西藏高原太阳能供暖“高原病”问题探讨*

西部绿色建筑国家重点实验室 西安建筑科技大学 王登甲 刘艳峰

0 引言

西藏高原气候条件极端严酷，冬季寒冷漫长，但是2004年以前未被列入全国集中供暖的范围，当地主要依靠传统薪柴、牛粪等自发供暖方式，环境污染严重，建筑供暖与节能工作一直处于空白[1]。2004年被纳入全国供暖范围之后，面对常规能源匮乏、供给困难、生存环境极其恶劣等实际情况，建筑节能和生态环境保护挑战极大，寻求适宜的供暖方式成为燃眉之急。

众所周知，西藏高原地区太阳能资源极其丰富，且藏区地域普遍辽阔、住区相对分散、太阳能收集面积充足，加之当地冬季漫长，供暖持续时间长，太阳能供暖利用率高，是一种适合于西藏高原的供暖方式。近10余年，在清洁供暖、可再生能源发展利用等能源战略指引下，在国家和西藏当地政府支持下，西藏高原太阳能供暖事业得到了蓬勃发展，当地清洁能源开发利用企业林立、供暖示范项目遍地开花，为提升西藏高原宜居水平、生态环境保护、建设高原“美丽乡村”起到了助力作用。

但是，太阳能供暖项目在西藏高原地区全面推进的过程中，也暴露出了一些特殊性问题，例如，太阳能集热系统易冻裂爆管、工质过热泄漏、辅助热源投入大、系统运行成本高等，同时在极端高原气候特征下，低气压条件下仪器仪表失效、集蓄热系统热损失及效率计算方法发生变化等，这些特殊的“高原病”问题是造成当地太阳能供暖系统安全可靠性仍较低、推广应用难度大等的关键所在，本文针对这些问题进行探讨。

1 西藏高原极端气候条件

西藏高原太阳能资源极其丰富，日照时数长，如图1所示，拉萨与其他城市相比，月总太阳辐射量大，年总太阳辐射量大于7 000 MJ/m2，日照时数在3 000 h以上[2]，1月平均最低气温为-9.7 ℃，全年平均气温为-0.4 ℃，冬季昼夜温差可达到20～30 ℃。通过典型城市最冷月平均温度数据对比(见表1)可知，拉萨冬季并不像我国华北、东北地区那么严寒，具备利用当地丰富的太阳能资源来解决冬季供暖问题的先决条件。

图1 典型城市月总太阳辐射量

表1 典型城市气压、含氧量、相对湿度及气温

高原地区常年低压缺氧、极端干燥，从表1还可看出，拉萨市冬季气压约为65 kPa，含氧量为13.5%(150～170 g/m3)，空气密度为810 g/m3，气压和含氧量仅为平原的60%～70%；年均相对湿度约为27%，而冬季极度干燥，相对湿度仅在5%～15%之间。因此，在改善高原建筑室内热环境的同时，含氧量和湿环境也应引起高度重视。

2 西藏高原太阳能供暖发展现状

近年来，在国家政策与西藏自治区地方政府政策的大力支持下，高原绿色建筑和建筑节能获得了空前的关注和发展，众多科研院所、高校、企事业单位纷纷投入到西藏高原太阳能等清洁能源供暖行业中，吸引了一些新能源企业与联合研究机构建立了一批具有引领作用的示范项目工程，带动了西藏高原当地太阳能供暖等清洁供暖行业的发展。

2.1 太阳能供暖政策支持与项目投入

在国家“十一五”“十二五”时期，西藏大力实施“金太阳科技工程”，太阳能集中供暖面积上万m2，建立了国家级太阳能利用研究与示范基地；“十三五”时期，西藏自治区发改委印发的《“十三五”时期产业发展总体规划》中提出大力发展与节能环保相关的重点产业，广泛开展以太阳能为主的清洁能源供暖集成、示范与推广研究，并相继出台了系列支持太阳能等清洁能源供暖的政策。在以上政策规划的引导下，西藏自治区住房和城乡建设厅相继颁布了西藏自治区地方标准DB 54/0015—2007《民用建筑采暖设计标准》、DB 54/0016—2007《居住建筑节能设计标准》、DBJ 540001—2016《西藏自治区民用建筑节能设计标准》、DBJ 540002—2016《西藏自治区民用建筑供暖通风设计标准》、DBJ 540001—2018《西藏自治区绿色建筑设计标准》[3]、DBJ 540002—2018《西藏自治区绿色建筑评价标准》[4]等系列地方工程建设标准，对高原地区太阳能供暖技术应用发展起到了促进作用。国内相关科研院所和高校相继承担了“高寒高海拔地区太阳能集中供暖工程化示范”“西藏太阳能采暖系统研究示范”“藏区、西北及高原地区利用可再生能源采暖空调新技术”等一批国家和自治区重大项目，进一步明确了西藏高原地区以太阳能为主的供暖技术路线，提出了针对西藏高原的主被动太阳能供暖全链条设计方法，研发了大尺寸平板集热器、高效蓄取热装置等关键技术和产品，为高原地区太阳能供暖的安全实施、可靠运行奠定了技术和产品储备。

2.2 太阳能供暖标志性示范工程

目前，针对居民楼、办公楼、养老院、中小学、服务站等不同类型建筑及用热需求，在西藏日喀则市定日县、仲巴县，山南市浪卡子县，拉萨市新城区、曲水县等建立了一批不同规模、不同技术形式的低能耗太阳能供暖示范工程(如图2所示)，为西藏高原太阳能供暖大面积推广应用开了好头。这些代表性示范工程既有藏区乡村农牧户和单体建筑太阳能热风供暖项目，也有居住小区分布式太阳能热水供暖项目，亦有满足整个县城供暖需求的太阳能区域集中供暖项目。其中，日喀则市定日县加措乡“八有”太阳能供暖示范项目、拉萨市才纳乡政府太阳能热水集中供暖示范工程，以及山南市浪卡子县、日喀则市仲巴县2个大规模太阳能集中供暖示范工程等最为典型。多项标志性示范工程的建成是太阳能供暖技术不断落地、快速发展的重要体现，对高原藏牧民冬季宜居环境提升、当地生态环境保护起到了重要引领示范作用。

图2 西藏高原典型太阳能供暖示范工程项目

3 西藏高原太阳能供暖模式探讨

尽管西藏高原太阳能供暖经过了10余年的发展，目前也建立了系列试验示范工程，但是，由于行业和市场的快速推进，仍有部分项目尚未从技术条件、建筑类型开展深入分析，甚至有些建筑尚未做保温便直接安装太阳能供暖系统，导致技术成本高、运行维护困难等不适宜问题较突出。

对于西藏高原乡村地区供暖而言，虽然太阳能可收集面积充足，但是其整体经济承受能力较低，应在建筑充分保温的基础上，发展低成本被动太阳能利用技术，增设附加阳光间、集热蓄热墙等被动部件，在昼间和夜间分别维持一定室内温度，是解决这类地区建筑供暖的最佳选择[5-7]。文献[8]也提出，对于高原藏区乡村建筑，在利用被动太阳能技术的基础上，还可以通过太阳能空气集热器集热，进而将热风通入空心楼板、内墙、地板等围护构件进行蓄热，来进一步解决建筑室温提升和缓解温度波动问题。总而言之，对于西藏高原乡村建筑，应重点从建筑保温、被动太阳能利用、围护构件蓄热的角度来解决冬季供暖问题。

随着西藏高原城镇化进程不断加快，城镇建筑已与内地无明显区别，楼层高、密度大的建筑普遍存在(见图3)，建筑屋顶和城区空旷面积已很难满足太阳能集热系统的铺设要求，这些条件决定了高原城镇难以像乡村那样仅依靠被动太阳能技术来满足冬季热环境要求。在这种情形下，借助一些高原城镇周边现有不宜农牧的空旷场地铺设太阳能集热场，建立依靠太阳能、可再生能源电力等的互补热站，并借助一定规模和方式的热蓄调系统，与政府出资的办公建筑、福利性住房配套建设，是集中解决高原城镇供暖问题行之有效的方式，且太阳能集中供暖与分散式相比，还具有集中运行维护管理更方便、安全可靠等优势。

图3 西藏拉萨高密度城区建筑群

当然，以太阳能集热系统来单独满足城镇冬季供暖往往会存在夏季闲置的问题，太阳能光伏系统虽效率偏低但可全年运行，倘若从城镇用热、用电两方面用能综合考虑，实现光热光伏联合供暖，不仅可提高系统全年太阳能利用效率，还将克服太阳能热利用夏季闲置过热等问题，是一种新的思路。

对于青海、西藏等一些拥有区域供热管网的城镇，随着扩容发展，原有的烧煤、燃气锅炉将不能满足扩容背景下整体供暖需求，可以考虑扩容部分的供暖负荷由太阳能集热场来承担，形成太阳能集热场与原有锅炉组合供暖模式。利用原有的城镇供热管网系统，仅根据负荷情况进行水力热力调节即可，在供暖初期和末期负荷较低时，仅由太阳能集热场供暖，在供暖中期寒冷时段太阳能难以满足要求时，同时开启太阳能集热场与原有锅炉系统进行高峰联合供暖。该组合供暖系统既未新增供热管道铺设成本，又可将原有锅炉作为太阳能供暖辅助热源，显著降低成本及煤、燃气等常规能源的消耗量。该组合系统的关键问题是太阳能集热系统的容量匹配、原有供热管网系统运行调节等问题，若以上问题得到有效解决，将为青藏高原城镇供暖提供另一新的技术思路。

4 太阳能供暖“高原病”问题及对策

4.1 太阳能集热系统冻裂、过热问题

目前，太阳能集热系统的容量设计通常以冬季供暖条件为依据，这使得在其他季节尤其是夏季常发生集热量远大于用热量的情况，从而使集蓄热系统易产生过热现象(见图4)，或者要求工质排空，亦或对集热场进行遮挡等问题。

图4 西藏高原太阳能集热系统冻裂、过热

西藏高原冬季室外寒冷，夜间天空温度极低、长波辐射损失大，位于室外环境中的太阳能集热器、管道、阀门附件等低温冻裂现象时常发生，在西藏高原特有的低压环境条件下，太阳能集热系统中工质的冰点等会发生变化，进而导致系统的冻结机理、防冻措施应重新考虑。

高原地区冬季太阳辐射强烈，昼夜热需求差异大，即使在冬季，太阳能集热系统在正午前后也常产生过热问题，并且当地海拔高、气压低，集热系统中的工质在过热后极易汽化，进而会使集热工质通过放气阀间断性排出，而工质蒸汽很难进行回收，导致集热工质的年消耗量增大。太阳能集热系统过热汽化是导致系统性能不稳定、年成本增大、太阳能热利用效率降低的原因之一。

因此，有必要对高原地区太阳能集热系统的冻结、过热问题一并考虑，讨论西藏高原环境下太阳能供暖系统的集热、蓄热、各用热子系统的动态热量平衡关系，研究集热工质的过热、结冻极限，确定太阳能集热系统过热发生条件和冻结顺序，提出适合于西藏高原地区太阳能集热系统的经济有效的防过热、防冻措施。

4.2 高原集蓄热损失条件发生变化

太阳能供暖系统中集蓄热部件的热损失是影响系统太阳能利用率的重要因素之一。集蓄热部件热损失主要由与外界的长波辐射换热量和对流换热量等组成。高原地区气压低、空气密度小，已有研究表明，低气压条件下对流换热系数将有所减小。同时，高原空气稀薄、大气透明度高，物体向天空的长波辐射换热量显著增加，因此，长波辐射热损失在高原地区集蓄热系统中不可忽略。

综合可见，高海拔地区，气压低、空气密度小导致对流换热系数小，但高原天空晴朗，背景温度低，辐射损失大，那么与平原地区相比，高原地区太阳能集蓄热系统的热损失究竟是增大还是减少？这需要根据高原不同地区的气压大小、长波辐射条件来具体确定，为太阳能供暖集蓄热系统的精准设计提供方法和结果保障。

4.3 控制不当导致辅助热源耗量大

太阳能本身具有周期性波动、辐射不连续等特征，在阴雨天、夜间等时段无法起到供暖的作用，考虑到供暖需求的相对持续性，兼顾蓄热系统的蓄调能力，配备适当的辅助热源成为必要。现有辅助热源主要有电锅炉、燃气燃油锅炉、各类热泵等，辅助热源系统的容量规模往往按照最不利条件配置。目前，一些太阳能供暖工程“重前期设计、轻后期运维”，结果造成辅助热源实际投入比例大，甚至占到主导作用，太阳能未发挥应有的供暖作用，这是导致目前太阳能供暖系统不仅初投资高，而且运行费用居高不下、在清洁供暖中不占优势、难以广泛推广应用的原因之一。

引起上述问题最主要的原因是系统控制思路不当、供暖出力顺序优化不合理。原有太阳能集热系统用于生活热水，恒温控制、温差控制等方式是合适的，但是对于太阳能供暖系统，不仅涉及到不同热源的出力先后顺序问题，而且还要考虑室内温度允许波动，太阳能供暖控制系统应该采用太阳能出力优先、允许室温一定波动的柔性控制策略，这是太阳能供暖系统控制方向需要研究的重点。

4.4 蓄热规律有待明确

蓄热需求规律掌握不准确；蓄热系统主要考虑容量，对于有效取热部分考虑不足；不掌握蓄热系统的热损失随时间的变化规律，存在长期(跨季节)蓄热投资大、蓄热取热比过低的风险；短期蓄热容量过大或过小造成水温过低或过高，无效蓄热或蓄热不足的超温排空等问题。

蓄热系统是平衡太阳能供暖系统周期性、波动性的重要措施，是热量调配的重要部件。由于强太阳辐射、大温差及低气压等特殊的高原气候条件，太阳辐射集热规律、供暖建筑的负荷特征较平原地区都有较大差异，因此由太阳辐射集热规律和负荷特征双约束条件下的蓄热规律也急需明确。现有蓄热系统的规模设计一般按照经验取值或按典型日内蓄热规律与蓄热温差的计算取值。

目前，太阳能供热供暖工程蓄热容积设计大部分按照集热器面积进行估算，过大或过小的蓄热容积往往会造成蓄热系统整体温度偏低或者极易过热等问题。因此，蓄热系统的“大马拉小车，小马拉大车”现象是造成太阳能供暖系统设计不合理的又一原因。

从根本上讲，蓄热规模与规律是消纳太阳能系统波动问题、保证辅助热源高效介入的前提，其次可考虑通过强化蓄热分层、显热潜热组合等方式进一步提高太阳能蓄热和取热效率。

4.5 系统运行维护管理是重中之重

出于各种原因，太阳能供暖实际工程多关心前期设计与快速施工建设，而对系统安装成功正常运行之后的运行维护管理缺乏，导致第2年、第3年系统出现故障损坏、闲置率高等问题普遍存在，而这些易损、易坏、闲置的太阳能供暖系统多发生在单户、独栋、分布式小型太阳能供暖系统中。因此，从系统运行安全性、可靠性角度考虑，统一维护、专人管理的太阳能集中式供热系统具有明显优势。

总体而言，被动太阳能技术由于其简便易行、便于维护，适合于在区域分散、单户或独栋的低层建筑中应用，还可辅助一定的储热技术来实现更佳的效果，甚至可以考虑利用太阳能热风集热系统来满足房间的整体供暖需求。但是，对于太阳能热水供暖系统，应考虑适当集中应用，便于运行维护与管理。当然，如在单户、独栋、分布式小型系统中应用太阳能热水供暖系统，就必须配备简单易操作的控制模式、安全可靠的系统形式及设备附件，便于用户管理与维护。

5 结语

西藏高原太阳能资源极其丰富，是我国最适宜利用太阳能供暖的地区，具备率先实现建筑全可再生能源供暖运行的先决条件。目前，太阳能供暖工程在西藏高原如雨后春笋般涌现，但同时也暴露出了一些特殊问题，给太阳能供暖进一步推广应用提出了新挑战。

总体而言，利用低成本建筑保温、被动太阳能利用技术是首要选择，当保温与被动技术难以满足建筑供暖需求时，可进一步利用主动式太阳能系统来补充，随之需要克服的便是设备系统在极端环境下面临的系列“高原病”问题。只有如此，才能实现太阳能供暖在西藏高原地区大面积应用，从根本上解决西藏高原地区建筑环境宜居问题。