地板辐射供冷系统建筑围护结构蓄热特性分析

张林华，梁莉，王伟，刘吉营

（1.山东建筑大学热能工程学院，山东济南250101；2.可再生能源建筑利用技术教育部重点实验室，山东济南250101；3.山东省可再生能源建筑应用技术重点实验室，山东济南250101）

地板辐射供冷系统建筑围护结构蓄热特性分析

张林华1，2，3，梁莉1，王伟1，刘吉营1，2，3

（1.山东建筑大学热能工程学院，山东济南250101；2.可再生能源建筑利用技术教育部重点实验室，山东济南250101；3.山东省可再生能源建筑应用技术重点实验室，山东济南250101）

建筑节能是可持续发展战略的重要内容，而空调系统是公共建筑节能的主要组成，文章围绕建筑围护结构的蓄热特性，以地板辐射供冷系统为研究对象，通过选取济南市安泰动态节能示范楼内三个典型空调房间，利用TRNSYS仿真模拟软件建立地源热泵地板辐射供冷模型，结合建筑控制平台实测数据，对建筑围护结构的室内热环境进行研究，探索地板辐射供冷系统建筑围护结构蓄热特性。结果表明：建筑西外墙对室内热环境的稳定和舒适性影响最大；外墙对室外温度波具有明显的衰减特性和峰值延迟特性，良好的蓄热特性有利于系统节能运行，维持室内温度；墙体的蓄热性使得室温波动较小，白天蓄热有效地阻止冷负荷的陡然增大，维持了正常工作时间人员的空调需求；14∶00地板蓄冷量最低，室温超过空调设计温度，应采取增大地板盘管供水流量或降低供水温度的措施，降低室内温度，确保系统节能高效运行。

地板辐射供冷；蓄热特性；建筑围护结构；TRNSYS

0 引言

建筑能耗占全国总能耗的三分之一左右，因此建筑节能是可持续发展战略的重中之重［1］。其中，公共建筑能耗约占建筑能耗的四分之一，空调系统是公共建筑节能的主要方面［2］。地板辐射供冷系统是在建筑的楼板内敷设盘管，向盘管内供冷媒（水），向围护结构释放冷量，再通过围护结构与室内的辐射与对流换热，达到控制室内热环境的目的。一般一套系统可以兼顾冬季供暖和夏季供冷，节省投资费用［3］。地板辐射供冷空调系统相对于其他类型空调系统的特殊之处就在于建筑混凝土结构体是一个较大热容量的蓄热体，相当于空调系统的末端。建筑物围护结构的蓄放热特性可以更好维持室内热环境的稳定，延迟了夏季室温峰值出现的时间，对室内温度的波动起到了一定的衰减和延迟作用，因此有效地降低了空调系统的能耗［4-5］。

近些年来，随着地板辐射供冷系统的不断发展，对系统实践的不断深入，不再仅仅局限于系统舒适性和节能性的研究，而是转向对其蓄热特性和控制方式的探索。Lehmann等人利用TRNSYS（Transient System Simulation）软件对辐射供冷系统的蓄热效应引起的温度波动进行了模拟分析，并提出建筑负荷昼夜转化的设想［6］；郝满晋等提出了围护结构的热容使得室内非围护结构传入的冷热负荷陡然增加时，混凝土结构辐射供冷系统不能迅速地将室内的冷热负荷消除而带来的延迟［7］；张云霞分析了不同朝向围护结构对室内热环境的影响和墙体对温度波的衰减和延迟特性，结果表明墙体的朝向对温度波的衰减和延迟影响极大［8］。但是，大多数研究都仅仅针对室内热环境温度的反馈，并且对于以地源侧换热器循环水为冷源的地板辐射供冷系统围护结构蓄热特性的相关研究较少，因此文章以济南市安泰动态节能示范楼为例，利用TRNSYS建立以地源换热器循环水为冷源的地板辐射供冷系统模型，对围护结构—地板以及墙体的温度以及蓄热蓄冷量进行分析，并与实测数据对比，分析研究该建筑围护结构的蓄热特性。

1 地板辐射供冷系统概况

1.1 安泰动态节能示范楼建筑概况

1.1.1 安泰动态节能示范楼建筑参数

山东省济南市安泰动态节能示范楼，属于办公建筑，地上五层，地下一层，楼高20.7 m，总建筑面积为5440 m2，总空调面积为3805 m2。文章选取地上第四层大小类型相同、位置不同、非相邻的3个南向典型空调房间研究夏季供冷系统工况。房间形式如图1所示，位于四层西侧、中间、东侧，分别命名为房间A、B、C。其中，窗高为1.5m，门高为2.1m，房间高度为3.9 m。

图1 南向典型房间示意图/mm

1.1.2 建筑围护结构

建筑外墙保温采用厚聚氨酯保温板，厚度为25 mm，外窗的玻璃形式为低辐射（Low-E）中空玻璃，体形系数为0.21。围护结构主要参数见表1。

表1 建筑围护结构参数

采用的是混凝土埋管式地板辐射系统，楼板构造如图2所示，地板保温层一般是30～40 mm的聚苯乙烯板，填充层是40～60 mm的碎石混凝土。由此构成的蓄能辐射地板以及墙体等围护结构蓄热体共同影响室内热环境。地板换热主要是地板与供水盘管之间的传热以及地板上表面与室内环境的辐射换热和对流换热；墙体传热主要包括墙体外壁面与室外环境的对流辐射换热和太阳辐射得热，墙体内壁面与室内环境对流辐射换热［9］。

图2 混凝土埋管式地板辐射供冷系统地板构造图

1.2 地埋管直接供冷系统概况

夏季空调系统主要是由低温地源换热器、楼板盘管以及蓄能水箱组成的地埋管直接供冷系统，并采用了建筑的本体蓄能，蓄能地板作为空调系统末端，夜间蓄冷，储存冷量于建筑内围护结构中，当白天工作时段室内负荷增大时，将储存的冷量释放到室内，因此，虽然地板外表面温度与室内空气温度的温差甚小，地板向室内供冷量也很小，但由于夜间蓄冷作用的存在使得供冷有效面积增加，由此供冷量也显著增加，保证了室内温度的恒定，减少其他得热带来的温度波动［10］。夏季冷负荷低时利用楼板蓄能体与地下岩土通过地源侧的循环水系统直接耦合，向楼板盘管供18℃的冷水，为防止冷量不足，热泵机组用于辅助供冷［11］。室内空调设计温度为26℃［12］。

2 地板辐射供冷系统实验与模拟

2.1 安泰动态节能示范楼建筑实测

室内安装有实时监测系统各运行参数的设备，可以监测到室内温度、湿度、风速、风量等，也可以采集系统各项能耗等。房间内安装有温湿度传感器，可以实时监测室内温湿度并上传到控制平台，控制平台如图3所示。文章选取2015年7月7日至9日作为典型日，并采用了该平台实际监测的数据，以判断所建模型的准确性。

图3 控制平台示意图

2.2 地埋管直供系统TRNSYS模型的建立与模拟

利用TRNSYS软件建立了地埋管直接供冷系统模型［13］，如图4所示。模型包括建筑模型、地源换热器、表冷器、风机、水泵、天气部件以及输出，整个模型简化了实际运行状态，控制信号控制地源换热器侧水泵的启停，空调运行时间为7∶00～16∶00。对应实测数据时间，将模拟时间设为4488～4560 h（7月7日0∶00～9日23∶59），输出各房间室内温度、地板表面温度、墙体温度、墙体蓄热量、楼板盘管供冷量以及地板向室内的释冷量等参数。

输出TRNSYS所建模型的数据，与相应日期实际监测的数据对比，验证模型的正确性与可靠性；分析数据，研究不同房间的室内热环境特征；选取典型房间，利用模拟对围护结构的蓄热特性进行分析研究。

2.3 模型验证分析

将实测数据与TRNSYS所建模型输出的模拟数据对比，如图5所示。所测试和模拟的时间段是7月7日0∶00～9日23∶59，各个房间的实测数据和模拟数据趋势基本一致，7∶00～18∶00之间温度波动较大，这是由于此时为正常工作时间，人员以及设备等使得室内的显热负荷显著增加，同时太阳辐射使室内得热量增大，因此温度出现显著波动。如表2所示，三个房间位置不同，温度峰值出现的时间也不相同，实际的与模拟的温度存在差值，基本上都在2℃以内。

表2 三个空调房间的室内温度特征

图4 夏季地板辐射供冷系统模型图

图5 室内温度的实测值与模拟值对比图

由图5分析可得，房间B的模拟值较接近实际，这是因为房间B只有一面外墙，环境对其影响较小。而房间A和C各有两面外墙，比房间B接受的太阳辐射小。TRNSYS软件对于温度的热响应较快，忽略了墙体的热惰性，因此模拟所得曲线在室内负荷增大或者太阳辐射增强时，温度改变非常迅速。该模型各房间室内温度基本上维持在设计温度26℃左右，能够较好的满足室内人员对室温的基本要求。

3 地板辐射供冷系统研究结果分析

3.1 墙体的蓄热特性分析

3.1.1 墙体对温度波的衰减和延迟作用

由图5室内温度实测值可以看出，房间A的温度波动最大，范围为24.8～25.8℃，波动幅度为1.0℃。这是因为西外墙在夏季所受太阳辐射最多，正午12∶00以后便能接收到太阳辐射，室内太阳辐射得热明显较其他两个房间多［14］。相比较，房间C的温度较为恒定，曲线起伏不大，由全天室温来看，西外墙对于室内热环境的舒适性和稳定性的影响较东外墙大。其次，房间B由于处于中间位置，两侧各有相邻房间，只有一面外墙，受到的室外环境的扰动要比其他两个房间小得多。

以典型房间A为例，模拟得到西外墙内外表面的温度值，如图6所示。由图6可知，西墙外表面的温度变化幅度较大，曲线接近正弦形，出现波峰和波谷。谷值为25.0℃，出现在早晨6∶00，峰值为40.5℃；出现在17∶00左右，当日16∶00至次日2∶00基本与室外气温的波动幅度一致。自6∶00开始至17∶00，外表面温度从波谷近乎直线增长至波峰，这是因为太阳辐射到达外墙表面，墙体不断吸收并储存部分热量。12∶00以后，西墙与南墙均接受到太阳辐射，曲线斜率增大，17∶00以后太阳辐射减弱，外表面温度开始下降，下降斜率也慢慢减小。由于系统的运行以及墙体的保温蓄能，使得外墙的内表面温度处于稳定状态，始终在26.0℃左右，受室外温度和太阳辐射强度的影响很小，最大值26.7℃出现在晚上21∶00。

墙体的蓄热性越好，越能阻止热量的传递，降低热量峰值，在白天吸收储存部分热量，降低了室内冷负荷，夜间温度较低时延迟释放出来，有效推迟了尖峰冷负荷［15］。室外最高温度32.4℃出现时间是

图6 房间A西外墙的表面温度变化曲线图

14∶00，与房间A西外墙的外表面峰值时间相差3 h，内外表面峰值时间相差接近4 h，最高温差为13.6℃。由此可知墙体对温度具有明显的峰值衰减和延迟作用，墙体的蓄热特性不仅有效延迟了内表面峰值时间，还极大地降低了内表面的峰值温度，对空调系统的节能高效运行意义重大。

3.1.2 墙体的蓄热性能

墙体的热量传递的过程可分为4个部分［16］，即（1）热量由室内空气以对流换热和室内物体间的辐射换热形式传给墙内表面；（2）墙内表面与墙外表面的导热；（3）热量由墙外表面以空气对流换热和辐射方式传递给室外环境；（4）太阳对外表面的辐射得热。

墙体得热量与散热量的差值就是墙体储存的热量，即蓄热量。墙体的蓄热量直接影响着室内的热环境，白天由墙体外表面得热，部分由墙体吸收储存，另一部分通过内表面传入室内。夜晚，室外温度较低，墙体外表面向大气散热。由图7西外墙的蓄放热曲线可得，总的墙体蓄热量就是曲线与纵坐标y=0围成的面积。在7∶00～8∶00期间（约7∶10时刻），西墙得热与散热相持平，此时达到热平衡状态，蓄热量等于零。8∶00开始，西外墙的逐时蓄热量上升，最大逐时蓄热量为3752 W，即14∶00时刻在图示中的蓄热强度峰值，随后蓄热强度开始逐渐降低。应该注意的是：坐标上方有部分曲线波动下降，但是仍处于蓄热量累积阶段，比如在16∶00时刻，蓄热强度却突然增加，这是由于西外墙受夕阳直射照射的影响而增加蓄热。在19∶00开始，太阳落山后，拐点出现蓄热强度开始下降，在19∶00～20∶00之间（约19∶20时刻），得热量与散热量再次相等，此时西外墙的总蓄热量达到最大值。在当日20∶00～次日6∶00，进入放热阶段，并随着时间的推移放热强度逐渐减小。产生此现象的原因主要是随着墙体不断放出热量，墙体的温度开始下降，因此放热量逐渐减小。西外墙的累计得热时长和放热时长各约为12 h，时间上基本持平。

3.2 地板的蓄热性能分析

图7 西外墙蓄放热曲线图

图8 地板逐时蓄冷量曲线图

某一时刻，楼板盘管的供冷量与由地板向室内的释冷量之间的差值表示地板逐时蓄冷量。楼板盘管供冷量与地板释冷量两个曲线所围成的面积表示总蓄冷量，如图8所示。夜间的室内冷负荷较小，地板蓄存较多冷量，由于地板的蓄热特性，会延迟释放冷量，因此当白天室内得热较多，冷负荷较大时，地板和墙体等蓄积的冷量就会释放出来维持室内温度。逐时蓄冷量在当日14∶00至次日5∶00时段不断增大，于5∶00达到最大值338 W。此时，恰是墙体逐时蓄热量从缓慢上升到迅速增大的一个拐点，由此表明随着室外温度的不断升高以及太阳辐射不断增加，墙体的蓄热量迅速增大的同时，传入室内的热量也逐渐增多，地板释放大量冷量用以减少室内冷负荷，地板的蓄冷量也开始降低。因此在6∶00～14∶00之间，室内冷负荷较大，图8中地板的逐时蓄冷量不断减小，地板不断释放冷量来维持室温恒定，于14∶00达到最小值为148 W，总蓄冷量不断积累增加，此时房间A室温实测值28.5℃，高于设计温度2.5℃，需要增加冷量才能降低室温，可以增大楼盘盘管的供水流量或者降低供水水温。在设计过程中，可以将外墙区域的盘管相对加密，房间中心盘管间距可以大一些。这样可以使室内温度均匀，使制冷效果最佳。

4 结论

文章利用实际监测的数据验证了TRNSYS建立的地板辐射供冷系统模型的准确性，重点研究了采用地板辐射供冷系统建筑围护结构的蓄热特性，结论包括：

（1）经对比发现，三个房间中房间A室内热环境较恶劣，室温波动较大，房间B较舒适；西外墙对温度波具有明显的峰值衰减和延迟作用。因此，西外墙对于室内热环境的舒适性和稳定性的影响较大，同时蓄热性良好的墙体对室内热环境的稳定起到极其重要的作用。

（2）在7∶00～8∶00和19∶00～20∶00两个时间段，西外墙分别出现了得热量和散热量平衡的状态，在第二个时段平衡时蓄热量达到最大值，总的蓄热时长为12 h。研究表明，在白天正常工作时段，墙体持续蓄热，夜晚室内冷负荷减小，墙体开始向室内散热，有利于维护室温稳定，这对于办公建筑的空调需求以及系统节能运行意义重大。

（3）地板的逐时蓄冷量在当日14∶00至次日6∶00之间，逐时蓄冷量持续增大，于早上6∶00达到最大值338W。在6∶00～14∶00期间持续减小，于14∶00达到最小值148 W，室温高于空调设计温度2.5℃。对于房间A来说，由于西外墙的影响，室温在一天中大多数时间都是高于设计温度26.0℃的，因此应增大楼板盘管的供水流量或降低供水温度，以增加房间的热舒适性，若冷量不够，还需要开启热泵辅助供冷。对于未建建筑的空调系统，在系统设计过程中可以将西南向房间靠近外墙区域的地板盘管加密，以改善室内热环境的舒适性。

［1］ 房勤英，李媛媛，葛玉全.现代建筑节能理论研究进展［J］.山东建筑大学学报，2013，28（4）：358-362.

［2］ 清华大学建筑节能研究中心.中国建筑节能年度发展研究报告2014［M］.北京：中国建筑工业出版社，2014.

［3］ 刘方，刘艮平，文灵红.地板辐射供冷的热环境模拟分析［J］.山东建筑大学学报，2009，24（6）：569-573.

［4］ 苏莘博.办公建筑空调蓄能系统研究［D］.济南：山东建筑大学，2015.

［5］ 张云婷.办公建筑地板辐射供冷系统运行策略研究［D］.济南：山东建筑大学，2014.

［6］ Lehmann B.，Dorer V.，Koschenz M..Application range of thermally activated building systems tabs［J］.Energy and Buildings，2007，39（5）：593-598.

［7］ 郝满晋，涂光备，陈冠益，等.混凝土中心空调墙［J］.新型建筑材料，2008，35（8）：38-40.

［8］ 张云霞，孙三祥，朱琨.兰州建筑墙体朝向对延迟时间和衰减系数的影响［J］.建筑热能通风空调，2010，29（3）：25-26.

［9］ 王恩丞.上海地区低温热水地板辐射采暖系统的应用研究［D］.上海：同济大学，2005.

［10］祁英.地埋管直接供冷系统供冷特性研究［D］.济南：山东建筑大学，2015.

［11］苏莘博，张林华.地源热泵水蓄能复合空调系统运行分析［J］.山东建筑大学学报，2015（3）：249-254.

［12］陆耀庆.实用供热空调设计手册［M］.北京：中国建筑工业出版社，2007.

［13］Klein S.A.，Beckman W.A.，Duffie J.A..TRANSYS：a transient simulation program［J］.Ashrae Transactions，1976（82）：7-12.

［14］刘怀臣.基于地板辐射供冷的建筑围护结构蓄放热特性研究［D］.济南：山东建筑大学，2016.

［15］王蕾.不同围护结构蓄热性能对空调启停时间的影响［D］.太原：太原理工大学，2003.

［16］章熙民，任泽霈，梅飞鸣.传热学（第五版）［M］.北京：中国建筑工业出版社，2007.

（校庆约稿）

山东建筑大学热能工程学科——张林华教授

张林华教授现任山东建筑大学热能工程学院院长。博士生导师，山东建筑大学热能工程学科带头人。

张林华教授现兼任：山东土木建筑学会暖通空调专业委员会、建筑热能动力专业委员会、山东省勘察设计协会暖通空调制冷专业委员会、中国勘察设计协会建筑环境与能源应用分会山东省委员会、山东省燃气热力协会热力技术专委会副主任委员。

多年来从事暖通空调专业教学、工程设计和科研工作。先后主持和参加了十余项国家及省部级科研课题；出版著作（教材）6部；发表专业论文100余篇，其中：SCI、EI收录30余篇，获得省优秀硕士论文指导教师1次；获得授权专利8项。

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

国家自然科学基金项目（51608310）；山东省科技发展计划项目（2012GGX10416）

张林华（1965-），男，教授，博士，主要从事建筑节能及可再生能源利用技术等方面的研究.E-mail：zhth0015@sdjzu.edu.cn