西部綠色建筑國家重點實驗室 西安建筑科技大學 王登甲 劉艷峰

0 引言

西藏高原氣候條件極端嚴酷，冬季寒冷漫長，但是2004年以前未被列入全國集中供暖的范圍，當?shù)刂饕揽總鹘y(tǒng)薪柴、牛糞等自發(fā)供暖方式，環(huán)境污染嚴重，建筑供暖與節(jié)能工作一直處于空白[1]。2004年被納入全國供暖范圍之后，面對常規(guī)能源匱乏、供給困難、生存環(huán)境極其惡劣等實際情況，建筑節(jié)能和生態(tài)環(huán)境保護挑戰(zhàn)極大，尋求適宜的供暖方式成為燃眉之急。

眾所周知，西藏高原地區(qū)太陽能資源極其豐富，且藏區(qū)地域普遍遼闊、住區(qū)相對分散、太陽能收集面積充足，加之當?shù)囟韭L，供暖持續(xù)時間長，太陽能供暖利用率高，是一種適合于西藏高原的供暖方式。近10余年，在清潔供暖、可再生能源發(fā)展利用等能源戰(zhàn)略指引下，在國家和西藏當?shù)卣С窒?，西藏高原太陽能供暖事業(yè)得到了蓬勃發(fā)展，當?shù)厍鍧嵞茉撮_發(fā)利用企業(yè)林立、供暖示范項目遍地開花，為提升西藏高原宜居水平、生態(tài)環(huán)境保護、建設高原“美麗鄉(xiāng)村”起到了助力作用。

但是，太陽能供暖項目在西藏高原地區(qū)全面推進的過程中，也暴露出了一些特殊性問題，例如，太陽能集熱系統(tǒng)易凍裂爆管、工質(zhì)過熱泄漏、輔助熱源投入大、系統(tǒng)運行成本高等，同時在極端高原氣候特征下，低氣壓條件下儀器儀表失效、集蓄熱系統(tǒng)熱損失及效率計算方法發(fā)生變化等，這些特殊的“高原病”問題是造成當?shù)靥柲芄┡到y(tǒng)安全可靠性仍較低、推廣應用難度大等的關鍵所在，本文針對這些問題進行探討。

1 西藏高原極端氣候條件

西藏高原太陽能資源極其豐富，日照時數(shù)長，如圖1所示，拉薩與其他城市相比，月總太陽輻射量大，年總太陽輻射量大于7 000 MJ/m2，日照時數(shù)在3 000 h以上[2]，1月平均最低氣溫為-9.7 ℃，全年平均氣溫為-0.4 ℃，冬季晝夜溫差可達到20～30 ℃。通過典型城市最冷月平均溫度數(shù)據(jù)對比(見表1)可知，拉薩冬季并不像我國華北、東北地區(qū)那么嚴寒，具備利用當?shù)刎S富的太陽能資源來解決冬季供暖問題的先決條件。

圖1 典型城市月總太陽輻射量

表1 典型城市氣壓、含氧量、相對濕度及氣溫

高原地區(qū)常年低壓缺氧、極端干燥，從表1還可看出，拉薩市冬季氣壓約為65 kPa，含氧量為13.5%(150～170 g/m3)，空氣密度為810 g/m3，氣壓和含氧量僅為平原的60%～70%；年均相對濕度約為27%，而冬季極度干燥，相對濕度僅在5%～15%之間。因此，在改善高原建筑室內(nèi)熱環(huán)境的同時，含氧量和濕環(huán)境也應引起高度重視。

2 西藏高原太陽能供暖發(fā)展現(xiàn)狀

近年來，在國家政策與西藏自治區(qū)地方政府政策的大力支持下，高原綠色建筑和建筑節(jié)能獲得了空前的關注和發(fā)展，眾多科研院所、高校、企事業(yè)單位紛紛投入到西藏高原太陽能等清潔能源供暖行業(yè)中，吸引了一些新能源企業(yè)與聯(lián)合研究機構建立了一批具有引領作用的示范項目工程，帶動了西藏高原當?shù)靥柲芄┡惹鍧嵐┡袠I(yè)的發(fā)展。

2.1 太陽能供暖政策支持與項目投入

在國家“十一五”“十二五”時期，西藏大力實施“金太陽科技工程”，太陽能集中供暖面積上萬m2，建立了國家級太陽能利用研究與示范基地；“十三五”時期，西藏自治區(qū)發(fā)改委印發(fā)的《“十三五”時期產(chǎn)業(yè)發(fā)展總體規(guī)劃》中提出大力發(fā)展與節(jié)能環(huán)保相關的重點產(chǎn)業(yè)，廣泛開展以太陽能為主的清潔能源供暖集成、示范與推廣研究，并相繼出臺了系列支持太陽能等清潔能源供暖的政策。在以上政策規(guī)劃的引導下，西藏自治區(qū)住房和城鄉(xiāng)建設廳相繼頒布了西藏自治區(qū)地方標準DB 54/0015—2007《民用建筑采暖設計標準》、DB 54/0016—2007《居住建筑節(jié)能設計標準》、DBJ 540001—2016《西藏自治區(qū)民用建筑節(jié)能設計標準》、DBJ 540002—2016《西藏自治區(qū)民用建筑供暖通風設計標準》、DBJ 540001—2018《西藏自治區(qū)綠色建筑設計標準》[3]、DBJ 540002—2018《西藏自治區(qū)綠色建筑評價標準》[4]等系列地方工程建設標準，對高原地區(qū)太陽能供暖技術應用發(fā)展起到了促進作用。國內(nèi)相關科研院所和高校相繼承擔了“高寒高海拔地區(qū)太陽能集中供暖工程化示范”“西藏太陽能采暖系統(tǒng)研究示范”“藏區(qū)、西北及高原地區(qū)利用可再生能源采暖空調(diào)新技術”等一批國家和自治區(qū)重大項目，進一步明確了西藏高原地區(qū)以太陽能為主的供暖技術路線，提出了針對西藏高原的主被動太陽能供暖全鏈條設計方法，研發(fā)了大尺寸平板集熱器、高效蓄取熱裝置等關鍵技術和產(chǎn)品，為高原地區(qū)太陽能供暖的安全實施、可靠運行奠定了技術和產(chǎn)品儲備。

2.2 太陽能供暖標志性示范工程

目前，針對居民樓、辦公樓、養(yǎng)老院、中小學、服務站等不同類型建筑及用熱需求，在西藏日喀則市定日縣、仲巴縣，山南市浪卡子縣，拉薩市新城區(qū)、曲水縣等建立了一批不同規(guī)模、不同技術形式的低能耗太陽能供暖示范工程(如圖2所示)，為西藏高原太陽能供暖大面積推廣應用開了好頭。這些代表性示范工程既有藏區(qū)鄉(xiāng)村農(nóng)牧戶和單體建筑太陽能熱風供暖項目，也有居住小區(qū)分布式太陽能熱水供暖項目，亦有滿足整個縣城供暖需求的太陽能區(qū)域集中供暖項目。其中，日喀則市定日縣加措鄉(xiāng)“八有”太陽能供暖示范項目、拉薩市才納鄉(xiāng)政府太陽能熱水集中供暖示范工程，以及山南市浪卡子縣、日喀則市仲巴縣2個大規(guī)模太陽能集中供暖示范工程等最為典型。多項標志性示范工程的建成是太陽能供暖技術不斷落地、快速發(fā)展的重要體現(xiàn)，對高原藏牧民冬季宜居環(huán)境提升、當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境保護起到了重要引領示范作用。

圖2 西藏高原典型太陽能供暖示范工程項目

3 西藏高原太陽能供暖模式探討

盡管西藏高原太陽能供暖經(jīng)過了10余年的發(fā)展，目前也建立了系列試驗示范工程，但是，由于行業(yè)和市場的快速推進，仍有部分項目尚未從技術條件、建筑類型開展深入分析，甚至有些建筑尚未做保溫便直接安裝太陽能供暖系統(tǒng)，導致技術成本高、運行維護困難等不適宜問題較突出。

對于西藏高原鄉(xiāng)村地區(qū)供暖而言，雖然太陽能可收集面積充足，但是其整體經(jīng)濟承受能力較低，應在建筑充分保溫的基礎上，發(fā)展低成本被動太陽能利用技術，增設附加陽光間、集熱蓄熱墻等被動部件，在晝間和夜間分別維持一定室內(nèi)溫度，是解決這類地區(qū)建筑供暖的最佳選擇[5-7]。文獻[8]也提出，對于高原藏區(qū)鄉(xiāng)村建筑，在利用被動太陽能技術的基礎上，還可以通過太陽能空氣集熱器集熱，進而將熱風通入空心樓板、內(nèi)墻、地板等圍護構件進行蓄熱，來進一步解決建筑室溫提升和緩解溫度波動問題?？偠灾?，對于西藏高原鄉(xiāng)村建筑，應重點從建筑保溫、被動太陽能利用、圍護構件蓄熱的角度來解決冬季供暖問題。

隨著西藏高原城鎮(zhèn)化進程不斷加快，城鎮(zhèn)建筑已與內(nèi)地無明顯區(qū)別，樓層高、密度大的建筑普遍存在(見圖3)，建筑屋頂和城區(qū)空曠面積已很難滿足太陽能集熱系統(tǒng)的鋪設要求，這些條件決定了高原城鎮(zhèn)難以像鄉(xiāng)村那樣僅依靠被動太陽能技術來滿足冬季熱環(huán)境要求。在這種情形下，借助一些高原城鎮(zhèn)周邊現(xiàn)有不宜農(nóng)牧的空曠場地鋪設太陽能集熱場，建立依靠太陽能、可再生能源電力等的互補熱站，并借助一定規(guī)模和方式的熱蓄調(diào)系統(tǒng)，與政府出資的辦公建筑、福利性住房配套建設，是集中解決高原城鎮(zhèn)供暖問題行之有效的方式，且太陽能集中供暖與分散式相比，還具有集中運行維護管理更方便、安全可靠等優(yōu)勢。

圖3 西藏拉薩高密度城區(qū)建筑群

當然，以太陽能集熱系統(tǒng)來單獨滿足城鎮(zhèn)冬季供暖往往會存在夏季閑置的問題，太陽能光伏系統(tǒng)雖效率偏低但可全年運行，倘若從城鎮(zhèn)用熱、用電兩方面用能綜合考慮，實現(xiàn)光熱光伏聯(lián)合供暖，不僅可提高系統(tǒng)全年太陽能利用效率，還將克服太陽能熱利用夏季閑置過熱等問題，是一種新的思路。

對于青海、西藏等一些擁有區(qū)域供熱管網(wǎng)的城鎮(zhèn)，隨著擴容發(fā)展，原有的燒煤、燃氣鍋爐將不能滿足擴容背景下整體供暖需求，可以考慮擴容部分的供暖負荷由太陽能集熱場來承擔，形成太陽能集熱場與原有鍋爐組合供暖模式。利用原有的城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)系統(tǒng)，僅根據(jù)負荷情況進行水力熱力調(diào)節(jié)即可，在供暖初期和末期負荷較低時，僅由太陽能集熱場供暖，在供暖中期寒冷時段太陽能難以滿足要求時，同時開啟太陽能集熱場與原有鍋爐系統(tǒng)進行高峰聯(lián)合供暖。該組合供暖系統(tǒng)既未新增供熱管道鋪設成本，又可將原有鍋爐作為太陽能供暖輔助熱源，顯著降低成本及煤、燃氣等常規(guī)能源的消耗量。該組合系統(tǒng)的關鍵問題是太陽能集熱系統(tǒng)的容量匹配、原有供熱管網(wǎng)系統(tǒng)運行調(diào)節(jié)等問題，若以上問題得到有效解決，將為青藏高原城鎮(zhèn)供暖提供另一新的技術思路。

4 太陽能供暖“高原病”問題及對策

4.1 太陽能集熱系統(tǒng)凍裂、過熱問題

目前，太陽能集熱系統(tǒng)的容量設計通常以冬季供暖條件為依據(jù)，這使得在其他季節(jié)尤其是夏季常發(fā)生集熱量遠大于用熱量的情況，從而使集蓄熱系統(tǒng)易產(chǎn)生過熱現(xiàn)象(見圖4)，或者要求工質(zhì)排空，亦或對集熱場進行遮擋等問題。

圖4 西藏高原太陽能集熱系統(tǒng)凍裂、過熱

西藏高原冬季室外寒冷，夜間天空溫度極低、長波輻射損失大，位于室外環(huán)境中的太陽能集熱器、管道、閥門附件等低溫凍裂現(xiàn)象時常發(fā)生，在西藏高原特有的低壓環(huán)境條件下，太陽能集熱系統(tǒng)中工質(zhì)的冰點等會發(fā)生變化，進而導致系統(tǒng)的凍結機理、防凍措施應重新考慮。

高原地區(qū)冬季太陽輻射強烈，晝夜熱需求差異大，即使在冬季，太陽能集熱系統(tǒng)在正午前后也常產(chǎn)生過熱問題，并且當?shù)睾０胃?、氣壓低，集熱系統(tǒng)中的工質(zhì)在過熱后極易汽化，進而會使集熱工質(zhì)通過放氣閥間斷性排出，而工質(zhì)蒸汽很難進行回收，導致集熱工質(zhì)的年消耗量增大。太陽能集熱系統(tǒng)過熱汽化是導致系統(tǒng)性能不穩(wěn)定、年成本增大、太陽能熱利用效率降低的原因之一。

因此，有必要對高原地區(qū)太陽能集熱系統(tǒng)的凍結、過熱問題一并考慮，討論西藏高原環(huán)境下太陽能供暖系統(tǒng)的集熱、蓄熱、各用熱子系統(tǒng)的動態(tài)熱量平衡關系，研究集熱工質(zhì)的過熱、結凍極限，確定太陽能集熱系統(tǒng)過熱發(fā)生條件和凍結順序，提出適合于西藏高原地區(qū)太陽能集熱系統(tǒng)的經(jīng)濟有效的防過熱、防凍措施。

4.2 高原集蓄熱損失條件發(fā)生變化

太陽能供暖系統(tǒng)中集蓄熱部件的熱損失是影響系統(tǒng)太陽能利用率的重要因素之一。集蓄熱部件熱損失主要由與外界的長波輻射換熱量和對流換熱量等組成。高原地區(qū)氣壓低、空氣密度小，已有研究表明，低氣壓條件下對流換熱系數(shù)將有所減小。同時，高原空氣稀薄、大氣透明度高，物體向天空的長波輻射換熱量顯著增加，因此，長波輻射熱損失在高原地區(qū)集蓄熱系統(tǒng)中不可忽略。

綜合可見，高海拔地區(qū)，氣壓低、空氣密度小導致對流換熱系數(shù)小，但高原天空晴朗，背景溫度低，輻射損失大，那么與平原地區(qū)相比，高原地區(qū)太陽能集蓄熱系統(tǒng)的熱損失究竟是增大還是減少？這需要根據(jù)高原不同地區(qū)的氣壓大小、長波輻射條件來具體確定，為太陽能供暖集蓄熱系統(tǒng)的精準設計提供方法和結果保障。

4.3 控制不當導致輔助熱源耗量大

太陽能本身具有周期性波動、輻射不連續(xù)等特征，在陰雨天、夜間等時段無法起到供暖的作用，考慮到供暖需求的相對持續(xù)性，兼顧蓄熱系統(tǒng)的蓄調(diào)能力，配備適當?shù)妮o助熱源成為必要?，F(xiàn)有輔助熱源主要有電鍋爐、燃氣燃油鍋爐、各類熱泵等，輔助熱源系統(tǒng)的容量規(guī)模往往按照最不利條件配置。目前，一些太陽能供暖工程“重前期設計、輕后期運維”，結果造成輔助熱源實際投入比例大，甚至占到主導作用，太陽能未發(fā)揮應有的供暖作用，這是導致目前太陽能供暖系統(tǒng)不僅初投資高，而且運行費用居高不下、在清潔供暖中不占優(yōu)勢、難以廣泛推廣應用的原因之一。

引起上述問題最主要的原因是系統(tǒng)控制思路不當、供暖出力順序優(yōu)化不合理。原有太陽能集熱系統(tǒng)用于生活熱水，恒溫控制、溫差控制等方式是合適的，但是對于太陽能供暖系統(tǒng)，不僅涉及到不同熱源的出力先后順序問題，而且還要考慮室內(nèi)溫度允許波動，太陽能供暖控制系統(tǒng)應該采用太陽能出力優(yōu)先、允許室溫一定波動的柔性控制策略，這是太陽能供暖系統(tǒng)控制方向需要研究的重點。

4.4 蓄熱規(guī)律有待明確

蓄熱需求規(guī)律掌握不準確；蓄熱系統(tǒng)主要考慮容量，對于有效取熱部分考慮不足；不掌握蓄熱系統(tǒng)的熱損失隨時間的變化規(guī)律，存在長期(跨季節(jié))蓄熱投資大、蓄熱取熱比過低的風險；短期蓄熱容量過大或過小造成水溫過低或過高，無效蓄熱或蓄熱不足的超溫排空等問題。

蓄熱系統(tǒng)是平衡太陽能供暖系統(tǒng)周期性、波動性的重要措施，是熱量調(diào)配的重要部件。由于強太陽輻射、大溫差及低氣壓等特殊的高原氣候條件，太陽輻射集熱規(guī)律、供暖建筑的負荷特征較平原地區(qū)都有較大差異，因此由太陽輻射集熱規(guī)律和負荷特征雙約束條件下的蓄熱規(guī)律也急需明確?，F(xiàn)有蓄熱系統(tǒng)的規(guī)模設計一般按照經(jīng)驗取值或按典型日內(nèi)蓄熱規(guī)律與蓄熱溫差的計算取值。

目前，太陽能供熱供暖工程蓄熱容積設計大部分按照集熱器面積進行估算，過大或過小的蓄熱容積往往會造成蓄熱系統(tǒng)整體溫度偏低或者極易過熱等問題。因此，蓄熱系統(tǒng)的“大馬拉小車，小馬拉大車”現(xiàn)象是造成太陽能供暖系統(tǒng)設計不合理的又一原因。

從根本上講，蓄熱規(guī)模與規(guī)律是消納太陽能系統(tǒng)波動問題、保證輔助熱源高效介入的前提，其次可考慮通過強化蓄熱分層、顯熱潛熱組合等方式進一步提高太陽能蓄熱和取熱效率。

4.5 系統(tǒng)運行維護管理是重中之重

出于各種原因，太陽能供暖實際工程多關心前期設計與快速施工建設，而對系統(tǒng)安裝成功正常運行之后的運行維護管理缺乏，導致第2年、第3年系統(tǒng)出現(xiàn)故障損壞、閑置率高等問題普遍存在，而這些易損、易壞、閑置的太陽能供暖系統(tǒng)多發(fā)生在單戶、獨棟、分布式小型太陽能供暖系統(tǒng)中。因此，從系統(tǒng)運行安全性、可靠性角度考慮，統(tǒng)一維護、專人管理的太陽能集中式供熱系統(tǒng)具有明顯優(yōu)勢。

總體而言，被動太陽能技術由于其簡便易行、便于維護，適合于在區(qū)域分散、單戶或獨棟的低層建筑中應用，還可輔助一定的儲熱技術來實現(xiàn)更佳的效果，甚至可以考慮利用太陽能熱風集熱系統(tǒng)來滿足房間的整體供暖需求。但是，對于太陽能熱水供暖系統(tǒng)，應考慮適當集中應用，便于運行維護與管理。當然，如在單戶、獨棟、分布式小型系統(tǒng)中應用太陽能熱水供暖系統(tǒng)，就必須配備簡單易操作的控制模式、安全可靠的系統(tǒng)形式及設備附件，便于用戶管理與維護。

5 結語

西藏高原太陽能資源極其豐富，是我國最適宜利用太陽能供暖的地區(qū)，具備率先實現(xiàn)建筑全可再生能源供暖運行的先決條件。目前，太陽能供暖工程在西藏高原如雨后春筍般涌現(xiàn)，但同時也暴露出了一些特殊問題，給太陽能供暖進一步推廣應用提出了新挑戰(zhàn)。

總體而言，利用低成本建筑保溫、被動太陽能利用技術是首要選擇，當保溫與被動技術難以滿足建筑供暖需求時，可進一步利用主動式太陽能系統(tǒng)來補充，隨之需要克服的便是設備系統(tǒng)在極端環(huán)境下面臨的系列“高原病”問題。只有如此，才能實現(xiàn)太陽能供暖在西藏高原地區(qū)大面積應用，從根本上解決西藏高原地區(qū)建筑環(huán)境宜居問題。