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。
以下是王登甲教授所作的主旨报告“青藏高原太阳能供暖集蓄热系统特殊问题及对策”主要内容：
一、青藏高原太阳能供暖情况介绍
青藏高原海拔在3000-5000米之间，是中国最大、世界海拔最高的高原，被称为“世界屋脊”。其煤炭、石油和天然气等常规能源量近乎为零，生态环境极其脆弱。高原高寒、低压缺氧、极端干燥等是青藏高原典型气候特征。
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而且，青藏高原建筑还存在整体热工性能差、保温节能执行力度不够；牛粪等燃烧取暖，室内卫生条件较差、热环境水平较低，供暖设备体系不健全等问题。就要改善青藏高原建筑宜居环境，就要解决这一“拦路虎”，所以目前寻求合适供暖方式就成为重中之重。
利用自然条件来改善宜居环境当然是首要之选。我们知道，青藏高原地区太阳能资源极其丰富，藏区地域辽阔、住区分散，收集条件充足；其次，高原地区建筑冬季供暖平均供暖负荷强度不高，但波动大、蓄调压力大。因此，在具备率先开展太阳能供暖的先决条件、也是突破口。
实地调研发现，青藏高原地区居住相对分散，屋顶、空旷场地等太阳能收集面充足，是建设太阳能供暖供热的理想场所。
青藏高原建立的系列太阳能供暖示范工程项目有：
分散式单户、分布式、集中式太阳能供暖工程
二、青藏高原太阳能供暖模式探讨
对于青藏高原太阳能供暖模式，我们重点从建筑保温、被动太阳能利用等角度，针对分散式单户、分布式、集中式太阳能供暖的不同特点来解决其冬季供暖问题。
1、青藏高原住区分散的乡村地区
（1）在建筑保温节能的基础上，增设附加阳光间、集热蓄热墙、太阳能热风蓄热（楼板、墙体）等被动部件，有效改善室内温度；
（2）发展低成本被动太阳能利用技术是解决这类地区建筑供暖的最佳选择。
2.青藏高原住区较密集的城镇地区
（1）随着西藏高原城镇化进程不断加快，城市建筑已与内地无明显区别，楼层高、密度大较普遍，建筑屋顶已很难满足太阳能铺设要求；
（2）难以像乡村那样仅依靠被动太阳能技术来满足冬季热环境要求。
因此，适当发展太阳能集中供暖成为趋势，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，借助一些高原城镇周边现有不宜农牧的空旷场地铺设太阳能集热场，建立太阳能与生物质、电能等互补热站；
（2）一定规模和方式的热蓄调，集中运行维护管理更方便、可靠性高。
但太阳能集中供热仍显投资高、存在夏季闲置过热等问题。为此我们提出两种解决思路：
一是可以从县城用热、用电两方面用能综合考虑，实现光热光电等多能源耦合供暖；
二是对于拥有供热管网、城市扩容背景下的供热问题，可以考虑扩容部分供暖负荷由太阳能集热场来承担。
三、太阳能供暖集蓄热特殊性问题研究
1.青藏高原太阳能供暖系统面临特殊性问题
高原气温低且昼夜波动大、紫外线强保温易老化、气压低仪器仪表易失效等，给太阳能供暖安全性和可靠性带了巨大挑战；因此，我们团队针对高原太阳能供暖系统出现的系列故障、问题进行全面检测。
太阳能集热器冻裂爆管、过热汽化、仪器仪表失效是影响安全可靠运行的高原特殊问题
2.高原不同类型太阳能供暖集热场测试、故障分析
太阳能真空管热风系统热损失、热效率等性能测试、故障分析现场
太阳能液态工质平板集热场系统风温、热损失、热效率等性能测试、故障分析现场
3.太阳能供暖集热场测试结果分析
我们发现了以下问题：
（1）高原夜间辐射大，集热场损失情况与平原地区有较大差别。
（2）管道总热损失大，管道保温在系统设计时仍需重点考虑。
（3）集热器平均集热效率为30.1%，总体效率较低。
（4）冻裂损坏、故障率高。
综上，保温损失计算方法、耐高温耐冻技术、集热场增效及阻力优化是关键问题！
4．缓解太阳能供暖集蓄热源系列“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、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。
故，兼顾全年用热的平衡设计、合理确定保证率是缓解整体过热问题的主要方式。
（2）太阳能集热场动态阻力特性及阻力修正计算方法
◎太阳能集热场内流动工质温度变化剧烈，阻力波动大，原有的稳态阻力计算方法应进行修正；为防止局部过热、冻结，集热场不平衡率要求更小。
◎ 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、㶲效率等，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。
