人體體溫均值升高到36.8±0.2℃，室內(nèi)運(yùn)動場館人體體溫為37.5±0.2℃，體溫均值升高了0.7±0.2℃;受試者負(fù)荷強(qiáng)度從160W增至200W的力竭運(yùn)動中，體溫明顯升高，15min后，室內(nèi)和室外受試者的體溫相差值達(dá)到了0.9±0.2℃。說明人體在室內(nèi)運(yùn)動場館體育活動前10min，體溫的升高有利于人體進(jìn)行體育活動，隨著運(yùn)動強(qiáng)度的增加，室內(nèi)場館人體體溫升高明顯高于室外運(yùn)動場地，兩種鍛煉環(huán)境人體體溫?zé)o顯著差異。(p﹤0.05)

心率變化主要取決于運(yùn)動的強(qiáng)度和運(yùn)動持續(xù)的時間，安靜狀態(tài)正常心率均值為75次/min。通過表3呈現(xiàn)變化可見，受試者安靜狀態(tài)平均心率為65.97±6.7次/min，受試者在室內(nèi)、外運(yùn)動場館功率自行車上進(jìn)行遞增負(fù)荷運(yùn)動至力竭時，隨著運(yùn)動時間和運(yùn)動強(qiáng)度的增加，分別承受40 W、80 W、120 W、160 W 和200W逐次遞增的5個負(fù)荷，每個負(fù)荷持續(xù)運(yùn)動3 min，無論是在室內(nèi)、外運(yùn)動場館，心率出現(xiàn)明顯上升，室內(nèi)運(yùn)動場館的上升幅度明顯高于室外，運(yùn)動時間由3min增至12min時，室內(nèi)運(yùn)動場館和室外運(yùn)動場地對心率的影響較大，差值分別為3.3次/min、4.06次/min、7.82 次/min、5.88 次/min、15.71 次/min;當(dāng)運(yùn)動負(fù)荷達(dá)到200W，時間為15min時，心率和負(fù)荷強(qiáng)度出現(xiàn)非線性關(guān)系，呈現(xiàn)出一定水平上的穩(wěn)定狀態(tài)，此時的穩(wěn)定狀態(tài)心率值稱為心率閾值，室外和室內(nèi)運(yùn)動場館心率閾值分別為152.43±2.4次/min和155.46±6.3次/min，但是室內(nèi)環(huán)境下運(yùn)動的受試者心率閾值提前5min出現(xiàn)。表明在室內(nèi)運(yùn)動場館進(jìn)行體育活動與室外環(huán)境中存在差異，具有相關(guān)性，但是在場館上座率為0的情況下兩種鍛煉環(huán)境之間差異不顯著。(p﹤0.05)

血乳酸是反映有氧工作能力的重要指標(biāo)，安靜時血乳酸濃度為2mmol/L以下，最高為32mmol/L。通過表3實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，每隔3 min受試者接受新的負(fù)荷刺激，血乳酸值隨著運(yùn)動負(fù)荷和運(yùn)動時間的變化而升高，安靜狀態(tài)時血乳酸水平為1.23±0.7mmol/L。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果可知，在遞增負(fù)荷運(yùn)動中的起始階段，室內(nèi)、外運(yùn)動場館血乳酸濃度上升較緩慢，主要因?yàn)樨?fù)荷強(qiáng)度較小，有氧代謝供能尚能滿足機(jī)體的需求，隨著負(fù)荷強(qiáng)度的增加，ATP、CP的消耗，細(xì)胞內(nèi)ADP、AMP、磷酸和肌酸的含量逐漸增多，糖原分解加速，丙酮酸生成超過了丙酮酸脫氫酶的范圍，乳酸生成速率增加，表現(xiàn)為血乳酸濃度升高。當(dāng)運(yùn)動負(fù)荷強(qiáng)度為160W，室外運(yùn)動場地的受試者乳酸閾出現(xiàn)在12min，血乳酸濃度達(dá)到5.13mmol/L;室內(nèi)運(yùn)動場館受試者血乳酸閾出現(xiàn)在9min，負(fù)荷強(qiáng)度為120W，血乳酸濃度為4.86mmol/L;可見在不同環(huán)境中運(yùn)動血乳酸值變化具有差異性，在室內(nèi)參加體育活動時血乳酸上升速度明顯高于室外參加體育活動的血乳酸值，綜上表明，室內(nèi)運(yùn)動場館的空氣質(zhì)量對于在其中進(jìn)行體育鍛煉學(xué)生的鍛煉效果和身心健康將產(chǎn)生極大的影響。

3.3 室內(nèi)運(yùn)動場館氧氣與二氧化碳監(jiān)測的實(shí)施程序

目前，由于我國室內(nèi)運(yùn)動場館使用人群集中、尚沒有建立體育場館環(huán)境安全標(biāo)準(zhǔn)及預(yù)防體系，另外我國大多數(shù)學(xué)校室內(nèi)運(yùn)動場館對外開放，易成為公共群體交叉感染、傳播疾病的源頭，成為青少年身心健康造成了隱形隱患。通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，我國室內(nèi)運(yùn)動場館空氣質(zhì)量的凈化集中采用中央空調(diào)，送風(fēng)的主要方式采用:上送方式、側(cè)送方式、下送方式、分區(qū)送風(fēng)四種形式。中央空調(diào)在新風(fēng)輸送過程中存在以下隱患:第一，中央空調(diào)的主要功能是供熱供冷，尚未安裝空氣凈化裝置，新風(fēng)得不到高效凈化;第二，中央空調(diào)在智能輸風(fēng)的過程中未新風(fēng)進(jìn)行監(jiān)測;第三，中央空調(diào)系統(tǒng)在送風(fēng)過程容易產(chǎn)生交叉污染。針對以上的問題，本文在前人研究的基礎(chǔ)上，基于綠色環(huán)保、供需平衡理念，自動高效監(jiān)測和智能治理通風(fēng)技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)建了室內(nèi)運(yùn)動場館氧氣與二氧化碳監(jiān)測的實(shí)施程序。

3.3.1 監(jiān)測指標(biāo)

本次監(jiān)測根據(jù)《體育館衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》GB9688－1996和《中小學(xué)校體育設(shè)施技術(shù)規(guī)程》JGJ/T 280－2012文件規(guī)定，系統(tǒng)設(shè)置的監(jiān)測指標(biāo)為:溫度、氧氣、二氧化碳。

3.3.2 工作原理

采用5點(diǎn)采集法和監(jiān)測法，將5個由二氧化碳濃度傳感器和氧氣濃度傳感器采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)NRF24L01無線收發(fā)模塊上傳至數(shù)據(jù)接收端，數(shù)據(jù)經(jīng)匯總和處理后，發(fā)送至空氣狀態(tài)實(shí)時動態(tài)監(jiān)控中心，同步發(fā)送大屏幕進(jìn)行實(shí)時顯示，如果室內(nèi)運(yùn)動場館氧氣濃度過低或者二氧化碳濃度過高，系統(tǒng)將通過自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)(設(shè)定值和室內(nèi)氧氣濃度過低或者二氧化碳濃度過高)啟動或停止送風(fēng)系統(tǒng)。

3.3.3 實(shí)時動態(tài)監(jiān)控中心

監(jiān)控中心是該系統(tǒng)的控制管理中心，主要是現(xiàn)場收集處理室內(nèi)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，監(jiān)督出風(fēng)口、送風(fēng)口的空氣質(zhì)量，新風(fēng)口裝有空氣凈化模塊，自動調(diào)節(jié)凈化空氣，指揮設(shè)備運(yùn)行的狀況。

圖1 五點(diǎn)監(jiān)測實(shí)施程序

3.4 構(gòu)建室內(nèi)運(yùn)動場館氧氣與二氧化碳監(jiān)測理論模型

3.4.1 對室內(nèi)運(yùn)動場館不同時間、不同人數(shù)情況進(jìn)行分析，得出分布規(guī)律，運(yùn)用計(jì)算流體動力學(xué)方法，通過5點(diǎn)采集點(diǎn)和2點(diǎn)監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)根據(jù)室內(nèi)和室外溫度，匯總發(fā)至接收端，接收端通過分析和處理得出

其中ti(i=1，2，…，5)代表5個采集點(diǎn)的實(shí)時溫度為反饋到接收端后處理的平均值，當(dāng)≥16 時，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求;而當(dāng)＜16時，系統(tǒng)自動啟動空氣加熱。

3.4.2 建立室內(nèi)運(yùn)動場館空氣質(zhì)量自動檢測和智能治理的模塊化集成技術(shù)，通過5點(diǎn)采集點(diǎn)和2點(diǎn)監(jiān)測點(diǎn)的室內(nèi)和室外氧氣與二氧化碳濃度數(shù)據(jù)，經(jīng)接收端匯總和處理后得出

其中ci(i=1，2，…，5)代表5個采集點(diǎn)的實(shí)時溫≤度 為反饋到接收端后處理的平均值，當(dāng)0.07≤0.12時，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求;而當(dāng)0.12時，系統(tǒng)自動預(yù)警并啟動送風(fēng)系統(tǒng)，送風(fēng)系統(tǒng)裝有符合國家標(biāo)準(zhǔn)的凈化消毒的裝置。

室內(nèi)運(yùn)動場館氧氣與二氧化碳監(jiān)測理論模型模型具有以下特點(diǎn)(1)完整性:全面監(jiān)測室內(nèi)運(yùn)動場館環(huán)境，能夠?qū)崿F(xiàn)直接或間接的評估室內(nèi)運(yùn)動場館的空氣質(zhì)量。(2)可操作性:通過監(jiān)測中心對采集和監(jiān)測的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。(3)實(shí)時動態(tài)性:采用5點(diǎn)采集，實(shí)時動態(tài)監(jiān)測系每時每刻對室內(nèi)和室外的空氣質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測，同步發(fā)送至 LED顯示，可以對整個室內(nèi)運(yùn)動場館的空氣質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)控。(4)節(jié)約性:整套監(jiān)測系統(tǒng)為室內(nèi)運(yùn)動場館保障了節(jié)約了大量的人力和物力，通過監(jiān)測中心可以監(jiān)控整個室內(nèi)運(yùn)動場館的空氣質(zhì)量。(6)科技性:本監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)用NRF24L01無線收發(fā)模塊，以綠色環(huán)保為理念，建立室內(nèi)和室外氧氣和二氧化碳濃度動態(tài)平衡，自動監(jiān)測和智能治理相結(jié)合，保障室內(nèi)運(yùn)動場館的環(huán)境和室外運(yùn)動場館環(huán)境一致。

4 結(jié)論

4.1 受試者持續(xù)時間活動40min，室內(nèi)運(yùn)動場館二氧化碳體積分?jǐn)?shù)臨近最低標(biāo)準(zhǔn)，室內(nèi)運(yùn)動場館二氧化碳濃度是反映室內(nèi)運(yùn)動場館空氣質(zhì)量的一個重要的指標(biāo)。

4.2 室內(nèi)運(yùn)動場館中受試者體溫的升高有利于人體進(jìn)入準(zhǔn)備活動，隨著運(yùn)動強(qiáng)度的增加，室內(nèi)場館人體體溫升高明顯高于室外運(yùn)動場地，兩種鍛煉環(huán)境人體體溫?zé)o顯著差異。

4.3 安靜狀態(tài)下室內(nèi)和室外運(yùn)動場館受試者的心率無差異，進(jìn)行遞增運(yùn)動負(fù)荷持續(xù)至力竭，心率上升明顯，室內(nèi)運(yùn)動場館受試者的心率閾值比室外提前3min出現(xiàn)。

4.4 受試者在室內(nèi)運(yùn)動場館和室外運(yùn)動場地進(jìn)行遞增運(yùn)動負(fù)荷持續(xù)至力竭，室內(nèi)運(yùn)動場館受試者血乳酸濃度上升幅度明顯高于室外，血乳酸閾值比室外運(yùn)動場館提前5min出現(xiàn)。

4.5 室內(nèi)運(yùn)動場館氧氣和二氧化碳監(jiān)測理論模型，采用定量和定性分析相結(jié)合，具體操作使用了實(shí)驗(yàn)操作和數(shù)理統(tǒng)計(jì)，表明該指標(biāo)計(jì)算模型具有較強(qiáng)的可操作性。

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