高原高寒地區(qū)太陽(yáng)能供暖儲(chǔ)熱適用技術(shù)分析*

劉維安 倉(cāng)啦 趙斌 袁喜鵬 董昭鋒 王鵬 旦增卓嘎 呂玥

（1.長(zhǎng)沙理工大學(xué)，湖南 長(zhǎng)沙 410114；2.西藏自治區(qū)能源研究示范中心，西藏 拉薩 850000）

西藏地處高原高寒地區(qū)，全年氣溫低、降水量少，生態(tài)極其脆弱，是我國(guó)重要的生態(tài)安全屏障［1-2］。隨著全球溫室效應(yīng)加劇，西藏生態(tài)環(huán)境對(duì)氣候變化的響應(yīng)更加敏感［3］。目前，西藏全境僅有拉薩等地的公用建筑冬季可采用燃?xì)獠膳碗姴膳?，部分太?yáng)能供暖示范項(xiàng)目也在建設(shè)中，而大部分居住分散的農(nóng)村居民還在延用燃燒牛糞等取暖方式。由于當(dāng)?shù)氐暮趿康汀⒔ㄖo(hù)結(jié)構(gòu)差等原因，燃燒牛糞的采暖方式不僅效率低下，且對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境造成了一定的負(fù)面影響。然而，西藏地區(qū)作為我國(guó)太陽(yáng)能資源最為豐富地區(qū)之一，太陽(yáng)年總輻射量普遍在6500 MJ/(m2·a)，甚至個(gè)別區(qū)域高達(dá)8500 MJ/(m2·a)以上。因此，在西藏地區(qū)實(shí)施太陽(yáng)能供暖可以作為實(shí)現(xiàn)高原高寒地區(qū)清潔能源供熱的新途徑。該技術(shù)的應(yīng)用不僅可改善民生，而且可減少因消耗化石能源而產(chǎn)生的污染物，從而保護(hù)生態(tài)環(huán)境。

本文從分析太陽(yáng)能供暖儲(chǔ)熱技術(shù)入手，概述了相關(guān)學(xué)者在高原高寒地區(qū)開(kāi)展的太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)的研究，提出了適用于高原高寒地區(qū)的集中式、分布式和戶用太陽(yáng)能供暖技術(shù)選擇方法。最后通過(guò)高原高寒地區(qū)太陽(yáng)能供暖示范項(xiàng)目，驗(yàn)證了此技術(shù)的適用性、先進(jìn)性和安全性。

1 太陽(yáng)能供暖儲(chǔ)熱技術(shù)

1.1 太陽(yáng)能供暖技術(shù)

太陽(yáng)能供暖根據(jù)是否使用機(jī)械設(shè)備可分為太陽(yáng)能主動(dòng)式和太陽(yáng)能被動(dòng)式兩種供暖方式［4］。目前的太陽(yáng)能供暖技術(shù)集供暖和儲(chǔ)熱為一體，具有很好的可靠性和調(diào)節(jié)特性。

1.1.1 太陽(yáng)能主動(dòng)式供暖。太陽(yáng)能主動(dòng)式供暖通過(guò)集熱系統(tǒng)收集太陽(yáng)輻射能。為了保證穩(wěn)定供熱，通常搭配輔助熱源進(jìn)行調(diào)節(jié)，并將多余集熱量存儲(chǔ)在儲(chǔ)熱裝置中，如圖1 所示。主動(dòng)式供暖根據(jù)供暖規(guī)?？煞譃閰^(qū)域式供暖和戶用供暖。區(qū)域式太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)主要包括集中式與分布式兩種。其中集中式為配有大規(guī)模集熱、儲(chǔ)熱設(shè)施以及供熱網(wǎng)絡(luò)的大型太陽(yáng)能區(qū)域供熱系統(tǒng)，如西藏仲巴縣與浪卡子縣的太陽(yáng)能集中供暖系統(tǒng)，其供暖面積分別達(dá)到了103500m2與89000m2。分布式一般用于居住分散的地區(qū)或單體建筑，如西藏能源研究示范中心辦公樓所采用的帶補(bǔ)燃的太陽(yáng)能分布式供暖系統(tǒng)［5］，供暖面積達(dá)1000 m2。戶式靈活性強(qiáng)、規(guī)模小，供暖和供生活熱水一體化。

1.1.2 太陽(yáng)能被動(dòng)式供暖。太陽(yáng)能被動(dòng)式供暖不使用機(jī)械設(shè)備，通過(guò)合理布置建筑朝向與空間［6］、選擇合適的圍護(hù)結(jié)構(gòu)與建材（窗、墻等），在冬季實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)能的收集、儲(chǔ)存和分配；在夏季對(duì)太陽(yáng)輻射起遮蔽作用。太陽(yáng)能被動(dòng)式供暖包括附加陽(yáng)光間、集熱蓄熱墻、蓄熱屋頂?shù)葮?gòu)造，以及對(duì)流環(huán)路式、集中受益式等技術(shù)。附加陽(yáng)光間作為常見(jiàn)的太陽(yáng)能被動(dòng)式供暖方式，既可以給房屋主體提供熱量，也能作為緩沖區(qū)延緩房屋主體室溫降低。圖2、圖3 分別為多層建筑與單層建筑的附加陽(yáng)光間示意圖。

1.2 儲(chǔ)熱技術(shù)

儲(chǔ)熱在太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)中負(fù)責(zé)收集富余的太陽(yáng)能，以彌補(bǔ)太陽(yáng)能存在的波動(dòng)性、間歇性等缺點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)連續(xù)供暖的主要方法。根據(jù)儲(chǔ)熱介質(zhì)的物性變化，儲(chǔ)熱包括顯熱儲(chǔ)熱、潛熱儲(chǔ)熱和化學(xué)儲(chǔ)熱三種技術(shù)。

1.2.1 顯熱儲(chǔ)熱成本低、技術(shù)最成熟，發(fā)展最早。其中熱水儲(chǔ)熱有良好的保溫措施，儲(chǔ)熱密度相比于土壤、礫石等材料更高并且可提供較好的溫度分層［7］，目前在我國(guó)太陽(yáng)能熱水器、跨季節(jié)儲(chǔ)熱系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。含水層儲(chǔ)熱、土壤儲(chǔ)熱等將自然環(huán)境作為儲(chǔ)熱體，儲(chǔ)熱密度低且對(duì)水文地理要求較高，施工前需要進(jìn)行地質(zhì)探測(cè)，以了解土壤的熱物性等參數(shù)。

1.2.2 潛熱儲(chǔ)熱因其溫度變化小、儲(chǔ)能密度高等特點(diǎn)成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。但相變材料導(dǎo)熱性能差、易發(fā)生過(guò)冷現(xiàn)象，而且相變儲(chǔ)熱系統(tǒng)較復(fù)雜、投資較高［8］，目前主要從強(qiáng)化傳熱、提升相變儲(chǔ)熱裝置效率、制造高性能相變材料等方向開(kāi)展研究。

1.2.3 化學(xué)儲(chǔ)熱通過(guò)可逆化學(xué)反應(yīng)儲(chǔ)存或釋放熱量，可分為濃度差熱儲(chǔ)存、化學(xué)吸附熱儲(chǔ)存以及化學(xué)反應(yīng)熱儲(chǔ)存三類?；瘜W(xué)儲(chǔ)熱熱密度高，能夠?qū)崿F(xiàn)在接近環(huán)境溫度下長(zhǎng)期無(wú)熱損儲(chǔ)熱。但化學(xué)儲(chǔ)熱對(duì)儲(chǔ)熱裝置要求高、設(shè)備復(fù)雜、投資較高、整體效率較低，有些反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)特性目前尚不完全清楚［9-10］，目前主要還處于試驗(yàn)探索階段。三種儲(chǔ)熱技術(shù)在儲(chǔ)熱密度、熱容量、設(shè)備要求、穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性等方面各有其特點(diǎn)，詳見(jiàn)表1。

表1 不同儲(chǔ)熱技術(shù)特性對(duì)比

儲(chǔ)熱技術(shù)根據(jù)儲(chǔ)熱周期長(zhǎng)短又可分為短期儲(chǔ)熱和長(zhǎng)期儲(chǔ)熱。短期儲(chǔ)熱收集白天、晴天富余熱量，以滿足夜間、陰天的用戶熱需求。長(zhǎng)期儲(chǔ)熱（也稱跨季節(jié)儲(chǔ)熱）存儲(chǔ)非供暖季富余的太陽(yáng)能以滿足供暖季熱需求?？缂竟?jié)儲(chǔ)熱可將太陽(yáng)能保證率提高至40%以上［11］。短期儲(chǔ)熱與長(zhǎng)期儲(chǔ)熱的特性對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 短期儲(chǔ)熱與長(zhǎng)期儲(chǔ)熱特性對(duì)比

目前，太陽(yáng)能供暖項(xiàng)目設(shè)計(jì)通常都配置儲(chǔ)熱裝置，以提高太陽(yáng)能保證率。儲(chǔ)熱技術(shù)的選擇包括確定儲(chǔ)熱方式與儲(chǔ)熱周期，具體情況要綜合供暖需求、熱源特性、成本以及當(dāng)?shù)丨h(huán)境等方面考量。

2 太陽(yáng)能供暖儲(chǔ)熱技術(shù)選擇

2.1 太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)

作為靈活性極強(qiáng)的清潔供暖技術(shù)，太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)在太陽(yáng)能資源豐富地區(qū)可作為主要采暖方式，通過(guò)匹配熱泵、地?zé)崮?、生物質(zhì)能、電能等多種輔助熱源實(shí)現(xiàn)“太陽(yáng)能+”供暖模式，也可在太陽(yáng)能資源欠豐富地區(qū)作為輔助熱源配合電取暖。典型的太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)如圖1、圖4 和圖5 所示。圖4 為高層建筑應(yīng)用較為廣泛的集中集熱、分戶輔熱及儲(chǔ)熱式太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)在屋頂集中設(shè)置太陽(yáng)能集熱器收集太陽(yáng)能，并通過(guò)供熱管網(wǎng)加熱分布在每戶的小型儲(chǔ)熱水箱，每戶家庭還額外配備輔助熱源以備不時(shí)之需，該系統(tǒng)使整棟建筑共享集熱器，充分提高了太陽(yáng)能利用率，適用于高原高寒地區(qū)人口集中的居民建筑和公共建筑。

圖5 為適用于農(nóng)村單體建筑的太陽(yáng)能空氣式采暖系統(tǒng)。該系統(tǒng)構(gòu)造簡(jiǎn)單，利用空氣供暖，避免了冬季管道凍結(jié)，可同時(shí)保障農(nóng)村家庭的采暖與熱水供應(yīng)。

高原高寒地區(qū)不同于我國(guó)北方平原，當(dāng)?shù)爻Ｄ旰涓稍铩円箿夭畲螅?2］，西藏阿里、那曲等地區(qū)全年僅有三個(gè)月能超過(guò)10℃［13］，且當(dāng)?shù)厝鄙倜禾俊⑻烊粴獾葌鹘y(tǒng)能源。依據(jù)高原高寒地區(qū)氣象和資源條件，關(guān)于太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)參數(shù)匹配（集熱面積/儲(chǔ)熱容積、集熱面積/供暖面積）、結(jié)構(gòu)特性、運(yùn)行策略，穩(wěn)定性與可調(diào)節(jié)特性相關(guān)文獻(xiàn)匯總?cè)绫?所示。

表3 高原高寒地區(qū)太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)研究

2.2 太陽(yáng)能儲(chǔ)熱裝置

目前，大型太陽(yáng)能儲(chǔ)熱系統(tǒng)一般為儲(chǔ)熱水池、鋼制儲(chǔ)水罐以及地埋管等，小型太陽(yáng)能儲(chǔ)熱系統(tǒng)主要為水箱儲(chǔ)熱和相變儲(chǔ)熱裝置。各種儲(chǔ)熱裝置特點(diǎn)如下：

2.2.1 儲(chǔ)熱水池。儲(chǔ)熱水池單位體積成本低，儲(chǔ)熱體積一般在50000～500000m3，適合大規(guī)?？缂竟?jié)儲(chǔ)熱。水池形狀以倒四棱臺(tái)型結(jié)構(gòu)為主，上面為絕熱蓋板，如圖6 所示。水池邊上的坡度選擇尤為重要，大坡度可以節(jié)省占地面積，但施工難度增大且有塌方危險(xiǎn)；小坡度便于施工，但會(huì)增加占地面積。水池在運(yùn)行初期會(huì)有一定的熱損，當(dāng)周圍土壤加熱后，熱損也隨之減小，一般不超過(guò)20%.

2.2.2 鋼制儲(chǔ)水罐。鋼罐儲(chǔ)熱單位體積成本較高，體積一般不超20000m3，適合短期儲(chǔ)熱。儲(chǔ)熱鋼罐施工簡(jiǎn)便、快捷，且不受氣候、地質(zhì)影響。儲(chǔ)熱鋼罐外觀如圖7所示。

2.2.3 地埋管。地埋管（見(jiàn)圖8）通過(guò)在地表以下安裝地埋管換熱器進(jìn)行儲(chǔ)、釋熱，利用較為廣泛。但土壤儲(chǔ)熱密度較小，儲(chǔ)熱量相同時(shí)，地埋管的儲(chǔ)熱容積要比熱水儲(chǔ)熱高出3～5倍［23］。相對(duì)于水池儲(chǔ)熱和相變水箱儲(chǔ)熱，相同儲(chǔ)熱量下地埋管最經(jīng)濟(jì)且熱損較小［24］。

2.2.4 儲(chǔ)熱水箱。儲(chǔ)熱水箱（見(jiàn)圖9）廣泛應(yīng)用于戶用小型太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)，分為壁掛式與立式兩種，其特點(diǎn)是靈活性強(qiáng)，經(jīng)濟(jì)性高，部分太陽(yáng)能跨季節(jié)蓄熱系統(tǒng)也選用儲(chǔ)熱水箱。

2.2.5 相變儲(chǔ)熱。相變材料儲(chǔ)熱密度通?？蛇_(dá)顯熱儲(chǔ)熱的3 倍以上，且輸出溫度穩(wěn)定，供熱時(shí)間長(zhǎng)，但成本較高、系統(tǒng)較復(fù)雜，尚未大規(guī)模推廣使用。在戶用太陽(yáng)能儲(chǔ)熱系統(tǒng)研究中，國(guó)內(nèi)學(xué)者［14,25-26］從系統(tǒng)運(yùn)行、相變材料及系統(tǒng)參數(shù)的選取等方面將相變材料集成應(yīng)用在高寒地區(qū)的戶式太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)中，以提高系統(tǒng)儲(chǔ)熱效率，保障穩(wěn)定供暖。一種相變儲(chǔ)熱裝置如圖10所示。

高原高寒地區(qū)供暖時(shí)間長(zhǎng)、晝夜溫差大，小型儲(chǔ)熱系統(tǒng)需要在白天儲(chǔ)存足夠多的熱量以供夜晚建筑采暖與生活熱水；跨季節(jié)儲(chǔ)熱系統(tǒng)需要在夏季收集足夠富余的太陽(yáng)能，以保證整個(gè)冬季的供暖需求。以上各種技術(shù)在高原高寒地區(qū)工程驗(yàn)證表明，適用于高原高寒地區(qū)可有效保證冬季穩(wěn)定供暖。如表4 所示，目前，諸多學(xué)者針對(duì)高原高寒地區(qū)儲(chǔ)熱系統(tǒng)，通過(guò)研究系統(tǒng)運(yùn)行特性提出優(yōu)化策略，或采用數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)方法從集熱面積/儲(chǔ)熱容積、儲(chǔ)熱系統(tǒng)溫度分層、儲(chǔ)熱系統(tǒng)保溫層厚度、減小儲(chǔ)熱損失等方面進(jìn)行研究，保證達(dá)到供暖需求的同時(shí)節(jié)約資源與成本。

表4 高原高寒地區(qū)太陽(yáng)能儲(chǔ)熱系統(tǒng)研究

3 太陽(yáng)能供暖儲(chǔ)熱工程實(shí)例

據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前我國(guó)太陽(yáng)能熱利用市場(chǎng)居世界第一，以小型戶用太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)為主。隨著我國(guó)開(kāi)始重視新能源技術(shù)，許多單體建筑開(kāi)始采用太陽(yáng)能供暖，大型太陽(yáng)能供暖工程也于近年開(kāi)始工程示范。高原高寒地區(qū)典型太陽(yáng)能供暖儲(chǔ)熱項(xiàng)目如表5所示。

表5 高原高寒地區(qū)典型太陽(yáng)能供暖儲(chǔ)熱項(xiàng)目

太陽(yáng)能供暖儲(chǔ)熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)選型要綜合考慮當(dāng)?shù)貧夂蚺c太陽(yáng)能資源條件，以及投資規(guī)模；系統(tǒng)運(yùn)行策略需要根據(jù)建筑用途、用戶需求等進(jìn)行調(diào)整。拉薩一職太陽(yáng)能供暖項(xiàng)目（見(jiàn)圖11、圖12）作為拉薩市第一個(gè)中型太陽(yáng)能集中供暖項(xiàng)目，于2020 年11 月投入使用。該項(xiàng)目?jī)?chǔ)熱系統(tǒng)選擇具有短期儲(chǔ)熱能力、容積為5000 m3的鋼制儲(chǔ)水罐，并從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、運(yùn)維等方面對(duì)熱泵、燃?xì)忮仩t以及電熱等輔助熱源逐一篩選，最終選擇可靠性強(qiáng)的電熱供熱。拉薩一職太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)的運(yùn)行策略以學(xué)校作息為依據(jù)，從節(jié)能與經(jīng)濟(jì)環(huán)保的角度出發(fā)，學(xué)校教室夜晚只保持5～8 ℃的值班溫度即可，在12 月至來(lái)年2 月寒假期間，除教職工公寓需全天供熱外，學(xué)校其他建筑只需維持值班溫度。

浪卡子縣和仲巴縣太陽(yáng)能資源極其豐富，大型太陽(yáng)能集中供暖項(xiàng)目（見(jiàn)圖13、圖14）的運(yùn)行實(shí)踐表明，浪卡子縣和仲巴縣集中供暖系統(tǒng)的太陽(yáng)能保證率分別達(dá)到了100%和95%［30］。

4 結(jié)論

高原高寒地區(qū)可再生能源和土地資源豐富，適宜采用太陽(yáng)能供暖技術(shù)。而優(yōu)選安全可靠、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理的太陽(yáng)能供暖儲(chǔ)熱技術(shù)，將有效促進(jìn)清潔能源供暖項(xiàng)目的實(shí)施。本文主要結(jié)論如下：

（1）供暖技術(shù)選擇。針對(duì)人口密集、熱負(fù)荷較高的高原高寒地區(qū)縣鄉(xiāng)，可選用大型集中太陽(yáng)能供暖儲(chǔ)能系統(tǒng)；也可互補(bǔ)風(fēng)能、水能等可再生能源，建造高效節(jié)能的熱電聯(lián)供系統(tǒng)；在居住人口較為分散的地區(qū)，可采用主/被動(dòng)式太陽(yáng)能聯(lián)合供暖的分布式和戶用太陽(yáng)能技術(shù)，以充分地利用豐富的太陽(yáng)能資源。

（2）供暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)。太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)選型首先依據(jù)當(dāng)?shù)貧庀蠛唾Y源條件，再綜合考慮建筑用途，居民生活方式等選擇供暖室內(nèi)溫度，確定合理的供暖熱負(fù)荷。若設(shè)計(jì)中選用熱負(fù)荷估計(jì)值可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法滿足居民冬季穩(wěn)定供暖，或造成系統(tǒng)集熱面積、儲(chǔ)熱容積選擇過(guò)大，從而使系統(tǒng)成本增加。

（3）儲(chǔ)能技術(shù)選擇。高原高寒地區(qū)應(yīng)選用具有成本優(yōu)勢(shì)且儲(chǔ)熱效率較高、系統(tǒng)穩(wěn)定的熱水儲(chǔ)熱作為主要儲(chǔ)熱方式。儲(chǔ)熱系統(tǒng)具有規(guī)模效益，在居住集中的地區(qū)發(fā)展大規(guī)模太陽(yáng)能跨季節(jié)供暖儲(chǔ)熱技術(shù)，可有效提高儲(chǔ)熱效率。