1 工程概况

    拉萨火车站，位于西藏自治区首府拉萨市拉萨河南岸，是刚刚建成的“青藏铁路”的终点站。由中国建筑设计研究院承担主体设计，2006年7月正式使用。

1.1  建筑情况：

    本工程属于交通类公共建筑，总建筑面积19504m2，地上共2层，建筑总高度21.4m。其中地上一层分别为：旅客进站大厅、候车厅、售票大厅、出站大厅、贵宾候车厅、行包托取厅、办公用房等房间，除大堂外，房间层高为4.5m；地上二层分别为：综合商业、餐厅、办公用房、行包库等房间，层高4.5m。地下一层主要房间能为：机电用房、平战结合的人防工程等。

    工程外形如图1所示。

1.2  建筑热工：

    本工程为低层公共建筑，考虑到本建筑所处在的特殊地理位置以及其能源现状特点，同时也为了实现环保、节能的总体目标，本工程建筑热工设计按照《公共建筑节能设计标准》的要求进行。一些主要的建筑热工参数如下：

    外立面玻璃：Low-E玻璃，传热系数为2.5W/（m2·K），外墙传热系数0.50W/（m2·K），屋面传热系数0.65W/（m2·K），架空楼板传热系数:0.50W/（m2·K）。良好的建筑热工设计为本工程采暖系统充分利用太阳能创造了一个较好的条件[1]。

2  采暖设计参数与热负荷

2.1  冬季采暖系统设计参数的选择

    根据《暖通规范》的规定，民用建筑的主要房间的采暖设计温度为16～24℃。在本工程中，对一些房间的采暖设计参数进行了适当的调整，主要考虑到以下主要因素：

2.1.1  室外空气非常干燥，相对湿度只有28%。由于本建筑实际使用过程中，外门等经常处于开启状态，自然通风情况较好，自然通风量较大。如果维持较高的设计室温，当室内人数较少时，室内相对湿度非常低，人员的舒适性受到一定的影响（从当地的实际情况调研也反映出同样的问题）。

2.1.2  本建筑的一些主要房间——如：入口大厅、购票大厅、候车大厅等等，都是人员的临时停留场所，从实际使用需求来说，冬季采暖设计温度也可以适当降低。

2.1.3  本工程考虑以地板辐射采暖为主的方式，人员的“体感温度”必然高于室温。根据《北京市低温地板辐射采暖应用规程》规定，计算室温可以比规定值低2℃。

    因此，本工程结合上述主要原因和实际情况，选取的主要房间室内采暖设计计算温度（空气温度）和实际计算的体感温度如表1所示：

2.2  采暖负荷计算结果

    根据建筑热工和上述采暖设计参数，对本工程在典型设计日条件下的采暖负荷进行逐时计算，结果如表2所示。

    典型设计日要求的总供热量为：14763kWh/d。

2.3  室内采暖系统设计

    本工程采用以地板辐射采暖为主的方式，除了前述的舒适性等原因外，还考虑到这是充分利用“低位”热源的方式。为了有效利用低温热水，在本工程条件下，按照地板辐射埋管最小间距不小于150mm的要求，同时考虑有效布管面积为房间面积的80%。对各房间的供水温度进行计算后得出，除极个别房间要求水温为45℃～50℃外，建筑内几乎全部房间所要求的采暖热水供水温度均不超过40℃。因此，本楼采暖系统的设计供/回水温度确定为41/36℃。对于极个别房间，设计人认为如果因此而提高全楼的供水温度，对于太阳能集热系统的要求将大幅度提高，显然是“得不偿失”的。通过其他辅助采暖措施来保持这些房间的室温（如设置局部采暖方式）更为合理。

    在确定采暖系统的供/回水温度之后，反过来重新计算和确定不同房间的实际管道间距。这种方式带来的最大优点在于：在保证各房间达到使用要求的前提下，尽可能降低了地板采暖供水温度，以利更好的符合充分利用太阳能的设计原则。

3  太阳能供热系统

3.1  要求与条件

3.1.1  能源、环保的要求

3.1.1.1  拉萨是一片净土，过多的使用人工能源，将对环境造成一定的影响。

3.1.1.2  建筑节能是目前国家能源战略的一个关键措施之一，充分利用可再生能源，减少人工能源的消耗，对于我国具有非常重要的战略意义。

3.1.1.3  拉萨地区能源短缺，所有能源都需要通过外界输送，一旦输送过程中发生不及时的情况，将对本建筑的正常使用带来严重影响。

3.1.2  有利条件在西藏地区，由于云对太阳辐射的双重影响的结果，在某些特定条件下可在地面上测的太阳总辐射通量密度，有时甚至超过太阳常数（1367.7W/m2）。拉萨属于高日照率、高大气透明度、高日照辐射强度地区。拉萨的冬季日照率为77%，冬季太阳总辐射平均通量密度约197W/m2（北京仅为110W/m2）。以一月份水平面总日射月平均日辐照量为例，拉萨为16.556MJ/(m2·d),在全国42个城市中名列第一。拉萨复合大气透明度系数P2为0.8以上，气溶胶质粒大气透明度系数Pd为0.92以上，水汽分子大气透明度系数Pw为0.96以上[2]。
 
    拉萨冬季典型设计日的太阳总辐射强度：21740kJ/（m2·d）。

3.2  太阳能集热器产品情况——分类、特点太阳集热器按其是否聚光这一最基本的特征来划分，可以分为聚光太阳集热器和非聚光太阳集热器两类。聚光太阳集热器的集热器面积大于吸收太阳辐射能的吸热面积。它能将收集到的太阳辐射能汇聚在面积较小的吸热面上，可获得较高的温度。但它只能利用太阳的直接辐射，且需要跟踪太阳。聚光集热器主要有聚光器、吸收器和跟踪系统三大部分组成。非聚光太阳集热器的集热器面积与吸收太阳辐射能的吸热面积相等。它能够吸收利用太阳的直接辐射和间接辐射能，不需要跟踪装置，结构简单、维护方便。由于它不具有聚光功能，因此吸热面上的热流密度较低，一般用在工作温度在100℃以下的低温热利用系统中。非聚光太阳集热器是目前建筑太阳能热利用中使用最普遍、数量也最多的集热器，其发展历程大致可分为闷晒型太阳热水器、平板型太阳集热器、真空管型太阳集热器三个阶段。

3.2.1  闷晒型太阳热水器阶段 

    闷晒型太阳热水器把集热器和储热装置（水箱）合为一体，是一种既集热又储水的太阳热水装置。它通常是一个表面涂成黑色的储水容器，黑色表面吸收太阳辐射能，将里面储存的水加热。它的结构简单，制作方便，造价低廉，经济适用，但热效率低。

3.2.2  平板型太阳集热器阶段

    20 世纪70 年代开始，随着世界性的能源危机日趋严重，许多国家在太阳能利用技术的研究和开发上投入不少的人力和物力，平板集热器不断得到完善和发展。 板芯材料和结构从最早的板管式、扁盒式到铝翼式，再到铜铝复合式、全铜式；表面吸收涂层从非选择性涂层黑板漆，发展到各种选择性涂层，如铝阳极氧化、镀黑镍、镀黑铬等；透明盖板从普通玻璃发展到钢化玻璃，从玻璃钢到高分子透明材料。目前，国内外使用的平板型太阳集热器主要是全铜板芯和铜铝板芯的平板集热器。

3.2.3  真空管型太阳集热器阶段

    为了进一步减少平板集热器的热损失，提高集热温度，人们又开发成功了多种真空太阳能集热管。其吸热体被封闭在高真空的玻璃真空管内，从而大大提高了其热性能。一般平板太阳集热器的热损系数为4-6W/(㎡·℃)，产热水温度低于70℃；而真空管型集热器的热损系数小于1W/(㎡·℃)，热水温度可达到100℃。将若干支真空太阳集热管组装在一起，就构成了真空管太阳集热器。为了增加太阳光的采光量，有的真空管太阳集热器还在其背部加装了反光板。

    全玻璃真空管集热器和热水器已经成为我国太阳能热水器行业的主流产品。近年来，又推出了内置U形金属流道的U形管真空管集热器和内置热管的真空管集热器，从而丰富了全玻璃真空管集热器的种类，解决了全玻璃真空管集热器存在的玻璃管破碎漏水和不能承受太高工作压力的问题。

3.3  太阳能供热系统设计

3.3.1  集热系统设计

3.3.1.1  集热器设置

    集热器通常布置在建筑的屋面上。根据本工程的具体情况共分为四个区域布置集热器。从平面上看，分别在I、II、III 区的屋顶；从高度上看，主要有低区（I、III区屋顶）和高区（I、 II、III 区屋顶）两个位置。

    集热器的朝向是决定集热器集热能力大小的一个重要因素。但由于公共建筑对外立面等的相关要求，完全做到理想的角度有时是不现实的。根据本工程的实际情况来看，大部分集热器只能按照18度角度布置才能满足建筑立面的需求。

    在可提供的安装集热器的屋面面积确定的条件下，如何通过最合理的布置集热器使得整个集热系统的集热量最大，是一个值得认真研究的问题，除了与安装角度有关外，它还与集热器本身的尺寸、大小有关。由于不同的产品尺寸和性能的不一样，为了设计的通用性，本工程没有直接给出限定的安装角度，而是根据不同的区域要求，给出不同的屋顶面积和集热器顶部限高，同时给出了系统要求的集热量。这样，不同厂家都可以参加投标，只要经审核满足要求即可。

3.3.1.2  集热量和集热面积

    同时为了保证本工程的需求，在调查了解了各种现有较好的集热器的效率，同时按照18度考虑安装角度的影响之后，本设计按照30%的集热效率来设计。

    因此，对于典型设计日，太阳能集热器的集热量按照5465kJ/( m2·d)计算。在阴天或多云情况下，经过咨询，决定按照10%的集热能力考虑——即：阴天的集热量为547kJ/( m2·d)。

    根据气象参数，计算出冬季拉萨典型设计日各时刻集热量见如表3。

    根据全天集热量和集热能力的要求，经计算，所需要的集热器面积为9700m2，屋顶实际可布置的集热器面积为6720m2。

    典型设计日采暖负荷（表2）与实际集热量（表3）的关系如图2所示。

3.3.1.3  集热系统

    为了使得工程的招投标工作能够顺利进行，在设计中必须考虑到产品的通用性问题。从上面的介绍中可以看出，不同型式的太阳能集热器在功能上是不一致的。例如：由于二次换热原因，采用乙二醇水溶液的集热系统（闭式系统）在集热效率以及出水温度方面相对不利，但正是这一原因，它具有较好的冬季防冻功能，这样在夜间可以不用放空集热系统；采用普通水的集热系统（开式系统）特点则正好相反。由于这两种系统目前在工程中都有所应用，对于本工程来说，在设计阶段评价其优劣还不具备充分的条件。因此，本设计首先要考虑的是：在无法确定最终订货设备厂家（由于此产品的特殊性，订货的厂家与设备的特性是密切联系在一起的）的情况下，从安全的角度出发，暂时按照开式系统进行设计，因此系统中必须考虑夜间的“放空”问题以防止冻结。如果甲方最终选择闭式系统，本设计留有对系统进行必要的调整的余地。

    在开式系统中，必须考虑到不同的集热器安装高度问题。如果安装高度相差较大的的集热器设置于同一个系统之中，在水力平衡、运行控制方面都可能出现问题。因此，本设计分为了高区和低区两个大的集热系统。

3.3.1.4  设计集热水温度

    对集热水温度的要求与室内供暖温度的需求是密不可分的，从使用意义上说，室内供暖水温是确定集热水温的决定性因素，因为不能满足使用要求的“节能”是没有意义的。但是，从太阳能利用的特点来看，要维持“大流量”条件下的“高温”集热水是困难的甚至无法做到的。因此，我们可以认为，太阳能作为供暖使用时，其提供的是相对“低位”的热源。如何利用好这个“低位”热源，是提高太阳能利用率的关键。

    从采暖系统来看，低温的集热水实际上是要求室内采暖供水温度尽可能降低，显然，地板辐射供暖系统具有这样的特点。结合前述，本工程对集热系统的水温要求是：供水温度：40℃，出水温度50℃。

3.3.2  蓄热系统

    尽管太阳能是一个非常充足的能源，但其存在一个重要的特点：单位面积的能量密度随时刻有很大的变化，这导致我们不是任何时候都能够“按需索取”的。从采暖来看，通常采暖负荷出现的最高值在夜间，即使对于办公楼这种典型的、主要在白天使用的建筑，我们也有理由认为，需要的最大供暖能力应该在上班时出现（非工作时间可以保持相对较低的室内温度），而太阳辐射的最大能量则出现在中午时刻。主动充分利用太阳辐射能进行供暖的一个有效方法就是设置蓄热系统。
 
    结合本工程实际情况来看，设计中对两种蓄热方式进行了一定的方案比较。

3.3.2.1  利用土壤蓄热

    通过在土壤中埋设塑料管道，将多余的热量储存在室外土壤之中，在需要时从中取出热量进行供热。此方式的优点是：可以将一部分夏季的热量储存于土壤之中，由于土壤是一个巨大的蓄热体，可以根据要求提供很大的蓄热量。

    但是，土壤蓄热存在的问题也是比较明显的：（1）目前尚无准确的计算方法来详细计算土壤的全年热平衡，因此对于蓄热温度和取热温度等参数上存在一些不可预知因素；（2）对土壤体积的需求量较大，在本项目中实现起来有一定困难；（3）通过计算表明，如果利用土壤蓄热，由于土壤在的热损失而需要集热器增加约30%以上的面积（与后面提到的水蓄热相比），投资有较大的增加。

3.3.2.2  水蓄热方案

    按照典型设计日全天热平衡的思路——在白天，利用太阳能直接供热，同时将白天多余的集热量以热水形式蓄存，用于不同时刻（如夜间）的供暖需要。由于集热器面积有限，本工程采用部分负荷水蓄热方案。经计算：典型设计日白天供热量：14763kWh，蓄热量为：4560kWh，在考虑蓄热水温差为5℃和15%的蓄热损失的条件下，计算要求的蓄热水箱体积约为：1000m3。从投资和全年电费来看，水蓄热只有前述采用土壤蓄热方式投资的60%左右，电费的70%左右。并且该系统较为可靠，运行管理相对方便。

    该系统的不足之处是需要占用一定的室内建筑面积。

3.3.2.3  蓄热系统设计

    在本工程地下室建设混凝土蓄热水箱，除了蓄热所需要的容积外，该水箱还考虑到对于在夜间将开式集热系统水全部放空至水箱所需要的容水量和一定的非存水高度，因此，水箱实际空间容积接近1500m3。

3.3.3  取热系统

    本设计采用板式换热器作为换热设备，其设计水温参数为：一次水（集热水）40/50℃，二次水（采暖水）41/36℃。

    如前所述，采用换热方式显然对于太阳能的利用还不是最充分的。如果考虑将集热水直接作为室内采暖热水，实际上对集热系统的要求可以更为降低，也会更有效的提高集热效率。但是，设计人认为：不论集热系统是开式还是闭式系统，由于地板辐射采暖是一个闭式系统，将两者分开，在运行管理上会带来更多的优点。如果不分开：开式集热系统显然不适合于有“闭式”要求的室内采暖系统；而闭式集热系统的防冻液也不宜直接作为采暖热媒。

4  设计总结

    太阳能是一个取之不尽、用之不绝、并且利用过程中不会造成环境污染的清洁能源，在我国目前的能源紧张和国家大力推行建设“节约型社会”、“四节一环保”的形势下，积极推动太阳能的利用有着积极的意义。按照拉萨地区冬季日照率77%计算，如果对于一个采用全负荷蓄热的、利用太阳能采暖的建筑而言，理论上可以节约70%以上的冬季采暖能耗，这是相当可观的。在利用过程中，要注意以下几点：

4.1  蓄热系统

    对于采暖而言，太阳能的逐时分布情况与采暖负荷的逐时分布情况在性质上几乎是“相反”的（太阳能的最大值时刻正好是采暖负荷的最小值时刻）。因此通常来说，我们应该考虑蓄热措施。

4.2  “低位”能源系统

    由于目前在流行的太阳能集热器产品在集热效率等方面等还处于较低的水平（大多数不超过40%），因此，目前我们所利用的太阳能仍然是以“低位”能源为出发点来考虑的，这就要求我们在利用过程中尽量考虑到这一特点才能有效的提高集热效率和利用效率。从采暖来看，集热水的相对低温对于散热器采暖存在一定的限制条件，但对于地板辐射采暖系统则是比较吻合的。因此建议将此二者相结合来考虑。

4.3  辅助热源

    太阳辐射强度与天气情况等密切相关，并不是任何时候都能“随心所欲”的利用太阳能。即使以拉萨77%的日照率来说，仍然有23%的时间不能充分利用太阳能，这时我们必须设置相应的辅助热源，才能保证建筑采暖的正常需求。在本设计中，辅助热源容量按照以下两者计算结果的较大值设置：

（1）典型设计日全天平均装机容量q1（kW）计算公式：q1=[典型设计日供热量(kWH/d)-晴天总集热量(kWH/d)×10%]/24

（2）各时刻集热量qij与各时刻热负荷qif的差值中的最大者q2（kW）计算公式：q2=max（qij-qif）

    经计算，本工程辅助热源的装机容量为：880kW。

4.4  采暖系统运行策略

    以太阳能利用为优先，充分利用绿色能源。

4.5  夏季太阳能的利用与相关措施

    夏季太阳能比冬季更为丰富，充分利用它是更为有效的节能措施。

4.5.1  对于夏季需要空调、冬季需要供暖的地区或建筑，利用集热系统在夏季提供用于吸收是冷水机组的热量（从时刻来看，其可以利用的能力与空调冷负荷的特点是比较吻合的），是一种有效的节能方式。当然，这要求我们对有关产品进行进一步的研究，开发出能够提供“高位”热源的太阳能集热设备。这种方式也使得集热设备的利用率大幅提高，投资回报更加合理。同时，也有助于提高集热器的使用寿命。

4.5.2  本工程由于夏季不需要空调，因此，主要用途是冬季供热。但是，考虑到火车站的工作需要以及将来的周围环境（商业需求等等），在夏季可以为生活热水提供热源。当然总的来看，这部分的需求远不如冬季供热量，可能有部分集热器处于夏季不工作的状态。对于集热器而言，长时间无水情况下“暴晒”，其使用寿命将受到影响。因此，本工程要求厂家还要提供对夏季不使用的集热器的有效遮阳措施。

4.5.3  除上述外，在夏季，本工程还通过与建筑设计的结合，在建筑的夏季自然通风竖风道中设置加热水管，利用集热水对竖风道中的空气进行加热，提高自然通风的能力，改善了室内空气的环境，从某个角度来说，也减少了室内风机的全年运行能耗。

5  致谢

    本工程在设计过程中，中国西南建筑设计研究院冯雅同志从方案设计、设备选择等方面提供了大量的资料和参考意见以及现有实际工程的运行资料，在此表示衷心的感谢。