高原高寒地区太阳能供暖储热适用技术分析*

刘维安 仓啦 赵斌 袁喜鹏 董昭锋 王鹏 旦增卓嘎 吕玥

（1.长沙理工大学，湖南 长沙 410114；2.西藏自治区能源研究示范中心，西藏 拉萨 850000）

西藏地处高原高寒地区，全年气温低、降水量少，生态极其脆弱，是我国重要的生态安全屏障［1-2］。随着全球温室效应加剧，西藏生态环境对气候变化的响应更加敏感［3］。目前，西藏全境仅有拉萨等地的公用建筑冬季可采用燃气采暖和电采暖，部分太阳能供暖示范项目也在建设中，而大部分居住分散的农村居民还在延用燃烧牛粪等取暖方式。由于当地的含氧量低、建筑围护结构差等原因，燃烧牛粪的采暖方式不仅效率低下，且对当地生态环境造成了一定的负面影响。然而，西藏地区作为我国太阳能资源最为丰富地区之一，太阳年总辐射量普遍在6500 MJ/(m2·a)，甚至个别区域高达8500 MJ/(m2·a)以上。因此，在西藏地区实施太阳能供暖可以作为实现高原高寒地区清洁能源供热的新途径。该技术的应用不仅可改善民生，而且可减少因消耗化石能源而产生的污染物，从而保护生态环境。

本文从分析太阳能供暖储热技术入手，概述了相关学者在高原高寒地区开展的太阳能供暖系统的研究，提出了适用于高原高寒地区的集中式、分布式和户用太阳能供暖技术选择方法。最后通过高原高寒地区太阳能供暖示范项目，验证了此技术的适用性、先进性和安全性。

1 太阳能供暖储热技术

1.1 太阳能供暖技术

太阳能供暖根据是否使用机械设备可分为太阳能主动式和太阳能被动式两种供暖方式［4］。目前的太阳能供暖技术集供暖和储热为一体，具有很好的可靠性和调节特性。

1.1.1 太阳能主动式供暖。太阳能主动式供暖通过集热系统收集太阳辐射能。为了保证稳定供热，通常搭配辅助热源进行调节，并将多余集热量存储在储热装置中，如图1 所示。主动式供暖根据供暖规模可分为区域式供暖和户用供暖。区域式太阳能供暖系统主要包括集中式与分布式两种。其中集中式为配有大规模集热、储热设施以及供热网络的大型太阳能区域供热系统，如西藏仲巴县与浪卡子县的太阳能集中供暖系统，其供暖面积分别达到了103500m2与89000m2。分布式一般用于居住分散的地区或单体建筑，如西藏能源研究示范中心办公楼所采用的带补燃的太阳能分布式供暖系统［5］，供暖面积达1000 m2。户式灵活性强、规模小，供暖和供生活热水一体化。

1.1.2 太阳能被动式供暖。太阳能被动式供暖不使用机械设备，通过合理布置建筑朝向与空间［6］、选择合适的围护结构与建材（窗、墙等），在冬季实现对太阳能的收集、储存和分配；在夏季对太阳辐射起遮蔽作用。太阳能被动式供暖包括附加阳光间、集热蓄热墙、蓄热屋顶等构造，以及对流环路式、集中受益式等技术。附加阳光间作为常见的太阳能被动式供暖方式，既可以给房屋主体提供热量，也能作为缓冲区延缓房屋主体室温降低。图2、图3 分别为多层建筑与单层建筑的附加阳光间示意图。

1.2 储热技术

储热在太阳能供暖系统中负责收集富余的太阳能，以弥补太阳能存在的波动性、间歇性等缺点，是实现连续供暖的主要方法。根据储热介质的物性变化，储热包括显热储热、潜热储热和化学储热三种技术。

1.2.1 显热储热成本低、技术最成熟，发展最早。其中热水储热有良好的保温措施，储热密度相比于土壤、砾石等材料更高并且可提供较好的温度分层［7］，目前在我国太阳能热水器、跨季节储热系统中广泛应用。含水层储热、土壤储热等将自然环境作为储热体，储热密度低且对水文地理要求较高，施工前需要进行地质探测，以了解土壤的热物性等参数。

1.2.2 潜热储热因其温度变化小、储能密度高等特点成为当前研究的热点。但相变材料导热性能差、易发生过冷现象，而且相变储热系统较复杂、投资较高［8］，目前主要从强化传热、提升相变储热装置效率、制造高性能相变材料等方向开展研究。

1.2.3 化学储热通过可逆化学反应储存或释放热量，可分为浓度差热储存、化学吸附热储存以及化学反应热储存三类。化学储热热密度高，能够实现在接近环境温度下长期无热损储热。但化学储热对储热装置要求高、设备复杂、投资较高、整体效率较低，有些反应的动力学特性目前尚不完全清楚［9-10］，目前主要还处于试验探索阶段。三种储热技术在储热密度、热容量、设备要求、稳定性、经济性等方面各有其特点，详见表1。

表1 不同储热技术特性对比

储热技术根据储热周期长短又可分为短期储热和长期储热。短期储热收集白天、晴天富余热量，以满足夜间、阴天的用户热需求。长期储热（也称跨季节储热）存储非供暖季富余的太阳能以满足供暖季热需求。跨季节储热可将太阳能保证率提高至40%以上［11］。短期储热与长期储热的特性对比见表2。

表2 短期储热与长期储热特性对比

目前，太阳能供暖项目设计通常都配置储热装置，以提高太阳能保证率。储热技术的选择包括确定储热方式与储热周期，具体情况要综合供暖需求、热源特性、成本以及当地环境等方面考量。

2 太阳能供暖储热技术选择

2.1 太阳能供暖系统

作为灵活性极强的清洁供暖技术，太阳能供暖系统在太阳能资源丰富地区可作为主要采暖方式，通过匹配热泵、地热能、生物质能、电能等多种辅助热源实现“太阳能+”供暖模式，也可在太阳能资源欠丰富地区作为辅助热源配合电取暖。典型的太阳能供暖系统如图1、图4 和图5 所示。图4 为高层建筑应用较为广泛的集中集热、分户辅热及储热式太阳能供暖系统。该系统通过在屋顶集中设置太阳能集热器收集太阳能，并通过供热管网加热分布在每户的小型储热水箱，每户家庭还额外配备辅助热源以备不时之需，该系统使整栋建筑共享集热器，充分提高了太阳能利用率，适用于高原高寒地区人口集中的居民建筑和公共建筑。

图5 为适用于农村单体建筑的太阳能空气式采暖系统。该系统构造简单，利用空气供暖，避免了冬季管道冻结，可同时保障农村家庭的采暖与热水供应。

高原高寒地区不同于我国北方平原，当地常年寒冷干燥、昼夜温差大［12］，西藏阿里、那曲等地区全年仅有三个月能超过10℃［13］，且当地缺少煤炭、天然气等传统能源。依据高原高寒地区气象和资源条件，关于太阳能供暖系统参数匹配（集热面积/储热容积、集热面积/供暖面积）、结构特性、运行策略，稳定性与可调节特性相关文献汇总如表3所示。

表3 高原高寒地区太阳能供暖系统研究

2.2 太阳能储热装置

目前，大型太阳能储热系统一般为储热水池、钢制储水罐以及地埋管等，小型太阳能储热系统主要为水箱储热和相变储热装置。各种储热装置特点如下：

2.2.1 储热水池。储热水池单位体积成本低，储热体积一般在50000～500000m3，适合大规模跨季节储热。水池形状以倒四棱台型结构为主，上面为绝热盖板，如图6 所示。水池边上的坡度选择尤为重要，大坡度可以节省占地面积，但施工难度增大且有塌方危险；小坡度便于施工，但会增加占地面积。水池在运行初期会有一定的热损，当周围土壤加热后，热损也随之减小，一般不超过20%.

2.2.2 钢制储水罐。钢罐储热单位体积成本较高，体积一般不超20000m3，适合短期储热。储热钢罐施工简便、快捷，且不受气候、地质影响。储热钢罐外观如图7所示。

2.2.3 地埋管。地埋管（见图8）通过在地表以下安装地埋管换热器进行储、释热，利用较为广泛。但土壤储热密度较小，储热量相同时，地埋管的储热容积要比热水储热高出3～5倍［23］。相对于水池储热和相变水箱储热，相同储热量下地埋管最经济且热损较小［24］。

2.2.4 储热水箱。储热水箱（见图9）广泛应用于户用小型太阳能供暖系统，分为壁挂式与立式两种，其特点是灵活性强，经济性高，部分太阳能跨季节蓄热系统也选用储热水箱。

2.2.5 相变储热。相变材料储热密度通常可达显热储热的3 倍以上，且输出温度稳定，供热时间长，但成本较高、系统较复杂，尚未大规模推广使用。在户用太阳能储热系统研究中，国内学者［14,25-26］从系统运行、相变材料及系统参数的选取等方面将相变材料集成应用在高寒地区的户式太阳能供暖系统中，以提高系统储热效率，保障稳定供暖。一种相变储热装置如图10所示。

高原高寒地区供暖时间长、昼夜温差大，小型储热系统需要在白天储存足够多的热量以供夜晚建筑采暖与生活热水；跨季节储热系统需要在夏季收集足够富余的太阳能，以保证整个冬季的供暖需求。以上各种技术在高原高寒地区工程验证表明，适用于高原高寒地区可有效保证冬季稳定供暖。如表4 所示，目前，诸多学者针对高原高寒地区储热系统，通过研究系统运行特性提出优化策略，或采用数值模拟与实验方法从集热面积/储热容积、储热系统温度分层、储热系统保温层厚度、减小储热损失等方面进行研究，保证达到供暖需求的同时节约资源与成本。

表4 高原高寒地区太阳能储热系统研究

3 太阳能供暖储热工程实例

据统计，目前我国太阳能热利用市场居世界第一，以小型户用太阳能供暖系统为主。随着我国开始重视新能源技术，许多单体建筑开始采用太阳能供暖，大型太阳能供暖工程也于近年开始工程示范。高原高寒地区典型太阳能供暖储热项目如表5所示。

表5 高原高寒地区典型太阳能供暖储热项目

太阳能供暖储热系统的设计选型要综合考虑当地气候与太阳能资源条件，以及投资规模；系统运行策略需要根据建筑用途、用户需求等进行调整。拉萨一职太阳能供暖项目（见图11、图12）作为拉萨市第一个中型太阳能集中供暖项目，于2020 年11 月投入使用。该项目储热系统选择具有短期储热能力、容积为5000 m3的钢制储水罐，并从技术、经济、运维等方面对热泵、燃气锅炉以及电热等辅助热源逐一筛选，最终选择可靠性强的电热供热。拉萨一职太阳能供暖系统的运行策略以学校作息为依据，从节能与经济环保的角度出发，学校教室夜晚只保持5～8 ℃的值班温度即可，在12 月至来年2 月寒假期间，除教职工公寓需全天供热外，学校其他建筑只需维持值班温度。

浪卡子县和仲巴县太阳能资源极其丰富，大型太阳能集中供暖项目（见图13、图14）的运行实践表明，浪卡子县和仲巴县集中供暖系统的太阳能保证率分别达到了100%和95%［30］。

4 结论

高原高寒地区可再生能源和土地资源丰富，适宜采用太阳能供暖技术。而优选安全可靠、技术先进、经济合理的太阳能供暖储热技术，将有效促进清洁能源供暖项目的实施。本文主要结论如下：

（1）供暖技术选择。针对人口密集、热负荷较高的高原高寒地区县乡，可选用大型集中太阳能供暖储能系统；也可互补风能、水能等可再生能源，建造高效节能的热电联供系统；在居住人口较为分散的地区，可采用主/被动式太阳能联合供暖的分布式和户用太阳能技术，以充分地利用丰富的太阳能资源。

（2）供暖系统设计。太阳能供暖系统设计选型首先依据当地气象和资源条件，再综合考虑建筑用途，居民生活方式等选择供暖室内温度，确定合理的供暖热负荷。若设计中选用热负荷估计值可能会导致系统无法满足居民冬季稳定供暖，或造成系统集热面积、储热容积选择过大，从而使系统成本增加。

（3）储能技术选择。高原高寒地区应选用具有成本优势且储热效率较高、系统稳定的热水储热作为主要储热方式。储热系统具有规模效益，在居住集中的地区发展大规模太阳能跨季节供暖储热技术，可有效提高储热效率。