地板輻射供冷系統建筑圍護結構蓄熱特性分析

張林華，梁莉，王偉，劉吉營

（1.山東建筑大學熱能工程學院，山東濟南250101；2.可再生能源建筑利用技術教育部重點實驗室，山東濟南250101；3.山東省可再生能源建筑應用技術重點實驗室，山東濟南250101）

地板輻射供冷系統建筑圍護結構蓄熱特性分析

張林華1，2，3，梁莉1，王偉1，劉吉營1，2，3

（1.山東建筑大學熱能工程學院，山東濟南250101；2.可再生能源建筑利用技術教育部重點實驗室，山東濟南250101；3.山東省可再生能源建筑應用技術重點實驗室，山東濟南250101）

建筑節能是可持續發展戰略的重要內容，而空調系統是公共建筑節能的主要組成，文章圍繞建筑圍護結構的蓄熱特性，以地板輻射供冷系統為研究對象，通過選取濟南市安泰動態節能示范樓內三個典型空調房間，利用TRNSYS仿真模擬軟件建立地源熱泵地板輻射供冷模型，結合建筑控制平臺實測數據，對建筑圍護結構的室內熱環境進行研究，探索地板輻射供冷系統建筑圍護結構蓄熱特性。結果表明：建筑西外墻對室內熱環境的穩定和舒適性影響最大；外墻對室外溫度波具有明顯的衰減特性和峰值延遲特性，良好的蓄熱特性有利于系統節能運行，維持室內溫度；墻體的蓄熱性使得室溫波動較小，白天蓄熱有效地阻止冷負荷的陡然增大，維持了正常工作時間人員的空調需求；14∶00地板蓄冷量最低，室溫超過空調設計溫度，應采取增大地板盤管供水流量或降低供水溫度的措施，降低室內溫度，確保系統節能高效運行。

地板輻射供冷；蓄熱特性；建筑圍護結構；TRNSYS

0 引言

建筑能耗占全國總能耗的三分之一左右，因此建筑節能是可持續發展戰略的重中之重［1］。其中，公共建筑能耗約占建筑能耗的四分之一，空調系統是公共建筑節能的主要方面［2］。地板輻射供冷系統是在建筑的樓板內敷設盤管，向盤管內供冷媒（水），向圍護結構釋放冷量，再通過圍護結構與室內的輻射與對流換熱，達到控制室內熱環境的目的。一般一套系統可以兼顧冬季供暖和夏季供冷，節省投資費用［3］。地板輻射供冷空調系統相對于其他類型空調系統的特殊之處就在于建筑混凝土結構體是一個較大熱容量的蓄熱體，相當于空調系統的末端。建筑物圍護結構的蓄放熱特性可以更好維持室內熱環境的穩定，延遲了夏季室溫峰值出現的時間，對室內溫度的波動起到了一定的衰減和延遲作用，因此有效地降低了空調系統的能耗［4-5］。

近些年來，隨著地板輻射供冷系統的不斷發展，對系統實踐的不斷深入，不再僅僅局限于系統舒適性和節能性的研究，而是轉向對其蓄熱特性和控制方式的探索。Lehmann等人利用TRNSYS（Transient System Simulation）軟件對輻射供冷系統的蓄熱效應引起的溫度波動進行了模擬分析，并提出建筑負荷晝夜轉化的設想［6］；郝滿晉等提出了圍護結構的熱容使得室內非圍護結構傳入的冷熱負荷陡然增加時，混凝土結構輻射供冷系統不能迅速地將室內的冷熱負荷消除而帶來的延遲［7］；張云霞分析了不同朝向圍護結構對室內熱環境的影響和墻體對溫度波的衰減和延遲特性，結果表明墻體的朝向對溫度波的衰減和延遲影響極大［8］。但是，大多數研究都僅僅針對室內熱環境溫度的反饋，并且對于以地源側換熱器循環水為冷源的地板輻射供冷系統圍護結構蓄熱特性的相關研究較少，因此文章以濟南市安泰動態節能示范樓為例，利用TRNSYS建立以地源換熱器循環水為冷源的地板輻射供冷系統模型，對圍護結構—地板以及墻體的溫度以及蓄熱蓄冷量進行分析，并與實測數據對比，分析研究該建筑圍護結構的蓄熱特性。

1 地板輻射供冷系統概況

1.1 安泰動態節能示范樓建筑概況

1.1.1 安泰動態節能示范樓建筑參數

山東省濟南市安泰動態節能示范樓，屬于辦公建筑，地上五層，地下一層，樓高20.7 m，總建筑面積為5440 m2，總空調面積為3805 m2。文章選取地上第四層大小類型相同、位置不同、非相鄰的3個南向典型空調房間研究夏季供冷系統工況。房間形式如圖1所示，位于四層西側、中間、東側，分別命名為房間A、B、C。其中，窗高為1.5m，門高為2.1m，房間高度為3.9 m。

圖1 南向典型房間示意圖/mm

1.1.2 建筑圍護結構

建筑外墻保溫采用厚聚氨酯保溫板，厚度為25 mm，外窗的玻璃形式為低輻射（Low-E）中空玻璃，體形系數為0.21。圍護結構主要參數見表1。

表1 建筑圍護結構參數

采用的是混凝土埋管式地板輻射系統，樓板構造如圖2所示，地板保溫層一般是30～40 mm的聚苯乙烯板，填充層是40～60 mm的碎石混凝土。由此構成的蓄能輻射地板以及墻體等圍護結構蓄熱體共同影響室內熱環境。地板換熱主要是地板與供水盤管之間的傳熱以及地板上表面與室內環境的輻射換熱和對流換熱；墻體傳熱主要包括墻體外壁面與室外環境的對流輻射換熱和太陽輻射得熱，墻體內壁面與室內環境對流輻射換熱［9］。

圖2 混凝土埋管式地板輻射供冷系統地板構造圖

1.2 地埋管直接供冷系統概況

夏季空調系統主要是由低溫地源換熱器、樓板盤管以及蓄能水箱組成的地埋管直接供冷系統，并采用了建筑的本體蓄能，蓄能地板作為空調系統末端，夜間蓄冷，儲存冷量于建筑內圍護結構中，當白天工作時段室內負荷增大時，將儲存的冷量釋放到室內，因此，雖然地板外表面溫度與室內空氣溫度的溫差甚小，地板向室內供冷量也很小，但由于夜間蓄冷作用的存在使得供冷有效面積增加，由此供冷量也顯著增加，保證了室內溫度的恒定，減少其他得熱帶來的溫度波動［10］。夏季冷負荷低時利用樓板蓄能體與地下巖土通過地源側的循環水系統直接耦合，向樓板盤管供18℃的冷水，為防止冷量不足，熱泵機組用于輔助供冷［11］。室內空調設計溫度為26℃［12］。

2 地板輻射供冷系統實驗與模擬

2.1 安泰動態節能示范樓建筑實測

室內安裝有實時監測系統各運行參數的設備，可以監測到室內溫度、濕度、風速、風量等，也可以采集系統各項能耗等。房間內安裝有溫濕度傳感器，可以實時監測室內溫濕度并上傳到控制平臺，控制平臺如圖3所示。文章選取2015年7月7日至9日作為典型日，并采用了該平臺實際監測的數據，以判斷所建模型的準確性。

圖3 控制平臺示意圖

2.2 地埋管直供系統TRNSYS模型的建立與模擬

利用TRNSYS軟件建立了地埋管直接供冷系統模型［13］，如圖4所示。模型包括建筑模型、地源換熱器、表冷器、風機、水泵、天氣部件以及輸出，整個模型簡化了實際運行狀態，控制信號控制地源換熱器側水泵的啟停，空調運行時間為7∶00～16∶00。對應實測數據時間，將模擬時間設為4488～4560 h（7月7日0∶00～9日23∶59），輸出各房間室內溫度、地板表面溫度、墻體溫度、墻體蓄熱量、樓板盤管供冷量以及地板向室內的釋冷量等參數。

輸出TRNSYS所建模型的數據，與相應日期實際監測的數據對比，驗證模型的正確性與可靠性；分析數據，研究不同房間的室內熱環境特征；選取典型房間，利用模擬對圍護結構的蓄熱特性進行分析研究。

2.3 模型驗證分析

將實測數據與TRNSYS所建模型輸出的模擬數據對比，如圖5所示。所測試和模擬的時間段是7月7日0∶00～9日23∶59，各個房間的實測數據和模擬數據趨勢基本一致，7∶00～18∶00之間溫度波動較大，這是由于此時為正常工作時間，人員以及設備等使得室內的顯熱負荷顯著增加，同時太陽輻射使室內得熱量增大，因此溫度出現顯著波動。如表2所示，三個房間位置不同，溫度峰值出現的時間也不相同，實際的與模擬的溫度存在差值，基本上都在2℃以內。

表2 三個空調房間的室內溫度特征

圖4 夏季地板輻射供冷系統模型圖

圖5 室內溫度的實測值與模擬值對比圖

由圖5分析可得，房間B的模擬值較接近實際，這是因為房間B只有一面外墻，環境對其影響較小。而房間A和C各有兩面外墻，比房間B接受的太陽輻射小。TRNSYS軟件對于溫度的熱響應較快，忽略了墻體的熱惰性，因此模擬所得曲線在室內負荷增大或者太陽輻射增強時，溫度改變非常迅速。該模型各房間室內溫度基本上維持在設計溫度26℃左右，能夠較好的滿足室內人員對室溫的基本要求。

3 地板輻射供冷系統研究結果分析

3.1 墻體的蓄熱特性分析

3.1.1 墻體對溫度波的衰減和延遲作用

由圖5室內溫度實測值可以看出，房間A的溫度波動最大，范圍為24.8～25.8℃，波動幅度為1.0℃。這是因為西外墻在夏季所受太陽輻射最多，正午12∶00以后便能接收到太陽輻射，室內太陽輻射得熱明顯較其他兩個房間多［14］。相比較，房間C的溫度較為恒定，曲線起伏不大，由全天室溫來看，西外墻對于室內熱環境的舒適性和穩定性的影響較東外墻大。其次，房間B由于處于中間位置，兩側各有相鄰房間，只有一面外墻，受到的室外環境的擾動要比其他兩個房間小得多。

以典型房間A為例，模擬得到西外墻內外表面的溫度值，如圖6所示。由圖6可知，西墻外表面的溫度變化幅度較大，曲線接近正弦形，出現波峰和波谷。谷值為25.0℃，出現在早晨6∶00，峰值為40.5℃；出現在17∶00左右，當日16∶00至次日2∶00基本與室外氣溫的波動幅度一致。自6∶00開始至17∶00，外表面溫度從波谷近乎直線增長至波峰，這是因為太陽輻射到達外墻表面，墻體不斷吸收并儲存部分熱量。12∶00以后，西墻與南墻均接受到太陽輻射，曲線斜率增大，17∶00以后太陽輻射減弱，外表面溫度開始下降，下降斜率也慢慢減小。由于系統的運行以及墻體的保溫蓄能，使得外墻的內表面溫度處于穩定狀態，始終在26.0℃左右，受室外溫度和太陽輻射強度的影響很小，最大值26.7℃出現在晚上21∶00。

墻體的蓄熱性越好，越能阻止熱量的傳遞，降低熱量峰值，在白天吸收儲存部分熱量，降低了室內冷負荷，夜間溫度較低時延遲釋放出來，有效推遲了尖峰冷負荷［15］。室外最高溫度32.4℃出現時間是

圖6 房間A西外墻的表面溫度變化曲線圖

14∶00，與房間A西外墻的外表面峰值時間相差3 h，內外表面峰值時間相差接近4 h，最高溫差為13.6℃。由此可知墻體對溫度具有明顯的峰值衰減和延遲作用，墻體的蓄熱特性不僅有效延遲了內表面峰值時間，還極大地降低了內表面的峰值溫度，對空調系統的節能高效運行意義重大。

3.1.2 墻體的蓄熱性能

墻體的熱量傳遞的過程可分為4個部分［16］，即（1）熱量由室內空氣以對流換熱和室內物體間的輻射換熱形式傳給墻內表面；（2）墻內表面與墻外表面的導熱；（3）熱量由墻外表面以空氣對流換熱和輻射方式傳遞給室外環境；（4）太陽對外表面的輻射得熱。

墻體得熱量與散熱量的差值就是墻體儲存的熱量，即蓄熱量。墻體的蓄熱量直接影響著室內的熱環境，白天由墻體外表面得熱，部分由墻體吸收儲存，另一部分通過內表面傳入室內。夜晚，室外溫度較低，墻體外表面向大氣散熱。由圖7西外墻的蓄放熱曲線可得，總的墻體蓄熱量就是曲線與縱坐標y=0圍成的面積。在7∶00～8∶00期間（約7∶10時刻），西墻得熱與散熱相持平，此時達到熱平衡狀態，蓄熱量等于零。8∶00開始，西外墻的逐時蓄熱量上升，最大逐時蓄熱量為3752 W，即14∶00時刻在圖示中的蓄熱強度峰值，隨后蓄熱強度開始逐漸降低。應該注意的是：坐標上方有部分曲線波動下降，但是仍處于蓄熱量累積階段，比如在16∶00時刻，蓄熱強度卻突然增加，這是由于西外墻受夕陽直射照射的影響而增加蓄熱。在19∶00開始，太陽落山后，拐點出現蓄熱強度開始下降，在19∶00～20∶00之間（約19∶20時刻），得熱量與散熱量再次相等，此時西外墻的總蓄熱量達到最大值。在當日20∶00～次日6∶00，進入放熱階段，并隨著時間的推移放熱強度逐漸減小。產生此現象的原因主要是隨著墻體不斷放出熱量，墻體的溫度開始下降，因此放熱量逐漸減小。西外墻的累計得熱時長和放熱時長各約為12 h，時間上基本持平。

3.2 地板的蓄熱性能分析

圖7 西外墻蓄放熱曲線圖

圖8 地板逐時蓄冷量曲線圖

某一時刻，樓板盤管的供冷量與由地板向室內的釋冷量之間的差值表示地板逐時蓄冷量。樓板盤管供冷量與地板釋冷量兩個曲線所圍成的面積表示總蓄冷量，如圖8所示。夜間的室內冷負荷較小，地板蓄存較多冷量，由于地板的蓄熱特性，會延遲釋放冷量，因此當白天室內得熱較多，冷負荷較大時，地板和墻體等蓄積的冷量就會釋放出來維持室內溫度。逐時蓄冷量在當日14∶00至次日5∶00時段不斷增大，于5∶00達到最大值338 W。此時，恰是墻體逐時蓄熱量從緩慢上升到迅速增大的一個拐點，由此表明隨著室外溫度的不斷升高以及太陽輻射不斷增加，墻體的蓄熱量迅速增大的同時，傳入室內的熱量也逐漸增多，地板釋放大量冷量用以減少室內冷負荷，地板的蓄冷量也開始降低。因此在6∶00～14∶00之間，室內冷負荷較大，圖8中地板的逐時蓄冷量不斷減小，地板不斷釋放冷量來維持室溫恒定，于14∶00達到最小值為148 W，總蓄冷量不斷積累增加，此時房間A室溫實測值28.5℃，高于設計溫度2.5℃，需要增加冷量才能降低室溫，可以增大樓盤盤管的供水流量或者降低供水水溫。在設計過程中，可以將外墻區域的盤管相對加密，房間中心盤管間距可以大一些。這樣可以使室內溫度均勻，使制冷效果最佳。

4 結論

文章利用實際監測的數據驗證了TRNSYS建立的地板輻射供冷系統模型的準確性，重點研究了采用地板輻射供冷系統建筑圍護結構的蓄熱特性，結論包括：

（1）經對比發現，三個房間中房間A室內熱環境較惡劣，室溫波動較大，房間B較舒適；西外墻對溫度波具有明顯的峰值衰減和延遲作用。因此，西外墻對于室內熱環境的舒適性和穩定性的影響較大，同時蓄熱性良好的墻體對室內熱環境的穩定起到極其重要的作用。

（2）在7∶00～8∶00和19∶00～20∶00兩個時間段，西外墻分別出現了得熱量和散熱量平衡的狀態，在第二個時段平衡時蓄熱量達到最大值，總的蓄熱時長為12 h。研究表明，在白天正常工作時段，墻體持續蓄熱，夜晚室內冷負荷減小，墻體開始向室內散熱，有利于維護室溫穩定，這對于辦公建筑的空調需求以及系統節能運行意義重大。

（3）地板的逐時蓄冷量在當日14∶00至次日6∶00之間，逐時蓄冷量持續增大，于早上6∶00達到最大值338W。在6∶00～14∶00期間持續減小，于14∶00達到最小值148 W，室溫高于空調設計溫度2.5℃。對于房間A來說，由于西外墻的影響，室溫在一天中大多數時間都是高于設計溫度26.0℃的，因此應增大樓板盤管的供水流量或降低供水溫度，以增加房間的熱舒適性，若冷量不夠，還需要開啟熱泵輔助供冷。對于未建建筑的空調系統，在系統設計過程中可以將西南向房間靠近外墻區域的地板盤管加密，以改善室內熱環境的舒適性。

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（校慶約稿）

山東建筑大學熱能工程學科——張林華教授

張林華教授現任山東建筑大學熱能工程學院院長。博士生導師，山東建筑大學熱能工程學科帶頭人。

張林華教授現兼任：山東土木建筑學會暖通空調專業委員會、建筑熱能動力專業委員會、山東省勘察設計協會暖通空調制冷專業委員會、中國勘察設計協會建筑環境與能源應用分會山東省委員會、山東省燃氣熱力協會熱力技術專委會副主任委員。

多年來從事暖通空調專業教學、工程設計和科研工作。先后主持和參加了十余項國家及省部級科研課題；出版著作（教材）6部；發表專業論文100余篇，其中：SCI、EI收錄30余篇，獲得省優秀碩士論文指導教師1次；獲得授權專利8項。

Performance analysis of thermal storage characteristic for the building envelope in a radiant floor cooling system

Zhang Linhua1，2，3，Liang Li1，WangWei1，et al．

（1.School of Thermal Engineering，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China；2.Key Laboratory of Renewable Energy Utilization Technologies in Building，Ministry of Education，Jinan 250101，China；3.Shandong Key Laboratory of Renewable Energy Application Technology，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China）

The building energy efficiency is the top priority of sustainable development strategy，and the air conditioning system is themajor component for the public building energy saving.This paper focuses on the thermal properties of building envelope，and the floor radiant cooling system is chosen as the research object.Through selecting three typical air conditioning rooms from an Antaeus energysaving demonstration building in Jinan，this paper establishes the floor radiant direct supply cooling system model by using TRNSYS simulation software.This research studies the indoor thermal environment and mainly focuses on the characteristics of thermal storage for the building envelopes，combined with the building’s control platform data.The results show thatwestwall of the building has a great effect on the indoor thermal environment’s stability and com fortable.The wall has obvious performance of attenuation and peak delay for the outdoor temperature wave.Good thermal storage characteristic of exteriorwall is useful for energy saving operation of system andmaintaining the indoor temperature.The thermal storage characteristic of building envelopesmakes the indoor air temperature fluctuate with smaller values，and the wall thermal storage characteristic in the day can prevent the cooling load suddenly increasing effectively tomaintain air conditioning requirements for the personnelin the normalworking hours.At14：00 the cold storage capacity for the floor is lowest and the indoor temperature is larger than the design temperature for the air conditioning.The measures should be taken to increase the supplywater flow rate or reduce the temperature of the supplywater to reduce the indoor temperature and ensure the efficient operation of the system.

radiant floor cooling；thermal storage characteristic；building envelope；TRNSYS

TU83

A

1673-7644（2016）06-0576-07

2016-10-20

國家自然科學基金項目（51608310）；山東省科技發展計劃項目（2012GGX10416）

張林華（1965-），男，教授，博士，主要從事建筑節能及可再生能源利用技術等方面的研究.E-mail：zhth0015@sdjzu.edu.cn