西藏军区取暖工程

   “西藏军区取暖工程”是国家军委为改善驻藏官兵的生活条件而下达实施的一项“温暖工程”。工程地点分散，广泛分布于拉萨、日喀则、山南、林芝、昌都等地及其所辖的县城。所有建筑均为已建建筑，建成时间从上世纪80年代至本世纪初。建筑围护结构热工性能较差，外墙普遍为200~300mm水泥砌块，外窗为单层木窗或单层钢窗。方案论证阶段设计方提出围护结构节能改造方案

    ◎项目设计负责人简介??《西藏军区取暖工程》

　　
　　戎向阳：男，1964年12月出生，1984年毕业于重庆建筑工程学院（现重庆大学）供热与通风专业。中国建筑西南设计研究院副总工程师，中国勘察设计协会建筑环境与设备常务委员，四川省制冷学会常务理事兼空调与热泵委员会副主任委员。主持设计了多项大、中型空调采暖项目，内容涵盖民用建筑的各个领域。参与或负责了国家“十一五”科技支撑项目《长江上游地区地表水水源热泵系统高效应用关键技术研究与示范》、《适应成都气候的地（水）源热泵关键技术与配套产品研究与示范》等多项科研项目。
　　

　　工程概况

　　“西藏军区取暖工程”是国家军委为改善驻藏官兵的生活条件而下达实施的一项“温暖工程”。工程地点分散，广泛分布于拉萨、日喀则、山南、林芝、昌都等地及其所辖的县城。所有建筑均为已建建筑，建成时间从上世纪80年代至本世纪初。建筑围护结构热工性能较差，外墙普遍为200~300mm水泥砌块，外窗为单层木窗或单层钢窗。方案论证阶段设计方提出围护结构节能改造方案，但由于建设经费与改造时间的限制，最终仅对海拔4000m以上建筑的围护结构进行节能改造。

　　由于西藏的特殊条件及部队自身的要求，除军区、军分区大院建筑相对集中外，各团级、旅级单位的建筑均具有体量较小、分布广的特点。建筑普遍为1~3层的多层建筑，最高建筑为4层。

　　2003年至2006年按成都军区及西藏军区的计划，对驻藏部队的营区陆续进行采暖改造。每年按计划当年设计、当年施工、当年验收并投入使用，2006年11月通过中国人民解放军总后勤部基建营房部组织的总验收。

　　截至2006年共完成采暖改造面积约70万?，其中在52.13万?的营房采暖工程中利用地下水水源热泵系统作为采暖热源。整个采暖工程的总造价约24亿元，其中地下水水源热泵系统的综合单位造价约为3300元/kW(含抽水井及回灌井投资)。

　　设计思路

　　西藏地区常规能源缺乏，空气含氧量低。使用燃油(煤)锅炉燃烧不充分，燃烧器容易“结碳”，锅炉使用寿命短，烟尘污染大。拉萨地区电力供应相对充足，向拉萨等地区供电的是西藏主要的电网即藏中电网。该电网供电以水电为主，约占其总发电量的3/4。其中主要的水电站羊卓雍湖水电站发电量占总发电量的一半。截至2002年，因用户消费能力所限，羊卓雍湖水电站发电量仅达到其装机容量的60%，整个藏中电网年售电量也只占年发电量80%。

　　2002年拉萨市电业局出台了政策，对进行“煤、油锅炉改电锅炉”的供暖项目在配套电力工程设计和改造费用上予以优惠;对改造后的电锅炉(含电热设备)用电执行0.3元/kWh的优惠电价;对已进行“一户一表”改造的居民用户，月用电100kWh以内按0.4元/kWh收费，超过部分执行0.17元/kWh的优惠电价。该政策的实施使得西藏特别是拉萨地区电锅炉大量使用，能源使用效率非常低。随着西藏经济水平的发展，电力供应紧张的局面日益显现，至2004年拉萨市冬季出现大量限电现象。

　　鉴于西藏地区常规能源匮乏，太阳能资源及地下水资源相当丰富的特点，在采暖热源方案确定时，进行了详细的技术经济比较。图1为采用燃油锅炉、太阳能热系统、地下水水源热泵系统作为采暖热源时的系统造价比较。由于建设投资的制，大面积采用太阳能集热系统无法实现。而各工程所在地的地层均属于第四系河谷冲积层，各地的岩性特征十分相似;表层(约1.5~2m)为粉土，表层以下为砂夹卵石层(约50~60m)，含水丰富，渗透性强，地下径流速度快，冬季地下水温一般在11℃左右，对浅表地下水利用提供非常有利的条件。

　　在初投资的方面，地下水水源热泵系统高于燃油热水锅炉，但按2004年度西藏各地的能源执行价格为基准，投资增量部分的回收期约在5年左右。图2、3分别为两种能源形式的能耗状况与运行费用的比较。

　　通过比较，采用地下水水源热泵系统作为西藏地区的采暖热源，投资适中，能源利用效率得到大幅提高，年运行费用大幅下降，同时大大减少了CO2、NOx的放。因此，整个工程中绝大部分项目均采用地下水水源热泵系统作为采暖热源;局部电力无法保证的偏远地区则采用太阳能被动利用与燃油热水炉相结合的能源形式，少量电力则由柴油发电机提供。

　　案例解析

　　采暖系统设计参数(一级)

　　冬季气候特点(二级)

　　工程所在地大多处于海拔高度大于3500mm的高海拔地区，冬季大气压一般低于700hPa，那曲地区更低于600hPa，仅为低海拔地区的60%。

　　大部分地区冬季采暖室外计算温度在-5℃以下，那曲地区甚至低至?20℃。冬季室外相对湿度较低，最冷月平均相对湿度一般低于40%，拉萨、日喀则更低于30%。拉萨的日平均相对湿度甚至低至10%。

　　冬季日照率特别高，大气透明度好，太阳辐射照度大，连晴时间长。这些地区冬季日照率一般高于70%，日喀则更高达80%以上，是全国冬季日照率最高的地区。以一月份水平面平均日太阳辐射照度为例，拉萨是16.556MJ/(?.d)，那曲、狮泉河、昌都等地区的这一参数也能达到12~14MJ/(?.d)。大气晴朗指数拉萨为0.768，其他城市除西藏的那曲、狮泉河等地区外，大多不超过0.7，最低的仅仅稍高于0.2 。

　　西藏地区的采暖期普遍较长，各主要地区的采暖度日数(HDD18)分别为：拉萨：3553.0 (℃•d)，林芝：3273.6 (℃•d)，昌都：3852.6 (℃•d)，那曲：6607.1 (℃•d)。

　　室内设计参数(二级)

　　根据高原低气压、低氧气分压力、低湿度的特点，确定室内采暖设计温度为16℃。 采暖系统设计参数(二级)

　　采暖供回水温度为：65/55℃，地下水侧的供回水温度为：11/5℃。

　　热负荷指标(一级)

　　整个项目平均建筑面积采暖热负荷指标为： 51.8 W/ ?，平均采暖面积热负荷指标为：103 W/ ?。

　　采暖系统组成(一级)

　　在本工程设计中，为了尽量提高能源利用效率，水源热泵机组选用了满负荷及部分负荷状态下能效比(COP)均较高的高温型机组，清华同方等品牌的共72台水源热泵机组在本工程中得以应用。

　　为保证回灌水的水质，地下水侧采用闭式循环，进入热泵机组的地下水均采用除砂、过滤等物理处理措施。房间散热装置则根据使用性质与业主意见确定。宿舍采用铸铁散热器或铜铝复合散热器，机关办公室则采用风机盘管.

附表：各子项水源热泵机组配置一览表

         工程主要创新及特点(一级)

　　在本工程设计中，结合西藏地区的气候特点及本工程的具体情况，进行了大量的基础研究工作，尤其是在业主要求不作围护结构节能改造的情况下，既要保证室内基本热舒适度，又要使采暖系统做到投资节约、运行节能，是本次设计需要重点解决的技术难题。

　　目前可供设计选用的高原采暖适用性技术研究成果较少。为此我们对适应高原气候条件与能源现状的室内设计参数、采暖热源及采暖形式的选择、采暖系统供水温度的确定、太阳能被动利用等关键技术进行了大量的基础研究。主要的技术创新及特点如下：

　　室内设计温度的确定(二级)

　　根据西藏军区陆军总医院对高原人体生理变化的研究成果，在高原低气压、低氧气分压力、低湿度的环境条件下，人体生理明显有别于低海拔地区，具体表现为：呼吸增强、人体新陈代谢量增加、心率普遍加快、皮肤表面温度提高、人心脏耗氧量及产热量比低海拔地区增加了10%以上 。基于上述变化，利用Fanger的热平衡方程及热舒适方程，对高原采暖房间热舒适标准进行修正。

　　在客观评价的同时，又对不同海拔地区的人员发放调查表进行主观评价调查。对14-20℃各段温度进行人体热舒适调查，图4、5、6、7给出了各地区被访人员对室内舒适温度认可度最高的调查结果。

　  通过调查发现，普遍认为当室温高于18℃时有稍热的感觉，且随海拔高度增加有稍热感觉的人群比例有所增加。结合大量的理论研究、热舒适仪的现场测试及各地调查统计结果，确定适合高原气候条件的室内热舒适温度为16~18℃。考虑到军队工作的特殊性、部队的着装要求以及战士的年龄构成，本工程的采暖设计温度取16℃。工程竣工使用后我们又通过西藏军区对各驻藏部队官兵进行了问卷调查，人体热舒适感的满意度达到99.7%。

　　采暖热源的选择(二级)

　　西藏地区常规能源缺乏，空气含氧量低。使用燃油(煤)锅炉燃烧不充分，燃烧器容易“结碳”，锅炉使用寿命短。在工程设计中通过技术经济比较，充分利用西藏地区丰富的地下水资源，大面积采用了地下水水源热泵系统。该系统科学合理地利用了浅表地层中蕴含的丰富的低品位能源，达到了节约能源、保护环境、维持可持续发展的目的，为西藏地区合理解决采暖问题提供了一个工程范例。工程竣工使用后我们对典型项目的地下水进行了为期3年的跟踪监测，采暖季地下水温度未因热泵系统的取热而下降。这表明西藏地区利用地下水水源热泵来解决建筑采暖是合理可行的，并具有其他系统无法比拟的经济性。

　　结合西藏太阳能资源丰富的特点，对有条件的项目进行了太阳能被动利用的改造。根据建筑现状，因地制宜地制定改造方案。附加阳光间、集热蓄热墙等被动式太阳能利用技术得以局部应用，且效果显著。

　　结合西藏地区水文地质条件、室内热舒适度要求，本着投资合理、运行节能的原则，对利用地下水水源热泵系统作为采暖热源的采暖供水温度进行优化。目前用于散热器采暖的主流水源热泵机组为高温型机组，高温型水源热泵机组通常的供水范围为50~70℃,最高可达到75℃，供回水温差可达10℃。对于水源热泵机组而言，当地下水源侧(蒸发器侧)的温度、流量不变的情况下，随着采暖供水温度的提高水源热泵机组的COP值随之下降，图8为清华同方生产的高温型水源热泵机组在蒸发器侧的地下水进水温度为11℃时的COP值变化情况。当供水温度从55℃提高到70℃时，水源热泵机组的COP值从3.67W/W下降至3.04W/W。

　　在负荷侧，根据散热器的特性，在同样流量的条件下，供水温度越低每片散热器的散热量越低，同样热负荷的情况下要求安装的散热器片数就越多。图9为常用的中心间距为600mm的铜铝复合散热器(△T=64.5℃时的散热器为Q=125W/片)在各供回水温度时的散热量变化情况。

　　采暖系统的供水温度越低，水源热泵机组的COP值越高，运行能耗越低，同时由于散热器散热能力的减少，又将带来初投资的增加。在实际工程应用中，在做到节能、减排的前提下，如何体现系统设计的经济性是必须考虑的问题。图10为不同供水温度情况下，基于拉萨市能源执行价格与设备供应价格的投资、能耗及运行费用的比较。兼顾初投资、能耗及投资回收周期等因素，确定本工程水源热泵系统的供水温度为65℃。

　　高海拔地区采暖方式的适应性研究(二级)

　　由于高海拔地区太阳辐射照度远大于平原地区，室内辐射得热量大，室内热过程有别于低海拔地区。为此我们利用建筑动态能耗模拟软件(EnergyPlus)对低温地板辐射采暖与对散热器采暖系统，在不同太阳辐射照度下的室内热过程进行了模拟分析。发现在办公室、宿舍等常规尺度的建筑内，由于高海拔地区太阳辐射照度较强，采用低温地板辐射采暖方式时其热惯性较大，热响应时间长，采暖房间温度波动明显大于散热器采暖方式，且房间最高温度出现在供暖系统停止5~6小时后。图11为理塘一月份最有利天在不同采暖方式下室温与能耗曲线。

　　模拟分析的结果显示，低温地板辐射采暖方式通过地板进入室内的热量，相对于系统供热量而言有很大的延迟与衰减，使得系统的调节滞后性很大，不能保证通过地板进入室内的热量与房间负荷的匹配。特别是在室内太阳辐射得热量较大的情况下，室内热负荷减少，系统减少供热量，但由于地板蓄热量很大，仍然会源源不断地释放热量，使得室内的温度过高，造成不必要的浪费，而散热器供暖系统与地板辐射供暖相比，热响应快更容易使系统的供热量与房间负荷匹配。

　　图13给出了不同城市地板辐射采暖能耗 / 散热器采暖能耗比值。虽然能耗比值除受太阳辐射照度影响外，同样受室外温度、房间通风量等因素影响，使得能耗比值与太阳辐射量不是简单线性关系;但结合图12和图13可以看出，地板辐射采暖能耗与对流采暖能耗比值的变化趋势和一月份太阳辐射总照度的变化趋势一致。说明太阳辐射照度是影响这一能耗比值的重要因素。

　　通过对低温地板辐射采暖与散热器采暖在不同太阳辐射照度下的室内热环境及采暖能耗的分析研究。结合本工程的房间尺度、使用功能、工程地的太阳辐射照度与投资状况，确定采用热响应较快的散热器(或风机盘管)形式。

　　无补偿直埋管道技术应用(二级)

　　结合西藏地区地下水位高、冻土深度深、施工周期短、材料运输困难的特点，供热管网采用了无补偿直埋管道技术，并制定了工程通用图集。大面积使用无补偿直埋管道技术在西南地区尚属首例。

　　系统使用情况及监测数据(一级)

　　工程竣工使用后，我们通过自动记录温湿度仪、超声波流量测试仪、太阳辐射仪、热舒适仪等设备对典型项目进行了为期3年的跟踪监测，同时设计系统运行记录表要求运行管理人员对各主要参数进行记录。通过对检测数据及运行记录数据的分析，表明系统运行的各项参数基本达到设计要求。

　　1) 采暖室内温度均达到16~18℃。下图为拉萨某南向采暖房间的温湿度曲线。

　　2) 通过三年的运行监测，表明地下水温度变化几乎不受地源热泵系统吸热的影响，地下水静水位标高无明显变化。主要原因是西藏地区地下水径流量大、太阳辐射照度大。下图为某系统的采暖温度与地下水温度的监测数据。

　　3) 根据业主提供的系统运行能耗统计，地下水水源热泵采暖系统的实际运行能耗低于0.5kWh/d. ?。在围护结构未进行节能改造的情况下，采暖能耗控制在这个水平应该较为理想。如果围护结构能进行节能改造，其节能效益将更加显现。

　　通过3年的跟踪监测，我们发现在室温保持在16~18℃时，水源热泵机组的实际出水温度一般只需设定在55~60℃的范围内。这种运行状况有利于提高热泵机组的COP值，节约能耗。但也说明按现行《采暖通风与空气调节设计规范》(GB50019-2003)的第4.2.6条对南向围护结构的朝向修正率取值难以准确修正高太阳辐射照度地区的采暖热负荷，造成计算热负荷偏大而带来设备投资增加。我们通过模拟计算与现场实测数据的比对分析，发现采暖热负荷与太阳辐射照度、南向窗墙比有较大的关联性，利用单一朝向修正率不能客观反映实际负荷情况。具体可供设计选用的数据有待进一步研究。