“西藏軍區(qū)取暖工程”是國家軍委為改善駐藏官兵的生活條件而下達(dá)實施的一項“溫暖工程”。工程地點分散，廣泛分布于拉薩、日喀則、山南、林芝、昌都等地及其所轄的縣城。所有建筑均為已建建筑，建成時間從上世紀(jì)80年代至本世紀(jì)初。建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能較差，外墻普遍為200~300mm水泥砌塊，外窗為單層木窗或單層鋼窗。方案論證階段設(shè)計方提出圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能改造方案

 

    ◎項目設(shè)計負(fù)責(zé)人簡介??《西藏軍區(qū)取暖工程》

　　
　　戎向陽：男，1964年12月出生，1984年畢業(yè)于重慶建筑工程學(xué)院（現(xiàn)重慶大學(xué)）供熱與通風(fēng)專業(yè)。中國建筑西南設(shè)計研究院副總工程師，中國勘察設(shè)計協(xié)會建筑環(huán)境與設(shè)備常務(wù)委員，四川省制冷學(xué)會常務(wù)理事兼空調(diào)與熱泵委員會副主任委員。主持設(shè)計了多項大、中型空調(diào)采暖項目，內(nèi)容涵蓋民用建筑的各個領(lǐng)域。參與或負(fù)責(zé)了國家“十一五”科技支撐項目《長江上游地區(qū)地表水水源熱泵系統(tǒng)高效應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)研究與示范》、《適應(yīng)成都?xì)夂虻牡兀ㄋ┰礋岜藐P(guān)鍵技術(shù)與配套產(chǎn)品研究與示范》等多項科研項目。
　　

　　工程概況

　　“西藏軍區(qū)取暖工程”是國家軍委為改善駐藏官兵的生活條件而下達(dá)實施的一項“溫暖工程”。工程地點分散，廣泛分布于拉薩、日喀則、山南、林芝、昌都等地及其所轄的縣城。所有建筑均為已建建筑，建成時間從上世紀(jì)80年代至本世紀(jì)初。建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能較差，外墻普遍為200~300mm水泥砌塊，外窗為單層木窗或單層鋼窗。方案論證階段設(shè)計方提出圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能改造方案，但由于建設(shè)經(jīng)費與改造時間的限制，最終僅對海拔4000m以上建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行節(jié)能改造。

　　由于西藏的特殊條件及部隊自身的要求，除軍區(qū)、軍分區(qū)大院建筑相對集中外，各團(tuán)級、旅級單位的建筑均具有體量較小、分布廣的特點。建筑普遍為1~3層的多層建筑，最高建筑為4層。

　　2003年至2006年按成都軍區(qū)及西藏軍區(qū)的計劃，對駐藏部隊的營區(qū)陸續(xù)進(jìn)行采暖改造。每年按計劃當(dāng)年設(shè)計、當(dāng)年施工、當(dāng)年驗收并投入使用，2006年11月通過中國人民解放軍總后勤部基建營房部組織的總驗收。

　　截至2006年共完成采暖改造面積約70萬?，其中在52.13萬?的營房采暖工程中利用地下水水源熱泵系統(tǒng)作為采暖熱源。整個采暖工程的總造價約24億元，其中地下水水源熱泵系統(tǒng)的綜合單位造價約為3300元/kW(含抽水井及回灌井投資)。

　　設(shè)計思路

　　西藏地區(qū)常規(guī)能源缺乏，空氣含氧量低。使用燃油(煤)鍋爐燃燒不充分，燃燒器容易“結(jié)碳”，鍋爐使用壽命短，煙塵污染大。拉薩地區(qū)電力供應(yīng)相對充足，向拉薩等地區(qū)供電的是西藏主要的電網(wǎng)即藏中電網(wǎng)。該電網(wǎng)供電以水電為主，約占其總發(fā)電量的3/4。其中主要的水電站羊卓雍湖水電站發(fā)電量占總發(fā)電量的一半。截至2002年，因用戶消費能力所限，羊卓雍湖水電站發(fā)電量僅達(dá)到其裝機容量的60%，整個藏中電網(wǎng)年售電量也只占年發(fā)電量80%。

　　2002年拉薩市電業(yè)局出臺了政策，對進(jìn)行“煤、油鍋爐改電鍋爐”的供暖項目在配套電力工程設(shè)計和改造費用上予以優(yōu)惠;對改造后的電鍋爐(含電熱設(shè)備)用電執(zhí)行0.3元/kWh的優(yōu)惠電價;對已進(jìn)行“一戶一表”改造的居民用戶，月用電100kWh以內(nèi)按0.4元/kWh收費，超過部分執(zhí)行0.17元/kWh的優(yōu)惠電價。該政策的實施使得西藏特別是拉薩地區(qū)電鍋爐大量使用，能源使用效率非常低。隨著西藏經(jīng)濟(jì)水平的發(fā)展，電力供應(yīng)緊張的局面日益顯現(xiàn)，至2004年拉薩市冬季出現(xiàn)大量限電現(xiàn)象。

 

 

　　鑒于西藏地區(qū)常規(guī)能源匱乏，太陽能資源及地下水資源相當(dāng)豐富的特點，在采暖熱源方案確定時，進(jìn)行了詳細(xì)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。圖1為采用燃油鍋爐、太陽能熱系統(tǒng)、地下水水源熱泵系統(tǒng)作為采暖熱源時的系統(tǒng)造價比較。由于建設(shè)投資的制，大面積采用太陽能集熱系統(tǒng)無法實現(xiàn)。而各工程所在地的地層均屬于第四系河谷沖積層，各地的巖性特征十分相似;表層(約1.5~2m)為粉土，表層以下為砂夾卵石層(約50~60m)，含水豐富，滲透性強，地下徑流速度快，冬季地下水溫一般在11℃左右，對淺表地下水利用提供非常有利的條件。

　　在初投資的方面，地下水水源熱泵系統(tǒng)高于燃油熱水鍋爐，但按2004年度西藏各地的能源執(zhí)行價格為基準(zhǔn)，投資增量部分的回收期約在5年左右。圖2、3分別為兩種能源形式的能耗狀況與運行費用的比較。

 

 

 

　　通過比較，采用地下水水源熱泵系統(tǒng)作為西藏地區(qū)的采暖熱源，投資適中，能源利用效率得到大幅提高，年運行費用大幅下降，同時大大減少了CO2、NOx的放。因此，整個工程中絕大部分項目均采用地下水水源熱泵系統(tǒng)作為采暖熱源;局部電力無法保證的偏遠(yuǎn)地區(qū)則采用太陽能被動利用與燃油熱水爐相結(jié)合的能源形式，少量電力則由柴油發(fā)電機提供。

　　案例解析

　　采暖系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)(一級)

　　冬季氣候特點(二級)

　　工程所在地大多處于海拔高度大于3500mm的高海拔地區(qū)，冬季大氣壓一般低于700hPa，那曲地區(qū)更低于600hPa，僅為低海拔地區(qū)的60%。

　　大部分地區(qū)冬季采暖室外計算溫度在-5℃以下，那曲地區(qū)甚至低至?20℃。冬季室外相對濕度較低，最冷月平均相對濕度一般低于40%，拉薩、日喀則更低于30%。拉薩的日平均相對濕度甚至低至10%。

　　冬季日照率特別高，大氣透明度好，太陽輻射照度大，連晴時間長。這些地區(qū)冬季日照率一般高于70%，日喀則更高達(dá)80%以上，是全國冬季日照率最高的地區(qū)。以一月份水平面平均日太陽輻射照度為例，拉薩是16.556MJ/(?.d)，那曲、獅泉河、昌都等地區(qū)的這一參數(shù)也能達(dá)到12~14MJ/(?.d)。大氣晴朗指數(shù)拉薩為0.768，其他城市除西藏的那曲、獅泉河等地區(qū)外，大多不超過0.7，最低的僅僅稍高于0.2 。

　　西藏地區(qū)的采暖期普遍較長，各主要地區(qū)的采暖度日數(shù)(HDD18)分別為：拉薩：3553.0 (℃•d)，林芝：3273.6 (℃•d)，昌都：3852.6 (℃•d)，那曲：6607.1 (℃•d)。

　　室內(nèi)設(shè)計參數(shù)(二級)

　　根據(jù)高原低氣壓、低氧氣分壓力、低濕度的特點，確定室內(nèi)采暖設(shè)計溫度為16℃。 采暖系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)(二級)

　　采暖供回水溫度為：65/55℃，地下水側(cè)的供回水溫度為：11/5℃。

　　熱負(fù)荷指標(biāo)(一級)

　　整個項目平均建筑面積采暖熱負(fù)荷指標(biāo)為： 51.8 W/ ?，平均采暖面積熱負(fù)荷指標(biāo)為：103 W/ ?。

　　采暖系統(tǒng)組成(一級)

　　在本工程設(shè)計中，為了盡量提高能源利用效率，水源熱泵機組選用了滿負(fù)荷及部分負(fù)荷狀態(tài)下能效比(COP)均較高的高溫型機組，清華同方等品牌的共72臺水源熱泵機組在本工程中得以應(yīng)用。

 

 

　　為保證回灌水的水質(zhì)，地下水側(cè)采用閉式循環(huán)，進(jìn)入熱泵機組的地下水均采用除砂、過濾等物理處理措施。房間散熱裝置則根據(jù)使用性質(zhì)與業(yè)主意見確定。宿舍采用鑄鐵散熱器或銅鋁復(fù)合散熱器，機關(guān)辦公室則采用風(fēng)機盤管.

 

附表：各子項水源熱泵機組配置一覽表

 

         工程主要創(chuàng)新及特點(一級)

　　在本工程設(shè)計中，結(jié)合西藏地區(qū)的氣候特點及本工程的具體情況，進(jìn)行了大量的基礎(chǔ)研究工作，尤其是在業(yè)主要求不作圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能改造的情況下，既要保證室內(nèi)基本熱舒適度，又要使采暖系統(tǒng)做到投資節(jié)約、運行節(jié)能，是本次設(shè)計需要重點解決的技術(shù)難題。

　　目前可供設(shè)計選用的高原采暖適用性技術(shù)研究成果較少。為此我們對適應(yīng)高原氣候條件與能源現(xiàn)狀的室內(nèi)設(shè)計參數(shù)、采暖熱源及采暖形式的選擇、采暖系統(tǒng)供水溫度的確定、太陽能被動利用等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了大量的基礎(chǔ)研究。主要的技術(shù)創(chuàng)新及特點如下：

　　室內(nèi)設(shè)計溫度的確定(二級)

　　根據(jù)西藏軍區(qū)陸軍總醫(yī)院對高原人體生理變化的研究成果，在高原低氣壓、低氧氣分壓力、低濕度的環(huán)境條件下，人體生理明顯有別于低海拔地區(qū)，具體表現(xiàn)為：呼吸增強、人體新陳代謝量增加、心率普遍加快、皮膚表面溫度提高、人心臟耗氧量及產(chǎn)熱量比低海拔地區(qū)增加了10%以上 。基于上述變化，利用Fanger的熱平衡方程及熱舒適方程，對高原采暖房間熱舒適標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修正。

　　在客觀評價的同時，又對不同海拔地區(qū)的人員發(fā)放調(diào)查表進(jìn)行主觀評價調(diào)查。對14-20℃各段溫度進(jìn)行人體熱舒適調(diào)查，圖4、5、6、7給出了各地區(qū)被訪人員對室內(nèi)舒適溫度認(rèn)可度最高的調(diào)查結(jié)果。

 

 

 

　  通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，普遍認(rèn)為當(dāng)室溫高于18℃時有稍熱的感覺，且隨海拔高度增加有稍熱感覺的人群比例有所增加。結(jié)合大量的理論研究、熱舒適儀的現(xiàn)場測試及各地調(diào)查統(tǒng)計結(jié)果，確定適合高原氣候條件的室內(nèi)熱舒適溫度為16~18℃?？紤]到軍隊工作的特殊性、部隊的著裝要求以及戰(zhàn)士的年齡構(gòu)成，本工程的采暖設(shè)計溫度取16℃。工程竣工使用后我們又通過西藏軍區(qū)對各駐藏部隊官兵進(jìn)行了問卷調(diào)查，人體熱舒適感的滿意度達(dá)到99.7%。

　　采暖熱源的選擇(二級)

　　西藏地區(qū)常規(guī)能源缺乏，空氣含氧量低。使用燃油(煤)鍋爐燃燒不充分，燃燒器容易“結(jié)碳”，鍋爐使用壽命短。在工程設(shè)計中通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，充分利用西藏地區(qū)豐富的地下水資源，大面積采用了地下水水源熱泵系統(tǒng)。該系統(tǒng)科學(xué)合理地利用了淺表地層中蘊含的豐富的低品位能源，達(dá)到了節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境、維持可持續(xù)發(fā)展的目的，為西藏地區(qū)合理解決采暖問題提供了一個工程范例。工程竣工使用后我們對典型項目的地下水進(jìn)行了為期3年的跟蹤監(jiān)測，采暖季地下水溫度未因熱泵系統(tǒng)的取熱而下降。這表明西藏地區(qū)利用地下水水源熱泵來解決建筑采暖是合理可行的，并具有其他系統(tǒng)無法比擬的經(jīng)濟(jì)性。

　　結(jié)合西藏太陽能資源豐富的特點，對有條件的項目進(jìn)行了太陽能被動利用的改造。根據(jù)建筑現(xiàn)狀，因地制宜地制定改造方案。附加陽光間、集熱蓄熱墻等被動式太陽能利用技術(shù)得以局部應(yīng)用，且效果顯著。

 

 

　　結(jié)合西藏地區(qū)水文地質(zhì)條件、室內(nèi)熱舒適度要求，本著投資合理、運行節(jié)能的原則，對利用地下水水源熱泵系統(tǒng)作為采暖熱源的采暖供水溫度進(jìn)行優(yōu)化。目前用于散熱器采暖的主流水源熱泵機組為高溫型機組，高溫型水源熱泵機組通常的供水范圍為50~70℃,最高可達(dá)到75℃，供回水溫差可達(dá)10℃。對于水源熱泵機組而言，當(dāng)?shù)叵滤磦?cè)(蒸發(fā)器側(cè))的溫度、流量不變的情況下，隨著采暖供水溫度的提高水源熱泵機組的COP值隨之下降，圖8為清華同方生產(chǎn)的高溫型水源熱泵機組在蒸發(fā)器側(cè)的地下水進(jìn)水溫度為11℃時的COP值變化情況。當(dāng)供水溫度從55℃提高到70℃時，水源熱泵機組的COP值從3.67W/W下降至3.04W/W。

 

 

　　在負(fù)荷側(cè)，根據(jù)散熱器的特性，在同樣流量的條件下，供水溫度越低每片散熱器的散熱量越低，同樣熱負(fù)荷的情況下要求安裝的散熱器片數(shù)就越多。圖9為常用的中心間距為600mm的銅鋁復(fù)合散熱器(△T=64.5℃時的散熱器為Q=125W/片)在各供回水溫度時的散熱量變化情況。

 

 

　　采暖系統(tǒng)的供水溫度越低，水源熱泵機組的COP值越高，運行能耗越低，同時由于散熱器散熱能力的減少，又將帶來初投資的增加。在實際工程應(yīng)用中，在做到節(jié)能、減排的前提下，如何體現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計的經(jīng)濟(jì)性是必須考慮的問題。圖10為不同供水溫度情況下，基于拉薩市能源執(zhí)行價格與設(shè)備供應(yīng)價格的投資、能耗及運行費用的比較。兼顧初投資、能耗及投資回收周期等因素，確定本工程水源熱泵系統(tǒng)的供水溫度為65℃。

　　高海拔地區(qū)采暖方式的適應(yīng)性研究(二級)

　　由于高海拔地區(qū)太陽輻射照度遠(yuǎn)大于平原地區(qū)，室內(nèi)輻射得熱量大，室內(nèi)熱過程有別于低海拔地區(qū)。為此我們利用建筑動態(tài)能耗模擬軟件(EnergyPlus)對低溫地板輻射采暖與對散熱器采暖系統(tǒng)，在不同太陽輻射照度下的室內(nèi)熱過程進(jìn)行了模擬分析。發(fā)現(xiàn)在辦公室、宿舍等常規(guī)尺度的建筑內(nèi)，由于高海拔地區(qū)太陽輻射照度較強，采用低溫地板輻射采暖方式時其熱慣性較大，熱響應(yīng)時間長，采暖房間溫度波動明顯大于散熱器采暖方式，且房間最高溫度出現(xiàn)在供暖系統(tǒng)停止5~6小時后。圖11為理塘一月份最有利天在不同采暖方式下室溫與能耗曲線。

 

 

　　模擬分析的結(jié)果顯示，低溫地板輻射采暖方式通過地板進(jìn)入室內(nèi)的熱量，相對于系統(tǒng)供熱量而言有很大的延遲與衰減，使得系統(tǒng)的調(diào)節(jié)滯后性很大，不能保證通過地板進(jìn)入室內(nèi)的熱量與房間負(fù)荷的匹配。特別是在室內(nèi)太陽輻射得熱量較大的情況下，室內(nèi)熱負(fù)荷減少，系統(tǒng)減少供熱量，但由于地板蓄熱量很大，仍然會源源不斷地釋放熱量，使得室內(nèi)的溫度過高，造成不必要的浪費，而散熱器供暖系統(tǒng)與地板輻射供暖相比，熱響應(yīng)快更容易使系統(tǒng)的供熱量與房間負(fù)荷匹配。

　　圖13給出了不同城市地板輻射采暖能耗 / 散熱器采暖能耗比值。雖然能耗比值除受太陽輻射照度影響外，同樣受室外溫度、房間通風(fēng)量等因素影響，使得能耗比值與太陽輻射量不是簡單線性關(guān)系;但結(jié)合圖12和圖13可以看出，地板輻射采暖能耗與對流采暖能耗比值的變化趨勢和一月份太陽輻射總照度的變化趨勢一致。說明太陽輻射照度是影響這一能耗比值的重要因素。

 

 

　　通過對低溫地板輻射采暖與散熱器采暖在不同太陽輻射照度下的室內(nèi)熱環(huán)境及采暖能耗的分析研究。結(jié)合本工程的房間尺度、使用功能、工程地的太陽輻射照度與投資狀況，確定采用熱響應(yīng)較快的散熱器(或風(fēng)機盤管)形式。

　　無補償直埋管道技術(shù)應(yīng)用(二級)

　　結(jié)合西藏地區(qū)地下水位高、凍土深度深、施工周期短、材料運輸困難的特點，供熱管網(wǎng)采用了無補償直埋管道技術(shù)，并制定了工程通用圖集。大面積使用無補償直埋管道技術(shù)在西南地區(qū)尚屬首例。

　　系統(tǒng)使用情況及監(jiān)測數(shù)據(jù)(一級)

　　工程竣工使用后，我們通過自動記錄溫濕度儀、超聲波流量測試儀、太陽輻射儀、熱舒適儀等設(shè)備對典型項目進(jìn)行了為期3年的跟蹤監(jiān)測，同時設(shè)計系統(tǒng)運行記錄表要求運行管理人員對各主要參數(shù)進(jìn)行記錄。通過對檢測數(shù)據(jù)及運行記錄數(shù)據(jù)的分析，表明系統(tǒng)運行的各項參數(shù)基本達(dá)到設(shè)計要求。

　　1) 采暖室內(nèi)溫度均達(dá)到16~18℃。下圖為拉薩某南向采暖房間的溫濕度曲線。

 

 

　　2) 通過三年的運行監(jiān)測，表明地下水溫度變化幾乎不受地源熱泵系統(tǒng)吸熱的影響，地下水靜水位標(biāo)高無明顯變化。主要原因是西藏地區(qū)地下水徑流量大、太陽輻射照度大。下圖為某系統(tǒng)的采暖溫度與地下水溫度的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

 

 

　　3) 根據(jù)業(yè)主提供的系統(tǒng)運行能耗統(tǒng)計，地下水水源熱泵采暖系統(tǒng)的實際運行能耗低于0.5kWh/d. ?。在圍護(hù)結(jié)構(gòu)未進(jìn)行節(jié)能改造的情況下，采暖能耗控制在這個水平應(yīng)該較為理想。如果圍護(hù)結(jié)構(gòu)能進(jìn)行節(jié)能改造，其節(jié)能效益將更加顯現(xiàn)。

　　通過3年的跟蹤監(jiān)測，我們發(fā)現(xiàn)在室溫保持在16~18℃時，水源熱泵機組的實際出水溫度一般只需設(shè)定在55~60℃的范圍內(nèi)。這種運行狀況有利于提高熱泵機組的COP值，節(jié)約能耗。但也說明按現(xiàn)行《采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》(GB50019-2003)的第4.2.6條對南向圍護(hù)結(jié)構(gòu)的朝向修正率取值難以準(zhǔn)確修正高太陽輻射照度地區(qū)的采暖熱負(fù)荷，造成計算熱負(fù)荷偏大而帶來設(shè)備投資增加。我們通過模擬計算與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)的比對分析，發(fā)現(xiàn)采暖熱負(fù)荷與太陽輻射照度、南向窗墻比有較大的關(guān)聯(lián)性，利用單一朝向修正率不能客觀反映實際負(fù)荷情況。具體可供設(shè)計選用的數(shù)據(jù)有待進(jìn)一步研究。