高寒高海拔地区太阳能集中供暖技术及其应用

2020-12-11赵斌卢大为刘维安王鹏高峰

综合智慧能源 2020年11期

赵斌，卢大为，刘维安，王鹏，高峰

（1.华北理工大学冶金与能源学院，河北唐山063210；2.长沙理工大学能源与动力工程学院，长沙410114；3.西藏日出东方阿康清洁能源有限公司，拉萨850000）

0 引言

随着煤炭、天然气等化石能源的大量消耗和使用，城镇空气质量每况愈下，尤其是在供暖季节我国北方大气污染形势严峻，燃煤供暖锅炉也加剧了温室效应［1］。因此清洁能源供暖替代技术应运而生。我国近年不断推进能源转型变革，以能源低碳化为方向，以高比例可再生能源为特征，逐步代替污染严重、供应紧张的传统化石能源，构建清洁低碳、安全高效的现代能源体系［2-4］。西藏地区可再生资源丰富，其中地热和太阳能资源居全国首位，已成为国家能源发展战略上的关注重点［5］。

西藏位于我国青藏高原西南部，由于冬季时间长、昼夜温差大等特征，其冬季供暖问题亟待解决。西藏生态历来脆弱，常规供暖方式将加剧生态破坏，故清洁供暖是西藏供暖的主攻方向。在清洁供暖资源中，西藏太阳能资源丰富，选择太阳能供暖既可就地利用当地可再生资源，又可保护当地脆弱的生态。

综合考虑西藏当地的资源特点、气候特征、公共和民用建筑的供暖需求，选用配置高效的大型平板集热器和储热装置的太阳能供暖技术，可有效地解决西藏大部分地区的供暖难题。

1 西藏地区太阳能供暖

1.1 供暖现状

西藏素有“世界屋脊”之称，全区的平均海拔在4 000 m以上，属于高寒缺氧艰苦地区，空气稀薄、含氧量仅为内地的60%。气压低、辐射强等，对人体健康影响较大，西藏人均寿命70.6 岁，远低于我国人均77 岁的寿命［6］。西藏冬季平均气温-4.3 ℃，采暖周期长，目前农牧民多采用烧牛粪的古老方法解决冬季采暖问题。这种采暖方式不仅采暖效果差，且破坏当地生态环境［7］。阿里等边远地区供电可靠性差，给供暖技术的应用又增加了难度。目前西藏缺乏有效的供暖方式，尚未形成安全可靠、技术可行、经济合理的清洁供热技术路线。而如何解决农牧民的清洁供热、热水洗浴等民生问题，是西藏当前乃至今后科技攻关的重要工作。

由于西藏地理位置偏僻和历史传承，公共建筑大多无供暖设施，仅仅在拉萨市城区及部分公共和民用建筑有条件使用液化天然气采暖。在经济较为发达的其他地市，公共建筑和部分民用建筑供暖大多依靠电暖器来提供热量，室温和室内舒适性远不能达到日常生活需求。部分学校的教室、宿舍、医院等公共建筑向阳侧虽加装了玻璃阳光房来提高室温，但由于昼夜温差大，清晨、日暮时室内环境温度仍然很低，舒适性极差。

1.2 资源特征

我国太阳能储量极其丰富，陆地表面每年接受太阳辐射能约为50×1018kJ，2/3 地区的年均总辐射大于5 020 MJ/m2，年日照时数在2 200 h以上［8］。

根据接受太阳辐照度的差异，我国大致可以分为五类地区，见表1［9］。其中，西藏是全国太阳能资源最丰富的地区，该地区年均日照小时数在3 000 h以上，全年总辐射量大，冬季采暖期太阳能辐照度更大，这与其他地区显著不同。

表1 太阳能资源分布Tab.1 Distribution of solar energy resources

1.3 气候条件

西藏地处高寒高海拔地区，气压低，属于我国建筑热工分区的严寒和寒冷地区。2019 年西藏年平均气温仅为5.2 ℃，并且部分地区昼夜温差可达20 ℃以上，由于空气稀薄，西藏的光照时间长且太阳辐射强，冬季采暖期晴天居多。

1.4 太阳能供暖技术

近年来在全球能源体系中太阳能地位越来越重要，目前太阳能利用主要指太阳能热利用和光伏发电［10-11］。太阳能热利用技术应用范围非常广泛，包括建筑用太阳能供暖、太阳能热水供应、太阳能热发电、工农业应用等，具有清洁无污染、运营成本低廉等优点。本文主要讨论建筑用太阳能供暖技术，简称为太阳能供暖。

国际上，欧美等地区在太阳能供热应用上已有几十年的发展，德国是较早利用太阳能采暖技术的国家，太阳能供暖技术在供热领域得到广泛的应用。近年来，在我国政府的扶持下，太阳能供暖在建筑中的应用比较广泛。

太阳能供暖有分散供暖和集中供暖2 种方式。其中集中供暖一般由集热场、蓄热装置、换热站（即泵房）、辅助热源和管网、末端等组成。集中供暖系统通过集热器阵列高效吸收太阳能，根据太阳能辐照情况自动调节循环泵并稳定输出热量，随后通过板式换热器与二次网进行换热，最后通过末端管网系统将热量送到热用户［12-13］。白天，集热器富余的热量将储存到蓄热设备中，夜晚由蓄热设备释放热量为热用户供暖［14］，当储热不足时，由辅助热源为系统输入外加热量。另外，系统可根据室外温度调节供水温度，保证室内温度达到设计要求。

在西藏人口居住相对集中的城镇，相较于分布式供热，太阳能集中供暖技术具有运维成本较低、运行稳定可靠等优点。

2 集中供热系统主要设备

2.1 太阳能集热器

太阳能集热器是太阳能供暖系统中最关键的集热设备，其性能好坏直接影响供暖系统的性能。太阳能集热器主要有真空管、平板和槽式3种，各集热器性能对比见表2。

西藏地区采暖周期长，环境温度低，应选用冬季集热性能较好的集热器。全玻璃真空管型集热器，遇到雨雪、风沙等恶劣天气时，玻璃管易破碎，引起系统工质泄漏，不适用于大规模的强制循环系统中；自动跟踪太阳的槽式集热器具有较高的热效率，占地面积小，但系统较为复杂，运维技术要求高［15］；平板集热器承压性能好，运行安全，热性能好，运行维护方便。因此，在西藏地区推荐选用安全可靠、性能较佳的平板型太阳集热器。

表2 3种集热器性能对比Tab.2 Performance of three kinds of solar collectors

2.2 蓄热装置

考虑太阳能的随机性、间歇性等特征，供热系统通常配置储热装置。目前，太阳能供暖系统蓄热方式主要有储热水箱、地下水池、土壤埋管和相变材料等。考虑到供暖规模和成本，大型供暖系统蓄热装置主要有蓄热水池和钢制储水罐2种。

（1）蓄热水池。水池设计可根据地域具体情况灵活调控。为减少土方开挖工作量和节约挖出土方外运及运输成本，可将挖出的部分土方堆放在水池周边作为堤坝，通常水池形状为倒四棱台型结构，如图1所示。

图1 水池结构剖面Fig.1 Section of the pool

水池边上的坡度选择尤为重要，大坡度可以节省水池占地面积，但施工难度也随之增加，同时存在水池周边塌方等缺点；若坡度选择过小，虽便于施工，不容易出现塌方现象，但会增加很大的占地面积。水池底部和侧面都是由土工膜覆盖，防止水的流失；不采取保温措施，在初期使用水池的时候会有一定的热量损失，在周边土壤被水池加热后，维持热量平衡，热损也随之减小，一般不超过20%；水池顶部是由一个浮动的盖子组成，这个盖子上下部位都是土工膜，中间添加保温材料；因水池体积较大，蓄热水分层明显，上部温度高，底部温度低。

（2）钢制储水罐。钢制储水罐具有施工简便、快捷，不受气候、地形影响；结构安全，可以抵抗7级地震烈度，8级风载等特点。钢制储水罐外观如图2所示。通常在钢制储水罐中装设布水器，以均匀布水，防止水与热水直接发生混合，提高蓄能效率。

图2 钢制储水罐外观Fig.2 Appearance of the steel water tank

3 大型太阳能集中供暖示范工程

3.1 系统集成

3.1.1 浪卡子县太阳能集中供暖项目

浪卡子县隶属于西藏自治区山南市，地理坐标北纬28.77°～29.18°，东经90.37°～91.08°。地处西藏南部的喜马拉雅山中段北麓，与不丹王国接壤，位于山南市西南部，县城海拔约4 500 m。在浪卡子县太阳能供暖项目建设之前，大型太阳能供暖系统在西藏尚未有成功应用的案例。

该项目集聚国内外太阳能集中供暖的先进技术和经验，采用太阳能平板集热器+跨季节储热水池+电锅炉辅助供暖的技术方案，验证了太阳能供暖系统运行的可靠性和实用性，为解决西藏城镇供暖问题提供了参考。

该工程采用国际先进的高效大型平板太阳能集热器，单块平板集热器轮廓面积15 m2，采光面积13.75 m2，集热器朝正南方向放置，安装倾角40°。该产品热性能经国家太阳能质检中心（北京）检测（效率截距为0.85，一阶热损系数为3.5），已达到国际先进水平。系统选用大型蓄水池，引进北欧设计技术，大型蓄水池选择设计坡度为26°。为了高效利用水池热量、提高集热系统效率，水池进行了分层设计，根据水池高度分为高温区、中温区和低温区。选择1.5 MW 电锅炉2 台，作为系统备用热源。

由于县城各建筑围护结构多样化，结合实际情况，采用分类法将建筑分为居建/公建、保温/非保温四类，分别选取典型采暖热指标计算供暖设计热负荷。浪卡子县太阳能集中供暖系统基础数据和主要技术参数见表3—4。

3.1.2 仲巴县太阳能集中供暖项目

仲巴县隶属于西藏自治区日喀则市，地理坐标北纬29.15°～31.80°，东经82.00°～84.76°。位于日喀则市最西端，喜马拉雅山以北，县城海拔约4 700 m。在浪卡子县太阳能集中供暖示范工程成功运行的基础上，仲巴县太阳能集中供热系统采用太阳能平板集热器+钢罐储热+燃油锅炉辅助供暖的技术方案，大部分产品实现了国产化。

该项目采用与浪卡子县供暖系统同型号的高效大型平板太阳能集热器。系统选用钢制水罐，按太阳能短期蓄热供热采暖设计，考虑到管网系统定压，钢罐水位高度按照24.00 m 设计。经计算，罐体内直径28.50 m，总高30.58 m，其中罐体直筒部分高27.10 m，拱形顶盖高3.48 m。钢罐材质选用Q235B 和Q345R，钢罐保温采用玻璃棉，厚度200～300 mm。选择1.4 MW 燃油锅炉2 台，作为系统备用热源。仲巴县太阳能集中供暖系统集成数据和主要技术参数见表3—4.

表3 太阳能集中供暖系统基础数据Tab.3 Basic data for solar central heating system

表4 太阳能集中供暖系统主要技术参数Tab.4 Main technical parameters of the solar central heating system

3.2 项目建设

浪卡子县太阳能集中供暖系统如图3 所示，项目于2018 年5 月开工建设，2018 年11 月底投入使用，建设工期6个月。迄今为止，该项目采暖能源全部来自太阳能，太阳能保证率达100%，系统运行安全可靠，按供暖建筑面积计算，年供暖运行维护费用约20 元/m2，经济技术指标达到了设计要求。该项目是世界上首个在4 500 m 高海拔地区成功应用的大型太阳能供暖示范工程。