樊成亮，張文豪

(1.廣州大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，廣東 廣州 510006；2.廣州大學(xué)土木工程學(xué)院，廣東 廣州 510006)

0 引言

經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及城市化推動(dòng)了大型建筑、大空間建筑的增加?，F(xiàn)代建筑類型的特點(diǎn)趨于：天花板高、空間結(jié)構(gòu)跨度大，為了美觀而大量開窗，并充分利用自然光等[1]。人們?cè)诖罂臻g的不同區(qū)域可能存在不同的居住時(shí)間、活動(dòng)強(qiáng)度和服裝熱阻導(dǎo)致溫度分布不均勻、熱滿意度低、局部風(fēng)速大等問(wèn)題，在缺乏適當(dāng)?shù)慕ㄖO(shè)計(jì)和高效的空調(diào)系統(tǒng)的情況下，需要大量的能源來(lái)維持熱舒適[2]。

建筑行業(yè)是全球最大的消費(fèi)能源行業(yè)之一，也是碳排放的“主力軍”。在我國(guó)，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(guó)總碳排放的22%[3]。在美國(guó)，建筑物占全美能源使用量的40%，暖通空調(diào)相關(guān)的能耗占建筑能耗的50%，占美國(guó)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(xí)近平主席為核心的黨中央對(duì)我國(guó)低碳發(fā)展給出的明確目標(biāo)和時(shí)間表：在2030年之前實(shí)現(xiàn)碳排放達(dá)峰，力爭(zhēng)2060年實(shí)現(xiàn)碳中和，節(jié)能發(fā)展勢(shì)在必行[5]。

然而，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)熱舒適的追求不斷提高。在建筑行業(yè)，為提高居住者的熱舒適性導(dǎo)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(lái)已經(jīng)開發(fā)并實(shí)施了許多節(jié)能措施，最基本的舉措之一是進(jìn)行熱分區(qū)(即系統(tǒng)劃分)。這樣就可以避免不必要的能源消耗[6]。

然而對(duì)于熱分區(qū)并沒有普遍認(rèn)同的劃分方法，大部分研究只是針對(duì)定性，缺乏定量研究。因此本文旨在基于前人關(guān)于熱分區(qū)的研究上，進(jìn)一步考慮如何對(duì)分區(qū)進(jìn)行量化分析，并對(duì)分區(qū)方法進(jìn)行展望。

1 方法

在本文中，對(duì)暖通空調(diào)設(shè)計(jì)中建筑熱分區(qū)進(jìn)行綜述，重點(diǎn)介紹了熱分區(qū)的重要性、方法和研究進(jìn)展。本文的目的是：1)介紹熱分區(qū)的基本概念，以及現(xiàn)有的一些分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)；2)總結(jié)了暖通空調(diào)設(shè)計(jì)中熱分區(qū)的方法和工程應(yīng)用；3)研究室內(nèi)熱分區(qū)的進(jìn)深尺度的影響；4)提出了熱分區(qū)新方法的發(fā)展方向與研究意義。

利用Web of Science平臺(tái)、Elsevier ScienceDirect全文庫(kù)和CNKI學(xué)術(shù)輯刊全文數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行文獻(xiàn)綜述，以“空調(diào)系統(tǒng)分區(qū)”“內(nèi)外分區(qū)”“thermal zoning”和“室內(nèi)溫度分布”等為關(guān)鍵詞進(jìn)行檢索。除了研究論文，還對(duì)教材、標(biāo)準(zhǔn)、空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)等進(jìn)行了綜述。

2 建筑熱分區(qū)

建筑熱分區(qū)就是總結(jié)不同區(qū)域的空氣特質(zhì)(例如：冷熱負(fù)荷、干濕度、太陽(yáng)輻射等)，并將其分類匯總。區(qū)域可大可小，從比較大的層面分區(qū)可以是氣候分區(qū)，從普通的層面分區(qū)可以是建筑空調(diào)系統(tǒng)分區(qū)，從比較小的層面可以是針對(duì)一間房間進(jìn)行內(nèi)外區(qū)的劃分。下面將對(duì)空調(diào)系統(tǒng)分區(qū)、熱內(nèi)外分區(qū)的重要性及研究進(jìn)展進(jìn)行討論。

2.1 空調(diào)系統(tǒng)分區(qū)

早在1935年，Gay等[8]就提出了熱分區(qū)的概念，認(rèn)為建筑應(yīng)該劃分熱區(qū)，提高對(duì)室內(nèi)環(huán)境調(diào)控的準(zhǔn)確性，并認(rèn)為熱區(qū)控制策略與風(fēng)、太陽(yáng)輻射、居住者的活動(dòng)時(shí)間、不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)的施工方法等相關(guān)。國(guó)內(nèi)外關(guān)于熱分區(qū)定性的研究大同小異。陸耀慶等[9]提出了幾條關(guān)于熱分區(qū)的建議，使空調(diào)系統(tǒng)能夠滿足同一區(qū)域內(nèi)所有房間在不同峰值的熱負(fù)荷。1)負(fù)荷特性：房間的朝向受太陽(yáng)輻射強(qiáng)度不同以及墻窗比不同，則負(fù)荷曲線需求不同，以及根據(jù)發(fā)熱量與熱濕比劃分不同的熱區(qū)。2)使用時(shí)間：例如，周末的教學(xué)樓可能只是為了少數(shù)值班老師的舒適而開啟空調(diào)系統(tǒng)，不應(yīng)該與無(wú)人的教室劃分在同一熱區(qū)。3)使用功能：例如，食堂的大廳與廚房不應(yīng)該劃分在同一熱區(qū)。Paul Raftery等[10]提出了一個(gè)區(qū)域類型法，根據(jù)4個(gè)主要的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)確定建筑中各類型熱區(qū)的劃分，即空間的功能、相對(duì)于外部的位置、可用的測(cè)量數(shù)據(jù)，以及用于調(diào)節(jié)區(qū)域的方法。這些標(biāo)準(zhǔn)的具體內(nèi)容如圖1所示，準(zhǔn)確描述了每個(gè)熱區(qū)的熱過(guò)程的主要差異，再根據(jù)各熱區(qū)的面積來(lái)設(shè)計(jì)空調(diào)模型。

Minjae Shin等[11]將國(guó)外設(shè)計(jì)規(guī)范中關(guān)于空調(diào)系統(tǒng)分區(qū)的內(nèi)容總結(jié)為：熱區(qū)劃分的可選擇標(biāo)準(zhǔn)主要包括:1)太陽(yáng)能獲取：根據(jù)窗戶的朝向、季節(jié)和主要的天氣條件，通過(guò)窗戶獲得的太陽(yáng)能可以在一天的不同時(shí)間產(chǎn)生顯著的不同的冷負(fù)荷或供暖需求。2)使用時(shí)間：如果一間房的工作運(yùn)行時(shí)間不同于建筑物其他部分的運(yùn)行時(shí)間，則應(yīng)該為其提供單獨(dú)的系統(tǒng)。3)房間功能：不同的熱區(qū)功能會(huì)導(dǎo)致內(nèi)熱源的強(qiáng)度有差異，為保證房間功能也會(huì)導(dǎo)致不同的熱需求。

綜上所述，關(guān)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)分區(qū)的文獻(xiàn)主要涉及的分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)為：負(fù)荷特點(diǎn)、使用時(shí)間、空間功能。根據(jù)這些標(biāo)準(zhǔn)，工程師們可以憑借自己的工程經(jīng)驗(yàn)清晰地進(jìn)行系統(tǒng)劃分。但是所有的標(biāo)準(zhǔn)都只討論了空調(diào)系統(tǒng)分區(qū)的定性屬性，卻沒有提供一個(gè)定量的分區(qū)方法。

PLC數(shù)字量輸出點(diǎn)數(shù)的統(tǒng)計(jì)：1)設(shè)備運(yùn)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?？刂啤?)收帶和放帶剎車電磁閥控制。需要7個(gè)數(shù)字量輸出點(diǎn)。

2.2 熱內(nèi)外分區(qū)

在同一個(gè)辦公室，由于室內(nèi)溫度分布是不均勻的，坐在靠墻、門、窗的人員在夏天會(huì)覺得更熱，在冬天會(huì)覺得更冷。比較突出的現(xiàn)象就是在冬季外區(qū)需要供暖，內(nèi)區(qū)由于相鄰區(qū)域的熱傳導(dǎo)以及內(nèi)熱源的產(chǎn)熱而需要供冷。

相較空調(diào)系統(tǒng)分區(qū)而言，內(nèi)外分區(qū)策略給出了定量的數(shù)值。例如ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)90.1-2016[12]提出的熱內(nèi)外分區(qū)的基本原則為：對(duì)距離外墻4.572 m以上的內(nèi)部空間和距離外墻4.572 m以內(nèi)的周邊空間分配單獨(dú)的熱區(qū)；相鄰?fù)鈮υ?5°以內(nèi)的方向可以組合，具有不同朝向的玻璃幕墻應(yīng)該劃分開；頂層也應(yīng)該從高度上劃分內(nèi)外區(qū)。具體ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)90.1-2016的熱分區(qū)指南的熱分區(qū)布局實(shí)例如圖2所示。在我國(guó)的實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)(第二版)也有類似的描述。

2.2.1 內(nèi)外分區(qū)必要性

現(xiàn)在辦公樓的規(guī)模逐漸大型化，隨之而來(lái)的就是建筑節(jié)能問(wèn)題。其中就包括房間深度較大、朝向較多，導(dǎo)致同一房間內(nèi)不同位置的負(fù)荷特性差異較大。例如薛志峰、高潔、楊進(jìn)學(xué)等研究者們從工程計(jì)算實(shí)例出發(fā)，根據(jù)內(nèi)外分區(qū)的建議，運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)分區(qū)尺度，實(shí)現(xiàn)了更節(jié)能的空調(diào)設(shè)計(jì)，強(qiáng)調(diào)了內(nèi)外分區(qū)的必要性。

薛志峰等[13]研究了現(xiàn)代化的寫字樓同一空調(diào)系統(tǒng)中不同房間的溫度滿足情況，指出在變風(fēng)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，大型建筑的進(jìn)深只要超過(guò)5 m，就應(yīng)該進(jìn)行內(nèi)外分區(qū)；對(duì)于某些有特殊要求的大型辦公建筑，在朝向上也應(yīng)該劃分不同空調(diào)系統(tǒng)。高潔[14]以上海市某辦公研發(fā)二類高層為例進(jìn)行了變風(fēng)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)，指出在對(duì)進(jìn)深較大的建筑進(jìn)行空調(diào)設(shè)計(jì)時(shí)，內(nèi)外分區(qū)很必要，并且按距外墻進(jìn)深3 m處為分界線。但當(dāng)建筑進(jìn)深小于8 m時(shí)，則不需要進(jìn)行分區(qū)，且全部視為外區(qū)。楊進(jìn)學(xué)[15]以北京BCD核心區(qū)某辦公建筑為實(shí)例，設(shè)定距離外圍護(hù)結(jié)構(gòu)4.5 m進(jìn)深處為分界線，計(jì)算內(nèi)外區(qū)的冬季負(fù)荷，并對(duì)冬季內(nèi)、外區(qū)熱量傳遞過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)討論。指出冬季空調(diào)負(fù)荷在內(nèi)、外區(qū)有明顯差異，并強(qiáng)調(diào)分界面上氣流擾動(dòng)產(chǎn)生的熱量傳遞應(yīng)計(jì)入冬季內(nèi)區(qū)空調(diào)設(shè)計(jì)負(fù)荷。

研究者們除了在實(shí)際工程上進(jìn)行內(nèi)外分區(qū)，Yu Y[16]、張誠(chéng)[17]等還應(yīng)用了各種商業(yè)軟件對(duì)內(nèi)外分區(qū)的效果進(jìn)行比對(duì)，再次強(qiáng)調(diào)了內(nèi)外分區(qū)的重要性。Yu Y等基于TRNSYS對(duì)山東省濟(jì)南市某辦公建筑同一空調(diào)系統(tǒng)的五個(gè)房間進(jìn)行了模擬，得出各室室內(nèi)的負(fù)荷曲線與溫度分布均存在差異，強(qiáng)調(diào)了在冬季大型辦公建筑劃分內(nèi)外區(qū)的重要性，并指出外區(qū)東、西、北朝向房間可以歸為同一系統(tǒng)，而南朝向的房間需要單獨(dú)設(shè)計(jì)系統(tǒng)。張誠(chéng)以某大型建筑15層～32層辦公區(qū)域?yàn)槔?，利用DeST軟件以標(biāo)準(zhǔn)層為計(jì)算單元建立模型，模擬計(jì)算各分區(qū)全年的逐時(shí)負(fù)荷。并設(shè)計(jì)四種不同VAV系統(tǒng)方案進(jìn)行比對(duì)，強(qiáng)調(diào)了內(nèi)外區(qū)需要單獨(dú)設(shè)置空調(diào)、新風(fēng)機(jī)組。

研究者們從工程實(shí)例到模擬計(jì)算，得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果都強(qiáng)調(diào)了劃分空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)外分區(qū)的重要性。劃分內(nèi)外區(qū)不僅提高了熱舒適性，而且還實(shí)現(xiàn)了更低的碳排放。

2.2.2 內(nèi)外分區(qū)理論分析進(jìn)展

從前文可見，對(duì)大型建筑進(jìn)行內(nèi)外分區(qū)十分必要。但是也存在一個(gè)顯而易見的問(wèn)題：現(xiàn)有的內(nèi)外分區(qū)尺度都是工程師的經(jīng)驗(yàn)值，缺乏理論依據(jù)與泛用性。而分區(qū)不合理會(huì)導(dǎo)致空調(diào)房間內(nèi)局部積冷或積熱現(xiàn)象，主要有兩個(gè)弊端：能源的浪費(fèi)以及熱舒適性差。有研究者從理論分析的角度出發(fā)來(lái)研究?jī)?nèi)外分區(qū)。葉大法[18]定義外區(qū)為受太陽(yáng)得熱、室內(nèi)外溫差傳熱和空氣滲透影響的區(qū)域，其負(fù)荷來(lái)源為外圍護(hù)結(jié)構(gòu)與內(nèi)熱源之和；內(nèi)區(qū)為有較穩(wěn)定的第一類邊界條件，負(fù)荷內(nèi)源僅與內(nèi)熱源相關(guān)，并根據(jù)圖3推導(dǎo)得到室內(nèi)損失的經(jīng)驗(yàn)公式，提出了外區(qū)設(shè)定溫度應(yīng)該低于內(nèi)區(qū)1 ℃～2 ℃。潘志信等[19]指出內(nèi)外分區(qū)的劃分缺乏理論依據(jù)，并根據(jù)熱平衡原理提出了在冬季確定內(nèi)外分區(qū)分界線的理論分析。以室內(nèi)內(nèi)熱源的產(chǎn)熱量與墻面的熱損失量相抵消平衡為理論依據(jù)，得出單位面積墻窗的耗熱量等于單位面積總得熱冷負(fù)荷(人員、設(shè)備、照明)乘以室內(nèi)某點(diǎn)至外墻的距離，并應(yīng)用在北京某商場(chǎng)營(yíng)業(yè)廳，計(jì)算得到確定距外墻5.0 m以內(nèi)為空調(diào)外區(qū)。余卓濱等[20]基于前人研究外部環(huán)境對(duì)室內(nèi)溫度影響的經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算得到室內(nèi)溫度、風(fēng)速與距外窗距離的關(guān)系式，再進(jìn)一步求得PMV與距外窗距離的關(guān)系式，并提出用室內(nèi)PMV等于-0.5的面作為內(nèi)分區(qū)分界的指標(biāo)。以北上廣3個(gè)辦公建筑為算例，算得北京地區(qū)建議進(jìn)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(qū)距離為例，就存在很大的差異性。因此研究人員又進(jìn)一步對(duì)內(nèi)外分區(qū)開展了實(shí)驗(yàn)。周雪涵等[21]搭建了僅有一面外墻換熱、含內(nèi)熱源的大進(jìn)深實(shí)驗(yàn)室，實(shí)測(cè)了夜間室內(nèi)外空氣溫度、圍護(hù)結(jié)構(gòu)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(jìn)深方向并沒有出現(xiàn)外冷內(nèi)熱的現(xiàn)象。此外，周雪涵[22]進(jìn)一步基于此實(shí)驗(yàn)，利用商業(yè)軟件fluent對(duì)該實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行數(shù)值模擬，共計(jì)模擬了18種不同典型氣候(溫度場(chǎng)、氣流速度場(chǎng))，將平均室溫等于20 ℃作為劃分內(nèi)外分區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)，給出了不同氣候區(qū)大進(jìn)深辦公建筑外區(qū)進(jìn)深的一般范圍：嚴(yán)寒地區(qū)：3.6 m～5.75 m；寒冷地區(qū)：2.65 m～4.42 m；夏熱冬冷地區(qū)：2.17 m～3.1 m。

盡管內(nèi)外分區(qū)應(yīng)用得很廣泛，而且也有許多研究在分析內(nèi)外區(qū)進(jìn)深的影響，但仍然是不夠的，只有少數(shù)研究在試圖研究出一種新的分區(qū)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(nèi)外分區(qū)的進(jìn)深的精度對(duì)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(diào)系統(tǒng)分區(qū)研究、房間內(nèi)外分區(qū)研究的總結(jié)如下：

空調(diào)系統(tǒng)分區(qū)研究：探討了暖通設(shè)計(jì)過(guò)程中使用的熱分區(qū)方法，提供關(guān)于熱分區(qū)劃分的共識(shí)標(biāo)準(zhǔn)：特點(diǎn)、使用時(shí)間、空間功能。但是以前的研究都沒有提供詳細(xì)的空調(diào)系統(tǒng)分區(qū)規(guī)則，僅僅只有定性的考慮因素。因此在空調(diào)設(shè)計(jì)中，節(jié)能的方案更依賴于設(shè)計(jì)師的經(jīng)驗(yàn)與直覺。這方面應(yīng)該針對(duì)各種類型的空調(diào)系統(tǒng)和建組尺寸研究標(biāo)準(zhǔn)化的系統(tǒng)熱分區(qū)方法。例如風(fēng)速、設(shè)計(jì)溫度、室內(nèi)溫濕度以及太陽(yáng)輻射被數(shù)據(jù)化處理為對(duì)熱分區(qū)的影響系數(shù)。

房間內(nèi)外分區(qū)研究：在各工程實(shí)例中展示了內(nèi)外分區(qū)的必要性，外區(qū)處理變化的負(fù)荷、內(nèi)區(qū)處理內(nèi)熱源穩(wěn)定的負(fù)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(biāo)法、實(shí)驗(yàn)實(shí)例以及模擬驗(yàn)證法來(lái)確定內(nèi)外分區(qū)進(jìn)深尺度，但依舊沒有提供一個(gè)全面、詳細(xì)的進(jìn)深尺度確定的方法、規(guī)則。

此外，沒有任何文獻(xiàn)對(duì)于設(shè)計(jì)手冊(cè)里面提供的尺度劃分進(jìn)行嚴(yán)格的測(cè)試，缺乏科學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)性。新的劃分方法也沒有得到廣泛的認(rèn)可與應(yīng)用，分區(qū)設(shè)計(jì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于時(shí)代的發(fā)展。因此，需要進(jìn)一步改善這些新的熱區(qū)劃分方法。

4 結(jié)論與展望

根據(jù)本次對(duì)于熱分區(qū)研究進(jìn)展的回顧，得到了以下結(jié)論：

1)對(duì)于暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的熱分區(qū)決策將很大程度上依賴于工程師的直覺和經(jīng)驗(yàn)，缺乏泛用性的指導(dǎo)方針。

2)進(jìn)深尺度的劃分對(duì)于室內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)化。

基于文獻(xiàn)綜述的基礎(chǔ)上，提出幾個(gè)未來(lái)研究的方向：

1)有必要研究一套詳細(xì)的熱分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)，并與建筑能源模擬軟件相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)熱分區(qū)自動(dòng)化、科學(xué)化。

2)根據(jù)室內(nèi)溫度周期波動(dòng)原理，研究計(jì)算溫度振幅衰減至最大值的1%時(shí)，假定認(rèn)為此處為室外室內(nèi)影響的最深處，即為內(nèi)外區(qū)劃分的進(jìn)深尺度。