高原高寒地區太陽能供暖儲熱適用技術分析*

劉維安 倉啦 趙斌 袁喜鵬 董昭鋒 王鵬 旦增卓嘎 呂玥

（1.長沙理工大學，湖南 長沙 410114；2.西藏自治區能源研究示范中心，西藏 拉薩 850000）

西藏地處高原高寒地區，全年氣溫低、降水量少，生態極其脆弱，是我國重要的生態安全屏障［1-2］。隨著全球溫室效應加劇，西藏生態環境對氣候變化的響應更加敏感［3］。目前，西藏全境僅有拉薩等地的公用建筑冬季可采用燃氣采暖和電采暖，部分太陽能供暖示范項目也在建設中，而大部分居住分散的農村居民還在延用燃燒牛糞等取暖方式。由于當地的含氧量低、建筑圍護結構差等原因，燃燒牛糞的采暖方式不僅效率低下，且對當地生態環境造成了一定的負面影響。然而，西藏地區作為我國太陽能資源最為豐富地區之一，太陽年總輻射量普遍在6500 MJ/(m2·a)，甚至個別區域高達8500 MJ/(m2·a)以上。因此，在西藏地區實施太陽能供暖可以作為實現高原高寒地區清潔能源供熱的新途徑。該技術的應用不僅可改善民生，而且可減少因消耗化石能源而產生的污染物，從而保護生態環境。

本文從分析太陽能供暖儲熱技術入手，概述了相關學者在高原高寒地區開展的太陽能供暖系統的研究，提出了適用于高原高寒地區的集中式、分布式和戶用太陽能供暖技術選擇方法。最后通過高原高寒地區太陽能供暖示范項目，驗證了此技術的適用性、先進性和安全性。

1 太陽能供暖儲熱技術

1.1 太陽能供暖技術

太陽能供暖根據是否使用機械設備可分為太陽能主動式和太陽能被動式兩種供暖方式［4］。目前的太陽能供暖技術集供暖和儲熱為一體，具有很好的可靠性和調節特性。

1.1.1 太陽能主動式供暖。太陽能主動式供暖通過集熱系統收集太陽輻射能。為了保證穩定供熱，通常搭配輔助熱源進行調節，并將多余集熱量存儲在儲熱裝置中，如圖1 所示。主動式供暖根據供暖規模可分為區域式供暖和戶用供暖。區域式太陽能供暖系統主要包括集中式與分布式兩種。其中集中式為配有大規模集熱、儲熱設施以及供熱網絡的大型太陽能區域供熱系統，如西藏仲巴縣與浪卡子縣的太陽能集中供暖系統，其供暖面積分別達到了103500m2與89000m2。分布式一般用于居住分散的地區或單體建筑，如西藏能源研究示范中心辦公樓所采用的帶補燃的太陽能分布式供暖系統［5］，供暖面積達1000 m2。戶式靈活性強、規模小，供暖和供生活熱水一體化。

1.1.2 太陽能被動式供暖。太陽能被動式供暖不使用機械設備，通過合理布置建筑朝向與空間［6］、選擇合適的圍護結構與建材（窗、墻等），在冬季實現對太陽能的收集、儲存和分配；在夏季對太陽輻射起遮蔽作用。太陽能被動式供暖包括附加陽光間、集熱蓄熱墻、蓄熱屋頂等構造，以及對流環路式、集中受益式等技術。附加陽光間作為常見的太陽能被動式供暖方式，既可以給房屋主體提供熱量，也能作為緩沖區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光間示意圖。

1.2 儲熱技術

儲熱在太陽能供暖系統中負責收集富余的太陽能，以彌補太陽能存在的波動性、間歇性等缺點，是實現連續供暖的主要方法。根據儲熱介質的物性變化，儲熱包括顯熱儲熱、潛熱儲熱和化學儲熱三種技術。

1.2.1 顯熱儲熱成本低、技術最成熟，發展最早。其中熱水儲熱有良好的保溫措施，儲熱密度相比于土壤、礫石等材料更高并且可提供較好的溫度分層［7］，目前在我國太陽能熱水器、跨季節儲熱系統中廣泛應用。含水層儲熱、土壤儲熱等將自然環境作為儲熱體，儲熱密度低且對水文地理要求較高，施工前需要進行地質探測，以了解土壤的熱物性等參數。

1.2.2 潛熱儲熱因其溫度變化小、儲能密度高等特點成為當前研究的熱點。但相變材料導熱性能差、易發生過冷現象，而且相變儲熱系統較復雜、投資較高［8］，目前主要從強化傳熱、提升相變儲熱裝置效率、制造高性能相變材料等方向開展研究。

1.2.3 化學儲熱通過可逆化學反應儲存或釋放熱量，可分為濃度差熱儲存、化學吸附熱儲存以及化學反應熱儲存三類。化學儲熱熱密度高，能夠實現在接近環境溫度下長期無熱損儲熱。但化學儲熱對儲熱裝置要求高、設備復雜、投資較高、整體效率較低，有些反應的動力學特性目前尚不完全清楚［9-10］，目前主要還處于試驗探索階段。三種儲熱技術在儲熱密度、熱容量、設備要求、穩定性、經濟性等方面各有其特點，詳見表1。

表1 不同儲熱技術特性對比

儲熱技術根據儲熱周期長短又可分為短期儲熱和長期儲熱。短期儲熱收集白天、晴天富余熱量，以滿足夜間、陰天的用戶熱需求。長期儲熱（也稱跨季節儲熱）存儲非供暖季富余的太陽能以滿足供暖季熱需求。跨季節儲熱可將太陽能保證率提高至40%以上［11］。短期儲熱與長期儲熱的特性對比見表2。

表2 短期儲熱與長期儲熱特性對比

目前，太陽能供暖項目設計通常都配置儲熱裝置，以提高太陽能保證率。儲熱技術的選擇包括確定儲熱方式與儲熱周期，具體情況要綜合供暖需求、熱源特性、成本以及當地環境等方面考量。

2 太陽能供暖儲熱技術選擇

2.1 太陽能供暖系統

作為靈活性極強的清潔供暖技術，太陽能供暖系統在太陽能資源豐富地區可作為主要采暖方式，通過匹配熱泵、地熱能、生物質能、電能等多種輔助熱源實現“太陽能+”供暖模式，也可在太陽能資源欠豐富地區作為輔助熱源配合電取暖。典型的太陽能供暖系統如圖1、圖4 和圖5 所示。圖4 為高層建筑應用較為廣泛的集中集熱、分戶輔熱及儲熱式太陽能供暖系統。該系統通過在屋頂集中設置太陽能集熱器收集太陽能，并通過供熱管網加熱分布在每戶的小型儲熱水箱，每戶家庭還額外配備輔助熱源以備不時之需，該系統使整棟建筑共享集熱器，充分提高了太陽能利用率，適用于高原高寒地區人口集中的居民建筑和公共建筑。

圖5 為適用于農村單體建筑的太陽能空氣式采暖系統。該系統構造簡單，利用空氣供暖，避免了冬季管道凍結，可同時保障農村家庭的采暖與熱水供應。

高原高寒地區不同于我國北方平原，當地常年寒冷干燥、晝夜溫差大［12］，西藏阿里、那曲等地區全年僅有三個月能超過10℃［13］，且當地缺少煤炭、天然氣等傳統能源。依據高原高寒地區氣象和資源條件，關于太陽能供暖系統參數匹配（集熱面積/儲熱容積、集熱面積/供暖面積）、結構特性、運行策略，穩定性與可調節特性相關文獻匯總如表3所示。

表3 高原高寒地區太陽能供暖系統研究

2.2 太陽能儲熱裝置

目前，大型太陽能儲熱系統一般為儲熱水池、鋼制儲水罐以及地埋管等，小型太陽能儲熱系統主要為水箱儲熱和相變儲熱裝置。各種儲熱裝置特點如下：

2.2.1 儲熱水池。儲熱水池單位體積成本低，儲熱體積一般在50000～500000m3，適合大規模跨季節儲熱。水池形狀以倒四棱臺型結構為主，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，大坡度可以節省占地面積，但施工難度增大且有塌方危險；小坡度便于施工，但會增加占地面積。水池在運行初期會有一定的熱損，當周圍土壤加熱后，熱損也隨之減小，一般不超過20%.

2.2.2 鋼制儲水罐。鋼罐儲熱單位體積成本較高，體積一般不超20000m3，適合短期儲熱。儲熱鋼罐施工簡便、快捷，且不受氣候、地質影響。儲熱鋼罐外觀如圖7所示。

2.2.3 地埋管。地埋管（見圖8）通過在地表以下安裝地埋管換熱器進行儲、釋熱，利用較為廣泛。但土壤儲熱密度較小，儲熱量相同時，地埋管的儲熱容積要比熱水儲熱高出3～5倍［23］。相對于水池儲熱和相變水箱儲熱，相同儲熱量下地埋管最經濟且熱損較小［24］。

2.2.4 儲熱水箱。儲熱水箱（見圖9）廣泛應用于戶用小型太陽能供暖系統，分為壁掛式與立式兩種，其特點是靈活性強，經濟性高，部分太陽能跨季節蓄熱系統也選用儲熱水箱。

2.2.5 相變儲熱。相變材料儲熱密度通常可達顯熱儲熱的3 倍以上，且輸出溫度穩定，供熱時間長，但成本較高、系統較復雜，尚未大規模推廣使用。在戶用太陽能儲熱系統研究中，國內學者［14,25-26］從系統運行、相變材料及系統參數的選取等方面將相變材料集成應用在高寒地區的戶式太陽能供暖系統中，以提高系統儲熱效率，保障穩定供暖。一種相變儲熱裝置如圖10所示。

高原高寒地區供暖時間長、晝夜溫差大，小型儲熱系統需要在白天儲存足夠多的熱量以供夜晚建筑采暖與生活熱水；跨季節儲熱系統需要在夏季收集足夠富余的太陽能，以保證整個冬季的供暖需求。以上各種技術在高原高寒地區工程驗證表明，適用于高原高寒地區可有效保證冬季穩定供暖。如表4 所示，目前，諸多學者針對高原高寒地區儲熱系統，通過研究系統運行特性提出優化策略，或采用數值模擬與實驗方法從集熱面積/儲熱容積、儲熱系統溫度分層、儲熱系統保溫層厚度、減小儲熱損失等方面進行研究，保證達到供暖需求的同時節約資源與成本。

表4 高原高寒地區太陽能儲熱系統研究

3 太陽能供暖儲熱工程實例

據統計，目前我國太陽能熱利用市場居世界第一，以小型戶用太陽能供暖系統為主。隨著我國開始重視新能源技術，許多單體建筑開始采用太陽能供暖，大型太陽能供暖工程也于近年開始工程示范。高原高寒地區典型太陽能供暖儲熱項目如表5所示。

表5 高原高寒地區典型太陽能供暖儲熱項目

太陽能供暖儲熱系統的設計選型要綜合考慮當地氣候與太陽能資源條件，以及投資規模；系統運行策略需要根據建筑用途、用戶需求等進行調整。拉薩一職太陽能供暖項目（見圖11、圖12）作為拉薩市第一個中型太陽能集中供暖項目，于2020 年11 月投入使用。該項目儲熱系統選擇具有短期儲熱能力、容積為5000 m3的鋼制儲水罐，并從技術、經濟、運維等方面對熱泵、燃氣鍋爐以及電熱等輔助熱源逐一篩選，最終選擇可靠性強的電熱供熱。拉薩一職太陽能供暖系統的運行策略以學校作息為依據，從節能與經濟環保的角度出發，學校教室夜晚只保持5～8 ℃的值班溫度即可，在12 月至來年2 月寒假期間，除教職工公寓需全天供熱外，學校其他建筑只需維持值班溫度。

浪卡子縣和仲巴縣太陽能資源極其豐富，大型太陽能集中供暖項目（見圖13、圖14）的運行實踐表明，浪卡子縣和仲巴縣集中供暖系統的太陽能保證率分別達到了100%和95%［30］。

4 結論

高原高寒地區可再生能源和土地資源豐富，適宜采用太陽能供暖技術。而優選安全可靠、技術先進、經濟合理的太陽能供暖儲熱技術，將有效促進清潔能源供暖項目的實施。本文主要結論如下：

（1）供暖技術選擇。針對人口密集、熱負荷較高的高原高寒地區縣鄉，可選用大型集中太陽能供暖儲能系統；也可互補風能、水能等可再生能源，建造高效節能的熱電聯供系統；在居住人口較為分散的地區，可采用主/被動式太陽能聯合供暖的分布式和戶用太陽能技術，以充分地利用豐富的太陽能資源。

（2）供暖系統設計。太陽能供暖系統設計選型首先依據當地氣象和資源條件，再綜合考慮建筑用途，居民生活方式等選擇供暖室內溫度，確定合理的供暖熱負荷。若設計中選用熱負荷估計值可能會導致系統無法滿足居民冬季穩定供暖，或造成系統集熱面積、儲熱容積選擇過大，從而使系統成本增加。

（3）儲能技術選擇。高原高寒地區應選用具有成本優勢且儲熱效率較高、系統穩定的熱水儲熱作為主要儲熱方式。儲熱系統具有規模效益，在居住集中的地區發展大規模太陽能跨季節供暖儲熱技術，可有效提高儲熱效率。