空調系統內外分區研究的進展與展望★

樊成亮，張文豪

(1.廣州大學建筑與城市規劃學院，廣東 廣州 510006；2.廣州大學土木工程學院，廣東 廣州 510006)

0 引言

經濟發展以及城市化推動了大型建筑、大空間建筑的增加。現代建筑類型的特點趨于：天花板高、空間結構跨度大，為了美觀而大量開窗，并充分利用自然光等[1]。人們在大空間的不同區域可能存在不同的居住時間、活動強度和服裝熱阻導致溫度分布不均勻、熱滿意度低、局部風速大等問題，在缺乏適當的建筑設計和高效的空調系統的情況下，需要大量的能源來維持熱舒適[2]。

建筑行業是全球最大的消費能源行業之一，也是碳排放的“主力軍”。在我國，僅建筑用電、供暖就各自間接排碳11億t，4.5億t，再加上其他形式的排碳共占全國總碳排放的22%[3]。在美國，建筑物占全美能源使用量的40%，暖通空調相關的能耗占建筑能耗的50%，占美國總能耗的20%。在全球，建筑能耗占總能源使用的36%，建組碳排放占總CO2排放的39%[4]。以習近平主席為核心的黨中央對我國低碳發展給出的明確目標和時間表：在2030年之前實現碳排放達峰，力爭2060年實現碳中和，節能發展勢在必行[5]。

然而，隨著經濟的發展，人們對熱舒適的追求不斷提高。在建筑行業，為提高居住者的熱舒適性導致暖通的總體能源需求仍在不斷增加。為了降低能耗，多年來已經開發并實施了許多節能措施，最基本的舉措之一是進行熱分區(即系統劃分)。這樣就可以避免不必要的能源消耗[6]。

然而對于熱分區并沒有普遍認同的劃分方法，大部分研究只是針對定性，缺乏定量研究。因此本文旨在基于前人關于熱分區的研究上，進一步考慮如何對分區進行量化分析，并對分區方法進行展望。

1 方法

在本文中，對暖通空調設計中建筑熱分區進行綜述，重點介紹了熱分區的重要性、方法和研究進展。本文的目的是：1)介紹熱分區的基本概念，以及現有的一些分區標準；2)總結了暖通空調設計中熱分區的方法和工程應用；3)研究室內熱分區的進深尺度的影響；4)提出了熱分區新方法的發展方向與研究意義。

利用Web of Science平臺、Elsevier ScienceDirect全文庫和CNKI學術輯刊全文數據庫進行文獻綜述，以“空調系統分區”“內外分區”“thermal zoning”和“室內溫度分布”等為關鍵詞進行檢索。除了研究論文，還對教材、標準、空調設計手冊等進行了綜述。

2 建筑熱分區

建筑熱分區就是總結不同區域的空氣特質(例如：冷熱負荷、干濕度、太陽輻射等)，并將其分類匯總。區域可大可小，從比較大的層面分區可以是氣候分區，從普通的層面分區可以是建筑空調系統分區，從比較小的層面可以是針對一間房間進行內外區的劃分。下面將對空調系統分區、熱內外分區的重要性及研究進展進行討論。

2.1 空調系統分區

早在1935年，Gay等[8]就提出了熱分區的概念，認為建筑應該劃分熱區，提高對室內環境調控的準確性，并認為熱區控制策略與風、太陽輻射、居住者的活動時間、不同圍護結構的施工方法等相關。國內外關于熱分區定性的研究大同小異。陸耀慶等[9]提出了幾條關于熱分區的建議，使空調系統能夠滿足同一區域內所有房間在不同峰值的熱負荷。1)負荷特性：房間的朝向受太陽輻射強度不同以及墻窗比不同，則負荷曲線需求不同，以及根據發熱量與熱濕比劃分不同的熱區。2)使用時間：例如，周末的教學樓可能只是為了少數值班老師的舒適而開啟空調系統，不應該與無人的教室劃分在同一熱區。3)使用功能：例如，食堂的大廳與廚房不應該劃分在同一熱區。Paul Raftery等[10]提出了一個區域類型法，根據4個主要的標準來確定建筑中各類型熱區的劃分，即空間的功能、相對于外部的位置、可用的測量數據，以及用于調節區域的方法。這些標準的具體內容如圖1所示，準確描述了每個熱區的熱過程的主要差異，再根據各熱區的面積來設計空調模型。

Minjae Shin等[11]將國外設計規范中關于空調系統分區的內容總結為：熱區劃分的可選擇標準主要包括:1)太陽能獲取：根據窗戶的朝向、季節和主要的天氣條件，通過窗戶獲得的太陽能可以在一天的不同時間產生顯著的不同的冷負荷或供暖需求。2)使用時間：如果一間房的工作運行時間不同于建筑物其他部分的運行時間，則應該為其提供單獨的系統。3)房間功能：不同的熱區功能會導致內熱源的強度有差異，為保證房間功能也會導致不同的熱需求。

綜上所述，關于系統設計分區的文獻主要涉及的分區標準為：負荷特點、使用時間、空間功能。根據這些標準，工程師們可以憑借自己的工程經驗清晰地進行系統劃分。但是所有的標準都只討論了空調系統分區的定性屬性，卻沒有提供一個定量的分區方法。

PLC數字量輸出點數的統計：1)設備運行指示燈、故障指示燈。2)收帶和放帶變頻器啟停控制、排線伺服控制器啟停控制。3)收帶和放帶剎車電磁閥控制。需要7個數字量輸出點。

2.2 熱內外分區

在同一個辦公室，由于室內溫度分布是不均勻的，坐在靠墻、門、窗的人員在夏天會覺得更熱，在冬天會覺得更冷。比較突出的現象就是在冬季外區需要供暖，內區由于相鄰區域的熱傳導以及內熱源的產熱而需要供冷。

相較空調系統分區而言，內外分區策略給出了定量的數值。例如ASHRAE標準90.1-2016[12]提出的熱內外分區的基本原則為：對距離外墻4.572 m以上的內部空間和距離外墻4.572 m以內的周邊空間分配單獨的熱區；相鄰外墻在45°以內的方向可以組合，具有不同朝向的玻璃幕墻應該劃分開；頂層也應該從高度上劃分內外區。具體ASHRAE標準90.1-2016的熱分區指南的熱分區布局實例如圖2所示。在我國的實用供熱空調設計手冊(第二版)也有類似的描述。

2.2.1 內外分區必要性

現在辦公樓的規模逐漸大型化，隨之而來的就是建筑節能問題。其中就包括房間深度較大、朝向較多，導致同一房間內不同位置的負荷特性差異較大。例如薛志峰、高潔、楊進學等研究者們從工程計算實例出發，根據內外分區的建議，運用經驗分區尺度，實現了更節能的空調設計，強調了內外分區的必要性。

薛志峰等[13]研究了現代化的寫字樓同一空調系統中不同房間的溫度滿足情況，指出在變風量系統設計中，大型建筑的進深只要超過5 m，就應該進行內外分區；對于某些有特殊要求的大型辦公建筑，在朝向上也應該劃分不同空調系統。高潔[14]以上海市某辦公研發二類高層為例進行了變風量系統設計，指出在對進深較大的建筑進行空調設計時，內外分區很必要，并且按距外墻進深3 m處為分界線。但當建筑進深小于8 m時，則不需要進行分區，且全部視為外區。楊進學[15]以北京BCD核心區某辦公建筑為實例，設定距離外圍護結構4.5 m進深處為分界線，計算內外區的冬季負荷，并對冬季內、外區熱量傳遞過程進行了詳細討論。指出冬季空調負荷在內、外區有明顯差異，并強調分界面上氣流擾動產生的熱量傳遞應計入冬季內區空調設計負荷。

研究者們除了在實際工程上進行內外分區，Yu Y[16]、張誠[17]等還應用了各種商業軟件對內外分區的效果進行比對，再次強調了內外分區的重要性。Yu Y等基于TRNSYS對山東省濟南市某辦公建筑同一空調系統的五個房間進行了模擬，得出各室室內的負荷曲線與溫度分布均存在差異，強調了在冬季大型辦公建筑劃分內外區的重要性，并指出外區東、西、北朝向房間可以歸為同一系統，而南朝向的房間需要單獨設計系統。張誠以某大型建筑15層～32層辦公區域為例，利用DeST軟件以標準層為計算單元建立模型，模擬計算各分區全年的逐時負荷。并設計四種不同VAV系統方案進行比對，強調了內外區需要單獨設置空調、新風機組。

研究者們從工程實例到模擬計算，得到的實驗結果都強調了劃分空調系統內外分區的重要性。劃分內外區不僅提高了熱舒適性，而且還實現了更低的碳排放。

2.2.2 內外分區理論分析進展

從前文可見，對大型建筑進行內外分區十分必要。但是也存在一個顯而易見的問題：現有的內外分區尺度都是工程師的經驗值，缺乏理論依據與泛用性。而分區不合理會導致空調房間內局部積冷或積熱現象，主要有兩個弊端：能源的浪費以及熱舒適性差。有研究者從理論分析的角度出發來研究內外分區。葉大法[18]定義外區為受太陽得熱、室內外溫差傳熱和空氣滲透影響的區域，其負荷來源為外圍護結構與內熱源之和；內區為有較穩定的第一類邊界條件，負荷內源僅與內熱源相關，并根據圖3推導得到室內損失的經驗公式，提出了外區設定溫度應該低于內區1 ℃～2 ℃。潘志信等[19]指出內外分區的劃分缺乏理論依據，并根據熱平衡原理提出了在冬季確定內外分區分界線的理論分析。以室內內熱源的產熱量與墻面的熱損失量相抵消平衡為理論依據，得出單位面積墻窗的耗熱量等于單位面積總得熱冷負荷(人員、設備、照明)乘以室內某點至外墻的距離，并應用在北京某商場營業廳，計算得到確定距外墻5.0 m以內為空調外區。余卓濱等[20]基于前人研究外部環境對室內溫度影響的經驗公式，計算得到室內溫度、風速與距外窗距離的關系式，再進一步求得PMV與距外窗距離的關系式，并提出用室內PMV等于-0.5的面作為內分區分界的指標。以北上廣3個辦公建筑為算例，算得北京地區建議進深為3.1 m、上海為3.6 m、廣州為2.1 m。

上文的研究中，以北京的建議分區距離為例，就存在很大的差異性。因此研究人員又進一步對內外分區開展了實驗。周雪涵等[21]搭建了僅有一面外墻換熱、含內熱源的大進深實驗室，實測了夜間室內外空氣溫度、圍護結構表面溫度。分析得到房間高度方向上的溫度分布存在分層，而在進深方向并沒有出現外冷內熱的現象。此外，周雪涵[22]進一步基于此實驗，利用商業軟件fluent對該實驗模型進行數值模擬，共計模擬了18種不同典型氣候(溫度場、氣流速度場)，將平均室溫等于20 ℃作為劃分內外分區的標準，給出了不同氣候區大進深辦公建筑外區進深的一般范圍：嚴寒地區：3.6 m～5.75 m；寒冷地區：2.65 m～4.42 m；夏熱冬冷地區：2.17 m～3.1 m。

盡管內外分區應用得很廣泛，而且也有許多研究在分析內外區進深的影響，但仍然是不夠的，只有少數研究在試圖研究出一種新的分區方法。此外，新的方法之間的差異較大，而且此類研究在近十年少之又少。然而內外分區的進深的精度對于熱舒適以及提高能源的利用率有著顯著影響。

3 討論

本文將空調系統分區研究、房間內外分區研究的總結如下：

空調系統分區研究：探討了暖通設計過程中使用的熱分區方法，提供關于熱分區劃分的共識標準：特點、使用時間、空間功能。但是以前的研究都沒有提供詳細的空調系統分區規則，僅僅只有定性的考慮因素。因此在空調設計中，節能的方案更依賴于設計師的經驗與直覺。這方面應該針對各種類型的空調系統和建組尺寸研究標準化的系統熱分區方法。例如風速、設計溫度、室內溫濕度以及太陽輻射被數據化處理為對熱分區的影響系數。

房間內外分區研究：在各工程實例中展示了內外分區的必要性，外區處理變化的負荷、內區處理內熱源穩定的負荷，可以提高熱舒適度以及能源利用率。不同研究者采用熱平衡法、熱舒適指標法、實驗實例以及模擬驗證法來確定內外分區進深尺度，但依舊沒有提供一個全面、詳細的進深尺度確定的方法、規則。

此外，沒有任何文獻對于設計手冊里面提供的尺度劃分進行嚴格的測試，缺乏科學的嚴謹性。新的劃分方法也沒有得到廣泛的認可與應用，分區設計遠遠落后于時代的發展。因此，需要進一步改善這些新的熱區劃分方法。

4 結論與展望

根據本次對于熱分區研究進展的回顧，得到了以下結論：

1)對于暖通空調系統設計的熱分區決策將很大程度上依賴于工程師的直覺和經驗，缺乏泛用性的指導方針。

2)進深尺度的劃分對于室內熱舒適以及提高能源的利用率有著顯著影響，從不同的角度考慮就有不同的劃分方法，有待標準化。

基于文獻綜述的基礎上，提出幾個未來研究的方向：

1)有必要研究一套詳細的熱分區標準，并與建筑能源模擬軟件相結合，實現熱分區自動化、科學化。

2)根據室內溫度周期波動原理，研究計算溫度振幅衰減至最大值的1%時，假定認為此處為室外室內影響的最深處，即為內外區劃分的進深尺度。