原创报告｜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
文章来源:未知时间:2022-02-02
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原标题：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
青藏高原乡村地区供暖条件落后、人居环境恶劣，提升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，太阳能供暖是当地适宜的供暖方式之一。但在冬季寒冷漫长、低压缺氧、极端干燥等典型高原极端特殊气候条件下，太阳能供暖系统面临一些特殊的“高原病”，为太阳能供暖安全性和可靠性带来了巨大挑战，如何克服系统的这些“高原病”成为青藏高原太阳能供暖的焦点问题。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，随着光伏等可再生能源电力价格大幅下降给高原供暖带来新思路；他提出对高原地区太阳能供暖系统的运行、维护、管理远比设计重要。
12月8日-9日，在由国家太阳能光热产业技术创新战略联盟和中国科学院电工研究所主办，内蒙古旭宸能源有限公司联合承办的“2020国际可再生能源供热技术大会暨以太阳能为主的建筑供热技术论坛”上，王登甲教授带来了西安建筑科技大学、西部绿色建筑国家重点实验室近年来青藏高原太阳能供暖集蓄热系统特殊问题研究成果，给我们在青藏高原利用太阳能供暖提供有益的参考和启示。
2.高原不同类型太阳能供暖集热场测试、故障分析
（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、均值过热度等评价指标，用以衡量系统过热程度；
◎ 获得集热器倾角、集热器面积、水箱容积、热媒流量等因素对系统过热的影响规律。
◎ 建立集热场阻力特性数学模型：（1）分流集管两相邻支管间管段；（2）分流集管与支管交叉管段；（3）支管；（4）汇流集管与支管交叉管段；（5）汇流集管两相邻支管间管段，总阻力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：高海拔地区，气压低、空气密度小导致对流换热系数小；但天空晴朗，背景温度低，辐射损失大；综合结果究竟如何？和平原相比如何？
◎ 分别研究对流换热、辐射换热，对流和辐射之间存在耦合关系。结果显示，高原气象条件下总换热损失系数变化率超过15%。
（4）高海拔地区太阳能集热器耐高温耐冻技术研究
◎ 存在问题：低温冻裂损害是太阳能集热系统面临的最大安全隐患，而青藏高原地区太阳辐射强烈、气温低且冷热交替频繁，此类问题更为突出。
◎ 我们研究了不同相变温度（两级变温）、相变材料（过冷度材料）等在平板集热器、U型管集热器中应用，对低温高温缓解程度。
◎ 研究结果：相变集热器可以通过低熔点PCM的凝固放热作用，延迟到达最低温度点的时间，通过高熔点PCM缓解高温时间，有利于缓解平板集热器冻裂和超温问题。
以上的优化设计，能有效地缓解集热器高温区、低温区1~2h，可解决高原部分地区的冻害问题。
（5）太阳能供暖大尺寸平板太阳能集热器性能研究
完善大尺寸平板集热器理论基础研究，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进行对比研究（同面积下）。
◎ 结果表明：随着平板集热器外形尺寸增大其集热效率逐渐升高，热损失系数逐渐降低，管道内部传热效果得到强化，热性能有一定的提升！
（6）太阳能高效蓄热/定向取热关键技术与性能评价方法
◎ 蓄热系统是太阳能集热系统中不可或缺的部件，是负荷管理、热量调配的重要部件。提高蓄热系统的热性能，能有效提高集热系统的集热效率。
○ 提高蓄热体的热性能，引导工质流到蓄热体适当的温度水平，减少蓄热体进口处热损；
○ 提高蓄热体的蓄存性能，使蓄热体动态存储且合理输出，提高能源的利用率。
◎ 建立衡量蓄热水体蓄热高效利用系列评价指标：分层效率、蓄热效率、?效率等，用于对大水体蓄热系统设计，提高太阳能利用效率。
◎ 基于分层蓄热、定向取温的思路提出了高效蓄热系统优化设计方法，并研发出实现灵活分层、按需取热的水箱定型结构。
（7）控制不当导致辅助热源耗量大
◎ 一些太阳能供暖工程“重前期设计、轻后期运维”，结果造成辅助热源实际投入比例大，甚至占到主导作用，导致目前太阳能供暖系统不仅初投资高，且运行费用还居高不下；
◎ 主要的原因：（1）设计非足量，保证率低；（2）控制逻辑不当、供暖出力顺序优化不合理；
◎ 太阳能供暖系统运行维护至关重要；系统从运行安全性、可靠性角度考虑，统一维护、专人管理的太阳能集中式供热系统具有一定优势。
四、结语与展望
团队经过多年的研究实践认为，光伏等电力价格大幅下降，对高原供暖带来新思路！
太阳能供暖技术最大的问题是可靠性、稳定性和成本问题。在青藏高原地区，主要是极端特殊高原气象条件下的适宜性问题；集蓄热源关键技术是太阳能高效供暖的基础和保障，而灵活、按需可调的供暖末端技术是太阳能精准利用的手段措施。此外，太阳能供暖控制技术手段较为传统较落后，是造成太阳能保证率低、辅助热源出力大的主要问题之一；而对高原地区太阳能供暖系统的运行、维护、管理远比设计重要。
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