文 | 王当瑞 中南建筑设计院股份有限公司
建筑专业对内区没有明确定义，一般工程按照距离外围机构3-8米考虑。室外温度、太阳辐射等形成的热干扰对该区域影响很小，负荷主要以灯光、设备和人员散热形成的冷负荷为主，负荷变化随季节波动小。本篇文章将从内区的划分、医院内区负荷特性、内区问题常用的解决方案、水环热泵在内区的应用四个方面来解决医院建筑内区全年热舒适性问题~
壹
内区的划分
建筑分为民用建筑、工业建筑和农业建筑。其中民用建筑又分为居住建筑和公共建筑。民用建筑中无分隔内区常见类型有大开间办公、超市、机场大厅、火车站候车室、展览大厅医院、门诊部、疗养院等。
▲无分隔的内区示意图
▲有实体隔断的内区示意图
民用建筑有实体隔断的内区常见的类型：医院裙房、大型商业综合体、体育建筑的附属功能区、高端酒店的裙房功能区以及地下室商业等
内外分区的必要性
1、内外区空调的冷热负荷特性不同，内区一般有过渡季及冬季供冷的需求，同一空调系统很难同时满足内外区不同的需求；
2、空气品质的问题：内区对新风的需求更高（不单指换气次数，还有新风的送风温度等）。
3、空调系统内外分区，使空调系统能有效地跟踪负荷变化，改善室内热环境和降低空调能耗。
当然，也并不是所有的大空间都需要内外分区。
右图为中南设计研究院办公楼四层平面
靠外墙的办公室未分隔到顶、内区的会议室分隔到顶、空调系统为全空气空调系统，未分区，冬季未加湿，横向67.2米，纵向42米。
针对本层办公室内设5个测点进行测量温度和湿度，其中1测点为外区，其余测点为内区，其中5点为有实体分隔的内区。
上表为2020.12.23的测温结果
针对选定的测点进行多次测温，测点高度为1米，测温结果显示：
- 大开间办公室没有物理分隔的内区，靠外墙温度略低，内区略高，但温差相差很小。空调系统未设加湿，各测点湿度在28-31%之间，湿度相差不大。
- 有实体分隔的内区会议室，在不使用的情况下与其他区域温差相差不大。
2021.1.29上午，会议室使用，开会人数8人，室内温度15min内由22.5℃上升到30.4 ℃ ，湿度为41%。
实测表明：有实体分隔的内区房间随室内人数的增加室内温度快速升高。
测量结论
1、冬季设全空气空调系统的大开间办公建筑，内区与外区的温差相差不大，温差在1.5℃范围内，空调系统未按照内外分区设置，是可行的。
2、有实体分隔的内区，使用过程中，随着人员密度的加大，室内温度快速升高，有供冷需求。
3、有实体分隔的内区的冷负荷，除稳定的灯光、设备外，人员的数量影响最大。
对于无实体分隔的大空间，空调系统设计时，是否需要内外分区设置，要根据其人员密度及设备发热量来计算。对于人员密度不大，无大的设备发热量的办公建筑，空调系统可不分区。有实体分隔的，空调系统应考虑内外分区。
目前设计的大型综合医院，门、急诊、影像科、病理科、检验科、核医学科、放疗科、供应中心、手术室等其他医技多集中在裙房，造成了裙房单层面积大， 内区房间多 的特点。且不同功能的房间的对空调使用要求不同、使用时间不同、存在同时供冷及供热的情况。
贰
医院内区负荷特性
医院内区负荷特性，医院内区多为有实体分隔的内区，且有稳定发热的房间，如下图所示:
DSA复合手术室
MRI复合手术室
供应中心：因有蒸汽用于消毒，工作时有稳定的热量产生，仅此项冷负荷约160-270W/㎡外区冬季也需要供冷。
全年能耗模拟计算与分析：
用Energy Plus软件作为模拟工具，以某典型医院为例，进行全年能耗模拟计算与分析，得出医院内区的负荷特性。
图为对医院一层的能耗模拟模型
从一层模拟结果中可以看出：
1、空调供冷能耗占一层总能能耗的60%，灯光占21%,设备占19%，空调供热能耗为0；
2、由于大量内区房间的存在，冬季内区的发热量可以用于冬季空调供热。
图为对医院一层的能耗模拟模型
医院内区负荷特性：
1、医院内区有全年供冷的需求；
2、无特殊发热设备的内区诊室等房间，人员密度变化是影响过渡季及冬季冷负荷变化的主要因素，人员较少时，冷负荷很低，人员较多时，室内温度快速升高；冬季夜间值班时，有时需要供热。
3、有固定发热设备的内区房间，如MRI、DR、供应中心、检验科等，冷负荷全年相对稳定，主要为设备发热显热负荷；
4、根据能耗分析，当内区达到一定比例时，冬季内区产生的热量可以满足外区供热所需的热量。
叁
医院内区问题常见的解决方案
1
医院内区问题解决方案一增加内区通风
图为增加医院内区的通风解决方案
优点：
1、系统简单，仅通风，不需要其他冷热源；
2、造价最低，运行节能；
3、可以解决内区面积小，无大型发热设备的内区房间过热的问题。
1、增加内区的通风
缺点：
1、室外新风温度随时变化，室内温度波动大；
2、室内外温差大的情况下，直接送至室内会有吹冷风感，舒适性差；
3、送、回风管道增多，占用了建筑的空间，系统需要经常切换。
2
内区问题常见解决方案二-多联机空调系统
优点：
1、系统控制简单，供冷供热可以随时切换；
2、可以很好的解决内区供冷的问题；
3、无水系统，可以用于CT、DSA等不能进水的房间
缺点：
1、多联机造价偏高，增加了空调的初投资；
2、室内设备发热量没有得到有效利用。
3、只能同时供冷或同时供热
3
内区问题常见解决方案三-三管制多联机
普通多联机不能同时供冷、供热，因此推出三管制多联机（自由冷暖型）
优点：可以同时供冷供热，可根据室内需求随时切换，可以利用内区热量供应外区
缺点：投资更高，系统设计需要精确配置。
PS:两管制的风机盘管中只是一组盘管,一进一回,夏天通冷水,冬天通热水。这样的系统使得整个区域在同一时刻只能供冷或供热.与四管制相比,它省下了一套水系统,所以它的标准相对较低,成本也低。
两管制风机盘管
三管制分别设置供冷管路、供热管路、换热设备管路三根水管;其冷水与热水的回水管共用。优点:三管制系统能够同时满足供冷和供热的要求,管路系统较四管制简单; 缺点:比两管制复杂,投资也比较高，且存在冷、热回水的混合损失。
4
内区问题常见问题解决方案四-内区四管制
优点：
1、供冷供热可以随时切换，可有效的解决内区冷热需求；
2、供冷供热稳定性好，舒适性高；
缺点：
1、系统组成复杂，造价高，占用较多的建筑空间；
2、系统控制复杂，需要有冬季提供供冷的冷源，不同季节需要冷源的相互切换；
3、存在冷热抵消的情况，能耗高。
常见：制冷主机与冷却塔的组合形式切换
5
内区问题采用的解决方案五-四管制风冷热泵
应用优点：只需输入一份能源，便可同时获得冷水和热水，方便实现四管制，综合效率高，大大降低了能耗，系统冷热源设备合为一体。彻底解决冷热抵消浪费能源问题。
优点：
1、供冷供热可以随时切换，可有效的解决内区冷热需求；
2、供冷供热稳定性好，舒适性高；
3、可以利用内区的热量
缺点：
1、系统组成复杂，造价高；
2、冷热不匹配的时候节能优势不突出
PS：四管制风机盘管指风机盘管内同时装有冷盘管和热盘管,每组盘管一进一回,共四根,所以叫四管制.两组水管分别接入冷水和热水,也就是一年四季不管什么时候,制冷制热都可以随时切换,可以实现一些房间供热的同时,另一些房间供冷.所以它的标准高,成本也高。
肆
水环热泵在内区的应用
一、水环热泵空调系统
为更好的解决内区供冷、供热问题，同时考虑减低空调系统造价、空调运行更加的节能，我们提出水环热泵空调系统。
水环热泵系统（WLHP）早在1955年在美国申请专利，项目应用在20世纪60年代在美国加利福尼亚州出现，被称为加利福尼亚系统。80年代，水环热泵系统在国内的深圳、上海、北京等地开始在工程上应用。但因其制冷效率率低于水冷机组，系统较分散、故障率高的原因，在国内应用收到了一定的限制，目前国内的应用并不普及。随着技术的发展， WLHP系统效率及故障均得到有效发展。
二、水环热泵在内区的应用优势之一
1、每个房间可根据自己的需求选择供冷、供热模式，与四管制功能相同（相当于水冷的分体空调）；
2、分体式的水环热泵，可以直接用于CT、DSA等不能有水管进入的房间。可以取代多联机。
3、也可以解决外区冬季供冷的需求。
在医院的应用优势之二：节能-解决内区供暖问题
1、可利用内区余热为外区供暖。当内区数量与外区达到一定比例时，冬季不需要外部辅助热源；
2、可根据需求开启或关闭（分体空调功能），节能效果明显。
3、夏季及过渡季可提供生活热水。
水环热泵在内区的应用的其他优势
1、公共水环路内为常温水，常年水温在15-37℃中间，可以不保温；
2、用户可独立运行，可单独进行冷热计量，且计量准确性高；
3、无大型设备，占用建筑空间相对较少，维修工作量小；
4、系统供暖时水温要求不高，可利用低品位能源，适合地下水、地埋管、废热、余热、市政污水等利用；
5、造价略高于水冷机加锅炉，低于多联机及四管制空调系统。
三、水环热泵应用的局限性
1、单独供冷时，效率低于大型的水冷冷水机组，尤其是高效机房。水温在32/37℃的工况下，水环热泵COP3.5左右。具有分体空调的特性，制冷运行具有节能优势。
2、单独供热时，系统不节能。
四、水环热泵的应用范围：
根据能耗模拟结果，计算出医院裙房的热负荷系数K值。
K值在0.2-0.675范围内运行时节能的，如超出此范围，需要重新调整系统所带的外区房间数量，即保证冬季内区产生的热量被全部利用，又要使K值尽量在节能范围内运行。
五、医院应用建议
1、内区与外区相比，面积较小的情况，建议用多联机或增加通风的方式解决内区空调问题。
2、内区占比达到一定数量或冬季供冷需求达到一定的比例的时候，建议采用水环热泵空调系统。
3、一般情况下，不建议采用四管制空调系统。
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