太陽(yáng)能熱利用技術(shù)研究進(jìn)展與展望

DOI： 10.19911/j.1003-0417.tyn20240531.01 文章編號(hào)：1003-0417（2024）07-20-11

摘 要：太陽(yáng)能熱利用是重要的可再生能源應(yīng)用形式之一。對(duì)中國(guó)近幾年太陽(yáng)能集熱、蓄熱等關(guān)鍵部件，以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法等集成技術(shù)的重要突破進(jìn)行了梳理，對(duì)太陽(yáng)能熱水供應(yīng)、太陽(yáng)能供暖、太陽(yáng)能制冷及太陽(yáng)能工農(nóng)業(yè)應(yīng)用等應(yīng)用形式的最新進(jìn)展進(jìn)行了歸納，并對(duì)太陽(yáng)能熱利用的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。中國(guó)太陽(yáng)能熱利用的應(yīng)用形式以太陽(yáng)能熱水供應(yīng)為主，已經(jīng)向智能化、精細(xì)化方向發(fā)展。在清潔取暖進(jìn)程及“雙碳”目標(biāo)的推動(dòng)下，中國(guó)太陽(yáng)能熱利用技術(shù)在供暖、制冷及工農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用逐步增多，應(yīng)用形式正向多元化發(fā)展。以太陽(yáng)能為主的多能協(xié)同供能系統(tǒng)可以在有效解決太陽(yáng)能資源不穩(wěn)定性問(wèn)題的同時(shí)提升系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性，是未來(lái)低碳發(fā)展的重要方向。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能熱利用技術(shù)；太陽(yáng)能熱水；太陽(yáng)能供暖；太陽(yáng)能制冷；多能協(xié)同供能系統(tǒng)；研究進(jìn)展；發(fā)展趨勢(shì)

中圖分類號(hào)：TU831.6/TU832.1+7/TK519 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0" 引言

在“雙碳”目標(biāo)背景下，中國(guó)可再生能源應(yīng)用總量大幅提升，以太陽(yáng)能、風(fēng)能等為代表的可再生能源的應(yīng)用成為支撐中國(guó)應(yīng)對(duì)氣候變化、落實(shí)“雙碳”目標(biāo)的重要方式之一。

據(jù)國(guó)際能源署（IEA）統(tǒng)計(jì)，2021年全球的終端熱能消耗中，工業(yè)過(guò)程的熱能消耗占比為53%，建筑供暖和熱水供應(yīng)的熱能消耗占44%，其余為溫室大棚等農(nóng)業(yè)應(yīng)用的熱能消耗[1]。太陽(yáng)能熱利用技術(shù)不僅可以提供熱水、供暖，還可以用于工農(nóng)業(yè)用熱，是除光伏發(fā)電、風(fēng)電之外，應(yīng)用最廣泛的可再生能源應(yīng)用形式。然而根據(jù)IEA的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2021年全球供暖需求中，可再生能源供給的熱量?jī)H占全球總消耗量的11%，因此在應(yīng)對(duì)全球氣候變化推動(dòng)下，太陽(yáng)能熱利用技術(shù)具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

2021年，中國(guó)太陽(yáng)能熱利用系統(tǒng)累計(jì)裝機(jī)容量約占全球太陽(yáng)能熱利用系統(tǒng)累計(jì)裝機(jī)容量的72.8%[1]。近幾年，隨著戶用太陽(yáng)能熱水市場(chǎng)逐漸飽和，以及受光伏發(fā)電、熱泵等可再生能源應(yīng)用形式的沖擊，全球太陽(yáng)能熱利用系統(tǒng)的新增裝機(jī)規(guī)模略有下降。但在碳中和目標(biāo)背景下，太陽(yáng)能熱利用應(yīng)用對(duì)降低常規(guī)化石能源的消耗、推動(dòng)低碳轉(zhuǎn)型具有重要作用。

基于此，本文對(duì)近幾年太陽(yáng)能集熱、蓄熱等關(guān)鍵部件，以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法等集成技術(shù)的重要突破進(jìn)行梳理，對(duì)太陽(yáng)能熱水供應(yīng)、太陽(yáng)能供暖、太陽(yáng)能制冷、太陽(yáng)能工農(nóng)業(yè)應(yīng)用等應(yīng)用形式的最新進(jìn)展進(jìn)行歸納，并對(duì)太陽(yáng)能熱利用技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望。

1" 總體發(fā)展情況

1.1" 國(guó)際情況

為應(yīng)對(duì)全球氣候變化及俄烏沖突引起的能源安全問(wèn)題，可再生能源供熱引起了各國(guó)政府的關(guān)注，例如：美國(guó)通過(guò)了《通貨膨脹削減法案》、歐盟公布了“REpowerEU”能源轉(zhuǎn)型行動(dòng)方案等，計(jì)劃逐步擺脫對(duì)化石能源的依賴，促進(jìn)可再生能源供熱發(fā)展。

根據(jù)國(guó)際能源署太陽(yáng)能供熱制冷委員會(huì)（IEA SHC TCP）的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，截至2022年底，全球范圍內(nèi)太陽(yáng)能熱利用系統(tǒng)的運(yùn)行量為542 GW（約合集熱器面積7.74億m2），年供能量約為442 TWh，可減少1.53億t二氧化碳排放量。2022年全球可再生能源的運(yùn)行量與供能量如圖1[1]所示。2004—2022年全球太陽(yáng)能熱利用系統(tǒng)的年新增集熱器面積與年增長(zhǎng)率如圖2[1]所示。

從應(yīng)用形式來(lái)看，全球范圍內(nèi)太陽(yáng)能熱利用應(yīng)用形式包含太陽(yáng)能熱水供應(yīng)、太陽(yáng)能供暖、太陽(yáng)能制冷、太陽(yáng)能工農(nóng)業(yè)應(yīng)用、光伏光熱一體化（PV/T）應(yīng)用等。根據(jù)IEA SHC TCP的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，從系統(tǒng)裝機(jī)規(guī)模來(lái)看，2022年，為單戶住宅提供生活熱水或供暖的戶用太陽(yáng)能熱利用系統(tǒng)的裝機(jī)容量約占全球太陽(yáng)能熱利用系統(tǒng)總裝機(jī)容量的60%。在歐洲和中國(guó)，受光伏發(fā)電、熱泵行業(yè)的沖擊，形式較為復(fù)雜的機(jī)械循環(huán)熱水系統(tǒng)占比較大；但在亞洲除中國(guó)外其他國(guó)家，以及南美洲、非洲南部等地區(qū)，還是以戶用重力循環(huán)熱水系統(tǒng)為主要應(yīng)用形式。

在能源低碳轉(zhuǎn)型推動(dòng)下，太陽(yáng)能區(qū)域供熱項(xiàng)目和太陽(yáng)能工業(yè)熱利用項(xiàng)目的裝機(jī)容量逐步增加。截至2022年底，全球大型太陽(yáng)能區(qū)域供熱工程的數(shù)量約為325個(gè)，主要分布在丹麥、中國(guó)、德國(guó)等國(guó)家，總裝機(jī)容量為1.80 GW，與2021年相比增長(zhǎng)約10%。據(jù)德國(guó)統(tǒng)計(jì)局統(tǒng)計(jì)，截至2022年底，全球范圍內(nèi)正在運(yùn)行的太陽(yáng)能工業(yè)熱利用工程至少有1089個(gè)，總裝機(jī)容量超過(guò)856 MW。

1.2" 國(guó)內(nèi)情況

截至2023年底，中國(guó)太陽(yáng)能熱利用系統(tǒng)的運(yùn)行量為367 GW（ 約合集熱器面積5.36億m2），為減少二氧化碳排放作出重要貢獻(xiàn)。2004—2023年中國(guó)太陽(yáng)能熱利用系統(tǒng)的年新增集熱器面積與年增長(zhǎng)率如圖3所示。

從產(chǎn)品類型來(lái)看，真空管型太陽(yáng)能集熱器的運(yùn)行量占中國(guó)太陽(yáng)能熱利用運(yùn)行量的85.6%。2023年，中國(guó)新增集熱器面積為2189.8萬(wàn)m2，其中，真空管型太陽(yáng)能集熱器和平板型太陽(yáng)能集熱器的新增面積占比分別為76.8%和23.2%。平板型太陽(yáng)能集熱器由于具有易與建筑結(jié)合的特點(diǎn)，具有很大的市場(chǎng)發(fā)展?jié)摿Α?004—2023年中國(guó)不同類型太陽(yáng)能集熱器的年新增集熱器面積及占比情況如圖4所示。

從應(yīng)用規(guī)模來(lái)看，在中國(guó)太陽(yáng)能熱利用市場(chǎng)中，工程市場(chǎng)的占比逐年增多，2023年達(dá)到了76%。零售市場(chǎng)主要是戶用太陽(yáng)能熱水器，在2012年前后開(kāi)展的“家電下鄉(xiāng)”政策支持下，中國(guó)農(nóng)村地區(qū)戶用太陽(yáng)能熱水器的裝機(jī)容量顯著提升；但隨著農(nóng)村地區(qū)裝機(jī)容量逐步飽和，目前在太陽(yáng)能熱利用系統(tǒng)新增裝機(jī)容量中，戶用太陽(yáng)能熱水器的占比逐年降低，酒店、學(xué)校等公共建筑的分布式太陽(yáng)能熱水工程的占比逐年增多。2006—2023年中國(guó)太陽(yáng)能熱利用零售市場(chǎng)與工程市場(chǎng)的占比情況如圖5所示。

在2023年中國(guó)太陽(yáng)能熱利用市場(chǎng)新增裝機(jī)容量中，分布式太陽(yáng)能熱水工程的占比達(dá)到了59.30%；除太陽(yáng)能熱水工程外，太陽(yáng)能供暖工程、太陽(yáng)能工業(yè)熱利用工程等應(yīng)用形式的占比約為17.00%，說(shuō)明太陽(yáng)能熱利用的應(yīng)用形式正朝著多元化發(fā)展，具體如圖6所示。

2" 關(guān)鍵產(chǎn)品技術(shù)進(jìn)展

2.1" 集熱技術(shù)

太陽(yáng)能集熱器是太陽(yáng)能熱利用系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，在“十三五”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的支持下，中國(guó)建筑科學(xué)研究院有限公司（下文簡(jiǎn)稱為“中國(guó)建研院”）聯(lián)合日出東方控股股份有限公司（下文簡(jiǎn)稱為“日出東方”）開(kāi)展了抗氧化高效選擇性吸熱膜層與太陽(yáng)能集熱器腔體含濕量控制技術(shù)研究[2-3]，通過(guò)優(yōu)化樹(shù)脂重量比，研發(fā)了抗氧化高效選擇性吸熱膜層；明確了腔體內(nèi)空氣狀態(tài)與保溫材料水汽平衡變化規(guī)律，提出了太陽(yáng)能集熱器保溫材料及腔體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，有效解決了太陽(yáng)能集熱器板芯的腐蝕老化問(wèn)題，大幅增強(qiáng)了太陽(yáng)能集熱器對(duì)溫濕交變環(huán)境的耐候性，提高了太陽(yáng)能集熱器的使用壽命和系統(tǒng)應(yīng)用性能。

除傳統(tǒng)技術(shù)外，PV/T集成應(yīng)用是提升太陽(yáng)能利用率的重要形式。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)提出了一種PV/T組件與帶有溫差發(fā)電片的太陽(yáng)能集熱器串聯(lián)的雙級(jí)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了全天持續(xù)發(fā)電，但該系統(tǒng)的發(fā)電效率仍較低，夜間發(fā)電效率平均值為1.46%[4]。因此，尚需進(jìn)一步研究來(lái)改進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以提升其發(fā)電效率，同時(shí)降低系統(tǒng)的復(fù)雜程度。

2.2" 蓄熱技術(shù)

由于太陽(yáng)能熱利用系統(tǒng)的運(yùn)行存在間歇性，蓄熱技術(shù)是保障供能穩(wěn)定性的關(guān)鍵且有效的方法之一。目前常用的蓄熱技術(shù)有以水為介質(zhì)的顯熱蓄熱技術(shù)和利用相變材料的相變蓄熱技術(shù)。

在技術(shù)研究領(lǐng)域，目前的研究主要以相變蓄熱技術(shù)為主。相變蓄熱技術(shù)是利用相變材料（phase change materials，PCMs）發(fā)生某種形式的相變，在相變過(guò)程中釋放或吸收潛熱來(lái)實(shí)現(xiàn)熱能的儲(chǔ)存和利用，具有儲(chǔ)熱密度高、近似恒溫、蓄熱效率高等優(yōu)點(diǎn)，是目前最重要的儲(chǔ)能方式之一。但相變蓄熱的熱穩(wěn)定性還需強(qiáng)化，由于相變材料較貴，因此該技術(shù)的成熟度低于顯熱儲(chǔ)熱技術(shù)，目前相變蓄熱應(yīng)用仍以工程示范為主。當(dāng)前針對(duì)相變蓄熱技術(shù)的研究主要集中在增加傳熱性能、增強(qiáng)穩(wěn)定性、相變蓄熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等[5]方面，目的為增加蓄熱效率。例如：武賓等[6]研制了一種放射形相變蓄熱器，與平板翅片相比，放射形翅片各翅片單元間相變材料的導(dǎo)熱更均勻，凝固時(shí)間縮短了31%；姚莉等[7]通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化方法設(shè)計(jì)了一種新型蓄熱器肋片結(jié)構(gòu)，提高了蓄熱器內(nèi)部的溫度分布均勻性；羅凱怡等[8]和鄭煒博等[9]都提出添加銅或鎳金屬泡沫形成復(fù)合材料，采用復(fù)合材料提升相變材料內(nèi)部的溫度分布均勻度，進(jìn)而提高設(shè)備能效；劉赟等[10]研究了顆粒結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)蓄熱器蓄熱性能的影響規(guī)律；閆全英等[11]、蔣靜智等[12]均以石蠟作為相變材料，分別研究了自然對(duì)流對(duì)殼管式和套管式相變蓄熱換熱器換熱性能的影響。

在工程應(yīng)用領(lǐng)域，由于以水為介質(zhì)的顯熱蓄熱技術(shù)具有比熱容大、成本低等優(yōu)勢(shì)，在太陽(yáng)能熱利用工程中被廣泛應(yīng)用。目前工程應(yīng)用領(lǐng)域的研究重點(diǎn)主要集中在蓄熱水池建造技術(shù)，旨在降低由蓄熱體溫度分層、保溫性不佳等因素引起的熱量損失。中國(guó)建研院聯(lián)合日出東方、西安建筑科技大學(xué)等單位針對(duì)大型太陽(yáng)能蓄熱水池建造技術(shù)，提出了蓄熱水池最佳構(gòu)造特征參數(shù)，充分利用蓄熱體溫度分層現(xiàn)象，構(gòu)建了大型地下蓄熱水池中蓄熱水體與周邊土壤的熱平衡計(jì)算模型，提出了取放熱動(dòng)態(tài)擾動(dòng)下蓄熱水池關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計(jì)方法，提高了長(zhǎng)周期蓄熱水池設(shè)計(jì)的科學(xué)性與準(zhǔn)確性；開(kāi)發(fā)了排水透汽裝置，提出了柔性浮動(dòng)保溫技術(shù)體系，有效解決了大型地下蓄熱水池的邊坡穩(wěn)定性、防滲漏和保溫等問(wèn)題。目前，相關(guān)技術(shù)已應(yīng)用于西藏自治區(qū)浪卡子縣太陽(yáng)能供暖工程蓄熱水池的設(shè)計(jì)和建造中，并取得了較好的運(yùn)行效果。

總的來(lái)說(shuō)，蓄熱設(shè)備是太陽(yáng)能熱利用系統(tǒng)的重要組成部分，以水為介質(zhì)的顯熱蓄熱技術(shù)具有成本低、安全、穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，已大規(guī)模應(yīng)用于太陽(yáng)能熱利用系統(tǒng)中，但此技術(shù)也存在體積大、蓄熱密度低等局限。相變蓄熱技術(shù)是當(dāng)前蓄熱技術(shù)的研究熱點(diǎn)，雖然在技術(shù)研究方面已有一定突破，但在實(shí)際使用中仍存在不穩(wěn)定、效率低等問(wèn)題，尚需進(jìn)一步研究發(fā)展。

2.3" 運(yùn)行調(diào)控

除單個(gè)產(chǎn)品性能外，系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)控方法也是實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能熱利用系統(tǒng)高效運(yùn)行的關(guān)鍵。目前的研究重點(diǎn)主要集中在以太陽(yáng)能為主的多能協(xié)同供能系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的調(diào)節(jié)方面。

在大型太陽(yáng)能供能系統(tǒng)的運(yùn)行調(diào)控方面，莊照犇[13]針對(duì)太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)的熱力/水力平衡性能進(jìn)行了分析，提出了一種結(jié)合太陽(yáng)輻照度、環(huán)境溫度、進(jìn)口溫度的太陽(yáng)能集中集熱系統(tǒng)變流量調(diào)節(jié)方法，提升了集熱系統(tǒng)的集熱效率。周喜超等[14]分析了不同運(yùn)行策略對(duì)季節(jié)蓄熱供熱系統(tǒng)在蓄熱季時(shí)系統(tǒng)性能的影響特性，研究發(fā)現(xiàn)：季節(jié)蓄熱水體溫度分層對(duì)系統(tǒng)集熱性能的影響較大，尤其是在蓄熱季末期，與溫差控制策略相比，采用變流量定溫運(yùn)行策略時(shí)該系統(tǒng)的集熱效率最大可提高4.8%。

此外，在建筑太陽(yáng)能熱利用系統(tǒng)中，由于太陽(yáng)能熱利用存在不穩(wěn)定性，通常與光伏發(fā)電、熱泵、蓄熱等形式結(jié)合應(yīng)用，此狀態(tài)下，對(duì)太陽(yáng)能熱利用系統(tǒng)的運(yùn)行調(diào)控宜與建筑能耗的智慧管控系統(tǒng)相結(jié)合，基于建筑用能需求及產(chǎn)能量預(yù)測(cè)，對(duì)太陽(yáng)能熱利用系統(tǒng)的供熱、蓄熱量進(jìn)行調(diào)節(jié)。例如：孔祥強(qiáng)等[15]基于多元線性回歸算法，構(gòu)建了直膨式太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)的性能預(yù)測(cè)模型；何迪等[16]基于粒子群優(yōu)化（PSO）算法優(yōu)化了徑向基函數(shù)（RBF）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，從而提高了PV/T系統(tǒng)發(fā)電量、集熱量的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率。以上預(yù)測(cè)方法為基于預(yù)測(cè)的系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)控提供了研究基礎(chǔ)。當(dāng)前建筑能源管理系統(tǒng)中，主要關(guān)注暖通空調(diào)的系統(tǒng)能耗，對(duì)其他子系統(tǒng)的關(guān)注較少[17]，因此基于“產(chǎn)-蓄-供-用”耦合的系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)控尚需進(jìn)一步開(kāi)發(fā)。

3" 應(yīng)用技術(shù)的最新進(jìn)展

近年來(lái)，在“雙碳”目標(biāo)的驅(qū)動(dòng)下，太陽(yáng)能熱利用技術(shù)在太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)、太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)、太陽(yáng)能制冷空調(diào)系統(tǒng)及太陽(yáng)能工農(nóng)業(yè)應(yīng)用等領(lǐng)域取得了較快發(fā)展。

3.1" 太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)

太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的應(yīng)用相對(duì)比較成熟，當(dāng)前市場(chǎng)上關(guān)注較多的是智能控制系統(tǒng)，例如：山東力諾瑞特新能源有限公司推出了太陽(yáng)能熱水器智能控制系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制，可提升系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性與穩(wěn)定性。

針對(duì)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的碳減排評(píng)估方法，中國(guó)建研院聯(lián)合太陽(yáng)雨集團(tuán)有限公司開(kāi)展了太陽(yáng)能熱利用系統(tǒng)碳減排計(jì)算方法研究，建立了碳減排測(cè)試場(chǎng)，基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬研究提出了不同氣候資源條件下太陽(yáng)能熱利用系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行的碳減排量計(jì)算方法，并編制完成了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《基于項(xiàng)目的溫室氣體減排量評(píng)估技術(shù)規(guī)范 太陽(yáng)能熱利用》（尚未正式實(shí)施），可為太陽(yáng)能熱利用系統(tǒng)的碳減排量評(píng)估提供科學(xué)合理的標(biāo)準(zhǔn)化方法。

3.2" 太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)

近年來(lái)，隨著清潔取暖及低碳轉(zhuǎn)型的推進(jìn)，太陽(yáng)能供熱技術(shù)成為太陽(yáng)能熱利用的重要方向，中國(guó)太陽(yáng)能供暖工程的數(shù)量逐步增多，尤其是在太陽(yáng)能資源豐富的西部地區(qū)（例如：西藏自治區(qū)），已經(jīng)建成了多項(xiàng)太陽(yáng)能供暖工程。針對(duì)太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)的研究主要集中在太陽(yáng)能集熱、蓄熱、輔助能源等容量配置設(shè)計(jì)及優(yōu)化方法，以及大型太陽(yáng)能集熱場(chǎng)的串并聯(lián)優(yōu)化等方面。

中國(guó)建研院聯(lián)合日出東方等單位，依托“十三五”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目支撐，針對(duì)大型集熱場(chǎng)中太陽(yáng)能集熱器數(shù)量多、組合方式復(fù)雜、流量分配不平衡等特殊問(wèn)題，以精準(zhǔn)預(yù)測(cè)集熱性能為目標(biāo)，建立了不規(guī)則太陽(yáng)能集熱器陣列的水力熱力平衡分析模型，開(kāi)發(fā)了太陽(yáng)能集熱器最優(yōu)串并聯(lián)配比與最佳流量參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，并引入最小阻滯距離參數(shù)優(yōu)化太陽(yáng)能集熱器陣列的不凝性氣體排氣設(shè)計(jì)，可為大型太陽(yáng)能集熱場(chǎng)的設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐。該技術(shù)已應(yīng)用于世界海拔最高、中國(guó)規(guī)模最大的西藏自治區(qū)仲巴縣城太陽(yáng)能熱電聯(lián)供工程中，根據(jù)第三方測(cè)試結(jié)果，其集熱系統(tǒng)的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化效率可達(dá)59.1%。

此外，針對(duì)以太陽(yáng)能為主的多能協(xié)同供能系統(tǒng)存在的系統(tǒng)冗余、協(xié)同度低、實(shí)際運(yùn)行效率不佳等問(wèn)題，通過(guò)建立典型模型，開(kāi)展建筑用能特性與多能協(xié)同供能系統(tǒng)供能特性的耦合研究，提出了太陽(yáng)能多能協(xié)同設(shè)計(jì)方法，開(kāi)發(fā)了建筑太陽(yáng)能供能系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法及工具，可實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能集熱/發(fā)電、儲(chǔ)熱蓄電、用熱用冷用電的逐時(shí)耦合計(jì)算。經(jīng)驗(yàn)證，該方法計(jì)算得到的逐時(shí)集熱量、發(fā)電量結(jié)果偏差均在10%以內(nèi)，大幅提升了多能協(xié)同供能系統(tǒng)“產(chǎn)-蓄-供-用”各環(huán)節(jié)的協(xié)同度，可支撐太陽(yáng)能多能協(xié)同規(guī)?；瘧?yīng)用。

3.3" 太陽(yáng)能制冷系統(tǒng)

在高效太陽(yáng)能制冷技術(shù)領(lǐng)域，國(guó)際上，IEA SHC TCP先后設(shè)立了Task 38“太陽(yáng)能空調(diào)與制冷”、Task 48“太陽(yáng)能制冷系統(tǒng)質(zhì)量保障與支持”、Task 53“新一代太陽(yáng)能供熱制冷技術(shù)”幾項(xiàng)研究任務(wù)，對(duì)高效太陽(yáng)能制冷技術(shù)展開(kāi)研究，致力于不斷提高太陽(yáng)能制冷系統(tǒng)的能效。美國(guó)加州大學(xué)對(duì)復(fù)合拋物面集熱器（CPC）驅(qū)動(dòng)的太陽(yáng)能制冷系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)性能研究，該制冷系統(tǒng)的日均效率達(dá)到0.36～0.39。意大利那不勒斯非里德里克第二大學(xué)提出的新型槽式太陽(yáng)能集熱器（PTC），可使太陽(yáng)能制冷系統(tǒng)的實(shí)測(cè)峰值效率達(dá)到0.6。

目前，中國(guó)太陽(yáng)能制冷的技術(shù)路線主要包括太陽(yáng)能集熱器結(jié)合吸收或吸附式制冷、光伏發(fā)電結(jié)合壓縮式制冷。由于制冷系統(tǒng)需要同時(shí)處理熱濕負(fù)荷，理想制冷循環(huán)的蒸發(fā)溫度約為5～7 ℃，但滿足該溫度需求的太陽(yáng)能制冷系統(tǒng)的制冷性能系數(shù)（COP）較低，介于0.3～0.4之間。針對(duì)上述問(wèn)題，上海交通大學(xué)的研究人員[18]引入除濕換熱器循環(huán)，針對(duì)吸收循環(huán)、壓縮循環(huán)與除濕循環(huán)高效匹配耦合開(kāi)展了研究，構(gòu)建了太陽(yáng)能電能聯(lián)合驅(qū)動(dòng)的除濕空調(diào)理論循環(huán)，開(kāi)發(fā)了太陽(yáng)能熱能與蒸汽壓縮制冷循環(huán)耦合的空調(diào)樣機(jī)并進(jìn)行了測(cè)試。經(jīng)第三方檢測(cè)，樣機(jī)實(shí)測(cè)供冷量可達(dá)16 kW，太陽(yáng)能熱力COP達(dá)到0.56、電力COP達(dá)到7.12。該技術(shù)已在新加坡濱海灣公園實(shí)地應(yīng)用，運(yùn)行效果良好，進(jìn)一步提升了太陽(yáng)能制冷能效，拓展了太陽(yáng)能制冷系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景。

3.4" 太陽(yáng)能工農(nóng)業(yè)應(yīng)用

太陽(yáng)能熱利用技術(shù)在工農(nóng)業(yè)也有廣泛的應(yīng)用，涵蓋紡織、原油加熱、食品加工、農(nóng)業(yè)大棚、農(nóng)業(yè)養(yǎng)殖、農(nóng)副產(chǎn)品加工等領(lǐng)域。

在農(nóng)業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，研究主要集中于太陽(yáng)能在溫室大棚及農(nóng)產(chǎn)品干燥領(lǐng)域的應(yīng)用。例如：針對(duì)北方地區(qū)夜間溫室大棚內(nèi)外溫差大、降溫迅速等問(wèn)題，王建川等[19]、蔣綠林等[20]分別提出了采用太陽(yáng)能結(jié)合相變蓄熱，以及太陽(yáng)能結(jié)合地源熱泵的方式，以提高溫室大棚的室內(nèi)溫度。Chen等[21]提出了一種將窄槽式集熱器（NTC）與固體除濕劑相結(jié)合的溫室大棚熱濕調(diào)控系統(tǒng)（HHNG），可將溫室大棚的夜間相對(duì)濕度從94.2%降低到81.3%。在農(nóng)產(chǎn)品干燥方面，目前小規(guī)模用能場(chǎng)景下，可通過(guò)搭建簡(jiǎn)易太陽(yáng)能干燥裝置實(shí)現(xiàn)100%利用太陽(yáng)能滿足干燥用能需求。而大規(guī)模連續(xù)生產(chǎn)用能場(chǎng)景下，則較難實(shí)現(xiàn)100%利用太陽(yáng)能，需要結(jié)合輔助系統(tǒng)以克服太陽(yáng)能間歇性、不穩(wěn)定性等問(wèn)題[22]。例如：劉碩楠[23]研究了太陽(yáng)能熱泵耦合干燥裝置的運(yùn)行模式對(duì)香菇品質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)能輔助熱泵間歇運(yùn)行干燥模式下的香菇品質(zhì)最好。

在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，太陽(yáng)能熱利用技術(shù)已應(yīng)用于園區(qū)集中供熱、紡織[24-25]、食品加工[26]、石油開(kāi)采、原油管道加熱[27]等領(lǐng)域。例如：朱克慶等[26]分析了太陽(yáng)能蒸汽用于主食加熱的可行性與經(jīng)濟(jì)性，提出了太陽(yáng)能蒸汽用于主食加熱的潛力。吳洋洋等[28]開(kāi)展了“太陽(yáng)能+工業(yè)余熱”協(xié)同相變儲(chǔ)能原油加熱系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)研究，以經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性和可靠性為目標(biāo)，提出了該系統(tǒng)在寒區(qū)浮頂油罐加熱維溫下的最佳運(yùn)行策略；另外，還協(xié)助大慶油田建立了首套太陽(yáng)能熱利用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能利用率的增長(zhǎng)，增幅達(dá)到20%～25%。

此外，太陽(yáng)能熱利用技術(shù)還可用于太陽(yáng)能海水淡化[29]、太陽(yáng)能制氫[30-31]、太陽(yáng)能催化還原二氧化碳[32]等領(lǐng)域，利用太陽(yáng)能替代傳統(tǒng)能源，推動(dòng)綠色低碳發(fā)展。從全球范圍內(nèi)來(lái)看，利用太陽(yáng)能滿足工業(yè)過(guò)程用熱需求呈現(xiàn)出良好的發(fā)展趨勢(shì)。

4" 太陽(yáng)能熱利用工程實(shí)例

4.1" 太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)

太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)是中國(guó)最常見(jiàn)的太陽(yáng)能熱利用系統(tǒng)形式。2023年，太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)新增裝機(jī)容量占中國(guó)太陽(yáng)能熱利用系統(tǒng)新增裝機(jī)容量的83.0%，其中，59.3%為分布式太陽(yáng)能熱水工程，主要應(yīng)用場(chǎng)景為醫(yī)院、酒店、學(xué)校等公共建筑的生活熱水供應(yīng)。

4.1.1" 聊城一中太陽(yáng)能熱水工程

本項(xiàng)目位于山東省聊城第一中學(xué)高鐵新城校區(qū)，采用平板型太陽(yáng)能集熱器與真空管型太陽(yáng)能集熱器耦合空氣源熱泵系統(tǒng)，為校區(qū)內(nèi)9號(hào)、13號(hào)、14號(hào)和15號(hào)宿舍樓，以及10號(hào)和12號(hào)餐廳樓提供生活熱水。該項(xiàng)目于2023年9月建設(shè)完成，預(yù)計(jì)年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤300 t，其實(shí)景圖如圖7所示。

4.1.2" 北京市某住宅太陽(yáng)能熱水工程

本項(xiàng)目為無(wú)水箱壁掛式太陽(yáng)能熱水工程，位于北京市海淀區(qū)某住宅小區(qū)，屬于安置房改造項(xiàng)目。采用無(wú)水箱真空管太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)并配合燃?xì)獗趻鞝t耦合運(yùn)行，以保障供能穩(wěn)定性與節(jié)能性；系統(tǒng)的集熱部分和儲(chǔ)熱部分連為一體，整體安裝于建筑外立面，可節(jié)約室內(nèi)及屋頂空間，其實(shí)景圖如圖8所示。

4.2" 太陽(yáng)能供暖工程

4.2.1" 西藏自治區(qū)仲巴縣城太陽(yáng)能熱電聯(lián)供工程

本項(xiàng)目是“十三五”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃中“建筑清潔能源冷熱電聯(lián)供關(guān)鍵技術(shù)及示范”項(xiàng)目的示范工程，位于海拔4700 m的西藏自治區(qū)仲巴縣城，是目前全球海拔最高的大型太陽(yáng)能熱電聯(lián)供項(xiàng)目。該系統(tǒng)由太陽(yáng)能集熱場(chǎng)+蓄熱鋼罐組成，可滿足當(dāng)?shù)卣畽C(jī)關(guān)、醫(yī)院、學(xué)校、住宅等各類建筑共計(jì)11.55萬(wàn)m2的供暖需求；同時(shí)，項(xiàng)目搭配光伏發(fā)電系統(tǒng)，由其滿足集熱泵、循環(huán)泵等各類用電設(shè)備的能源需求。目前該項(xiàng)目已投入運(yùn)行，實(shí)測(cè)其2022年供暖期的太陽(yáng)能保證率達(dá)到100%，其實(shí)景及功能區(qū)域分布如圖9所示。

4.2.2" 河北省某季節(jié)蓄熱太陽(yáng)能供熱采暖工程

本項(xiàng)目位于河北省張家口市，為季節(jié)蓄熱太陽(yáng)能供熱采暖工程，集熱器面積為1.25萬(wàn)m2，蓄熱容量為6萬(wàn)m3，供暖面積約為5萬(wàn)m2。本項(xiàng)目中平板型太陽(yáng)能集熱器采用架空安裝的方式，不占用土地面積，其實(shí)景圖如圖10所示。

4.3" 太陽(yáng)能工農(nóng)業(yè)應(yīng)用工程

4.3.1" 山西省某太陽(yáng)能干燥工程

本項(xiàng)目位于山西省臨汾市，采用270 m2雙通式太陽(yáng)能集熱管，額定功率為176 kW，在09：00～18：00時(shí)間段內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)100%由太陽(yáng)能滿足烘干需求，其他時(shí)間由空氣源熱泵烘干機(jī)組

供能。該項(xiàng)目已于2023年3月建設(shè)完成，其實(shí)景圖如圖11所示。

4.3.2" 某奶牛場(chǎng)巴氏消毒工程

本項(xiàng)目位于江蘇省連云港市，采用太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)收集熱量?jī)?chǔ)存在集熱水箱，然后向恒溫水箱提供基礎(chǔ)水溫，并通過(guò)電加熱設(shè)備將熱水溫度提升至80 ℃后，再供給巴氏消毒設(shè)備以對(duì)儲(chǔ)奶器中的奶源進(jìn)行消毒處理。項(xiàng)目采用能量梯級(jí)利用的方法，有效提高了太陽(yáng)能利用率，其實(shí)景圖如圖12所示。

5" 總結(jié)與展望

本文對(duì)近幾年中國(guó)在太陽(yáng)能熱利用技術(shù)關(guān)鍵設(shè)備、系統(tǒng)集成方面的重要技術(shù)突破進(jìn)行了梳理，對(duì)太陽(yáng)能熱水供應(yīng)、太陽(yáng)能供暖、太陽(yáng)能制冷、太陽(yáng)能工農(nóng)業(yè)應(yīng)用等應(yīng)用形式的最新進(jìn)展進(jìn)行了歸納總結(jié)，得出以下主要結(jié)論：

1）中國(guó)太陽(yáng)能熱利用應(yīng)用形式以太陽(yáng)能熱水供應(yīng)為主，已經(jīng)向智能化、精細(xì)化方向發(fā)展。

2）在清潔取暖進(jìn)程及“雙碳”目標(biāo)的推動(dòng)下，中國(guó)太陽(yáng)能熱利用技術(shù)在供暖、制冷及工農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用逐步增多，太陽(yáng)能熱利用技術(shù)的應(yīng)用形式正向多元化發(fā)展。

3）以太陽(yáng)能為主的多能協(xié)同供能系統(tǒng)可以在有效解決太陽(yáng)能資源不穩(wěn)定性問(wèn)題的同時(shí)提升系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性，是未來(lái)低碳發(fā)展的重要方向。目前太陽(yáng)能多能協(xié)同供能系統(tǒng)已經(jīng)提出了“產(chǎn)-蓄-供-用”各環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)方法，未來(lái)應(yīng)進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)智能化、簡(jiǎn)約化，推動(dòng)太陽(yáng)能多能協(xié)同供能系統(tǒng)高質(zhì)量、規(guī)模化應(yīng)用。

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RESEARCH PROGRESS AND OUTLOOK OF SOLAR THERMAL UTILIZATION TECHNOLOGY

Xu Wei1，2，He Tao1，2，Zhang Xinyu1，2，Li Bojia1，Bian Mengmeng2

（1. Institute of Building Environment and Energy，China Academy of Building Research，Beijing 100013，China；

2. State Key Laboratory of Building Safety and Environment，Beijing 100013，China）

Abstract：Solar thermal utilization is one of the important application forms of renewable energy. This paper reviews the important breakthroughs in key components and integrated technologies，such as solar collectors，heat storage，and system design methods in China in recent years. It summarizes the latest developments in application forms such as solar hot water supply，solar heating，solar cooling，and solar energy industrial and agricultural applications，and looks forward to the development trend of solar thermal system. The application form of solar thermal utilization in China is mainly focused on solar hot water supply，which has developed towards intelligence and refinement. Driven by the clean heating process and the goal of emission peak and carbon neutrality，the application of solar thermal utilization technology in heating，cooling，industry and agriculture in China is gradually increasing，and the application forms are diversifying. A multi-energy coupled system mainly based on solar energy can effectively solve the problem of solar energy resource instability while improving system economy，which is an important direction for future low-carbon development.

Keywords：solar thermal utilization technology；solar water heating；solar heating；solar cooling；multi-energy coupled systems；research progress；development trends

收稿日期：2024-05-31

基金項(xiàng)目：“十四五”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目——太陽(yáng)能富集區(qū)零碳建筑關(guān)鍵技術(shù)研究與示范（2022YFC3802700）

通信作者：邊萌萌（1996—），女，碩士、工程師，主要從事建筑節(jié)能與可再生能源應(yīng)用方面的研究。bianmengm@126.com