本文所讨论的太阳能主动式供暖工程项目位于西藏地区拉萨市，该项目自2002年竣工交付使用以来，建筑内温度一直达不到GB 50736—2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》规定的18 ℃的要求，室内热舒适度不理想，而且能耗很高。本文介绍量化调试在该工程中的应用，以现场实测数据为依据，对系统故障进行诊断，并确定合理经济的优化运行方案。

　　1 太阳能供暖系统基本介绍

　　该供暖工程的热源形式为：太阳能＋空气源热泵＋辅助电加热。供暖末端为热水低温辐射地板。建筑面积为5 880 m2，供暖面积为4 000 m2，房间功能为办公。

　　为提高建筑的室内空气品质，原设计设置了集中新风系统，采用新风换气机集中提供新风。该供暖循环系统供回水温度为45 ℃/40 ℃。供暖系统流程如图1所示。

图1 供暖系统流程

　　经过现场实测发现：北向房间室内温度基本上都低于18 ℃，导致室内过冷；而南向房间的温度在午后往往接近甚至高于25 ℃，导致室内过热、干燥且浪费能源。

　　2 太阳能供暖系统量化调试

　　太阳能供暖系统的实际运行效果，不仅取决于供暖热源、管路系统等硬件设施，而且还与控制系统运行策略紧密相关。因此，在对太阳能供暖系统进行量化调试时，需要分别针对硬件与软件控制系统进行调试。

　　2.1 硬件设施量化调试

　　根据该太阳能供暖系统所存在的问题，主要针对下列硬件系统进行量化调试。

　　2.1.1 循环水系统量化调试

　　循环水系统将热源热量输送到房间。若循环水系统出现故障，则会直接导致热源热量无法正常输送到室内末端，造成室内供暖温度过低。现场实测数据表明该系统诸多房间温度过低。因此，量化调试时，首先对循环水流量进行测试，现场实测循环水流量仅为0.2 L/s，实际流量与设计要求严重不符。

　　经逐一排查，发现与系统循环泵配套的阀门存在堵塞情况。在排除该故障后，测得系统水流量为5 L/s，系统实测流量满足循环水系统设计要求。

　　循环水系统故障排除前测得系统的实际输出负荷为30～40 kW，仅为设计最大输出负荷的10％～15％；优化调试后，测得系统的最大实际输出负荷可达800 kW，满足系统的设计要求。量化调试前后供暖系统的输出热量如图2，3所示。

图2 优化调试前供暖系统的输出热量

图3 优化调试后供暖系统的输出热

　　2.1.2 量化调试前后典型供暖房间实测温度对比

　　量化调试前几个典型房间温度如图4，5所示。调试前，该建筑供暖系统存在下列问题：

　　1）1层北向房间全天室内温度均低于16 ℃，5层北右房间全天室内温度也均低于16 ℃，达不到规范要求的地板辐射供暖室内设计温度的要求。

　　2）测试日内北向各房间的温度远低于南向房间，最大相差近10 ℃，说明该建筑的南北供暖环路失调情况非常严重。

　　3）南向房间的温度波动大（全天温度波动6～10 ℃左右），温度基本失控。

图4 优化调试前1层4个测试房间测试时段内的温度变化

图5 量化调试前5层4个测试房间测试时段内的温度变化

　　量化调试后典型房间温度如图6，7所示。从图6，7可以看出：

图6 优化调试后1层4个测试房间测试时段内的温度变化

图7 优化调试后5层4个测试房间测试时段内的温度变化

　　1）1层、5层各房间全天室内温度均保持在16 ℃以上，满足了规范要求的地板辐射供暖室内设计温度的要求。

　　2）除房间温控器失灵的1层南左房间外，测试日内南、北向各房间的温度差值均保持在5 ℃以内，南北供暖环路失调情况基本上得到了解决。

　　3）南向房间的温度波动明显减弱，全天温度波动维持在5 ℃以内。

　　4）房间温控器失灵时，可引起南向房间午后过热，例如房间温控器失灵的１层南左房间，16：00甚至出现了30 ℃的高温，导致室内的热舒适性较差，且严重浪费能源。

　　2.2 运行控制策略优化

　　该工程采用的热源为：太阳能＋空气源热泵＋辅助电加热。自动控制系统需要合理控制，该供暖系统包括太阳能集热、水箱储热、辅助热源加热及水系统循环4个主要环节，只有实施合理供暖控制系统策略，才能使系统各环节均处于最优化运行状态。

　　2.2.1 供暖系统各热源间的联合运行策略

　　为了测试该供暖系统各热源间的联合运行策略是否合理，选取11月26日的系统运行特性进行分析，该日空气源热泵及电辅助加热器的全天电流值见图8。从图8可见，该供暖系统各热源间的联合运行不合理，主要表现为：在空气源热泵的实际出力未达到最大值时，电辅助加热器就处于开启状态（例如00：00—06：00），导致系统的能耗过大。

图8 11月26日空气源热泵及电辅助加热器的全天电流值

　　该供暖系统的控制策略应重新设置，优先启用太阳能集热系统，其次为空气源热泵，电辅助加热由于能耗最高，应尽量不开启。

　　2.2.2 供暖系统的供热量输出控制策略

　　根据图9的结果，该供暖系统的实际输出负荷与建筑负荷需求情况不一致。12：00—19：00，由于拉萨的太阳辐射值较大且室外温度较高（见图10），此时应为全天建筑负荷需求最小的时段，但从图9中可见，供暖系统的实际输出热量却为全天最大时段。因此导致了午后该建筑南向房间的温度严重超出规范规定值的情况。

图9 11月26日该系统的全天供暖负荷及COP

图10 11月26日室外逐时温度变化

　　同时，整个系统的COP值除12：00—19：00外，均小于1。说明该系统的能耗极高，完全未体现出该系统的节能性。

　　该测试结果表明，该系统控制策略不合理，系统各环节远未达到最优化运行状态，应对系统供热量进行优化控制，使系统实际提供热量与建筑负荷相吻合。

　　2.2.3 太阳能集热系统控制策略

　　为了分析太阳能集热系统的工作状态，选取11月26日的集热系统运行特性为例进行分析。根据图11的测试结果，可以看出：

图11 11月26日全天太阳能系统的供回水温度

　　1）1号、2号太阳能集热系统在夜晚及凌晨时，均存在集热系统的出水温度低于进水温度的情况。此时太阳能集热系统不但不能集热，还将蓄热水箱内的热量散失到大气中（特别是2号水箱，在23：00至次日10：00，将水箱中40 ℃左右的高温水在太阳能集热板中降温到10 ℃左右）。合理的控制策略为：上述情况发生时，应通过自控系统关闭太阳能集热循环水泵。

　　2）太阳能集热系统在有效集热时段（11：00—19：00）进出水温差约为40 ℃（温差过大），说明太阳能集热系统循环水泵的设计流量太小。

　　3）1号太阳能集热系统在有效集热时段（11：00—19：00）内的出水温度约为82 ℃（进水温度约为40 ℃）。此时的集热系统循环水温太高，存在汽化胀破太阳能集热管的风险。结合图8，发现此时空气源热泵仍在工作，持续加热水箱内的循环水，该控制方法非常不合理。

　　2.2.4 供暖系统供回水温度控制

　　供暖热水系统是一个封闭循环管路，具有大惯性、大延迟的特点。仅从末端用户侧进行测试分析，往往可能由于延迟发现不了温度失调的原因及受影响程度。因此，调试人员应从系统供回水温度角度进行测试，以找出造成建筑供热量与热负荷不匹配的原因。

　　该供热系统设计供回水温度为45 ℃/40 ℃，选取11月26日系统运行特性为例进行分析。根据图12的测试结果，供暖系统循环水温及蓄热水箱温度均低于设计值。其中：

图12 11月26日全天供暖系统循环水及蓄热水箱温度

　　1）供暖系统供水温度仅为32～42 ℃，且全天70％的时间低于35 ℃。由于实际供水温度远低于设计值（45 ℃），故在系统供水流量不变时，系统各房间的末端散热设备的散热量均会小于设计值，可导致部分时段房间的温度低于设计值。

　　2）供水温度较高的时段为12：00—18：00，但此时应为全天建筑负荷需求最小的时段，供水温度较高会导致下午南向房间温度过高。

　　3）2个蓄热水箱的温度维持在35～45 ℃，低于设计值（45 ℃）。水箱的水温在12：00后上升明显，可以达到45 ℃，因此水箱的容积不存在过大的情况（水箱过大导致水温上升缓慢）。

　　4）结合图８，该时段内空气源热泵与辅助电加热器基本处于高负荷状态，特别是07：00—12：00，空气源热泵与辅助电加热器处于满负荷工作状态。但是2个蓄热水箱的温度在00：00—12：00时段内，水温基本处于缓慢下降状态，因此应加强水箱的保温以及检修或者调大空气源热泵的实际出力，以满足实际的使用要求。

　　3 结论

　　经过太阳能供热系统优化调试，该供暖系统基本满足了用户的使用需求，达到了如下效果：

　　1）北向房间不热的情况得到了改善。1层、5层各房间全天室内温度均保持在16 ℃以上，满足了规范要求的地板辐射供暖室内设计温度的要求。

　　2）南北供暖环路失调问题基本上得到了解决。除房间温控器失灵的1层南左房间外，测试日内南、北向各房间的温度差值均保持在5 ℃以内。

　　3）控制系统得到了一定程度的改善。南向房间的温度波动明显减弱，各房间的温度达到设计值，且全天温度波动维持在5 ℃以内。

　　4）验证了太阳能控制运行策略的重要性，由于空气源热泵与辅助电加热控制策略不合理，造成系统能耗过高。

　　全文刊登于《暖通空调》2017年第1期

　　作者：

　　西南交通大学 王磊

　　成都栖睿机电设备有限公司 朱长鸣

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