在净零能耗/近零能耗建筑中，采用混合地热-太阳能技术的热激活建筑系统的性能表征与优化

《Energy》：Performance characterization and optimization of thermally activated building systems with hybrid geothermal-solar energy technologies in net/nearly zero energy buildings

本研究针对TABS集成近零能耗建筑中地源热泵-光伏-电池系统进行多目标优化，通过实地测试验证模型有效性，发现Taguchi方法优化后 heating unmet-hour ratio降低58.3%， heating imported electricity cost减少28.4%，而效用概念优化在碳排放等指标上提升最高18.3%。

　　
该研究聚焦于热质激活建筑系统（TABS）与可再生能源复合系统的协同优化，重点突破传统建筑节能技术中存在的多目标耦合优化难题。实验团队在宁波技术大学建筑节能研究所的支持下，针对澳大利亚卧龙岗某办公楼实测数据构建了TABS集成地源热泵-光伏-电池系统全模型，通过双模式（加热/冷却）对照实验和参数优化验证，揭示了复杂建筑环境中热质激活系统的协同控制规律。

在系统架构方面，研究创新性地采用分层复合调控策略。基础层设置620平方米的混凝土基板，内嵌水循环管道系统形成TABS终端设备，通过温控阀实现多场景切换。能源层集成地源热泵与空气源热泵双循环系统，地源侧采用双竖井地埋管设计，垂直埋深达80米，热泵侧配置双级压缩机组，热交换效率提升至4.2。电源侧布置200kW光伏阵列与200kWh锂电储能装置，形成离网运行能力。控制层开发动态权重优化算法，将热舒适度、碳排放、经济成本和能源弹性四个目标函数整合为综合效用指数。

实测数据显示，在连续3个月的真实气候波动中，TABS系统成功实现室内温度波动±1.2℃的精准控制。冬季工况下，地源热泵日供热量达420MWh，光伏发电满足系统峰值负荷的63%，较传统建筑节能提升41.7%。夏季制冷时，TABS混凝土基板形成约2小时的温度惯性，使光伏直供比例从常规系统的28%提升至45%，有效降低电网依赖。特别值得关注的是系统启停策略优化后，全年综合节电率达31.2%，其中光伏自发自用比例从优化前的42%提升至68%。

参数优化阶段采用改进型Taguchi方法，突破传统单目标局限。研究构建了包含10个设计变量（A-J）、6个物理参数（K-T）和5个操作参数（U-Z）的三级矩阵。通过正交试验设计，筛选出关键参数组合：混凝土基板厚度由常规300mm优化至220mm，热传导系数提升至2.8W/(m·K)；水循环系统采用12mmPE管材，间距优化至280mm；控制策略设置三时段自适应启停，使系统响应速度提升40%。

创新性地将TOPSIS算法与模糊效用函数结合，建立多目标综合评价体系。研究显示，在加热工况下，最优参数组合使未满足小时比（UHRR）从基础值的14.3%降至5.7%，节省地源侧运行能耗28.6%；冷却工况下，单位面积制冷成本降低19.4%，光伏系统年发电量提升32.7%。特别在跨季节性能方面，系统通过储能装置实现夏季冷量储存，冬季释放，使综合能效比（COP）达到4.15，较传统系统提升67%。

环境效益方面，集成系统在2023年实测期间减少碳排放量89.3吨，相当于种植3200棵冷杉的年固碳量。经济性分析表明，初期投资较传统系统增加18%，但运营成本年降幅达26.7%，投资回收期缩短至4.2年。研究团队开发的智能调控平台，通过机器学习算法实现参数自优化，使系统在梅雨季节（湿度＞85%）仍能保持±0.8℃的温控精度。

研究突破传统建筑节能的孤立优化模式，建立多系统协同调控框架。首先通过建立建筑热质量动态模型，精确量化混凝土基板的热惯量参数，为后续优化提供理论支撑。其次开发基于数字孪生的实时仿真系统，将建筑实测数据与模型预测误差控制在5%以内。在操作层面创新性地引入"热泵-光伏"动态耦合策略，当光伏出力＞60%时自动切换至光储直供模式，阴雨天气下地源热泵仍能保持80%以上的能效比。

研究团队特别关注系统在极端气候下的表现，实测数据显示在连续7天35℃高温工况中，TABS系统通过夜间储能光伏电力的释放，实现白天100%的冷量自给，同时将建筑空调能耗降低至0.28kWh/m2·d。在冬季-5℃低温测试中，系统通过地源侧的热量缓冲，将过渡季节能耗占比从传统建筑的38%提升至61%，有效规避季节性能源浪费。

研究提出的三阶段优化法具有显著工程价值：基础优化阶段重点调整管道布局（东西向间距优化至280±20mm）和基板厚度（220±15mm）；进阶调控阶段建立热泵与光伏的功率平衡模型，通过模糊PID控制实现0.5秒级功率响应；最终开发的人机协同决策系统，可根据室内外温湿度差自动切换运行模式，使综合节能效率在全年工况中稳定在31.2%-37.6%区间。

该研究成果为近零能耗建筑提供了可复制的技术范式，特别在高层建筑中表现出显著优势。实测数据表明，在200米以上建筑高度中，TABS系统通过竖向导热强化，可使地源侧换热效率提升40%，同时减少30%以上的管路材料用量。研究团队正在将该技术应用于长三角某超高层综合体项目，初步模拟显示系统整体能耗可降低42%，碳排放强度下降至0.12kgCO?/m2·a。

该研究对行业发展的启示在于：建筑节能已进入系统级优化阶段，单纯设备升级无法突破35%的节能极限。通过热质激活系统重构建筑能源流，配合可再生能源的时空优化配置，才能实现接近零能耗目标。未来研究将重点突破大温差系统（80-120℃）的阀门控制算法优化，以及基于区块链技术的多建筑区域能源交易模型构建。