0 引言

随着国民经济的发展，能源需求量日益增加。供暖空调能耗占建筑能耗的比例较高，在能源日趋紧缺以及倡导低碳环保的背景下，太阳能的利用尤为重要。随着太阳能热利用产品性能的日益提高，太阳能供暖技术逐渐成熟，太阳能供暖受到人们的重视。

高原机场建设所在地气候寒冷且距离城市较远，一直以来能源供应单一，主要以水电为主，燃油、煤炭均需由外地运入。由于道路交通极为不便、运输成本过高，使得常规能源价格昂贵。能源需求与传统能源供应及生态环保方面的矛盾日益突出，供暖热源的合理选择对于节省运行费用、节能减排显得尤为重要。

本文结合项目实例，对高原地区太阳能供暖系统特点、热负荷特性、设备配置选择等进行介绍，并通过运行测试数据对集热器效率、太阳能贡献率等作进一步的分析比较。

1 项目概况

本文所介绍工程为西藏拉萨地区某机场航站楼供暖系统改造设计，其新建办公区、综合业务区、宿舍等区域设有散热器供暖末端，但无供暖热源，而建成时间较早的建筑内部无任何供暖设施，大部分采用分体空调供暖。

拉萨地区冬季气候恶劣，空气稀薄、气温低，为了给机场员工提供一个良好的工作环境，保证机场安全运行以及满足节能减排的需要，需对航站楼及辅助用房进行供暖系统改造。供暖改造的总建筑面积约为17 065 m2，结合原有供暖系统末端设计情况，室内供暖供/回水温度定为58 ℃/50 ℃。

2 供暖热源的选择

根据当地的能源状况，机场可以使用的能源有太阳能、地下水、电能、柴油等。

2.1 气候特点

西藏高原海拔高，空气稀薄，尘埃和水汽含量少，大气透明度高，阳光透射大气层时能量损失少，对于太阳能利用有得天独厚的优势。项目所在地拉萨地区太阳能资源尤为丰富，年平均日照时间普遍在3 000 h以上，局部地区甚至可以达到3 500 h以上；辐照总量高于7 000 MJ/m2，气象条件十分优越，是我国太阳能资源最丰富的地区之一。

表1给出了拉萨地区的太阳能集热设计气象参数。图1给出了12月某日的实测太阳辐照度。

 

表1 拉萨地区的太阳能集热设计气象参数

  

月份1011121234月平均温度/℃8.32.3-1.7-2.21.04.48.3供暖期月平均日太阳辐照量/(MJ/(m2·d))26.26026.02325.02524.87124.65024.01522.649月日照时间/h294.3279.4270.5262.4237.5258.4261.8

  

图1 12月某日的实测太阳辐照度

2.2 太阳能供暖的特点

太阳能是能量密度较小的能源，投射到地球表面的能量白天和晚上差别很大，同时还受天气的影响，存在间歇性和不稳定性问题。供热系统需要的热量与得到的太阳能相矛盾：天气晴朗时，室外温度较高，太阳辐射比较强，而此时热负荷相对来说较小；在晚上或阴雨天气时，室外温度较低，集热器收集的热量很少甚至为零，而此时却是热负荷较大的时候。

因此分析、研究高原机场的负荷特性，综合权衡经济性和节能性，设计与其负荷特性相匹配的太阳能供暖系统，是太阳能供暖系统在高原机场应用中需要解决的关键问题。

1.2.2.1 叶片采集及处理。采样按照李港丽等[7]的标准进行。7月至8月中旬，取树冠外围中部各方向当年生枝条中部生理成熟的健康叶，每株树取25片(带叶柄)，每个果园随机采5棵树，组成混合样。带回实验室后先用自来水冲洗叶片的灰尘，再用去离子水清洗。转入袋中置于烘箱105 ℃下杀青20 min，然后在70～80 ℃下烘干，转入 16目粉碎机，粉末装入塑封袋用以测定叶片全量氮、磷、钾、铁、锰、铜、锌、钙、镁、硼的含量。

2.3 供暖系统热源的确定

2.3.1 主要热源

拉萨地区太阳能资源丰富，经过方案对比研究，确定采用太阳能作为供暖系统的主要热源。

该工程为改建项目，不具备改变原有建筑朝向、结构等条件，采用主动式太阳能间接加热供暖系统，设备组成主要包括：耐压防冻型真空太阳能集热器、立式容积式换热器、供暖循环泵、乙二醇循环泵、膨胀罐、控制器等，循环工质采用50%的乙二醇水溶液。

2.3.2 备用热源

拉萨处于雅鲁藏布江南岸，地下水源丰富，地下水温度比当地年平均温度高1～2 ℃，并随着深度的增加，温度逐渐升高。经现场打井测试，实测水温为11.5 ℃，单井取水量可达85 m3/h，水量充足。因此，选用水源热泵作为该项目的辅助热源。采用水源热泵系统作为辅助热源还可有效解决夏季太阳能系统收集的热量无处释放的问题——将夏季太阳能系统收集的热量导入地下，用于冬季供暖。

2.4 太阳能集热器类型的确定

水源热泵单独作为供暖热源时，能耗主要为水源热泵机组和深井泵、供暖循环泵用电，平均总功率约为466 kW，每天运行24 h。

该工程选用真空管集热器，分别设置在场区办公楼、车库、热能中心等建筑的屋面上。

3 供暖系统设计

3.1 高原机场的热负荷特点

高海拔寒冷地区冬季白天太阳辐射强，室外温度较高，建筑热负荷较小，但夜间由于空气稀薄，对天空辐射强，室外环境温度低，建筑热负荷比较大，因此日平均和最大热负荷相差较大，这在寒冷的12，1，2月尤为明显。

  

图2 机场建筑日热负荷

图2给出了机场建筑日热负荷。从图2可以看出：12月至次年2月白天太阳辐射较强时，热负荷需求相对供暖季其他月份差别不是特别大；夜间最大热负荷需求为供暖季其他月份的2～3倍，供暖系统设计中应把高海拔寒冷地区热负荷的这种特性考虑在内，以设计出与高海拔寒冷地区建筑匹配的供暖系统。

为了保证供暖效果，在供暖系统设计中，供暖热负荷通常按照供暖中期(最不利)的气象参数设计计算，因此在供暖的初期和末期势必会造成热量的“相对过剩”。确定集热器和辅助热源配比时，既要综合考虑能够充分利用太阳能，缩短热泵机组运行时间，提高系统的运行性能系数，也要考虑降低系统投资，提高系统效益，防止系统在供暖初、末期过热等因素。

3.2 太阳能系统配置

图3给出了最冷日建筑热负荷与室外空气温度之间的关系。

  

图3 最冷日建筑热负荷与室外空气温度之间的关系

在确定太阳能保证率时，考虑供暖初、末期(除中期极冷天气外)天气晴好的状况下白天全部由太阳能供暖，不开启辅助热源，以减少系统耗电量，提高系统的运行性能系数。

机场区域除宿舍需要24 h供暖外，航站楼、办公楼及综合业务楼供暖时间为06:00—24:00。根据图2，3数据，结合该项目热负荷特性，确定由太阳能提供的供热量为700 kW，太阳能保证率为0.55。

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辅助热源按照全部热负荷计算(考虑阴、雨、雪天气没有太阳能可利用，所有能源需要全部由水源热泵提供)。热能中心内设置水源热泵机组2台，配套设置旋流除沙器2台、水井6口、深井泵2台。

 

(1)

该项目采用间接加热系统，根据经验公式间接加热系统的集热器总面积为

Ain=AC1+

(2)

式(1)，(2)中 AC为直接加热系统集热器总面积，m2；QH为供暖设计热负荷，W；f为太阳能保证率，取0.55；JT为集热器采光面上的平均日太阳辐照量，J/(m2·d)；ηcd为基于总面积的集热器平均集热效率，按50%计算；ηL为管路及贮热装置的热损失率，按15%计算；Ain为间接加热系统集热器总面积，m2；UL为集热器总热损系统，W/(m2·℃)；Uhx为换热器传热系统，W/(m2·℃)；Ahx为间接系统换热器换热面积，m2。

经计算，集热器面积为6 000 m2。

3.3 水源热泵配置

太阳能直接供暖系统集热器总面积按下式计算[1]：

以前，我的眼睛是蓝色的，那是一种呆滞、灰暗的蓝，然而眼线让它们变得生动犀利0在头发的修饰下，五官显得更加柔和圆润。我不算漂亮——眼睛太大，鼻子太长——但现在我明白克里斯蒂娜是对的，这张脸现在变得引人注目了。

3.4 夏季太阳能集热器防晒设施

对于高原机场这类公共建筑，夏季基本不需要供冷，太阳能系统收集的热量无处释放，真空管长时间不使用，“空晒”会导致“爆管”。

设计采用整体板式一体化水-水换热机组，在集热系统出水口设置压力控制器控制防晒系统的启停。当压力超过设定压力时，启动深井泵和太阳能循环泵，进行换热，将太阳能系统收集的热量导入地下；当压力小于设定值时，防晒系统停运。

防晒设施的设置既防止了夏季“爆管”，又解决了冬夏热量平衡的难题，给水源热泵长期稳定运行提供了保障。

高压喷射灌浆施工孔轴线布置在闸室前后齿墙及两侧岸墙下，为增加墙体厚度，各孔采用摆喷灌浆［1］，设计摆角23°。设计一序孔喷射板墙与轴线成20°，二序孔喷射板墙与轴线成160°，板墙平面呈140°交叉折线型［2］。高压摆喷灌浆如图1。

4 控制方案

太阳能供暖系统由集热、换热、供热以及辅助水源热泵等系统组成，系统之间相互关联，设置合理的控制系统可以充分利用太阳能，缩短辅助热源的运行时间。

有天，我去山里看他，看着那些细细小小的银杏树，不解地问：“爸，你怎么不种些果树、花椒树和香椿呢？这些树生长快，银杏长得太慢了。”父亲笑了，他眯着眼，望着前方那一片银杏林，说：“以后你就知道了。”

太阳能供暖系统有3种运行模式：太阳能单独供暖、太阳能与水源热泵串联供暖和水源热泵单独供暖。

控制主要分为集热器侧控制和负荷侧控制。集热器侧主要控制集热器循环泵的开启，负荷侧则主要控制供暖泵、水源热泵机组和地下水源热泵侧水泵等。太阳能+水源热泵组合系统原理图见图4。

在人工智能、自动驾驶以及其他探测领域，激光雷达需要几米到几百米的动态范围[6]，如自动驾驶典型工作范围为5～150 m，则回波功率动态范围可达78.16 dB，在满足远距离测距要求时，会导致近距离处接收电路响应的回波信号饱和，造成系统的探测精度严重下降，从而降低了雷达的动态范围.目前激光雷达主要采用多套雷达系统协同工作，成本较高，实现较复杂.如何减少硬件系统，在算法上实现大的动态范围是一个亟待解决的问题.

  

图4 太阳能+水源热泵组合系统原理

选用一套水温智能控制仪监测太阳能蓄热水箱、供暖循环水、太阳能乙二醇溶液的温度，通过控制温度的设定，启动或关闭相关机组和泵组。主要监测温度包括：太阳能集热系统乙二醇溶液温度t1；立式蓄热水箱下层温度t2；立式蓄热水箱上层温度t3；供暖水循环供水温度t4。

根据以上温度的监控数据进行如下自控设定：

1) t1-t2>5 ℃且t3<60 ℃时开启乙二醇泵；

2) t1-t2<2 ℃或t3>60 ℃时关闭乙二醇泵；

（3）混合调配：将百香果汁和胡萝卜汁按一定比例混合，加入少许小苏打溶液，调至混合液pH值为6.5，再按比例加入鲜奶和白砂糖，最后再加入稳定剂，搅拌均匀即可。

3) t4<47 ℃(根据系统设定的供水温度确定，低于供水温度)时开启水源热泵机组；

4) t4>53 ℃(根据系统设定的供水温度确定，不低于供水温度)时关闭水源热泵机组。

院长住在敬老院最东面的一个小独院里，这个小院有数亩地大小，里面种满了芹菜和大葱菠菜之类的，还稀疏地种着几棵柿子树，院墙下种满了竹子，还有几棵高大的楸树。这个独院非常幽静，平时，也没人来这儿。老冬瓜一行人来的时候，院长正在楸树下喝茶。他躺在躺椅上眯缝着双眼。酒糟鼻子在细碎的灯光下樱桃般红紫。据张麻子说，院长四细狗当年做村长的时候，就这德性，他喜欢躺在躺椅上看掉在地上的月光。

5 供暖系统运行状况测试

该项目2013年底投入使用，2015年1月对机场太阳能+水源热泵供暖系统的实际运行进行了测试，下面分析测试结果。

5.1 集热器运行参数分析

  

图5 集热器进、出口温度

图5给出了集热器进、出口温度。从图5可以看出，受室外环境温度影响，集热器夜间热损失很大，其出口初始温度在0 ℃以下，进口初始温度维持在36 ℃左右，这是因为集热器进口温度探头靠近蓄热水箱，测得的进口温度较接近蓄热水箱内的温度。

09:00后随着太阳辐照度逐渐增强，太阳能集热器出口温度逐步上升。其中，09:00—10:10，集热器温度迅速上升，在10:10时出口温度超过蓄热水箱温度5 ℃，集热器与蓄热水箱开始持续换热，集热器进、出口水温出现温差，并随着太阳辐射的增强，温差加大。

15:15之后太阳能集热器进、出口温度出现剧烈波动，15:15时集热器出口温度为70.8 ℃，按照5 ℃的换热控制温差计算，蓄热水箱内的温度已经超过60 ℃，达到了水箱的切断控制温度，此时无论集热器和蓄热水箱之间的温差有多大，蓄热水箱也不会从集热器中取热，集热器内介质温度迅速上升，最高超过100 ℃。

也就是说，从最开始的时候，宝宝的视线会随着自己在镜中的移动而移动；等宝宝再大些，他会伸手去触摸对面镜子中的人，看着镜中的自己做出一些举动和反应，也就是我们常常看到的宝宝激动的表现：咿咿呀呀的声音，或者开心地笑起来。宝宝对镜中人像的反应，实际上就是对他人、对周围环境信任感和安全感的体现。

5.2 太阳能系统运行状况

除了集热器过热时段，太阳能系统瞬时有效集热量的变化规律与太阳辐照度变化规律基本一致。

  

图6 太阳能单元与热泵单元启停状况

供热系统各种模式的运行时间如下：10:10之前，热泵系统单独运行；10:15—12:15，太阳能系统和热泵系统联合运行；12:15—19:15，太阳能系统单独运行；19:15之后，热泵系统单独运行。

太阳能系统单独供热时长达7 h。测量日当天，太阳能系统全天制热量为3 900 kW·h，水源热泵系统制热量为8 569 kW·h，太阳能系统的贡献率为31.3%，低于设计值。短时间测试值与系统长时间运行工况结果可能存在一定偏差。

5.3 太阳能集热器集热瞬时效率

  

图7 太阳能集热器进出口温差和有效集热量变化

1) 图7给出了太阳能集热器进出口温差和有效集热量变化。从图7可以看出，随着太阳辐照度的逐渐增强，太阳能集热器与蓄热水箱的换热不断增强。10:00—13:50期间，集热器的有效集热量逐渐上升，13:50时达到峰值，然后逐渐回落。在15:15—17:50期间，由于蓄热水箱的高温切断控制，蓄热水箱和集热器之间不再换热，瞬时有效集热量为零，期间由于水箱供热温度降低，需要取热而出现了部分时段的有效集热量波动。17:50之后，由于太阳辐照度的减弱和末端热量需求的增大，集热器和蓄热水箱重新开始持续换热过程，直到18:30集热器内温度无法满足换热需求为止。

图6给出了根据1月某日数据分析得到的热泵系统和太阳能系统运行时间变化情况。

2) 由瞬时太阳辐照度和瞬时集热器有效集热量可以计算得到太阳能集热器的瞬时热效率，其分布如图8所示。由图8可见，除了蓄热水箱高温切断阶段，太阳能集热器瞬时集热效率总体呈正态分布。

  

图8 太阳能集热器瞬时集热效率

10:00—13:50期间，太阳能集热器的集热效率总体呈现逐渐上升的趋势，12:15时集热效率达到50%左右，随后集热效率维持在50%以上，集热系统瞬时集热效率峰值54.7%出现在13:15，达到了基于总面积的集热器设计平均集热效率50%，满足设计要求。

5.4 水源热泵运行性能分析

  

图9 热泵机组供回水温差与COP

图9给出了热泵机组供回水温差与COP，由图9可知，水源热泵机组在冬季供暖工况下单独运行时较为稳定。地下水供回水温差维持在5 ℃左右，用户侧进出水温差维持在6 ℃左右，机组COP较高，基本维持在5.1左右，联合供暖系统热泵机组运行状况良好，较为节能。由实测可知，末端实际供暖温度为42 ℃，而不是设计工况下的58 ℃。

6 太阳能供暖系统效益分析

6.1 经济效益分析

6.1.1 太阳能供暖、备用热源为水源热泵

太阳能机组运行时，能耗主要为乙二醇循环泵和供暖循环泵用电，总功率约为100 kW；辅助热源(水源热泵)运行时，能耗主要为水源热泵机组和深井泵、供暖循环泵用电，平均总功率约为466 kW；能耗分析时按太阳能机组每天运行8 h，水源热泵机组每天运行16 h计算。

6.1.2 水源热泵供暖

太阳能集热器包括平板型集热器和真空管集热器。目前使用的平板型集热器主要为全铜板芯或铜铝板芯集热器。平板型集热器在高温时热效率高，低温时热效率较低，具有承压高、热传递性能好等优点，适合在南方地区使用。真空管集热器包括全玻璃真空管和热管式真空管。真空管集热器具有保温性能好、低温热效率高、吸收系数达94%～96%、辐射系数小于6%等优点，适合在北方地区使用。

6.1.3 电锅炉供暖

只采用电锅炉作为热源时，能耗主要为电锅炉和供暖循环泵用电，平均总功率约为846 kW，每天运行24 h。

6.1.4 能耗比较

供暖运行时间一般为11月至次年4月，年运行时间按3 200 h计算。估算系统运行费用时，电价取1.1元/(kW·h)，电力折标准煤系数取0.33 kg/(kW·h)，不同供暖方式的能耗及运行费用见表2。

 

表2 系统能耗及运行费用对比

  

功耗/kW年运行能耗/(kW·h)年运行费用/万元折标准煤/t太阳能+水源热泵100/4661100800121.088363.249水源热泵4661491200164.032492.096电锅炉8462707200297.782893.376

根据表2可以算出，采用太阳能机组和水源热泵机组联合供暖，每个运行年度比水源热泵单独供暖节电39.04万kW·h，年运行费节省42.944万元；比电锅炉供暖节电160.64万kW·h，年运行费节省176.694万元。

6.2 环境效益

太阳能机组和水源热泵机组联合供暖每个运行年度比水源热泵单独供暖节省标准煤128.847 t，CO2减排量为391.20 t，SO2减排量为11.78 t，NOx减排量为6.472 t；比电锅炉供暖节省标准煤530.127 t，CO2减排量为1 602.2 t，SO2减排量为48.21 t，NOx减排量为24.10 t。

从以上数据的比较可以看出，太阳能供暖系统节能减排效果明显，不仅给运营单位节省了运营费用，而且对当地环境保护有着深远的影响。

17:50—18:30，随着太阳辐照度的减弱以及末端供热量需求的增大，蓄热水箱内的温度开始低于60 ℃，集热器和蓄热水箱重新开始持续换热。18:30 之后，由于太阳辐照度的减弱，集热器介质温度再也无法高于蓄热水箱温度，换热过程结束，集热器内温度由于热损失开始不断降低。此时，蓄热水箱内的水温较高，仍可维持一段时间的单独供热，之后热泵系统才重新启动运行。

可以看出，区内外高校的认识最大区别在于“预算安排不合理，预算执行进度”，主要原因是区外部分高校的预算改革已取得比较明显的进步，预算安排、预算执行信息化程度远高于区内高校，“预算安排不合理，预算执行进度慢”已不成为主流。

但与其他系统相比，太阳能系统初投资比较高，投资回收期较长。该项目采用太阳能+水源热泵供暖系统比电锅炉供暖系统增加的投资需要6 a才能收回。因此选择太阳能供暖系统时应综合考虑各方面的因素，合理选择。

7 设计中需要关注的问题

根据测试数据分析结果知道，太阳能系统每个组成部分的参数都会对整个系统的性能产生影响，选择最佳的参数，对充分发挥系统的性能、最大程度地利用太阳能具有重要意义。

7.1 集热器面积确定

太阳能系统的保证率越大、集热器面积越大，太阳能供暖时间就越长，系统越节能。但集热器面积增加势必导致供暖系统初投资增加，系统的经济性会下降，集热器的最优面积应通过技术经济性分析比较后确定。

7.2 蓄热水箱体积选取

随着蓄热装置体积的增加，太阳能集热器有效集热量增加，太阳能供热量增加。但蓄热体积增加会延长出口温度达到供热温度所需的时间，从而缩短了太阳能直接供暖的时间，并增加了初投资。故应综合太阳能集热器的集热量、热泵的供热量及初投资等几个方面的因素确定蓄热装置的最优体积。

对于中国的跨境电商而言，进博会是一场千帆竞逐的盛会，也是春天里的一片沃土。海外品牌如同蒲公英的种子，在进博会的“春风”里袭来，所有跨境电商蓄水备肥，等待一粒粒“花种”落地生根。所有人开始认识到，不仅仅有中国制造，还有俄罗斯制造、巴基斯坦制造、塞尔维亚制造、巴西制造、埃塞俄比亚制造……

7.3 供暖温度的优化

太阳能+水源热泵供暖系统中太阳能直接供暖、太阳能与热泵共同供暖及热泵单独供暖之间的切换温度由供暖温度(水源热泵控制出水温度)确定，系统供暖温度不仅影响水源热泵的制热性能，也影响太阳能直接供暖、太阳能和热泵共同供暖及热泵单独供暖的比例。供暖温度越低，太阳能供热量越多；蓄热装置温度越低，越有利于集热器集热；系统供热性能越好、一次能源利用率越高，越经济。

因此，在保证用户热需求的前提下，太阳能供暖系统应尽量使用地板辐射和风机盘管等只需较低温度的供暖末端，避免使用散热器等需要较高温度的供暖末端。

参考文献：

[1] 中国建筑科学研究院.太阳能供热采暖工程技术规范：GB 50495—2009[S].北京：中国建筑工业出版社，2009：10-11