综述：建筑能源与地热系统协同仿真研究综述

本文系统回顾了建筑能源与地热系统协同仿真（Co-simulation）的研究进展，涵盖了建模技术、耦合方法、软件工具及应用案例。文章指出，协同仿真通过动态耦合建筑能耗模型与地下传热模型，能显著提升地源热泵（GSHP）、埋管地热交换器（BHE）及地下蓄能（BTES/ATES）等系统设计的可靠性，实现能效优化与热舒适保障。尽管TRNSYS等单一软件应用广泛，但高保真物理模型耦合仍面临计算效率与精度平衡的挑战。未来研究需聚焦软件耦合框架优化、模型验证及多目标系统设计。

　　

引言

建筑领域是全球能源消耗与碳排放的重要来源，推动清洁能源技术应用是实现碳中和目标的关键。地热能作为稳定可靠的可再生能源，尤其通过地源热泵（GSHP）系统在建筑供热制冷中展现巨大潜力。协同仿真技术通过整合建筑能源模型与地热系统模型，为系统优化设计、能效评估及热舒适保障提供了全面分析工具。本文综述了该领域的关键物理模型、耦合方法、软件工具及前沿应用，并展望未来研究方向。

建筑能源与浅层地热系统建模物理基础

建筑能源模型涵盖围护结构热平衡、内部得热及外部负荷计算，遵循ISO 13790等国际标准。地热系统建模涉及地下多孔介质中的导热、地下水对流及机械弥散等过程，控制方程包括热传输方程与达西定律描述的流体流动方程。地源热泵性能以制热性能系数（COP）为核心指标，其模型可分为恒定值、回归拟合、热力学机理及机器学习四类，各具适用场景与精度特点。

协同仿真方法与软件工具

协同仿真可分为独立仿真、单一软件协同及多软件耦合三类。弱耦合通过离散变量交换实现，需考虑数据传递方式（如文件交换、网络通信、嵌入式接口）与同步策略（并行/顺序/迭代）。主流建筑能源模拟软件（如TRNSYS、EnergyPlus、Modelica）均内置简化地热模块，但多限于BHE系统。地下数值模拟工具（如COMSOL、FEFLOW、OGS）则支持高保真热-流-力-化多场耦合，二者通过功能 mock-up 单元（FMU）或自定义接口（如TCP/IP）实现联动。

研究进展与模型应用现状

全球141项协同仿真研究中，65%聚焦BHE系统，BTES（19%）、ATES（3%）及能源桩（EP，2%）应用较少。80%案例针对居住与公共建筑，73%为供热制冷一体化系统。协同仿真揭示地热系统平均COP为4±1，投资回收期14±9年，CO₂减排达40%±27%。研究趋势从早期可行性分析转向高保真物理耦合与混合能源系统优化，但模型验证率不足10%，且多集中于整体系统校准，缺乏分步验证。

协同仿真的挑战与展望

当前挑战集中于软件耦合的计算效率与传输误差（可达26%），以及高保真模型验证的缺失。未来需突破三方面瓶颈：一是扩展Modelica等平台对ATES、EP等系统的建模能力；二是开发优化耦合算法以平衡精度与速度；三是建立从地下到建筑的全链条验证标准。通过平台化设计框架整合协同仿真与多目标优化，将推动地热技术在建筑能源转型中的精准应用。

结论

协同仿真为建筑-地热系统集成提供了跨尺度分析手段，但其成熟度仍受限于模型简化与耦合复杂度。通过融合高保真地下模型、强化验证流程、创新优化框架，该技术有望成为地热系统精细化设计与动态调控的核心支撑，助力建筑领域低碳转型。