报告｜西建大王登甲：青藏高原太阳能供暖集蓄热系统特殊性问题及对策
青藏高原农村供暖条件落后，生活环境恶劣。改善宜居环境是当地居民的主要诉求之一。高原地区太阳能资源丰富，太阳能采暖是适合当地的采暖方式之一。然而，在典型高原冬季寒冷漫长、低压缺氧、极度干燥等极端特殊气候条件下，太阳能采暖系统面临一些特殊的“高原反应”，这对太阳能采暖的安全可靠性提出了巨大挑战。如何克服系统这些“高原病”已成为青藏高原太阳能供暖的重点。西安建筑科技大学教授、博士生导师、太阳能建筑与环境中心副主任王登甲认为，光伏等可再生能源电价大幅下降给高原带来新思路加热;他提出，高原地区太阳能供暖系统的运行、维护和管理远比设计重要。
12月8日至9日，“2020国际可再生能源供热技术大会及太阳能基础技术”由国家太阳能热利用产业技术创新战略联盟、中国科学院电工研究所主办、协办内蒙古旭辰能源有限公司在主楼供热技术论坛上，王登甲教授带来了西安建筑科技大学和西部绿色建筑国家重点实验室关于太阳能采暖和采暖专题问题的研究成果。近年来青藏高原蓄热系统的研究，让我们深入了解青藏高原太阳能供暖的利用。提供有用的参考和启发。
以下是王登甲教授作的主题报告《青藏高原太阳能供热蓄热系统的特殊问题与对策》主要内容：
1、青藏高原太阳能供暖简介
青藏高原海拔在3000米至5000米之间，是中国最大、世界最高的高原，被誉为“世界屋脊”。煤炭、石油、天然气等常规能源资源几乎为零，生态环境极其脆弱。高原高寒、低压、缺氧、极度干燥是青藏高原典型的气候特征。
而且，青藏高原建筑还存在整体热工性能差、保温节能落实不到位、燃烧牛粪等材料取暖、室内卫生条件差、热环境水平低、采暖不彻底等问题。设备系统。改善青藏高原建筑宜居环境，必须解决这个“绊脚石”，因此目前寻找合适的供暖方式已成为当务之急。
利用自然条件改善宜居环境当然是首要任务。我们知道，青藏高原太阳能资源极为丰富。藏区地域辽阔，聚居分散，采集条件充足。其次，高原地区冬季建筑平均供暖负荷强度不高，但波动较大，储存调节压力较大。因此，具备了率先发展太阳能采暖的先决条件，也是一个突破。
实地考察发现，青藏高原地区相对分散，屋顶、空地等太阳能集热面充足，是太阳能采暖的理想场所。
在青藏高原建立的一系列太阳能采暖示范项目包括：
分散式单户、分布式和集中式太阳能供热项目
2.青藏高原太阳能供暖模式探讨
针对青藏高原太阳能采暖模式，我们根据分散式单户、分布式、集中式太阳能采暖的不同特点，从建筑保温和被动式太阳能利用的角度重点解决冬季采暖问题。
1、青藏高原分散的农村地区
（1）在建筑保温节能的基础上，增设阳光房、集热蓄热墙、太阳能热风蓄热（地板、墙体）等被动构件，有效提高室内温度；
(2)发展低成本被动式太阳能利用技术是解决此类地区建筑采暖问题的最佳选择。
2. 青藏高原聚居较密集的城市地区
（1）随着青藏高原城市化进程不断加快，城市建筑与内地已不再有显着差异。高楼层、高密度普遍存在，建筑屋顶难以满足太阳能安装要求；
（2）单纯依靠被动式太阳能技术很难满足农村地区冬季热环境要求。
因此，适当发展太阳能集中供暖已成为一种趋势，但应进行经济合理性分析。我们团队的建议是：
（1）发展太阳能集中供暖，利用一些高原城镇周边现有不适合农牧业的空地铺设太阳能集热场，建立太阳能、生物质、电能等补充供热站；
(2)对于一定规模和方式的储热和调节，集中运行、维护和管理更加方便、可靠性高。
但太阳能集中供暖仍投资较高，且存在夏季闲置时过热等问题。为此我们提出两种解决方案：
一是可以综合考虑全县热电消耗情况，实现光热、光电等多能源耦合供暖；
其次，对于有供热管网的城市扩建背景下的供热问题，可以考虑由太阳能热场承担部分扩建的供暖负荷。
3、太阳能热能收集与储存专项问题研究
一、青藏高原太阳能供暖系统面临特殊问题
高原气温低且昼夜波动大、强紫外线照射下绝缘材料易老化、低压仪器仪表易出现故障等，对安全可靠性提出巨大挑战太阳能供暖。因此，我们团队重点关注高原太阳能采暖系统出现的一系列故障和问题。进行全面检查。
太阳能集热器冻裂、过热汽化、仪表故障等都是影响安全可靠运行的特殊高原问题。
2、高原不同类型太阳能集热场测试及故障分析
太阳能真空管热风系统热损失和热效率现场性能测试及故障分析
太阳能液体工质平板集热场系统风温、热损失、热效率等现场性能测试及故障分析。
3、太阳能集热器现场测试结果分析
我们发现了以下问题：
(1)高原夜间辐射较大，集热场损失与平原地区差异较大。
(2)管道总热损失较大，系统设计时仍需考虑管道保温。
(3)集热器平均集热效率为30.1%，综合效率较低。
(4)冻裂损坏，故障率高。
综上所述，关键问题是隔热损失计算方法、耐高温抗冻技术、集热场效率提升和阻力优化！
4、缓解太阳能采暖、储热源的“高原病”问题
(1)高原及西北地区太阳能集热系统过热特性分析
◎ 提出瞬时过热度、平均过热度等评价指标来衡量系统过热程度；
◎ 获取集热器倾角、集热器面积、水箱容积、热介质流量等因素对系统过热的影响。
因此，考虑全年热耗的均衡设计和合理确定保证率是缓解整体过热问题的主要途径。
(2)太阳热场动态电阻特性及电阻修正计算方法
◎太阳能集热场内流动的工作流体温度变化剧烈，电阻波动较大。应修改原稳态阻力计算方法；为了防止局部过热和冻结，要求集热场的不平衡率较小。
◎ 建立集热场阻力特性数学模型：（1）分流集管相邻两支管之间的管段； (2)分流集管和支管的截面； (3)支管； (4) 合流集管和支管的截面； (5) 合流集管相邻两支管之间的管段阻力总和等于上述五部分阻力之和。
(3)高海拔地区平板太阳能集热器热损失修正计算方法
◎ 分析表明：在高海拔地区，气压低、空气密度低，导致对流换热系数小；但天空晴朗，背景温度低，辐射损失大；综合结果是什么？与平原相比如何？
◎ 分别研究对流传热和辐射传热，对流与辐射之间存在耦合关系。结果表明，高原气象条件下总传热损失系数变化率超过15%。
（4）高海拔地区太阳能集热器高温抗冻技术研究
◎ 问题：低温冻裂破坏是太阳能集热系统面临的最大安全隐患。在太阳辐射强、气温低、冷热交替频繁的青藏高原，此类问题更为突出。
◎ 研究了不同相变温度（两级变温）和相变材料（过冷材料）在平板集热器和U型管集热器中的应用，以缓解低温和高温。
◎研究成果：相变收集器可以通过低熔点PCM的凝固和放热作用延迟达到最低温度点的时间，通过高熔点PCM缓解高温时间，有利于缓解平板集热器的冻裂和超温问题。
上述优化设计可有效缓解集热器高温、低温地区1～2小时的冰冻危害，并能解决高原部分地区的冻害问题。
(5)大尺寸平板太阳能集热器用于太阳能采暖的性能研究
完善大尺寸平板太阳能集热器的理论基础研究，提高平板集热器在太阳能采暖系统中的适用性；为大尺寸平板太阳能集热器的设计、生产和工程应用提供参考。
◎ 通过模拟和实验的方法，对大尺寸平板集热器和普通并联集热器（相同面积下）进行对比研究。
◎ 结果表明，随着平板集热器外形尺寸的增大，其集热效率逐渐增大，热损失系数逐渐减小，管内传热效果增强，热性能得到一定程度的提高！
(6)高效太阳能储热/定向取热关键技术及性能评价方法
◎ 蓄热系统是太阳能集热系统不可缺少的组成部分，也是负荷管理和热量分配的重要组成部分。提高储热系统的热性能可以有效提高集热系统的集热效率。
○ 提高蓄热室的热性能，引导工质流动至蓄热室合适的温度水平，减少蓄热室入口处的热损失；
○ 提高蓄热体的蓄热性能，使蓄热体能够动态合理地蓄热和输出，提高能源利用率。
◎ 建立一系列衡量水体蓄热高效利用的评价指标：分层效率、蓄热效率、火用效率等，可用于设计大型水体蓄热系统，提高太阳能利用率效率。
◎ 基于分层储热和定向取热的思想，提出了高效储热系统的优化设计方法，并开发了水箱定型结构，实现灵活分层和按需取热。
(7)控制不当导致辅助热源消耗大
◎ 一些太阳能供热项目“注重前期设计，忽视后期运行维护”。因此，辅助热源的实际投资比例很大，甚至起到主导作用。导致目前的太阳能采暖系统不仅初期投资高，而且运行成本也高；
◎ 主要原因：（1）设计不充分，保证率低； (2)控制逻辑不当，加热输出时序优化不合理；
◎ 太阳能采暖系统的运行和维护非常重要；从系统运行安全可靠的角度来看，统一维护、专人管理的太阳能集中供热系统具有一定的优势。
4 结论与展望
经过多年的研究和实践，团队认为光伏等电价的大幅下降给高原供暖带来了新思路！
太阳能供暖技术最大的问题是可靠性、稳定性和成本。在青藏高原，主要问题是极其特殊的高原气象条件下的适宜性；储热关键技术是太阳能高效供热的基础和保障，灵活可调的按需供热终端技术是太阳能精准利用的手段和措施。 。另外，太阳能供热控制技术相对传统和落后，也是导致太阳能保证率低、辅助热源出力高的主要问题之一。高原地区太阳能供暖系统的运行、维护和管理远比设计重要。返回搜狐查看更多