趙斌，盧大為，劉維安，王鵬，高峰

（1.華北理工大學冶金與能源學院，河北唐山063210；2.長沙理工大學能源與動力工程學院，長沙410114；3.西藏日出東方阿康清潔能源有限公司，拉薩850000）

0 引言

隨著煤炭、天然氣等化石能源的大量消耗和使用，城鎮(zhèn)空氣質(zhì)量每況愈下，尤其是在供暖季節(jié)我國北方大氣污染形勢嚴峻，燃煤供暖鍋爐也加劇了溫室效應［1］。因此清潔能源供暖替代技術(shù)應運而生。我國近年不斷推進能源轉(zhuǎn)型變革，以能源低碳化為方向，以高比例可再生能源為特征，逐步代替污染嚴重、供應緊張的傳統(tǒng)化石能源，構(gòu)建清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代能源體系［2-4］。西藏地區(qū)可再生資源豐富，其中地熱和太陽能資源居全國首位，已成為國家能源發(fā)展戰(zhàn)略上的關注重點［5］。

西藏位于我國青藏高原西南部，由于冬季時間長、晝夜溫差大等特征，其冬季供暖問題亟待解決。西藏生態(tài)歷來脆弱，常規(guī)供暖方式將加劇生態(tài)破壞，故清潔供暖是西藏供暖的主攻方向。在清潔供暖資源中，西藏太陽能資源豐富，選擇太陽能供暖既可就地利用當?shù)乜稍偕Y源，又可保護當?shù)卮嗳醯纳鷳B(tài)。

綜合考慮西藏當?shù)氐馁Y源特點、氣候特征、公共和民用建筑的供暖需求，選用配置高效的大型平板集熱器和儲熱裝置的太陽能供暖技術(shù)，可有效地解決西藏大部分地區(qū)的供暖難題。

1 西藏地區(qū)太陽能供暖

1.1 供暖現(xiàn)狀

西藏素有“世界屋脊”之稱，全區(qū)的平均海拔在4 000 m以上，屬于高寒缺氧艱苦地區(qū)，空氣稀薄、含氧量僅為內(nèi)地的60%。氣壓低、輻射強等，對人體健康影響較大，西藏人均壽命70.6 歲，遠低于我國人均77 歲的壽命［6］。西藏冬季平均氣溫-4.3 ℃，采暖周期長，目前農(nóng)牧民多采用燒牛糞的古老方法解決冬季采暖問題。這種采暖方式不僅采暖效果差，且破壞當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境［7］。阿里等邊遠地區(qū)供電可靠性差，給供暖技術(shù)的應用又增加了難度。目前西藏缺乏有效的供暖方式，尚未形成安全可靠、技術(shù)可行、經(jīng)濟合理的清潔供熱技術(shù)路線。而如何解決農(nóng)牧民的清潔供熱、熱水洗浴等民生問題，是西藏當前乃至今后科技攻關的重要工作。

由于西藏地理位置偏僻和歷史傳承，公共建筑大多無供暖設施，僅僅在拉薩市城區(qū)及部分公共和民用建筑有條件使用液化天然氣采暖。在經(jīng)濟較為發(fā)達的其他地市，公共建筑和部分民用建筑供暖大多依靠電暖器來提供熱量，室溫和室內(nèi)舒適性遠不能達到日常生活需求。部分學校的教室、宿舍、醫(yī)院等公共建筑向陽側(cè)雖加裝了玻璃陽光房來提高室溫，但由于晝夜溫差大，清晨、日暮時室內(nèi)環(huán)境溫度仍然很低，舒適性極差。

1.2 資源特征

我國太陽能儲量極其豐富，陸地表面每年接受太陽輻射能約為50×1018kJ，2/3 地區(qū)的年均總輻射大于5 020 MJ/m2，年日照時數(shù)在2 200 h以上［8］。

根據(jù)接受太陽輻照度的差異，我國大致可以分為五類地區(qū)，見表1［9］。其中，西藏是全國太陽能資源最豐富的地區(qū)，該地區(qū)年均日照小時數(shù)在3 000 h以上，全年總輻射量大，冬季采暖期太陽能輻照度更大，這與其他地區(qū)顯著不同。

表1 太陽能資源分布Tab.1 Distribution of solar energy resources

1.3 氣候條件

西藏地處高寒高海拔地區(qū)，氣壓低，屬于我國建筑熱工分區(qū)的嚴寒和寒冷地區(qū)。2019 年西藏年平均氣溫僅為5.2 ℃，并且部分地區(qū)晝夜溫差可達20 ℃以上，由于空氣稀薄，西藏的光照時間長且太陽輻射強，冬季采暖期晴天居多。

1.4 太陽能供暖技術(shù)

近年來在全球能源體系中太陽能地位越來越重要，目前太陽能利用主要指太陽能熱利用和光伏發(fā)電［10-11］。太陽能熱利用技術(shù)應用范圍非常廣泛，包括建筑用太陽能供暖、太陽能熱水供應、太陽能熱發(fā)電、工農(nóng)業(yè)應用等，具有清潔無污染、運營成本低廉等優(yōu)點。本文主要討論建筑用太陽能供暖技術(shù)，簡稱為太陽能供暖。

國際上，歐美等地區(qū)在太陽能供熱應用上已有幾十年的發(fā)展，德國是較早利用太陽能采暖技術(shù)的國家，太陽能供暖技術(shù)在供熱領域得到廣泛的應用。近年來，在我國政府的扶持下，太陽能供暖在建筑中的應用比較廣泛。

太陽能供暖有分散供暖和集中供暖2 種方式。其中集中供暖一般由集熱場、蓄熱裝置、換熱站（即泵房）、輔助熱源和管網(wǎng)、末端等組成。集中供暖系統(tǒng)通過集熱器陣列高效吸收太陽能，根據(jù)太陽能輻照情況自動調(diào)節(jié)循環(huán)泵并穩(wěn)定輸出熱量，隨后通過板式換熱器與二次網(wǎng)進行換熱，最后通過末端管網(wǎng)系統(tǒng)將熱量送到熱用戶［12-13］。白天，集熱器富余的熱量將儲存到蓄熱設備中，夜晚由蓄熱設備釋放熱量為熱用戶供暖［14］，當儲熱不足時，由輔助熱源為系統(tǒng)輸入外加熱量。另外，系統(tǒng)可根據(jù)室外溫度調(diào)節(jié)供水溫度，保證室內(nèi)溫度達到設計要求。

在西藏人口居住相對集中的城鎮(zhèn)，相較于分布式供熱，太陽能集中供暖技術(shù)具有運維成本較低、運行穩(wěn)定可靠等優(yōu)點。

2 集中供熱系統(tǒng)主要設備

2.1 太陽能集熱器

太陽能集熱器是太陽能供暖系統(tǒng)中最關鍵的集熱設備，其性能好壞直接影響供暖系統(tǒng)的性能。太陽能集熱器主要有真空管、平板和槽式3種，各集熱器性能對比見表2。

西藏地區(qū)采暖周期長，環(huán)境溫度低，應選用冬季集熱性能較好的集熱器。全玻璃真空管型集熱器，遇到雨雪、風沙等惡劣天氣時，玻璃管易破碎，引起系統(tǒng)工質(zhì)泄漏，不適用于大規(guī)模的強制循環(huán)系統(tǒng)中；自動跟蹤太陽的槽式集熱器具有較高的熱效率，占地面積小，但系統(tǒng)較為復雜，運維技術(shù)要求高［15］；平板集熱器承壓性能好，運行安全，熱性能好，運行維護方便。因此，在西藏地區(qū)推薦選用安全可靠、性能較佳的平板型太陽集熱器。

表2 3種集熱器性能對比Tab.2 Performance of three kinds of solar collectors

2.2 蓄熱裝置

考慮太陽能的隨機性、間歇性等特征，供熱系統(tǒng)通常配置儲熱裝置。目前，太陽能供暖系統(tǒng)蓄熱方式主要有儲熱水箱、地下水池、土壤埋管和相變材料等?？紤]到供暖規(guī)模和成本，大型供暖系統(tǒng)蓄熱裝置主要有蓄熱水池和鋼制儲水罐2種。

（1）蓄熱水池。水池設計可根據(jù)地域具體情況靈活調(diào)控。為減少土方開挖工作量和節(jié)約挖出土方外運及運輸成本，可將挖出的部分土方堆放在水池周邊作為堤壩，通常水池形狀為倒四棱臺型結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 水池結(jié)構(gòu)剖面Fig.1 Section of the pool

水池邊上的坡度選擇尤為重要，大坡度可以節(jié)省水池占地面積，但施工難度也隨之增加，同時存在水池周邊塌方等缺點；若坡度選擇過小，雖便于施工，不容易出現(xiàn)塌方現(xiàn)象，但會增加很大的占地面積。水池底部和側(cè)面都是由土工膜覆蓋，防止水的流失；不采取保溫措施，在初期使用水池的時候會有一定的熱量損失，在周邊土壤被水池加熱后，維持熱量平衡，熱損也隨之減小，一般不超過20%；水池頂部是由一個浮動的蓋子組成，這個蓋子上下部位都是土工膜，中間添加保溫材料；因水池體積較大，蓄熱水分層明顯，上部溫度高，底部溫度低。

（2）鋼制儲水罐。鋼制儲水罐具有施工簡便、快捷，不受氣候、地形影響；結(jié)構(gòu)安全，可以抵抗7級地震烈度，8級風載等特點。鋼制儲水罐外觀如圖2所示。通常在鋼制儲水罐中裝設布水器，以均勻布水，防止水與熱水直接發(fā)生混合，提高蓄能效率。

圖2 鋼制儲水罐外觀Fig.2 Appearance of the steel water tank

3 大型太陽能集中供暖示范工程

3.1 系統(tǒng)集成

3.1.1 浪卡子縣太陽能集中供暖項目

浪卡子縣隸屬于西藏自治區(qū)山南市，地理坐標北緯28.77°～29.18°，東經(jīng)90.37°～91.08°。地處西藏南部的喜馬拉雅山中段北麓，與不丹王國接壤，位于山南市西南部，縣城海拔約4 500 m。在浪卡子縣太陽能供暖項目建設之前，大型太陽能供暖系統(tǒng)在西藏尚未有成功應用的案例。

該項目集聚國內(nèi)外太陽能集中供暖的先進技術(shù)和經(jīng)驗，采用太陽能平板集熱器+跨季節(jié)儲熱水池+電鍋爐輔助供暖的技術(shù)方案，驗證了太陽能供暖系統(tǒng)運行的可靠性和實用性，為解決西藏城鎮(zhèn)供暖問題提供了參考。

該工程采用國際先進的高效大型平板太陽能集熱器，單塊平板集熱器輪廓面積15 m2，采光面積13.75 m2，集熱器朝正南方向放置，安裝傾角40°。該產(chǎn)品熱性能經(jīng)國家太陽能質(zhì)檢中心（北京）檢測（效率截距為0.85，一階熱損系數(shù)為3.5），已達到國際先進水平。系統(tǒng)選用大型蓄水池，引進北歐設計技術(shù)，大型蓄水池選擇設計坡度為26°。為了高效利用水池熱量、提高集熱系統(tǒng)效率，水池進行了分層設計，根據(jù)水池高度分為高溫區(qū)、中溫區(qū)和低溫區(qū)。選擇1.5 MW 電鍋爐2 臺，作為系統(tǒng)備用熱源。

由于縣城各建筑圍護結(jié)構(gòu)多樣化，結(jié)合實際情況，采用分類法將建筑分為居建/公建、保溫/非保溫四類，分別選取典型采暖熱指標計算供暖設計熱負荷。浪卡子縣太陽能集中供暖系統(tǒng)基礎數(shù)據(jù)和主要技術(shù)參數(shù)見表3—4。

3.1.2 仲巴縣太陽能集中供暖項目

仲巴縣隸屬于西藏自治區(qū)日喀則市，地理坐標北緯29.15°～31.80°，東經(jīng)82.00°～84.76°。位于日喀則市最西端，喜馬拉雅山以北，縣城海拔約4 700 m。在浪卡子縣太陽能集中供暖示范工程成功運行的基礎上，仲巴縣太陽能集中供熱系統(tǒng)采用太陽能平板集熱器+鋼罐儲熱+燃油鍋爐輔助供暖的技術(shù)方案，大部分產(chǎn)品實現(xiàn)了國產(chǎn)化。

該項目采用與浪卡子縣供暖系統(tǒng)同型號的高效大型平板太陽能集熱器。系統(tǒng)選用鋼制水罐，按太陽能短期蓄熱供熱采暖設計，考慮到管網(wǎng)系統(tǒng)定壓，鋼罐水位高度按照24.00 m 設計。經(jīng)計算，罐體內(nèi)直徑28.50 m，總高30.58 m，其中罐體直筒部分高27.10 m，拱形頂蓋高3.48 m。鋼罐材質(zhì)選用Q235B 和Q345R，鋼罐保溫采用玻璃棉，厚度200～300 mm。選擇1.4 MW 燃油鍋爐2 臺，作為系統(tǒng)備用熱源。仲巴縣太陽能集中供暖系統(tǒng)集成數(shù)據(jù)和主要技術(shù)參數(shù)見表3—4.

表3 太陽能集中供暖系統(tǒng)基礎數(shù)據(jù)Tab.3 Basic data for solar central heating system

表4 太陽能集中供暖系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)Tab.4 Main technical parameters of the solar central heating system

3.2 項目建設

浪卡子縣太陽能集中供暖系統(tǒng)如圖3 所示，項目于2018 年5 月開工建設，2018 年11 月底投入使用，建設工期6個月。迄今為止，該項目采暖能源全部來自太陽能，太陽能保證率達100%，系統(tǒng)運行安全可靠，按供暖建筑面積計算，年供暖運行維護費用約20 元/m2，經(jīng)濟技術(shù)指標達到了設計要求。該項目是世界上首個在4 500 m 高海拔地區(qū)成功應用的大型太陽能供暖示范工程。

圖3 浪卡子縣太陽能集中供暖系統(tǒng)Fig.3 Solar central heating system in Nagarzê County

仲巴縣太陽能集中供暖系統(tǒng)如圖4 所示，該項目配備了200 kW 的光伏電站。項目于2019 年5 月開工建設，當年11 月底投入使用，建設工期僅6 個月。調(diào)試階段從2019 年11 月供暖到2020 年5 月，太陽能保證率達95%，實現(xiàn)了供暖季運行安全可靠，經(jīng)濟技術(shù)指標達到了設計要求。

圖4 仲巴縣太陽能集中供暖系統(tǒng)Fig.4 Solar central heating system in Zhongba County

4 結(jié)論

（1）西藏地處高寒高海拔地區(qū)，太陽能資源極為豐富，且具有氣候干燥寒冷、生態(tài)環(huán)境脆弱、冬季采暖時間長、晝夜溫差大等特點。因此選用太陽能供暖技術(shù)是西藏大部分地區(qū)最佳供暖方式。

（2）根據(jù)西藏供暖熱用戶當?shù)貧夂蛱卣鳌⒐埠兔裼媒ㄖ慕ㄖ攸c，通過產(chǎn)品和技術(shù)創(chuàng)新，研發(fā)出適用于高寒高海拔地區(qū)的大型太陽能集中儲熱供暖系統(tǒng)。

（3）在山南浪卡子縣和日喀則仲巴縣進行了大型太陽能集中儲熱供暖示范工程驗證。供暖季實踐表明：太陽能供暖在技術(shù)上先進可靠、在經(jīng)濟上有競爭力，較好地解決了西藏城鎮(zhèn)對清潔能源供暖需求。