能源问题一直是人类发展进程中的热点问题和关键因素之一。降低能源消耗、提升可再生能源利用效率已成为保障国家能源安全、减少温室气体排放和推动生态环境质量改善的重要措施。针对净零能耗建筑与供热系统不匹配造成的室内温度过高、热舒适性较差和能源浪费等问题,对净零能耗建筑互补供热耦合系统及末端散热设备进行分析并优化其设计参数。以沈阳地区某净零能耗建筑为研究对象,在TRNBuild程序中建立建筑模型,使用TRNSYS软件计算其热负荷。提出了两种互补供热耦合系统,经过对比分析,太阳能耦合土壤源热泵系统的运行效果优于太阳能耦合空气源热泵系统,以全生命周期成本最低为目标函数,以蓄热水箱温度达标为约束条件,使用Gen Opt程序和Hooke-Jeeves算法优化系统关键设计参数。研究地面辐射供暖末端设计参数对供热系统和室内热舒适的影响,分析参数间的最优匹配模式,提出“舒适供水温度”的概念,研究其与室外温度的关系,提出供水温度线性调节方法。分析净零能耗建筑使用散热器低温供暖的可行性,对散热器低温供暖进行经济性分析。研究结果表明,该净零能耗建筑最大热指标为38.03W/m~2。在约束条件下,增加太阳能集热器面积可以有效减小地埋管长度,优化后系统成本降低49.84%,系统耗电量降低12.1%。净零能耗建筑使用地面辐射供暖末端时,供水温度对室内热舒适的影响大于盘管间距。当供水温度为30℃,与45℃相比热泵COP提升12.57%,供热系统耗电量降低6.13%,建议增大盘管间距至300～400mm,室外温度较高时供水温度降低为30～35℃。当室外温度（ta）为-20℃～-3℃时,舒适供水温度与室外温度存在T供水=28.8-0.6ta的线性关系。对供水温度进行线性调节后,供暖季室内热舒适性始终为Ⅰ级,供热系统耗电量降低。净零能耗建筑使用散热器供暖在60℃/45℃的低温工况下可行,供水温度对热泵COP的影响大于供回水温差。5年总费用最低的工况为60℃/55℃,10年总费用最低的工况为40℃/35℃,随着运行年限的增加,散热器低温供暖的经济性优势逐渐增大,供水温度高且供回水温差大的工况不具有经济性优势。本文从供热系统形式、系统关键设计参数、末端设计参数和匹配性等方面对净零能耗建筑互补供热耦合系统进行了优化,降低了系统成本,提升了系统COP,提高了室内热舒适性,为净零能耗建筑应用互补供热耦合系统的工程设计提供了参考。

提高可再生能源在建筑领域的应用比例对实现我国双碳目标具有重要意义。我国太阳能、地热能、空气能等可再生资源丰富,然而单一可再生能源应用时存在诸多局限性,如空气源热泵在低温运行易出现启停困难,土壤源热泵长期运行易引发土壤冷堆积和太阳能保证率低等问题。针对严寒地区可再生能源应用时存在的不稳定和间歇性等问题,本文以严寒地区净零能耗建筑为研究对象,提出多能耦合供能系统并开展相关研究,为实现严寒地区高效稳定的清洁采暖提供科学依据。本文根据严寒地区的气候特征和可再生能源应用情况,提出基于储能的PVT、空气源和土壤源热泵相结合的多能源耦合供能系统技术方案;开发新型双源热泵机组并进行设备选型,利用TRNSYS软件建立了多能源耦合供能系统模型,开展了系统性能分析和关键参数敏感性分析,提出高效的运行控制策略,实现可再生能源优势互补;以系统关键参数影响力为自变量、以能耗为优化目标,对多能源耦合供能系统进行优化分析,提出高效协同的多能耦合系统设计方案;搭建多能耦合供能系统实验平台和智能云平台,通过对系统进行长期的数据测试,得到了多能耦合供能系统在严寒地区的运行规律;采用层次分析-模糊综合评价法,从性能、经济和环境方面对七种可再生能源系统进行潜力分析,得出严寒地区最具节能潜力的多能耦合供能系统方案。研究结果表明:双源热泵机组的匹配模式应保证空气源侧蒸发器面积应为理论面积的2.0倍,土壤源侧蒸发器面积应为理论面积的0.5倍,辅以高效的智能控制能够实现多能源耦合供能系统在严寒地区的稳定运行;基于实验数据对数值模拟系统进行修正,多能耦合供能系统模型在整个供暖季内水箱温度处于稳定运行状态,COPsys为2.80,并以系统内关键设备参数为自变量进行单目标优化,系统性能从2.80增加到3.12,增加了11.43%;通过实测数据分析得到系统的COPsys为2.93,较土壤源热泵的平均能效提高12.60%,较双源热泵的平均能效提高6.70%;PVT余热温度高于5℃以上的时间约占据全年供暖周期的1/3,可供空气源侧高效运行;采用层次分析-模糊综合评价法得出多能耦合供能系统中PVT-DSHP、S-GSHP、S-ASHP、DSHP、GSHP、ASHP、PVT-ASHP潜力值由大到小依次为:0.6603、0.6311、0.5580、0.4741、0.3935、0.3344、0.3085,PVT-DSHP系统是一项最具潜力的多能耦合供能系统,有望成为未来主要能源系统。本文的研究成果可为净零能耗建筑和可再生能源在严寒地区的推广应用提供技术支撑,具有重要的实践意义。

应对气候变化是当今世界以及今后长时期内人类所面临的最严峻挑战。2020年9月22日,中国领导人在第75届联合国大会一般性辩论上提出我国2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和的目标。建筑领域对能源消费的贡献很大,和交通以及工业领域能源和碳排放量不相上下,建筑领域在节能减排方面有很大的潜力。据相关统计,2019年我国碳排放总量约为100亿t CO2,建筑领域碳排放达39.8亿t CO2,建筑领域产生的CO2排放量约占碳排放总量的40%,是CO2排放的主要来源之一。现阶段人民开始追求更加舒适便捷的美好生活,拥有这些美好生活的前提是中国的发展和社会的进步,进步和发展的同时也会带来一些负面影响,以建筑业为例我国建筑能耗和碳排放将在较长时间内保持高排放的特征。因此大力推动建筑行业节能减排,推动零能耗建筑发展对我国实现双碳目标具有重要意义。研究选取严寒地区某净零能耗示范建筑作为案例,开展了净零能耗建筑全生命周期能耗和碳排放核算,明确净零能耗建筑的能耗特征和碳排放特征;采用数值模拟方法,分别选取了建筑保温材料类型、保温材料厚度、窗户类型、窗墙比、供暖空调形式以及建筑寿命等影响因素,开展了建筑全生命周期碳排放影响因素分析;基于不同建筑类型未来发展情况,设置了四种情景,预测了净零能耗建筑的碳减排潜力,明确了净零能耗建筑对减碳的贡献。结果表明:沈阳市年累计耗冷量为34.52 k W·h/m~2,年累计耗热量为28.20k W·h/m~2;净零能耗建筑全生命周期4个阶段碳排放占比分别为51.33%、1.25%、47.3%、0.12%;与其他建筑对比发现,随着建筑节能要求提高,净零能耗建筑建材生产阶段碳排放占比越来越大;净零能耗建筑生命周期碳排放约是普通建筑的1/3,是绿色建筑的1/2左右;通过采用低碳环保材料、保温材料厚度在160～240mm之间、窗墙面积比在0.1～0.2之间、采用太阳能+地源热泵供能方式以及延长建筑使用寿命能够降低建筑全生命周期碳排放;通过情景分析得到在中速情景下,建筑行业碳达峰时间为2030年,峰值为25.73亿吨CO2,预计到2060年绿色建筑和近零能耗建筑占比90%以上。研究成果为建筑行业能耗和碳排放计算提供指导,为我国建筑行业的低碳发展提供理论和政策支撑。

建筑智能化以及节能化发展已成世界上大多数国家的发展趋势。从报告数据来看,在运行阶段中建筑对能源的消耗十分巨大,同时也造成了较为严重的能源浪费。从目前的研究趋势来看,缺少针对近零能耗建筑的,且涉及参数较少、学习成本较低、用时较短的建筑负荷预测方法。而使用物理模型进行负荷模拟则会出现已知因素较少、增加学习成本、计算耗时较长等诸多缺点。为此,本文围绕近零能耗建筑负荷分布规律以及负荷预测模型开展研究工作,以实现近零能耗建筑的智能化运行。本文选取沈阳地区近零能耗建筑研发中心作为基准建筑;改变模型的天气参数,以分析该模型在不同地区的适宜性;模拟不同建筑参数组合（屋面传热系数、外窗传热系数、外窗SHGC与南向窗墙比）下的负荷并对结果进行统计学分析,得到沈阳地区近零能耗建筑负荷变化规律以及供热年耗热量的经验值。使用支持向量机、随机森林以及人工神经网络作为负荷预测模型,选取室外干球温度、室外湿度、总辐射、甜筒散射辐射、直射辐射、当前时刻、前1h的负荷以及前24h的负荷作为输入参数,当前时刻的负荷作为预测参数;使用网格搜索算法对预测模型的超参数进行寻优;选取中德节能示范中心进行为期15天的测试,分析其负荷变化趋势;对负荷进行差分处理,使其变为时间平稳序列;搭建深度学习模型,并使用差分后的负荷对模型进行训练;综合考虑预测精确度与计算时长,探究该模型的最佳结构。对近零能耗建筑研发中心多能源耦合系统进行运行状况模拟;选取对系统运行有影响的参数,使用主成分分析对参数进行降维;搭建深度学习模型,并选取前22小时与当前时刻的室外环境参数、综合温度参数、以及供热季、供冷季和过渡季的标签作为模型的输入参数（共计47个参数）;对比该模型对建筑负荷、系统水泵总功率以及土壤源热泵功率的预测准确度,拓宽模型的使用场景。统计学分析结果表明,地点对近零能耗建筑供热年耗热量的影响程度较大,且沈阳地区供热年耗热量经验值为31.54 k W·h/m~2。在机器学习模型方面,网格搜索可用于优化支持向量机中的超参数,且人工神经网络对供热年耗热量的预测准确度最高。对于供冷年耗冷量,最佳深度学习模型的结构为1层卷积层、6层LSTM以及1层全连接层。系统参数的预测结果显示:深度学习模型对土壤源热泵功率的预测误差最小,其RMSE为0.184;对水泵总功率的预测误差最大,其RMSE为0.334。本文提供了针对近零能耗建筑运行阶段的负荷预测方法,通过负荷预测来降低建筑运行阶段的能耗,实现建筑的柔性用能,最终使建筑能够智能化运行。

我国东北严寒地区面临取暖负荷过大,燃煤负担过重的问题,推进以可再生能源为主的热泵等电取暖政策是解决这一问题的重要手段。地源热泵系统是其中一项应用前景最广的技术,但其受严寒地区建筑冷热负荷差距过大导致的土壤冷堆积等问题的限制在严寒地区应用存在争议。近零能耗建筑由于其高性能的围护结构等技术降低了严寒地区建筑的冷热负荷差距,但仍然难以实现建筑的冷热负荷平衡。应用多种可再生能源技术与地源热泵技术形成复合能源系统为建筑供冷供热,同时结合谷电储能的技术可提高能源系统的经济性可进一步解决这一问题。本文以沈阳某一近零能耗建筑为研究对象,设计了地源热泵谷电储能系统,太阳能复合地源热泵谷电储能系统,通过在TRNSYS软件中建立仿真模型,研究当储能水箱布置于热泵机组源侧、负荷侧和改变储能率时系统的经济性和土壤热平衡情况;并对太阳能复合地源热泵谷电储能系统以土壤热平衡和费用年值为目标来对系统的配置参数和控制参数进行优化,在土壤热平衡的基础上提升系统的经济性;以补热塔蓄热的土壤补热量为评价指标,采用正交实验设计方法,确定各因素对土壤补热量的影响程度并用SPSS进行曲线拟合确定最佳指标。以提升显著影响因素补热塔进水温度,设计了补热塔复合地源热泵串联蓄热系统。并以补热塔能效比为目标优化提升了系统的性能;结合层次分析法和综合指数法建立了复合地源热泵系统的综合评价模型。通过对几种可再生能源系统的研究得出:在地源热泵谷电储能系统中,当储能水箱位于热泵机组源侧,储能率为50%时,可以达到土壤的热平衡,但系统的费用年值比未加储能时的地源热泵系统增加;太阳能复合地源热泵谷电储能系统的最佳系统形式为储能水箱位于热泵机组负荷侧,储能率50%时,其费用年值相对于未储能的地源热泵系统降低13.72%;对提升补热塔蓄热的土壤补热量的影响因素进行了分析,其影响程度排序为湿球温度、补热塔进水温度和风量。结合对影响因素的分析,改进并设计了补热塔复合地源热泵串联蓄热系统,与补热塔复合地源热泵并联蓄热系统相比具有更优的土壤不平衡率和费用年值。对其优化后补热塔能效比提高25.70%,费用年值降低了2.97%;在此基础上,建立了复合地源热泵系统的综合评价模型,得出太阳能复合地源热泵50%负荷侧储能系统的系统综合性能最优。研究结果为严寒地区近零能耗建筑复合能源系统的设计应用和优化起到积极的作用。