结合埋管外墙的辐射地板供暖系统在室内热环境与能源性能方面的研究，该系统利用低品位热能进行供暖

研究提出管嵌外墙（PEEW）与辐射地板供暖系统（RFHS）的耦合方案，通过实验验证的三维稳态CFD模型分析，利用地源热交换器作为低品位热源。结果表明PEEW显著改善热舒适度并降低能耗，尤其在低温环境（t_oa≤-15℃）下，外表面热流增加但整体能耗减少21.20%，临界温度阈值可有效界定运行有效性。

　　

郑长进|朱旭伟|胡一琳|袁伟生|程远达

太原理工大学土木工程学院，中国太原030000

摘要

管嵌入式外墙（PEEWs）由于具有降低建筑能耗的潜力而受到越来越多的关注。然而，尽管辐射地板供暖系统（RFHSs）在降低室内设计温度方面已被证明有效，但将其与PEEWs结合使用的研究却很少。为了填补这一空白，本研究提出了一种结合PEEW的RFHS，并开发了一个经过实验验证的三维稳态CFD模型，在该模型中，地热交换器作为低品位热源。该模型比较了这种组合系统与传统RFHS在不同室外温度（t_oa）以及管嵌入回路和地板回路中的平均供水-回水温度（t_ep和t_f）下的室内热环境和能源性能。结果表明，PEEW通过利用低品位热能提高了热舒适度并减少了能耗。这些优势在较高的t_ep和较低的室内空气温度（t_air）及t_oa条件下更为显著，从而证实了这种组合配置的适用性。研究发现了一个关键的室外空气温度阈值：低于该阈值时，嵌入的管道会提高PEEW的内表面温度并减少辐射温度不对称性（RTA）。在t_air = 18 °C、t_ep = 15 °C和t_oa = -15 °C时，RTA从3.59（传统系统）降低到3.04 °C（PEEW系统）。尽管PEEW外表面的热流增加，但增加的热量主要来自低品位能源，而内表面和地板的热流则减少。在太原进行的案例研究表明，在t_air = 18 °C时，节能率为21.20%。

引言

建筑能耗在全球能源使用中占有重要地位，约占总能耗的三分之一，并贡献了约四分之一的温室气体排放[1]。其中，供暖能耗占建筑能耗的近50%[2]。随着生活水平的不断提高，建筑能耗预计将持续上升[3]。在这种背景下，提高建筑围护结构的热性能被认为是减少建筑能耗和提升室内热舒适度的有效策略[4]、[5]、[6]。传统的节能方法主要通过增加保温层的厚度[7]或使用低导热系数材料[8]来减少热流。然而，单纯提高建筑围护结构的热性能可能会导致材料成本增加和火灾风险，并且在夏季可能导致室内过热[9]、[10]，同时在过渡季节也会增加能耗[11]。因此，单一的被动节能措施不足以实现全年最佳的热平衡。

近年来，动态保温技术因能够主动调节建筑围护结构的热传递而受到广泛关注。这些技术通常将工作介质（如流体、空气或相变材料）集成到墙体或屋顶组件中，形成具有可变热阻或热容的系统，包括管嵌入式外墙（PEEW）[12]、通风墙[13]、Trombe墙[14]、[15]和相变材料（PCM）墙[16]。表1对这些技术进行了定性比较。具体来说，通风墙主要通过腔体气流来调节表观热阻，其效果取决于风力和浮力，需要设计防潮的气流路径[17]。PCM墙通过增强有效热容来延迟热波，但其效果取决于相变温度的匹配和PCM层内的热传递限制[18]。相比之下，水力激活的PEEW通过使用封闭的水循环主动重塑墙体温度场来调节热传递，这提供了更强的可控性和与多种供暖和冷却源的广泛兼容性[12]、[19]。这种可控性，加上能够直接利用自然低品位热/冷资源的能力，使得PEEW在实用围护结构性能调节方面具有特别的前景。本质上，PEEW在墙体内部嵌入了管道网络。循环流体与周围的墙体层进行热交换，从而改变驱动热传递的热梯度。当流体是高品位热源或冷源时（通过热泵增强），管道通常位于结构层的内侧或中间，以在冬季提供供暖，在夏季提供制冷[20]。当流体是低品位热源（如土壤、空气或冷却水）时，管道通常布置在结构层的中间或外部。虽然这种配置不能直接调节室内空气温度，但可以有效减弱外部热干扰并减少室内热量损失[21]。由于系统仅需要泵来循环流体，而不依赖压缩机，因此具有更高的性能系数（COP）[22]。

先前的研究已经证实了PEEW在特定布局和流体条件下的热优势。周等人[23]报告称，当管道位于墙体中间时，可以获得最佳的热性能。Kisilewicz等人[24]观察到，在冷却季节，将管道嵌入结构层和保温层之间可以将外墙的热损失减少50%–81%。关于使用低品位热源，沈等人[25]在北京使用冷却塔的冷却水作为冷源，实现了21.4 kWh/m²的冷却负荷减少。当使用空气作为热源时，虽然墙体散热增加了18%，但高品位热损失减少了高达84%[26]。Fan等人[27]采用地热交换器作为PEEW的低品位热源，在武汉夏季实现了21.5%的节能效果，在冬季实现了8.2%的节能效果。此外，Ibrahim等人[28]、[29]利用南墙嵌入管道收集的太阳能来加热北墙，显著减少了冬季的热损失。在流体流动方面，研究表明，一旦嵌入管道中的流体变得湍流，进一步增加流速对墙体热传递的益处有限[23]。考虑到热传递和泵的能耗，推荐的流速范围是0.2–0.3 m/s[30]。此外，管道网络的配置对系统性能有很大影响。江等人[31]证明，串联连接的嵌入管道的能量效率大约是并联连接的十倍。此外，研究人员通过引入PCM[32]、高导热系数材料[33]和专门的几何设计[34]来改进PEEW的配置。

然而，大多数现有研究主要集中在PEEW本身的热传递性能上，通常假设室内空气温度和对流热传递系数是恒定的。这种简化忽略了PEEW、终端系统和室内环境之间的多层热耦合效应。尽管有一些研究考察了PEEW与风扇盘管单元[35]、机械通风系统[36]或辐射墙终端[37]、[38]、[39]的协同运行，但它们仍然侧重于能源效率指标，对室内热环境的形成及其相关舒适性的分析有限。值得注意的是，PEEW的热屏障效应对室内空气温度（t_air）非常敏感[40]。作为低温终端，辐射地板供暖系统（RFHS）可以在比传统系统（如风扇盘管单元和机械通风系统）低约2 °C的室内设计温度下保持相当的热舒适度。这种降低的设计温度直接减少了围护结构热损失的驱动力，并放大了嵌入管道提供的“主动保温”效益。此外，与PEEW相比，辐射墙终端倾向于提高外墙表面温度。这种效应可能会促进通过外墙的热量散发，从而部分抵消预期的围护结构热损失减少。因此，PEEW与RFHS的联合运行在最小化外墙热损失方面更为有效。这些机制表明，将PEEW与RFHS结合使用可能在保持舒适度的同时有效减少外墙热损失。然而，与可以通过预设边界输入表示的空气终端（如风扇盘管或通风）不同，也与与同一墙表面局部交互的辐射墙终端不同，RFHS是辐射主导的，并会重塑整个房间的表面温度场。因此，捕捉PEEW–RFHS的耦合需要一个综合的房间–终端–围护结构处理和协调控制，这可能是这种配置研究较少的原因。

基于上述分析，PEEW与RFHS的联合系统（耦合系统）仍是一个未充分探索的领域。现有研究主要集中在PEEW的热传递行为或能源评估指标上，而很少有研究在综合的房间–终端–围护结构框架内评估耦合的室内热环境和热舒适度。特别是，辐射温度不对称性（RTA）的舒适性影响很少被量化。此外，由于PEEW的效果高度依赖于运行状态，不当的操作可能会导致嵌入管道回路进入无效状态，从而提取高品位的室内热量。避免这种情况的可行标准仍然很少。为了填补这些空白，本研究开发了一个三维CFD模型，并将其与传统的RFHS（传统系统）在广泛的室外空气温度（t_oa）和管嵌入回路及地板回路中的平均供水-回水温度（t_ep和t_f）范围内进行了对比。基于CFD得出的关系，系统地描述了室内热环境、外墙热流和系统电力使用情况。本研究的新颖性体现在三个方面：首先，建立了一个统一的房间–终端–围护结构CFD框架，以揭示RFHS运行如何重塑墙体温度场并重新分配热传递；其次，进行了以RTA为中心的舒适度评估，以量化围护结构热屏障系统中很少报告的耦合引起的局部不适风险；第三，分析推导出了一个以控制为导向的关键室外空气温度（t_oa,cri），以划分嵌入回路的有效和无效运行区域，并开发了一个季节性评估工作流程，将稳态CFD输出映射到实际运行条件下的供暖季节电力使用情况。这些发现为将低品位热源整合到建筑围护结构中并优化耦合的围护结构–终端供暖系统提供了可行的指导。

部分摘录

物理模型

本研究建立了两个房间模型，以量化耦合系统和传统系统之间的室内热环境和热性能差异。两个模型具有相同的室内尺寸4 m × 2.8 m × 3 m（长度×宽度×高度），并使用相同的RFHS。唯一的区别在于外墙的配置。三维几何形状如图1所示。在耦合系统模型（图1a）中，外墙采用了管嵌入式设计，管道布置在...

室内空气温度和墙内表面温度响应

本小节展示了在不同t_oa、t_ep和t_f条件下，带有PEEW的耦合系统和带有传统外墙的参考系统的t_{air和外墙内表面温度。完整的多变量温度响应和拟合的相关性在补充材料（图S1）中提供。根据图S1a，tair被拟合为tf、tep和toa的线性函数，对于耦合系统和传统系统都是如此，得出（38）、（39）（R² = 0.999）。}

机制解释：为什么耦合系统只在有限的运行范围内有效

当前结果证实，PEEW的优势并非一种通用的“额外保温”效应。相反，应将其理解为通过引入墙体内部的低品位热源而实现的运行状态依赖的围护结构热传递重新分配。在有效条件下，嵌入管道回路提高了墙体核心层的温度，相对于传统墙体减少了室内侧的热损失驱动力。耦合系统实现了（i）...

结论

基于三维稳态CFD模拟，本研究系统地评估和比较了使用土壤作为低品位热源的RFHS与PEEW结合系统与传统RFHS在一系列t_oa、t_ep和t_f条件下的室内热环境、外墙热传递特性和系统能耗。目的是明确PEEW在供暖季节的热调节机制并定义其适用范围。

CRediT作者贡献声明

程远达：撰写 – 审稿与编辑，资金获取。朱旭伟：可视化，方法论。郑长进：撰写 – 原稿，软件，方法论，数据管理。袁伟生：可视化，验证。胡一琳：软件，资金获取

利益冲突声明

没有需要声明的利益冲突。

致谢

本工作得到了山西省科技合作与交流项目（项目编号202304041101028）和山西省研究生教育创新计划（项目编号2025XS083）的支持。