空调系统内外分区研究的进展与展望★

樊成亮，张文豪

(1.广州大学建筑与城市规划学院，广东 广州 510006；2.广州大学土木工程学院，广东 广州 510006)

0 引言

经济发展以及城市化推动了大型建筑、大空间建筑的增加。现代建筑类型的特点趋于：天花板高、空间结构跨度大，为了美观而大量开窗，并充分利用自然光等[1]。人们在大空间的不同区域可能存在不同的居住时间、活动强度和服装热阻导致温度分布不均匀、热满意度低、局部风速大等问题，在缺乏适当的建筑设计和高效的空调系统的情况下，需要大量的能源来维持热舒适[2]。

建筑行业是全球最大的消费能源行业之一，也是碳排放的“主力军”。在我国，仅建筑用电、供暖就各自间接排碳11亿t，4.5亿t，再加上其他形式的排碳共占全国总碳排放的22%[3]。在美国，建筑物占全美能源使用量的40%，暖通空调相关的能耗占建筑能耗的50%，占美国总能耗的20%。在全球，建筑能耗占总能源使用的36%，建组碳排放占总CO2排放的39%[4]。以习近平主席为核心的党中央对我国低碳发展给出的明确目标和时间表：在2030年之前实现碳排放达峰，力争2060年实现碳中和，节能发展势在必行[5]。

然而，随着经济的发展，人们对热舒适的追求不断提高。在建筑行业，为提高居住者的热舒适性导致暖通的总体能源需求仍在不断增加。为了降低能耗，多年来已经开发并实施了许多节能措施，最基本的举措之一是进行热分区(即系统划分)。这样就可以避免不必要的能源消耗[6]。

然而对于热分区并没有普遍认同的划分方法，大部分研究只是针对定性，缺乏定量研究。因此本文旨在基于前人关于热分区的研究上，进一步考虑如何对分区进行量化分析，并对分区方法进行展望。

1 方法

在本文中，对暖通空调设计中建筑热分区进行综述，重点介绍了热分区的重要性、方法和研究进展。本文的目的是：1)介绍热分区的基本概念，以及现有的一些分区标准；2)总结了暖通空调设计中热分区的方法和工程应用；3)研究室内热分区的进深尺度的影响；4)提出了热分区新方法的发展方向与研究意义。

利用Web of Science平台、Elsevier ScienceDirect全文库和CNKI学术辑刊全文数据库进行文献综述，以“空调系统分区”“内外分区”“thermal zoning”和“室内温度分布”等为关键词进行检索。除了研究论文，还对教材、标准、空调设计手册等进行了综述。

2 建筑热分区

建筑热分区就是总结不同区域的空气特质(例如：冷热负荷、干湿度、太阳辐射等)，并将其分类汇总。区域可大可小，从比较大的层面分区可以是气候分区，从普通的层面分区可以是建筑空调系统分区，从比较小的层面可以是针对一间房间进行内外区的划分。下面将对空调系统分区、热内外分区的重要性及研究进展进行讨论。

2.1 空调系统分区

早在1935年，Gay等[8]就提出了热分区的概念，认为建筑应该划分热区，提高对室内环境调控的准确性，并认为热区控制策略与风、太阳辐射、居住者的活动时间、不同围护结构的施工方法等相关。国内外关于热分区定性的研究大同小异。陆耀庆等[9]提出了几条关于热分区的建议，使空调系统能够满足同一区域内所有房间在不同峰值的热负荷。1)负荷特性：房间的朝向受太阳辐射强度不同以及墙窗比不同，则负荷曲线需求不同，以及根据发热量与热湿比划分不同的热区。2)使用时间：例如，周末的教学楼可能只是为了少数值班老师的舒适而开启空调系统，不应该与无人的教室划分在同一热区。3)使用功能：例如，食堂的大厅与厨房不应该划分在同一热区。Paul Raftery等[10]提出了一个区域类型法，根据4个主要的标准来确定建筑中各类型热区的划分，即空间的功能、相对于外部的位置、可用的测量数据，以及用于调节区域的方法。这些标准的具体内容如图1所示，准确描述了每个热区的热过程的主要差异，再根据各热区的面积来设计空调模型。

Minjae Shin等[11]将国外设计规范中关于空调系统分区的内容总结为：热区划分的可选择标准主要包括:1)太阳能获取：根据窗户的朝向、季节和主要的天气条件，通过窗户获得的太阳能可以在一天的不同时间产生显著的不同的冷负荷或供暖需求。2)使用时间：如果一间房的工作运行时间不同于建筑物其他部分的运行时间，则应该为其提供单独的系统。3)房间功能：不同的热区功能会导致内热源的强度有差异，为保证房间功能也会导致不同的热需求。

综上所述，关于系统设计分区的文献主要涉及的分区标准为：负荷特点、使用时间、空间功能。根据这些标准，工程师们可以凭借自己的工程经验清晰地进行系统划分。但是所有的标准都只讨论了空调系统分区的定性属性，却没有提供一个定量的分区方法。

PLC数字量输出点数的统计：1)设备运行指示灯、故障指示灯。2)收带和放带变频器启停控制、排线伺服控制器启停控制。3)收带和放带刹车电磁阀控制。需要7个数字量输出点。

2.2 热内外分区

在同一个办公室，由于室内温度分布是不均匀的，坐在靠墙、门、窗的人员在夏天会觉得更热，在冬天会觉得更冷。比较突出的现象就是在冬季外区需要供暖，内区由于相邻区域的热传导以及内热源的产热而需要供冷。

相较空调系统分区而言，内外分区策略给出了定量的数值。例如ASHRAE标准90.1-2016[12]提出的热内外分区的基本原则为：对距离外墙4.572 m以上的内部空间和距离外墙4.572 m以内的周边空间分配单独的热区；相邻外墙在45°以内的方向可以组合，具有不同朝向的玻璃幕墙应该划分开；顶层也应该从高度上划分内外区。具体ASHRAE标准90.1-2016的热分区指南的热分区布局实例如图2所示。在我国的实用供热空调设计手册(第二版)也有类似的描述。

2.2.1 内外分区必要性

现在办公楼的规模逐渐大型化，随之而来的就是建筑节能问题。其中就包括房间深度较大、朝向较多，导致同一房间内不同位置的负荷特性差异较大。例如薛志峰、高洁、杨进学等研究者们从工程计算实例出发，根据内外分区的建议，运用经验分区尺度，实现了更节能的空调设计，强调了内外分区的必要性。

薛志峰等[13]研究了现代化的写字楼同一空调系统中不同房间的温度满足情况，指出在变风量系统设计中，大型建筑的进深只要超过5 m，就应该进行内外分区；对于某些有特殊要求的大型办公建筑，在朝向上也应该划分不同空调系统。高洁[14]以上海市某办公研发二类高层为例进行了变风量系统设计，指出在对进深较大的建筑进行空调设计时，内外分区很必要，并且按距外墙进深3 m处为分界线。但当建筑进深小于8 m时，则不需要进行分区，且全部视为外区。杨进学[15]以北京BCD核心区某办公建筑为实例，设定距离外围护结构4.5 m进深处为分界线，计算内外区的冬季负荷，并对冬季内、外区热量传递过程进行了详细讨论。指出冬季空调负荷在内、外区有明显差异，并强调分界面上气流扰动产生的热量传递应计入冬季内区空调设计负荷。

研究者们除了在实际工程上进行内外分区，Yu Y[16]、张诚[17]等还应用了各种商业软件对内外分区的效果进行比对，再次强调了内外分区的重要性。Yu Y等基于TRNSYS对山东省济南市某办公建筑同一空调系统的五个房间进行了模拟，得出各室室内的负荷曲线与温度分布均存在差异，强调了在冬季大型办公建筑划分内外区的重要性，并指出外区东、西、北朝向房间可以归为同一系统，而南朝向的房间需要单独设计系统。张诚以某大型建筑15层～32层办公区域为例，利用DeST软件以标准层为计算单元建立模型，模拟计算各分区全年的逐时负荷。并设计四种不同VAV系统方案进行比对，强调了内外区需要单独设置空调、新风机组。

研究者们从工程实例到模拟计算，得到的实验结果都强调了划分空调系统内外分区的重要性。划分内外区不仅提高了热舒适性，而且还实现了更低的碳排放。

2.2.2 内外分区理论分析进展

从前文可见，对大型建筑进行内外分区十分必要。但是也存在一个显而易见的问题：现有的内外分区尺度都是工程师的经验值，缺乏理论依据与泛用性。而分区不合理会导致空调房间内局部积冷或积热现象，主要有两个弊端：能源的浪费以及热舒适性差。有研究者从理论分析的角度出发来研究内外分区。叶大法[18]定义外区为受太阳得热、室内外温差传热和空气渗透影响的区域，其负荷来源为外围护结构与内热源之和；内区为有较稳定的第一类边界条件，负荷内源仅与内热源相关，并根据图3推导得到室内损失的经验公式，提出了外区设定温度应该低于内区1 ℃～2 ℃。潘志信等[19]指出内外分区的划分缺乏理论依据，并根据热平衡原理提出了在冬季确定内外分区分界线的理论分析。以室内内热源的产热量与墙面的热损失量相抵消平衡为理论依据，得出单位面积墙窗的耗热量等于单位面积总得热冷负荷(人员、设备、照明)乘以室内某点至外墙的距离，并应用在北京某商场营业厅，计算得到确定距外墙5.0 m以内为空调外区。余卓滨等[20]基于前人研究外部环境对室内温度影响的经验公式，计算得到室内温度、风速与距外窗距离的关系式，再进一步求得PMV与距外窗距离的关系式，并提出用室内PMV等于-0.5的面作为内分区分界的指标。以北上广3个办公建筑为算例，算得北京地区建议进深为3.1 m、上海为3.6 m、广州为2.1 m。

上文的研究中，以北京的建议分区距离为例，就存在很大的差异性。因此研究人员又进一步对内外分区开展了实验。周雪涵等[21]搭建了仅有一面外墙换热、含内热源的大进深实验室，实测了夜间室内外空气温度、围护结构表面温度。分析得到房间高度方向上的温度分布存在分层，而在进深方向并没有出现外冷内热的现象。此外，周雪涵[22]进一步基于此实验，利用商业软件fluent对该实验模型进行数值模拟，共计模拟了18种不同典型气候(温度场、气流速度场)，将平均室温等于20 ℃作为划分内外分区的标准，给出了不同气候区大进深办公建筑外区进深的一般范围：严寒地区：3.6 m～5.75 m；寒冷地区：2.65 m～4.42 m；夏热冬冷地区：2.17 m～3.1 m。

尽管内外分区应用得很广泛，而且也有许多研究在分析内外区进深的影响，但仍然是不够的，只有少数研究在试图研究出一种新的分区方法。此外，新的方法之间的差异较大，而且此类研究在近十年少之又少。然而内外分区的进深的精度对于热舒适以及提高能源的利用率有着显著影响。

3 讨论

本文将空调系统分区研究、房间内外分区研究的总结如下：

空调系统分区研究：探讨了暖通设计过程中使用的热分区方法，提供关于热分区划分的共识标准：特点、使用时间、空间功能。但是以前的研究都没有提供详细的空调系统分区规则，仅仅只有定性的考虑因素。因此在空调设计中，节能的方案更依赖于设计师的经验与直觉。这方面应该针对各种类型的空调系统和建组尺寸研究标准化的系统热分区方法。例如风速、设计温度、室内温湿度以及太阳辐射被数据化处理为对热分区的影响系数。

房间内外分区研究：在各工程实例中展示了内外分区的必要性，外区处理变化的负荷、内区处理内热源稳定的负荷，可以提高热舒适度以及能源利用率。不同研究者采用热平衡法、热舒适指标法、实验实例以及模拟验证法来确定内外分区进深尺度，但依旧没有提供一个全面、详细的进深尺度确定的方法、规则。

此外，没有任何文献对于设计手册里面提供的尺度划分进行严格的测试，缺乏科学的严谨性。新的划分方法也没有得到广泛的认可与应用，分区设计远远落后于时代的发展。因此，需要进一步改善这些新的热区划分方法。

4 结论与展望

根据本次对于热分区研究进展的回顾，得到了以下结论：

1)对于暖通空调系统设计的热分区决策将很大程度上依赖于工程师的直觉和经验，缺乏泛用性的指导方针。

2)进深尺度的划分对于室内热舒适以及提高能源的利用率有着显著影响，从不同的角度考虑就有不同的划分方法，有待标准化。

基于文献综述的基础上，提出几个未来研究的方向：

1)有必要研究一套详细的热分区标准，并与建筑能源模拟软件相结合，实现热分区自动化、科学化。

2)根据室内温度周期波动原理，研究计算温度振幅衰减至最大值的1%时，假定认为此处为室外室内影响的最深处，即为内外区划分的进深尺度。