引言我国原煤消费占比超过60%，清洁能源占比仅为13.0%[1]。建筑能耗在能源消耗中占比较大[2]，而实现空调系统节能在建筑节能中尤为重要。随着生活水平不断提高，居民开始对热舒适性提出一定的要求，但我国能源结构配置不够合理，如何在实现经济效益最大化的前提下满足居民的热舒适需求，是当前亟待解决的问题。地板辐射+地源热泵空调系统通过在地板内敷设盘管，将冷水送入盘管，通过地板表面和整个空间的辐射换热和对流，实现对室内热环境的控制[3]。地源热泵系统利用的地热能属于可再生能源，储量丰富且无污染[4]。地板辐射+地源热泵空调系统可以实现冬季供暖和夏季制冷，节省投资费用。由于地面层蓄热量大，围护结构具有热惰性[5]，间歇供冷条件下室内温度变化相对缓慢，热稳定性好，地板辐射+地源热泵空调系统可以达到节约能耗的作用。国内外学者对地板辐射和热泵系统的节能优化进行了相关研究。杜彦[6]等利用实验和模拟相结合的方式，对地板辐射和空气源热泵系统运行方式进行优化，结果表明，全天连续运行、白天运行夜间停机和电价移峰填谷3种运行方式均能够满足基本舒适性需求，但白天运行夜间停机的方式利用了围护结构的蓄热性，经济性最好，是最佳运行方式。Verbeke[7]等研究建筑物热惰性对空间制冷和供暖的能源使用的影响，对建筑空调系统间歇运的研究具有重要意义。戴霖姗[8]等利用Trnsys软件对地埋管地源热泵系统进行仿真模拟，通过改变水泵流量，研究系统的能耗和节能性，结果表明，变流量系统比定流量系统的水泵能耗少。Qiu[9]等利用Trnsys软件对冷水机组的运行进行优化，适当地分配冷水机组的冷负荷可以达到节约能源的目的。杨昭[10]等对热泵机组运行特性进行分析，对关键运行参数和重要部件进行优化计算，结果表明，采用传统方法和优化方法时，降低水泵能耗均是降低系统能耗的关键。大部分学者仅对定流量和变流量水泵进行对比，很少考虑改变热泵机组功率对空调系统的影响，对利用围护结构热惰性开展系统的间歇运行研究较少。因此，利用Trnsys软件建立地板辐射+地源热泵空调系统，通过改变负荷侧水泵流量、机组功率、运行时间，在满足热舒适的前提下，实现对办公建筑的节能优化。1建筑概况1.1建筑参数以山东省济南市某办公建筑为研究对象，选取1间空调房间，研究其夏季供冷系统工况。房间面积为100 m2，高度为3 m，建筑为南北朝向。其中两扇窗为南外墙，长和高均为1.8 m；门位于北内墙，长和高分别为0.9 m、2.1 m，窗墙比为21.65%。1.2围护结构参数办公建筑为钢筋混凝土框架结构，外墙保温采用聚苯板，建筑围护结构参数如表1所示。太阳辐射吸收系数为0.7，内表面换热系数为3.06 W/(m2∙K)，外表面换热系数为17.78 W/(m2∙K)，外窗玻璃为Low-E中空玻璃，玻璃传热系数为1.1 W/(m2∙K)，内、外遮阳系数为0.5。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.04.001.T001表1建筑围护结构参数材料厚度/m总厚度/m传热系数/[W/(m2∙K)]抹灰0.020.290.337加气混凝土0.20保温层0.05抹灰0.02辐射末端为填充式，地板材料和结构与传统公共办公建筑标准地板结构一致，盘管间距为150 mm，盘管外径为20 mm，盘管壁厚度为2 mm，盘管壁导热系数为0.38 W/(m∙K)。将盘管敷设于地面填充层，填充层为碎石混凝土，厚度为50 mm，导热系数为1.49 W/(m∙K)。保温层采用聚苯乙烯板，厚度为40 mm，导热系数为0.025 W/(m∙K)，由此构成的辐射地板和墙体等围护结构可以蓄热和储能，影响室内的热环境。地板换热主要包括流体与盘管内壁之间的对流换热、盘管壁及墙面各构造层的导热、墙体表面和整个空间的对流和辐射换热。整个换热过程中，导热、对流和辐射这3种换热方式同时存在。1.3室内设计参数根据《公共建筑节能设计标准》（GB 50189—2015），普通办公建筑的室内辐射空调设计温度为27 ℃。室内热源主要为人员、照明和设备，房间内扰使用情况[11]如表2所示。人均新风量为30 m³/h，新风换气次数为3.39次/h。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.04.001.T002表2房间内扰使用情况内热源辐射对流人151.2100.8灯19.4412.96设备10.843.2kJ/h2地源热泵系统2.1系统原理系统采用地埋管地源热泵，其工作原理如图1所示。地埋管地源热泵主要由3个部分组成，分别为地下埋管换热器系统、热泵机组和室内末端系统。制冷工况下，热泵机组冷凝器与地下埋管换热器循环管路连接，将热量传输至地下，热泵机组的蒸发器与室内末端相连，由热泵机组冷媒介质吸收房间内的热量[12]。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.04.001.F001图1地埋管地源热泵工作原理2.2负荷模拟与系统选型结合济南地区室外天气数据，通过Trnsys软件中的Type56模块和TRN Building软件进行连接[13]，从而建立建筑模型，对建筑全年冷负荷进行模拟，负荷模拟系统如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.04.001.F002图2负荷模拟系统负荷模拟结果如图3所示。模拟结果显示建筑夏季冷负荷为5.72 kW。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.04.001.F003图3负荷模拟结果根据冷负荷进行热泵机组选型，机组额定制冷量为6.30 kW，额定制冷功率为1.26 kW，额定工况下蒸发器出口温度为7 ℃，冷凝器入口温度为30 ℃，负荷侧和源侧的供回水温差均为5 ℃。VL=QcΔt×4.19×3.6 (1)VS=QL×1+1COPΔt×4.19×1.1×3.6 (2)P=V×Hη×360 (3)式中：VL——负荷侧水泵流量，m3/h；Qc——机组额定制冷量，kW；VS——源侧水泵流量，m3/h；QL——冷负荷，kW；P——水泵功率，kW；H——水泵扬程，m；η——水泵效率。水泵参数设置如表3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.04.001.T003表3水泵参数设置水泵类型流量/(m3/h)扬程/m水泵效率水泵功率/kW负荷侧水泵1.28150.70.06源侧水泵1.30150.70.08地埋管采用单U形竖直地埋管换热器，采用高密度聚乙烯管，导热系数为0.45 W/(m∙K)，管内传热介质为水，稳定流速为0.6 m/s，水的密度为1 000 kg/m3，比热容为4.174 kJ/(kg∙℃)。土壤导热系数为2.14 W/(m∙K)，土壤比热容为0.79 kJ/(kg∙℃)。地埋管参数设置如表4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.04.001.T004表4地埋管参数设置项目数值管内径/mm26管外径/mm32管内流量/(m3/h)1.15单孔流量/(m3/h)1.15孔数量2孔深/m100管间距/m5孔径/mm1202.3地板辐射+地源热泵空调系统模型利用Trnsys软件建立地板辐射+地源热泵空调系统模型，如图4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.04.001.F004图4地板辐射+地源热泵空调系统模型由图4可知，模型包括天气数据、建筑模型、热泵机组、水泵、控制部件以及输出，温度控制信号控制空调系统在室内温度为20~26 ℃时不运行，从而影响热泵机组和水泵的运行；启停控制信号控制负荷侧水泵的启停，控制运行时间。地板辐射供冷容易结露，因此设置新风机组提供新风，控制室内湿度。模拟时间设为4 080~4 128 h（6月20日0：00~6月21日23：59），输出房间的室内温度、水泵和机组能耗等参数。地板辐射+地源热泵空调系统模型包括两个循环系统[14]，分别为室内空调系统和室外地能换热系统。制冷状态下，低温低压的制冷剂通过蒸发器吸收室内空气热量，变为低温低压气体，经压缩机升温升压，通过冷凝器冷却，由循环水路吸收制冷剂携带的热量，最后通过室外地埋管换热系统转移至土壤。同时，冷凝器冷凝的液态冷媒经过节流装置成为低温低压液态冷媒，经过不断循环，室内空气热量通过室内空调系统、地源热泵机组和室外地埋管换热系统不断转移至地下土壤，从而实现室内制冷[15]。3研究结果分析3.1模拟方案采用不同运行方式模拟运行工况，分别改变负荷侧水泵流量、机组功率和空调系统白天运行时的开启和关闭时间，分析不同运行工况的舒适性和经济性，满足人们在正常办公时间（8：30~17：30）[16]的制冷需求，尽可能减小水泵流量和机组功率，选择合适的运行时间段，使系统运行达到更节能的目标。（1）调节机组功率。整个系统运行时，热泵机组能耗占据主要部分，机组额定功率为1.26 kW，在额定功率的0.89倍和1.20倍下运行，机组功率分别为1.12 kW和1.51 kW，研究其运行工况。（2）调节负荷侧水泵流量。机组运行时，水泵的能耗也不可忽视。系统选型时得到负荷侧水泵的额定流量为1 280 kg/h，为了比较不同流量下的室内温度变化，使机组在额定流量的0.3倍和0.6倍下运行，流量分别为384 kg/h和768 kg/h，研究其运行工况。（3）调节运行时间。全天运行和间歇运行的优缺点如表5所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.04.001.T005表5全天运行和间歇运行的优缺点运行方式优点缺点全天运行随着温度变化，机组自动控制，使室内温度保持在正常范围内，舒适性较好。未利用地板敷设盘管敷设面积大和蓄热性好的特点，增加不必要的能耗。间歇运行可以充分利用围护结构具有热惰性的优势，储存冷量，延迟释放冷量。得热量较多，冷负荷较大时，墙体储存的冷量被释放以维持室内温度。非办公时间室内温度达不到设计温度。设置运行时间分别为全天运行、6：30~17：00运行以及7：30~18：00运行，通过仿真分析确定最优运行时间。3.2围护结构热惰性分析西外墙内外壁面逐时传热量如图5所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.04.001.F005图5西外墙内外壁面逐时传热量热量由室外向房间传递为正值，由房间向室外传递为负值。蓄热量是墙体储存的热量，即墙体得热量与散热量的差值；墙体外表面吸收太阳辐射得热，室内空气以对流和室内物体辐射换热将热量传递至墙体内表面，墙体内表面和外表面以导热形式传递热量；热量由墙体外表面以对流和辐射方式传递至室外空气，即为墙体的散热。利用内外壁面的传热量计算墙体蓄热量，墙体蓄热量如图6所示。墙体总蓄热量为曲线与坐标轴y=0围成的面积。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.04.001.F006图6墙体蓄热量由图6可知，5：00~6：00时间段，建筑西墙得热量与散热量相等，蓄热量为0；6：00开始，逐时蓄热量逐渐上升；10：00时，逐时蓄热量达到峰值，为2 913 W，随后蓄热强度开始下降，但墙体总蓄热量一直在累积。12：00~14：00时，蓄热强度突然增加，因为西外墙下午受太阳直射的影响蓄热量增加。随后蓄热强度开始下降，约在18：00时得热量与散热量再次相等，总蓄热量达到最大值。18：00~次日5：00，墙体开始放热，且放热量逐渐降低，因为墙体不断放出热量，温度降低，放热量减小。墙体蓄热时间为12.5 h，放热时间为11.5 h。功率为1.26 kW时室内逐时温度峰值延迟现象如图7所示。图7中A、B、C处，6：30~17：00运行时峰值出现在次日10：00；7：30~18：00运行时峰值出现在次日12：00。由于墙体具有蓄热性，空调开启时间提前1 h，峰值出现时间有所延迟。因此，墙体蓄热量会直接影响室内的热环境。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.04.001.F007图7功率为1.26 kW时室内逐时温度峰值延迟现象3.3最优化参数选择（1）功率选择。流量为384 kg/h时3种功率运行下的室内逐时温度如图8所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.04.001.F008图8流量为384 kg/h时3种功率运行下的室内逐时温度由图8可知，办公时间8：30~17：30内，功率为1.12 kW时基本已超过设计温度27 ℃，不符合要求，不予考虑；功率为1.51 kW时，基本可以满足设计要求；功率为1.26 kW时，个别时间不满足要求。流量为768 kg/h、1 280 kg/h时3种功率运行下的室内逐时温度如图9、图10所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.04.001.F009图9流量为768 kg/h时3种功率运行下的室内逐时温度10.3969/j.issn.1004-7948.2023.04.001.F010图10流量为1 280 kg/h时3种功率运行下的室内逐时温度功率为1.26 kW、1.51 kW时，除在6：30~17：00运行时，其余运行时间基本可以满足要求。1.26 kW时的整体温度比1.51 kW时高，为了减少能耗，建议选择较低的功率。机组功率选择1.26 kW，既可以满足人们在办公时间内的舒适性，又可以实现节能目的。（2）流量选择。功率为1.12 kW时3种运行时间下不同流量的室内逐时温度如图11所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.04.001.F011图11功率为1.12 kW时3种运行时间下不同流量的室内逐时温度由图11可知，办公时间内，3种流量下运行时的整体温度均偏高，不能满足制冷需求。功率为1.26 kW时3种运行时间下不同流量的室内逐时温度如图12所示。全天运行状态下，流量为384 kg/h时温度偏高；流量为768 kg/h、1 280 kg/h时，个别时间不能满足设计温度；其余流量运行可以满足要求。6：30~17：00运行状态下，流量为384 kg/h时温度偏高；流量为768 kg/h时，不满足要求的时间是11：00~14：00、次日10：00~12：00，共7 h；流量为1 280 kg/h时，不满足要求的时间是10：00~12：00，共3 h。7：30~18：00运行状态下，流量为768 kg/h时个别时间不能满足要求；流量为1 280 kg/h时满足要求。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.04.001.F012图12功率为1.26 kW时3种运行时间下不同流量的室内逐时温度功率为1.51 kW时3种运行时间下不同流量的室内逐时温度如图13所示。除流量为384 kg/h外，其他设计流量在3种运行时间下基本满足制冷需求。为了降低机组能耗，选择更小的水泵流量，负荷侧水泵流量选择768 kg/h，既满足人们在办公时间内的舒适性，又可以实现节能目的。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.04.001.F013图13功率为1.51 kW时3种运行时间下不同流量的室内逐时温度（3）运行时间选择。流量为384 kg/h、768 kg/h、1 280 kg/h时不同功率下3种不同运行时间的室内逐时温度如图14~图16所示。虽然空调在6：30~17：00和7：30~18：00运行时的温度不如全天运行时温度低，但是也可以满足制冷需求。在温度较高的白天，建筑围护结构蓄热体作为热汇吸收进入室内的热量，从而降低室内温度，提高舒适性能，减少额外制冷需求；在温度较低的夜晚，建筑围护结构蓄热体储存的热量逐渐被释放，然后通过自然通风或机械通风排出[17]。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.04.001.F014图14流量为384 kg/h时3种不同功率下不同运行时间的室内逐时温度10.3969/j.issn.1004-7948.2023.04.001.F015图15流量为768 kg/h时3种不同功率下不同运行时间的室内逐时温度10.3969/j.issn.1004-7948.2023.04.001.F016图16流量为1 280 kg/h时3种不同功率下不同运行时间的室内逐时温度不同流量、功率下3种运行时间的能耗对比如图17所示。全天运行时能耗较大，不满足节能要求；7：30~18：00运行比6：30~17：00运行能耗低，因此选择空调在7：30~18：00运行。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.04.001.F017图17不同流量、功率下3种运行时间的能耗对比4结语利用Trnsys建立地板辐射+地源热泵空调系统模型，设置围护结构参数，模拟冷负荷并进行机组选型，在不同工况下进行模拟，并对模拟数据进行对比分析，实现系统的优化调节，结论包括：（1）在5：00~6：00和18：00~19：00两个时间段，建筑得热量和散热量相等，总蓄热时间为12.5 h，放热时间为11.5 h，表明白天工作时墙体不断蓄热，夜晚向房间散热。空调在6：30~17：00运行时，室内温度峰值出现在10：00；7：30~18：00运行时，峰值出现在12：00。由于墙体具有热惰性，围护结构对温度具有明显的峰值延迟作用。围护结构对室内热环境的稳定性具有重要作用，可以利用围护结构的热惰性，提前开启和关闭空调系统，以实现办公建筑节能。（2）负荷侧水泵流量768 kg/h、热泵机组功率1.26 kW为机组最佳运行工况，表明降低负荷侧水泵流量和机组功率，室内逐时温度有所提高，但是仍然可以满足制冷需求，还可以降低系统的能耗。（3）3种运行工况下，7：30~18：00运行同时兼顾舒适性和经济性，充分考虑地板辐射+地源热泵空调系统的围护结构蓄热性能，对办公建筑空调系统节能运行具有重大意义。