內(nèi)外分區(qū)在空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

王 極

沈陽建筑大學(xué)（110168）

1 內(nèi)外分區(qū)的概念及原理

目前，我國的建筑面積年均增長16～20億m2，而其中高能耗建筑占95%，因此，如何利用有限的能源使建筑發(fā)揮盡可能大的效益是眾多亟待解決的節(jié)能問題之一[1]。建筑內(nèi)外區(qū)劃分不合理，或者在空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中對內(nèi)外區(qū)的處理措施不當(dāng)，不僅會造成建筑內(nèi)外區(qū)熱工參數(shù)與設(shè)計(jì)值不符、熱舒適性差、新風(fēng)分布不均勻等問題，最重要的是在冬季還會因內(nèi)區(qū)溫度過高而造成大量能源損失。

根據(jù)大型公共建筑的內(nèi)外區(qū)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可將空調(diào)系統(tǒng)大致分為兩種類型，第一種是全部內(nèi)區(qū)房間或者全部外區(qū)房間相互獨(dú)立的空調(diào)系統(tǒng)；第二種是將一個(gè)空曠的大平面區(qū)域劃分為內(nèi)、外區(qū)的空調(diào)系統(tǒng)。前者內(nèi)外區(qū)的分界線由隔墻的位置決定，而后者需根據(jù)熱平衡法進(jìn)行劃分。

熱平衡的原理就是使外圍護(hù)結(jié)構(gòu)散熱量與室內(nèi)的內(nèi)熱源散熱形成的冷負(fù)荷相平衡。在采暖季，室內(nèi)的熱量通過外圍護(hù)結(jié)構(gòu)散發(fā)到室外，形成熱負(fù)荷，而室內(nèi)的內(nèi)熱源，如人員散熱、照明散熱、設(shè)備散熱形成冷負(fù)荷，理論上兩者可以互相抵消。通過使外區(qū)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)耗熱量和內(nèi)熱源形成的冷負(fù)荷近似相等，可以減少外區(qū)采暖供熱量。室內(nèi)散熱:設(shè)室內(nèi)單位面積內(nèi)熱源形成的冷負(fù)荷為qr，空調(diào)內(nèi)外區(qū)分界線距外墻尺寸為Di，則寬度為1 m的外區(qū)的熱量為Diqr；圍護(hù)結(jié)構(gòu)散熱:設(shè)含有窗及墻的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的單位面積耗熱量為qt，設(shè)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算高度為hw，則寬度為1 m的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的耗熱量為hwqt。

令Diqr=hwqt，可以得出各朝向進(jìn)深尺寸Di。

在劃分空調(diào)內(nèi)區(qū)時(shí)，不僅要考慮到應(yīng)便于調(diào)節(jié)室內(nèi)空氣參數(shù)的情況，還要充分考慮空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行期間的能耗。在正常情況下，空調(diào)系統(tǒng)在采用強(qiáng)制對流的方式對室內(nèi)溫濕度進(jìn)行控制時(shí)，外圍護(hù)結(jié)構(gòu)耗熱量對室內(nèi)空氣的影響是可以人工控制的。所以，在采暖季采用熱平衡原理劃分空調(diào)內(nèi)外區(qū)的分界線是合理的。

2 合理分區(qū)的重要性

在同一個(gè)建筑物內(nèi)，各區(qū)域圍護(hù)結(jié)構(gòu)在構(gòu)造、朝向和計(jì)算時(shí)間上的差異產(chǎn)生了不同的圍護(hù)結(jié)構(gòu)瞬時(shí)負(fù)荷，各區(qū)域功能和使用情況的差異也造成了不同的內(nèi)熱負(fù)荷。在負(fù)荷分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)空調(diào)負(fù)荷的差異性，恰當(dāng)?shù)匕芽照{(diào)系統(tǒng)劃分為若干個(gè)溫度控制區(qū)域，這樣做的目的或意義不僅在于使空調(diào)系統(tǒng)能更方便地跟蹤負(fù)荷變化，改善室內(nèi)熱環(huán)境，更重要的是還可以降低空調(diào)的運(yùn)行能耗。內(nèi)外區(qū)的劃分是否合理體現(xiàn)在空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行效果、耗能大小等諸多方面。

通過對一些大型商場、辦公寫字樓等公共建筑的調(diào)研，發(fā)現(xiàn)在內(nèi)區(qū)和外區(qū)工作的人們經(jīng)常會有相反的對冷熱的感知。在采暖季節(jié)，在內(nèi)區(qū)的人們往往反映室溫過高、喘不過氣。顯而易見，公共建筑內(nèi)冷熱不均、溫度控制不合理已經(jīng)是一個(gè)普遍且亟待解決的問題。

《采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》中也規(guī)定了如大型商場、展廳、航站樓等公共建筑的空調(diào)系統(tǒng)宜在內(nèi)區(qū)和外區(qū)分開設(shè)置[2]。而沈陽作為遼寧省的省會城市，在政府政策的引領(lǐng)下，正逐步發(fā)展為一線城市，但能源的消耗制約了它的發(fā)展速度。沈陽屬于嚴(yán)寒地區(qū)的大城市，冬季采暖能耗較大，其商業(yè)公共建筑更是能耗大戶，因此商業(yè)建筑的節(jié)能潛力非常之大。建筑每層空間是否進(jìn)行了內(nèi)外區(qū)劃分，或劃分內(nèi)外區(qū)的界限是否合理，將直接影響輸送新風(fēng)、房間的氣流組織設(shè)計(jì)、空調(diào)機(jī)組的運(yùn)行能耗及供暖末端設(shè)備的選型工作等。應(yīng)該依據(jù)本層建筑結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和本層冷熱負(fù)荷情況來劃分內(nèi)外區(qū)，盡量使送風(fēng)末端的風(fēng)量在各種運(yùn)行工況下都比較均勻，避免頻繁地對末端風(fēng)量進(jìn)行調(diào)節(jié)，以減少因內(nèi)、外區(qū)交界處冷量和熱量相互抵消而造成的能源浪費(fèi)。分區(qū)不合理會直接影響空調(diào)效果、室內(nèi)空氣品質(zhì)和熱舒適性。因此，合理劃分內(nèi)外區(qū)是建筑空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中關(guān)鍵的一步；其對降低空調(diào)系統(tǒng)能耗，即降低辦公、商業(yè)等公共建筑的能耗，有非常重要的意義。

西安建筑科技大學(xué)的武滿江以西安本地某商場建筑為模型，分別計(jì)算了分區(qū)與不分區(qū)兩種情況下的空調(diào)系統(tǒng)的冷熱負(fù)荷；在對設(shè)備選型后，對兩種情況下的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行比較；并運(yùn)用DsST能耗模擬軟件對該建筑進(jìn)行全年動態(tài)能耗模擬。通過分析和計(jì)算表明，空調(diào)系統(tǒng)在分區(qū)與不分區(qū)兩種情況下，夏季設(shè)計(jì)冷負(fù)荷相同，冬季設(shè)計(jì)熱負(fù)荷會減少55%；每產(chǎn)生1 kW制冷量，初投資增加6.7%，運(yùn)行費(fèi)用減少了7.2%[3]。

雖然我國研究公共建筑內(nèi)外區(qū)的相關(guān)文獻(xiàn)或是學(xué)者都相對較少，但通過調(diào)查，發(fā)現(xiàn)國外對此方向的研究更少。在美國，一些建筑設(shè)計(jì)者認(rèn)為建筑進(jìn)深超過8 m時(shí)才需要劃分內(nèi)外區(qū)；在歐洲，設(shè)計(jì)師認(rèn)為建筑的進(jìn)深超過5 m就要劃分內(nèi)外區(qū)[4]；日本的設(shè)計(jì)者針對一般辦公、商場等公共建筑，將距離外窗3～4 m的范圍做為空調(diào)外區(qū)[5]。顯而易見，這些模棱兩可的內(nèi)外區(qū)劃分意見大多是根據(jù)自己的從業(yè)經(jīng)驗(yàn)或是具體項(xiàng)目所得出，缺乏具體的理論、數(shù)據(jù)支撐，且劃分內(nèi)外區(qū)的范圍波動較大，其指導(dǎo)意義不大。

3 結(jié)語

盡管目前國內(nèi)對空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)外區(qū)劃分的研究較少，且國外如歐洲、日本地區(qū)只是以設(shè)計(jì)師的經(jīng)驗(yàn)去劃分內(nèi)外區(qū)的界限，但隨著公共建筑面積的逐年增長，建筑節(jié)能問題已逐漸成為學(xué)者的研究重點(diǎn)。合理地設(shè)計(jì)建筑空調(diào)系統(tǒng)的內(nèi)外區(qū)，不僅可以提高室內(nèi)人員的熱舒適性，而且達(dá)到空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能的目的，從而實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能。