太陽能熱利用技術(shù)研究進(jìn)展與展望

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

摘 要：太陽能熱利用是重要的可再生能源應(yīng)用形式之一。對中國近幾年太陽能集熱、蓄熱等關(guān)鍵部件，以及系統(tǒng)設(shè)計方法等集成技術(shù)的重要突破進(jìn)行了梳理，對太陽能熱水供應(yīng)、太陽能供暖、太陽能制冷及太陽能工農(nóng)業(yè)應(yīng)用等應(yīng)用形式的最新進(jìn)展進(jìn)行了歸納，并對太陽能熱利用的發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。中國太陽能熱利用的應(yīng)用形式以太陽能熱水供應(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)的推動下，中國太陽能熱利用技術(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。以太陽能為主的多能協(xié)同供能系統(tǒng)可以在有效解決太陽能資源不穩(wěn)定性問題的同時提升系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性，是未來低碳發(fā)展的重要方向。

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

中圖分類號：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，中國可再生能源應(yīng)用總量大幅提升，以太陽能、風(fēng)能等為代表的可再生能源的應(yīng)用成為支撐中國應(yīng)對氣候變化、落實“雙碳”目標(biāo)的重要方式之一。

據(jù)國際能源署（IEA）統(tǒng)計，2021年全球的終端熱能消耗中，工業(yè)過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)計數(shù)據(jù)，2021年全球供暖需求中，可再生能源供給的熱量僅占全球總消耗量的11%，因此在應(yīng)對全球氣候變化推動下，太陽能熱利用技術(shù)具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

2021年，中國太陽能熱利用系統(tǒng)累計裝機(jī)容量約占全球太陽能熱利用系統(tǒng)累計裝機(jī)容量的72.8%[1]。近幾年，隨著戶用太陽能熱水市場逐漸飽和，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，太陽能熱利用應(yīng)用對降低常規(guī)化石能源的消耗、推動低碳轉(zhuǎn)型具有重要作用。

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

1" 總體發(fā)展情況

1.1" 國際情況

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

根據(jù)國際能源署太陽能供熱制冷委員會（IEA SHC TCP）的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，截至2022年底，全球范圍內(nèi)太陽能熱利用系統(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年全球太陽能熱利用系統(tǒng)的年新增集熱器面積與年增長率如圖2[1]所示。

從應(yīng)用形式來看，全球范圍內(nèi)太陽能熱利用應(yīng)用形式包含太陽能熱水供應(yīng)、太陽能供暖、太陽能制冷、太陽能工農(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)計數(shù)據(jù)，從系統(tǒng)裝機(jī)規(guī)模來看，2022年，為單戶住宅提供生活熱水或供暖的戶用太陽能熱利用系統(tǒng)的裝機(jī)容量約占全球太陽能熱利用系統(tǒng)總裝機(jī)容量的60%。在歐洲和中國，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；但在亞洲除中國外其他國家，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)型推動下，太陽能區(qū)域供熱項目和太陽能工業(yè)熱利用項目的裝機(jī)容量逐步增加。截至2022年底，全球大型太陽能區(qū)域供熱工程的數(shù)量約為325個，主要分布在丹麥、中國、德國等國家，總裝機(jī)容量為1.80 GW，與2021年相比增長約10%。據(jù)德國統(tǒng)計局統(tǒng)計，截至2022年底，全球范圍內(nèi)正在運(yùn)行的太陽能工業(yè)熱利用工程至少有1089個，總裝機(jī)容量超過856 MW。

1.2" 國內(nèi)情況

截至2023年底，中國太陽能熱利用系統(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年中國太陽能熱利用系統(tǒng)的年新增集熱器面積與年增長率如圖3所示。

從產(chǎn)品類型來看，真空管型太陽能集熱器的運(yùn)行量占中國太陽能熱利用運(yùn)行量的85.6%。2023年，中國新增集熱器面積為2189.8萬m2，其中，真空管型太陽能集熱器和平板型太陽能集熱器的新增面積占比分別為76.8%和23.2%。平板型太陽能集熱器由于具有易與建筑結(jié)合的特點(diǎn)，具有很大的市場發(fā)展?jié)摿Α?004—2023年中國不同類型太陽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)模來看，在中國太陽能熱利用市場中，工程市場的占比逐年增多，2023年達(dá)到了76%。零售市場主要是戶用太陽能熱水器，在2012年前后開展的“家電下鄉(xiāng)”政策支持下，中國農(nóng)村地區(qū)戶用太陽能熱水器的裝機(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，目前在太陽能熱利用系統(tǒng)新增裝機(jī)容量中，戶用太陽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能熱水工程的占比逐年增多。2006—2023年中國太陽能熱利用零售市場與工程市場的占比情況如圖5所示。

在2023年中國太陽能熱利用市場新增裝機(jī)容量中，分布式太陽能熱水工程的占比達(dá)到了59.30%；除太陽能熱水工程外，太陽能供暖工程、太陽能工業(yè)熱利用工程等應(yīng)用形式的占比約為17.00%，說明太陽能熱利用的應(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)

太陽能集熱器是太陽能熱利用系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，在“十三五”國家重點(diǎn)研發(fā)計劃的支持下，中國建筑科學(xué)研究院有限公司（下文簡稱為“中國建研院”）聯(lián)合日出東方控股股份有限公司（下文簡稱為“日出東方”）開展了抗氧化高效選擇性吸熱膜層與太陽能集熱器腔體含濕量控制技術(shù)研究[2-3]，通過優(yōu)化樹脂重量比，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，提出了太陽能集熱器保溫材料及腔體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法，有效解決了太陽能集熱器板芯的腐蝕老化問題，大幅增強(qiáng)了太陽能集熱器對溫濕交變環(huán)境的耐候性，提高了太陽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)用是提升太陽能利用率的重要形式。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的研究團(tuán)隊提出了一種PV/T組件與帶有溫差發(fā)電片的太陽能集熱器串聯(lián)的雙級系統(tǒng)，實現(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)一步研究來改進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以提升其發(fā)電效率，同時降低系統(tǒng)的復(fù)雜程度。

2.2" 蓄熱技術(shù)

由于太陽能熱利用系統(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，在相變過程中釋放或吸收潛熱來實現(xiàn)熱能的儲存和利用，具有儲熱密度高、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，凝固時間縮短了31%；姚莉等[7]通過拓?fù)鋬?yōu)化方法設(shè)計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，分別研究了自然對流對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，在太陽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。中國建研院聯(lián)合日出東方、西安建筑科技大學(xué)等單位針對大型太陽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算模型，提出了取放熱動態(tài)擾動下蓄熱水池關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計方法，提高了長周期蓄熱水池設(shè)計的科學(xué)性與準(zhǔn)確性；開發(fā)了排水透汽裝置，提出了柔性浮動保溫技術(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)浪卡子縣太陽能供暖工程蓄熱水池的設(shè)計和建造中，并取得了較好的運(yùn)行效果。

總的來說，蓄熱設(shè)備是太陽能熱利用系統(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，但在實際使用中仍存在不穩(wěn)定、效率低等問題，尚需進(jìn)一步研究發(fā)展。

2.3" 運(yùn)行調(diào)控

除單個產(chǎn)品性能外，系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)控方法也是實現(xiàn)太陽能熱利用系統(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。

在大型太陽能供能系統(tǒng)的運(yùn)行調(diào)控方面，莊照犇[13]針對太陽能集熱系統(tǒng)的熱力/水力平衡性能進(jìn)行了分析，提出了一種結(jié)合太陽輻照度、環(huán)境溫度、進(jìn)口溫度的太陽能集中集熱系統(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)行策略對季節(jié)蓄熱供熱系統(tǒng)在蓄熱季時系統(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)行策略時該系統(tǒng)的集熱效率最大可提高4.8%。

此外，在建筑太陽能熱利用系統(tǒng)中，由于太陽能熱利用存在不穩(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，對太陽能熱利用系統(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，對太陽能熱利用系統(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)建了直膨式太陽能熱泵系統(tǒng)的性能預(yù)測模型；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)測準(zhǔn)確率。以上預(yù)測方法為基于預(yù)測的系統(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)一步開發(fā)。

3" 應(yīng)用技術(shù)的最新進(jìn)展

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

3.1" 太陽能熱水系統(tǒng)

太陽能熱水系統(tǒng)的應(yīng)用相對比較成熟，當(dāng)前市場上關(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能熱水器智能控制系統(tǒng)，通過實時監(jiān)測與控制，可提升系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性與穩(wěn)定性。

針對太陽能熱水系統(tǒng)的碳減排評估方法，中國建研院聯(lián)合太陽雨集團(tuán)有限公司開展了太陽能熱利用系統(tǒng)碳減排計算方法研究，建立了碳減排測試場，基于實測數(shù)據(jù)與模擬研究提出了不同氣候資源條件下太陽能熱利用系統(tǒng)實際運(yùn)行的碳減排量計算方法，并編制完成了國家標(biāo)準(zhǔn)《基于項目的溫室氣體減排量評估技術(shù)規(guī)范 太陽能熱利用》（尚未正式實施），可為太陽能熱利用系統(tǒng)的碳減排量評估提供科學(xué)合理的標(biāo)準(zhǔn)化方法。

3.2" 太陽能供暖系統(tǒng)

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

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

此外，針對以太陽能為主的多能協(xié)同供能系統(tǒng)存在的系統(tǒng)冗余、協(xié)同度低、實際運(yùn)行效率不佳等問題，通過建立典型模型，開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，提出了太陽能多能協(xié)同設(shè)計方法，開發(fā)了建筑太陽能供能系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計方法及工具，可實現(xiàn)太陽能集熱/發(fā)電、儲熱蓄電、用熱用冷用電的逐時耦合計算。經(jīng)驗證，該方法計算得到的逐時集熱量、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，可支撐太陽能多能協(xié)同規(guī)模化應(yīng)用。

3.3" 太陽能制冷系統(tǒng)

在高效太陽能制冷技術(shù)領(lǐng)域，國際上，IEA SHC TCP先后設(shè)立了Task 38“太陽能空調(diào)與制冷”、Task 48“太陽能制冷系統(tǒng)質(zhì)量保障與支持”、Task 53“新一代太陽能供熱制冷技術(shù)”幾項研究任務(wù)，對高效太陽能制冷技術(shù)展開研究，致力于不斷提高太陽能制冷系統(tǒng)的能效。美國加州大學(xué)對復(fù)合拋物面集熱器（CPC）驅(qū)動的太陽能制冷系統(tǒng)進(jìn)行了實驗性能研究，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能集熱器（PTC），可使太陽能制冷系統(tǒng)的實測峰值效率達(dá)到0.6。

目前，中國太陽能制冷的技術(shù)路線主要包括太陽能集熱器結(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。針對上述問題，上海交通大學(xué)的研究人員[18]引入除濕換熱器循環(huán)，針對吸收循環(huán)、壓縮循環(huán)與除濕循環(huán)高效匹配耦合開展了研究，構(gòu)建了太陽能電能聯(lián)合驅(qū)動的除濕空調(diào)理論循環(huán)，開發(fā)了太陽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)行了測試。經(jīng)第三方檢測，樣機(jī)實測供冷量可達(dá)16 kW，太陽能熱力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地應(yīng)用，運(yùn)行效果良好，進(jìn)一步提升了太陽能制冷能效，拓展了太陽能制冷系統(tǒng)的應(yīng)用場景。

3.4" 太陽能工農(nóng)業(yè)應(yīng)用

太陽能熱利用技術(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：針對北方地區(qū)夜間溫室大棚內(nèi)外溫差大、降溫迅速等問題，王建川等[19]、蔣綠林等[20]分別提出了采用太陽能結(jié)合相變蓄熱，以及太陽能結(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)模用能場景下，可通過搭建簡易太陽能干燥裝置實現(xiàn)100%利用太陽能滿足干燥用能需求。而大規(guī)模連續(xù)生產(chǎn)用能場景下，則較難實現(xiàn)100%利用太陽能，需要結(jié)合輔助系統(tǒng)以克服太陽能間歇性、不穩(wěn)定性等問題[22]。例如：劉碩楠[23]研究了太陽能熱泵耦合干燥裝置的運(yùn)行模式對香菇品質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)太陽能輔助熱泵間歇運(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]、石油開采、原油管道加熱[27]等領(lǐng)域。例如：朱克慶等[26]分析了太陽能蒸汽用于主食加熱的可行性與經(jīng)濟(jì)性，提出了太陽能蒸汽用于主食加熱的潛力。吳洋洋等[28]開展了“太陽能+工業(yè)余熱”協(xié)同相變儲能原油加熱系統(tǒng)的開發(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能熱利用實驗平臺，實現(xiàn)了太陽能利用率的增長，增幅達(dá)到20%～25%。

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

4" 太陽能熱利用工程實例

4.1" 太陽能熱水系統(tǒng)

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

4.1.1" 聊城一中太陽能熱水工程

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

4.1.2" 北京市某住宅太陽能熱水工程

本項目為無水箱壁掛式太陽能熱水工程，位于北京市海淀區(qū)某住宅小區(qū)，屬于安置房改造項目。采用無水箱真空管太陽能熱水系統(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，其實景圖如圖8所示。

4.2" 太陽能供暖工程

4.2.1" 西藏自治區(qū)仲巴縣城太陽能熱電聯(lián)供工程

本項目是“十三五”國家重點(diǎn)研發(fā)計劃中“建筑清潔能源冷熱電聯(lián)供關(guān)鍵技術(shù)及示范”項目的示范工程，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能熱電聯(lián)供項目。該系統(tǒng)由太陽能集熱場+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11.55萬m2的供暖需求；同時，項目搭配光伏發(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。目前該項目已投入運(yùn)行，實測其2022年供暖期的太陽能保證率達(dá)到100%，其實景及功能區(qū)域分布如圖9所示。

4.2.2" 河北省某季節(jié)蓄熱太陽能供熱采暖工程

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

4.3" 太陽能工農(nóng)業(yè)應(yīng)用工程

4.3.1" 山西省某太陽能干燥工程

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

供能。該項目已于2023年3月建設(shè)完成，其實景圖如圖11所示。

4.3.2" 某奶牛場巴氏消毒工程

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

5" 總結(jié)與展望

本文對近幾年中國在太陽能熱利用技術(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，對太陽能熱水供應(yīng)、太陽能供暖、太陽能制冷、太陽能工農(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）中國太陽能熱利用應(yīng)用形式以太陽能熱水供應(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)的推動下，中國太陽能熱利用技術(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）以太陽能為主的多能協(xié)同供能系統(tǒng)可以在有效解決太陽能資源不穩(wěn)定性問題的同時提升系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性，是未來低碳發(fā)展的重要方向。目前太陽能多能協(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)計方法，未來應(yīng)進(jìn)一步實現(xiàn)智能化、簡約化，推動太陽能多能協(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

基金項目：“十四五”國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項目——太陽能富集區(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