川西藏区主要包括四川省甘孜藏族自治州全部、阿坝藏族羌族自治州的一部分、凉彝族自治州一小部分 ^[1],是典型的高原寒冷气候区。受当地经济发展水平限制,以及横断山区、高山深谷等地形地貌制约 ^[2],传统集中供暖技术难以适用,导致川西藏区供暖问题尚未得到有效的解决。川西藏区拥有丰富的太阳能、水能、生物质能及地热能等可再生资源,可充分利用这些资源解决当地的冬季供暖问题。但由于川西藏区地势复杂,资源分布不均,导致各地能源形式不一。因此,川西各地居住建筑可再生能源热源适宜性存在显著的地区差异。

　　 笔者所在研究团队对太阳能供暖保证率及经济性进行了研究,结果表明,在拉萨等太阳辐射较强的地区,实现太阳能供暖是可行且经济的 ^[3,4]。一些学者对太阳能与空气源热泵联合供暖系统的技术经济性进行了研究,结果表明,互补系统性能提高且系统经济性良好 ^[5,6]。裴玉萍利用TRNSYS对生物质锅炉+空气源热泵联合供暖系统进行了模拟研究,与传统供热方式相比,该系统经济效益更优,节能减排效益良好 ^[7]。上述针对各系统技术经济性的研究为川西藏区采用可再生能源供暖奠定了基础,然而如何确定川西藏区各地区适宜的供热能源形式,目前尚无系统的研究。

　　 本文通过分析川西藏区太阳能集热量与建筑供暖耗热量之间的平衡关系,以太阳能供暖保证率作为供暖能源划分依据,对川西藏区太阳能、空气源热泵与其他可再生能源供暖适宜区间进行了划分,提出了居住建筑太阳能-空气源热泵供暖模式优选图谱,为川西藏区居住建筑采用可再生能源热源进行供暖提供依据。

　　 川西藏区因海拔高、日光透射率高、日照时间长,太阳能资源十分丰富。川西高原的太阳能资源是四川省最优的,年总辐照量基本在5 000 MJ/m²以上,大部分区县年日照时长为2 000～2 680 h ^[8],且日照时长冬春多于夏秋。因此,在川西藏区,应当充分利用当地的太阳能资源,优先考虑利用太阳能进行供暖。

　　 川西藏区河流众多,水力资源丰富。甘孜州全州水能资源理论蕴藏量约为4 119万kW,可开发装机容量达3 658万kW。阿坝州全州水能理论蕴藏量约为1 933万kW,可开发量为1 400万kW。根据甘孜州 ^[9]与阿坝州 ^[10]近5 a的统计年鉴,两州水电发电年总量如图1所示。因此,对于该地区的建筑供暖,应当充分考虑当地的电力优势,宜采用能效较高的电动式热泵进行供暖,然而地埋管地源热泵、水源热泵具有地势地质特殊性,空气源热泵不仅具有使用方便、能效高等特点,还在严寒、寒冷地区得到了广泛应用,适合作为建筑供暖热源。

　　 川西藏区还拥有丰富的生物质资源,据相关统计,四川省每年可开发利用的薪柴折合标准煤为689万t,其中绝大部分集中于川西藏区 ^[11]。根据甘孜、阿坝两州统计年鉴,2017年,甘孜州及阿坝州可利用的牛粪资源折合标准煤约为226.31万t,可利用的秸秆资源折合标准煤约为22.94万t。

　　 川西藏区同时还拥有丰富的地热能资源,据统计,四川省地热能资源总放热量相当于16.6万t标准煤的产热量,其中川西藏区探明269处温泉,占四川温泉总数的87% ⁽¹⁾。

　　 川西藏区具有丰富的太阳能、水电、生物质能等可再生能源,为该地区利用可再生能源进行供暖提供了良好的条件。

　　 考虑到川西藏区的太阳能资源特征,以及太阳能直接供暖系统具有简便易行、热转移因子高的特点,选择直接式太阳能供暖系统作为分析对象,系统集热量按下式计算 ^[12]:

　　 $Q{}_{\text{U}}=J{}_{\text{Τ}}A{}_{\text{c}}\eta {}_{\text{c}\text{d}}(1-\eta {}_{\text{L}}){\rm N}(1)$

　　 式中 Q_U为年供暖期太阳能累计集热量,MJ;J_T为当地集热器采光面上的平均日太阳辐照量,MJ/(m²·d),本研究中为供暖期平均日太阳辐照量;A_c为直接系统集热器总面积,m²;η_cd为基于总面积的集热器平均集热效率;η_L为管路及贮热装置热损失率;N为供暖期天数,d。

　　 太阳能供暖保证率是指在供暖期内集热器所集的有效太阳能热量Q_U与建筑耗热量Q_H之比,即

　　 $f{}_{\text{n}}=\frac{Q{}_{\text{U}}}{Q{}_{\text{Η}}}=\frac{Q{}_{\text{U}}}{n^{\prime }Aq{\rm N}D\times 10{}^{-6}}(2)$

　　 式中 f_n为太阳能保证率;n′为建筑物楼层数;A为供暖建筑单层建筑面积,m²;q为建筑热指标,W/m²;D为日供暖时长,居住建筑取86 400 s/d。

　　 假设在当地最佳安装倾角下的集热器安装面积为A_c,则定义建筑与集热器面积比ε为单层建筑面积与集热器面积的比值,定义式如下:

　　 $\epsilon =\frac{A}{A{}_{\text{c}}}(3)$

　　 由式(2)可以看出,太阳能供暖保证率的取值不同,在集热器面积一定时所能供给的建筑楼层数不同。因此,本研究采用反算法,得出太阳能集热量可供建筑楼层数n与供暖期平均日太阳辐照量、建筑热指标、太阳能供暖保证率之间的关系式,即

　　 $n=\frac{J{}_{\text{Τ}}\eta {}_{\text{c}\text{d}}(1-\eta {}_{\text{L}})}{0.0864\epsilon qf{}_{\text{n}}}(4)$

　　 本研究中真空管集热器平均集热效率η_cd取40% ^[13],平板集热器平均集热效率η_cd取30% ^[14],管路及贮热装置热损失率η_L取15% ^[12]。

　　 真空管集热器:

　　 $\epsilon nq=\frac{0.34J{}_{\text{Τ}}}{0.0864f{}_{\text{n}}}(5)$

　　 平板集热器:

　　 $\epsilon nq=\frac{0.255J{}_{\text{Τ}}}{0.0864f{}_{\text{n}}}(6)$

　　 太阳能供热系统的供暖保证率主要体现在εnq值的不同。在不同供暖保证率条件下,根据εnq值与供暖期平均日太阳辐照量变化的关系,得到其变化规律及对应的居住建筑可再生能源供暖模式优选图谱,具体分区见图2。

　　 由图2可以看出:当太阳能供暖保证率不小于100%(Ⅰ区)时,可以考虑单独使用太阳能系统进行供暖;当太阳能供暖保证率在50%～100%(Ⅱ区)之间时,建议采用以太阳能为主、空气源热泵为辅的供暖模式;当太阳能供暖保证率在20%～50%(Ⅲ区)之间时,建议采用以空气源热泵为主、太阳能为辅的供暖模式;当太阳能供暖保证率低于20%(Ⅳ区)时,不建议使用太阳能系统,应考虑基于空气源热泵和其他可再生热源辅助的供暖模式。

　　 具体使用时,应当根据建筑所在地的供暖期平均日太阳辐照量、建筑热指标及建筑与集热器面积比,依照优选图谱,可以得出适用于各种供暖模式的楼层数,从而确定建筑的能源形式。

　　 选用川西藏区6个城市进行分析,设计计算用供暖期天数按累年日平均温度稳定低于或等于供暖室外临界温度5 ℃的总天数确定,典型年供暖期内的水平面太阳直射辐射量和总辐射量由统计数据给出,根据各地不同的供暖天数,可以计算得到各地供暖期内的平均日太阳辐照量,见表1。

　　 利用能耗模拟软件对建筑供暖耗热量进行动态模拟计算,大量研究表明其计算结果较为准确 ^[15],本研究中采用能耗模拟软件EnergyPlus对供暖期建筑物耗热量进行计算。以川西藏区某居民楼为例,其单层建筑面积为379 m²,供暖面积为266.75 m²,除厨房、厕所及楼梯间外,其余房间均采用连续供暖,室内设计温度为15 ℃ ^[16]。川西藏区纬度范围为北纬28.50°～33.75°,因此,可考虑该地区冬季供暖的集热器最佳安装角度为40°,同时考虑集热器有效安装面积及其他附件安装位置,取建筑与集热器面积比ε=3.0。

　　 理塘属于严寒B区,松潘、甘孜及红原属于严寒C区,马尔康和九龙属于寒冷A区。65%节能标准下的建筑围护结构参数均取自DB 51/5027—2012《四川省居住建筑节能设计标准》 ^[17]所给出的各气候区4～8层建筑围护结构的热工性能参数限值,换气次数均取0.5 h^-1。在现有65%节能标准的基础上再节能50%(即节能83%)水平下的建筑围护结构参数见表2。

　　 利用EnergyPlus软件进行模拟计算,得出了川西藏区在50%节能标准、现行65%节能标准、节能83%及节能83%的基础上使用附加阳光间4种不同节能条件下的供暖期建筑热指标。考虑到建筑楼层对建筑热指标产生的影响,本研究中分别对1～3层建筑、4～8层建筑、9层及以上建筑进行研究。经过模拟计算,6个地区在不同建筑节能水平下不同建筑楼层的供暖期建筑热指标q如图3所示。

　　 由图3可知:随着建筑层数的增加,建筑热指标会逐渐减小;在83%节能水平下使用附加阳光间等被动太阳能利用技术,可以有效降低建筑供暖热指标,在建筑一定的情况下,太阳能供暖保证率增大。

　　 根据居住建筑太阳能-空气源热泵供暖模式优选图谱中εnq与供暖期平均日太阳辐照量J_T的对应关系,得出不同εnq值所对应的区域,进而得出适合各地区不同建筑楼层的供暖模式。

　　 以川西藏区甘孜县为例,对该地区1～3层农村建筑、6～8层城镇建筑及10～12层城镇建筑的供暖模式进行划分,如图4所示。

　　 当ε=3.0时,根据甘孜县65%节能水平、83%节能水平、83%节能水平+附加阳光间3种情况,对应不同楼层建筑的εnq值进行分类,针对真空管集热器:1～3层农村建筑,3种不同节能情况下均处于Ⅰ区;对于6～8层城镇建筑,83%节能水平+附加阳光间处于Ⅰ区,83%节能水平处于Ⅱ区,65%节能水平处于Ⅱ～Ⅲ区;对于10～12层城镇建筑,83%节能水平+附加阳光间处于Ⅰ区,83%节能水平处于Ⅱ区,65%节能水平处于Ⅲ区。针对平板集热器:1～3层农村建筑,83%节能水平和83%节能水平+附加阳光间均处于Ⅰ区,65%节能水平处于Ⅰ～Ⅱ区;对于6～8层城镇建筑,83%节能水平+附加阳光间处于Ⅰ区,83%节能水平处于Ⅱ区,65%节能水平处于Ⅲ区;对于10～12层城镇建筑,83%节能水平+附加阳光间处于Ⅰ区,83%节能水平处于Ⅲ区,65%节能水平处于Ⅲ～Ⅳ区。

　　 根据居住建筑太阳能-空气源热泵供暖模式优选图谱及川西6个地区在不同节能水平下的建筑热指标,最终得到川西藏区可再生能源供暖模式优选区及其适用条件,见表3。

　　 针对供暖热源为Ⅰ～Ⅲ区的地区及条件,应当充分考虑太阳能的间歇性和不规律性,以及空气源热泵在运行过程中的能效变化和结霜情况,虽然供暖期内供热总量的保证率可以达到100%,但仍需要考虑极端情况,酌情使用备用热源。

　　 针对供暖热源为Ⅳ区的地区及条件,适合与空气源热泵匹配的热源形式有生物质锅炉、地热水及电加热方式。地区不同,适宜的热源形式不同。根据各地实际的资源情况及能源可得性、经济性、技术可行性等指标,选择合适的辅助能源形式,将其与空气源热泵联合运行,达到100%供暖保证率。

　　 此外,供暖期平均日太阳辐照量是各地在无遮挡情况下测得的太阳总辐射的平均值,并不适用于一些存在高山遮挡的情况。在实际应用时,应当根据当地供暖期内太阳的实际辐射值、日照时长来进行换算,最后依照居住建筑太阳能-空气源热泵供暖模式优选图谱中的对应关系来确定最终的能源形式。

　　 1) 通过分析建筑楼层数与供暖期平均日太阳辐照量、建筑热指标、太阳能供暖保证率之间的关系,根据太阳能供暖保证率进行分区,提出了居住建筑可再生能源供暖模式优选图谱。

　　 2) 随着建筑节能效果的改善,在相同太阳能供暖保证率下所能满足的建筑楼层数也增加。甘孜县,在ε=3.0、节能水平最高(83%节能水平+附加阳光间)时,1～12层建筑均可单独采用太阳能进行供暖;在83%节能水平下,1～12层建筑位于Ⅰ～Ⅲ区内,均可使用太阳能进行供暖;在65%节能水平下,1～12层建筑位于Ⅰ～Ⅳ区内,高层建筑不建议采用太阳能进行供暖。

　　 3) 当ε=3.0时,利用优选图谱得到了川西藏区6个地区的供暖能源形式及其适用条件。对于其他地区,应根据当地供暖期内太阳的实际辐射值、日照时长来进行换算,按照建筑实际的ε与q值,依照居住建筑可再生能源供暖模式优选图谱中的对应关系来确定最终的能源形式。