基于太阳能的多能互补供热技术的发展现状与展望

1 引言

我国太阳能资源丰富，同时也是世界上最大的太阳能集热器生产国和安装国。利用太阳能为建筑供热采暖是目前太阳能热利用最具发展潜力的实用领域。但由于太阳能能流密度较低，波动不连续，供能特性与建筑负荷不匹配；因此通过多能源互补供热，可以发挥各自能源系统的优势，综合提升太阳能等可再生能源的利用率和供热稳定性。

北欧地区一些国家早在20 世纪80 年代就开始研究多能源互补供热系统，部分系统已经产品化并取得较高的市场份额。我国建成的太阳能供暖系统多以太阳能和电加热结合的形式为主，为进一步提高节能效益，相继建成了太阳能与地源热泵、空气源热泵等可再生能源结合的多能源互补供热系统工程。中国建筑科学研究院自“十一五”开始研制了多种多能源互补供热装置，显著提升了系统的节能水平和装置集成度。

本文基于多能互补供热技术的研究现状，同时根据目前北方地区清洁取暖工作和藏区、西北及高原地区居民采暖问题的实际需求，提出多能源互补供热技术的发展前景和关键技术问题。

2 国外研究现状

近年来，太阳能区域供暖和太阳能供暖系统集成化是国外太阳能热利用领域的研究重点，后者以基于太阳能的多能源互补供热系统为主要内容。特别是在北欧地区的国家，由于纬度较高，冬季室外温度较低，采暖季较长，全年供暖需求较大，而采暖季太阳辐照度却普遍较低，如图1，11 月斯图加特总太阳辐照强度为129016.8 kJ/m²，相当于北京和拉萨地区当月辐照度的55.5% 和24.5%。并且对于一般住宅建筑，屋面和建筑周边可用于铺设太阳能集热器的空间有限，因此太阳能与其他能源互补供热是解决当地太阳能供给不足的关键措施，对该问题的研究也一直受到人们的关注。

图1 11 月斯图加特、北京、拉萨太阳辐照度对比

多能源互补供热技术在太阳能混合式供热系统（Solar Combisystem）中被广泛应用，其概念于20 世纪80 年代中期在欧洲提出，主要含义是满足建筑供暖、热水需求的以太阳能为主要能源的户用供热系统。法国学者率先研发了“直接式太阳能地板”系统，该系统在1988—1992 年几乎是法国市场上唯一的太阳能供暖系统[1]，其中经太阳能集热器加热的工质直接流入地板辐射采暖管，供暖系统不设立专门的蓄热水箱，而热水供应系统主要在夜间启用，因此具备一定的蓄热能力。90年代后，奥地利、丹麦、德国、瑞典、荷兰等国相继设计出符合各自国情的太阳能混合式供热系统，均采用了以太阳能为主的多能源互补供热的形式。

近二十多年来，欧洲各国设计的基于太阳能的多能源互补供热系统可以总结为21 种，如表1 所示[1]。其中部分系统及相关技术已产品化并投入市场，且在欧洲太阳能热利用市场中的份额占比迅速增长。

图2 是在奥地利常见的一种应用于低能耗建筑中的多能源互补供热系统，热源形式为太阳能和生物质能。该系统特点是通过与蓄热水箱换热间接制备热水，可避免病菌滋生。当太阳辐照不足时，生物质锅炉局部加热水箱上部水域，充分利用温度分层现象，提供较好的供热舒适度。实际使用中锅炉一般放置在客厅，其供热量的20% 通过辐射和对流直接加热室内空气，其余80%提供给采暖蓄热水箱，从而充分利用锅炉在待机状态下的热量损失，对于卧室、卫生间等，主要通过墙壁、地板辐射的形式进行供暖。

图2 奥地利市场上典型的多能源互补供热系统

而丹麦市场上较为普及的系统（如图3）则是将太阳能集热系统、辅助热源系统和末端采暖系统通过换热器间接连接，水箱蓄热主要用于提供热水，内部设置两个浸没式换热器，分别和太阳能集热系统与辅助热源系统连接。系统通过温差、阈值控制进行调节，可以和燃油炉、燃气炉、集中热网等辅助热源联合使用。实际应用表明，该系统的主要问题是没有设置采暖用蓄热水箱，末端供热温度和室内温度波动较大，因此适合搭配热容较大的地板辐射采暖。该系统于20 世纪90 年代投入市场。

图3 丹麦市场上典型的多能源互补供热系统

随着建筑能源系统的不断创新，国外学者尝试将太阳能与多种新型能源串联耦合，进而提升太阳能的利用效率。典型系统如太阳能/ 热泵耦合系统，20 世纪50年代初Jdona 和Therkedl 提出了太阳能与热泵耦合的优越性[2]，随后日本、美国、澳大利亚等发达国家相继开展研究，并建设了一批示范工程，如尝试将平板集热器与水源热泵结合，提出了可以为建筑供热制冷的空调系统，但由于系统性能系数（COP）较低，初投资较大，当时未被广泛采用[3]。近年来中国、土耳其等发展中国家也参与其中，取得了一系列研究成果。在太阳能热泵的产业化方面，美国的SolarKing 太阳能热泵供热设备、澳大利亚的Quanutm 太阳能热泵热水器等则是较好的产品范例[4]。

在国际技术研究和标准编制方面，1998 年国际能源署太阳能供热制冷委员会（IEA SHC）专门成立了“太阳能混合式供热系统”任务组，研究内容包括系统调查及推广、性能试验方法、数值模拟方法、系统优化设计等。同时欧洲标准化委员会太阳能热利用技术委员会（CEN/TC 312）组织制定了太阳能混合式供热系统相关的欧洲标准（见表1）。

国际标准化组织太阳能技术委员会第四分委员会（ISO TC 180/SC4）目前正重点开展多能源互补供热系统的标准编制工作，该组织成立于1981 年，是国际标准化组织太阳能技术委员会（ISO TC 180）最早成立的两个分委员会之一，主要负责太阳能热利用技术中最重要的系统热性能、可靠性和耐久性国际标准的编制工作。2017 年12 月7 至8 日，经ISO TC 180 参会代表提名表决、ISO 国内技术对口单位审核批准，中国建筑科学研究院有限公司何涛教授级高工自2018 年起担任ISO TC 180/SC4 主席，这是中国单位首次担任太阳能热利用技术领域国际标准分技术委员会的管理工作。中国作为世界上最大的太阳能热利用市场，随着技术水平的逐年提升，在太阳能热利用技术领域的国际话语权也越来越大。

表1 欧洲21 种太阳能混合式供热系统汇总

3 国内研究现状

随着我国太阳能热利用行业的发展，太阳能供热采暖技术经过各领域专家、学者、工程师的探索，在实际工程中的应用越来越成熟。特别是在村镇地区，由于建筑节能水平不断提升，建筑能效与太阳能供热特性可以更好地吻合，因此适用于村镇建筑的小规模、分散式的多能源互补供热系统成为我国太阳能热利用行业的热点之一。

较为简易、常规的多能源互补供热系统以太阳能和电加热结合为主。如北京市平谷区玻璃台村、将军关村、挂甲峪村、太平庄村等均采用了这种系统，取得了一定的节能效益。国家太阳能热水器质量监督检验中心（北京）对北京地区某分散式太阳能供暖系统进行实测，该系统采用平板型集热器面积为24.2 m²，配备150 L 采暖水箱和100 L 热水水箱，辅助能源为燃煤锅炉，供暖面积为160 m²。实测该系统全年运行状况良好，采暖季室内温度为16.9℃（高于设计温度15℃），非采暖季可满足居民的热水需求[5]。但主要问题是系统集成度不高，操作不便；采暖季运行能耗偏高，太阳能保证率有待提升。

以提高太阳能利用率为目标，国内学者相继提出了性能更优的多能源互补供热系统，邹瑜、李骥等人在郑州市古荥镇曹村坡村农房改造项目中采用太阳能和地源热泵复合的采暖系统，实测全年采暖系统性能系数（COP）为3.28，室内平均温度为16.3℃ [6]；冯晓梅、邹瑜、张昕宇在北京通州区某示范工程中对太阳能系统和地源热泵系统的联合运行方式进行了研究，确定了并联式和串联式系统的适用特性[7]；王磊、程建国等在西藏对太阳能与水源热泵联合供暖系统提出了优化措施，结果证明这种热源组合形式在藏区具有较好的技术经济性，适合在西藏地区推广应用[8]。

与此同时，由于热水与采暖的负荷特性不同，单独提供生活热水的多能源供热技术也在工程中开展应用。罗会龙、铁燕等人利用空气源热泵辅助太阳能系统为昆明市某职工住宅楼提供生活热水，实测结果表明在昆明地区气候条件下该系统的太阳能保证率可达81%，在全年最冷月（1 月），空气源热泵的性能系数（COP）可达2.5 ～ 3.3，节能性和经济性较好[9]。刘丽军、姜旭东等人同样研究了太阳能与空气源热泵互补供热水系统在哈尔滨的供热能力，研究结果表明该系统运行效果欠佳，太阳能集热效率为45~50%，太阳能保证率低于25%[10]。

现有研究的多能源互补供热系统还存在规模较大、施工复杂和使用不便等问题，目前在村镇建筑中进行推广还具备一定的难度。因此在产品化方面，目前市场份额较大的仍是搭配辅热水箱的太阳能热水系统，辅助热源主要采用电加热，少部分为燃气或锅炉，蓄热水箱可以实现辅助加热、过热保护、压力限定和热量防倒流等功能。

针对目前国内多能源互补供热技术存在的问题，中国建筑科学研究院在“十一五”阶段提出“供热系统集成化”理念，以90 m² 的标准户型为对象，研制了一种太阳能和电加热结合的、集成度较好的多能源加热装置[11]，该产品与冰箱外形相似，占地小，将温度控制与作息时间相结合，温度可实现人性化设定，全部控制操作可实现手自动转换，该产品造价折合每平方米建筑面积约200 元。

图4 太阳能与水源热泵结合的多能源互补供热装置

在此基础上，为进一步提高系统的节能水平，中国建筑科学研究院在“十二五”阶段将水源热泵结合到太阳能采暖系统中（图2.1），当太阳能供热温度不足时通过热泵提高供热品质，可充分利用太阳能低温得热，降低集热系统的工作温度，显著提高太阳能集热效率；同时通过控制策略使水源热泵的性能系数（COP）维持较高[12]。经测算该系统在采暖季太阳能有用得热量比常规的电辅热系统提升了54.7%，平均太阳能集热效率由33.4% 提升至52.0%。实测太阳能辐照量为17 MJ/(m²·d)，环境温度为2.5℃时，太阳能有用得热量达9.5MJ/(m²·d)。该装置中设备、管路、附件和自动控制系统高度集成，控制软件易于使用者学习、操作。

“十三五”期间，随着“煤改电”、“清洁取暖”等工作的大力推行，空气源热泵产品技术水平显著提升，目前在北方地区村镇中建成了一批试点项目。但在北京延庆、密云等部分山区，实测室外环境温度远低于市内城区8~10℃，尤其在夜间，最低温度可达-25℃，此时受环境温度波动影响，空气源热泵的运行效果欠佳。因此，结合当前工程热点，中国建筑科学研究院于2017年12 月研制了太阳能与空气源热泵互补供热装置，其中空气源热泵同时设置水冷、风冷蒸发器，即改造为“双源热泵”，水冷蒸发器与太阳能集热系统结合，可以实现太阳能联合水源热泵供热，扩大太阳能热利用温度区间，显著减小蓄热容积和空气源热泵的耗电量。

图5 “双源热泵”样机

太阳能/ 双源热泵互补供热系统的控制策略结合了天气、负荷预测功能，可实现“太阳能直接制热”、“太阳能联合水源热泵制热”和“空气源热泵制热”的多模式智能调节。实测太阳能集热效率达50%，上述三种模式对应的系统性能系数（COP）依次为23.0~25.0、3.8~4.4和1.6~2.2。系统总体制热性能系数（COP）达3.5，相比单一能源系统和采用在冷凝器端结合、并联供热的太阳能/ 空气源热泵系统的能效水平大幅度提升。

在标准编制方面，2017 年5 月，中国工程建设标准化协会发布《关于印发< 中国工程建设标准化协会2017 年第一批产品标准试点项目计划> 的通知》（建标协字[2017]015 号），其中《多能源耦合供热系统》被列为制定项目，该标准将规范相关产品的生产与应用，统一技术要求和试验方法，对行业的健康有序发展提供重要保障。同时编制组将配合国家“标准走出去”战略，抓住我国负责ISO TC 180/SC4 的契机，启动相应国际标准编制工作。

4 多能源互补供热技术在我国的发展需求

4.1 解决北方地区热源清洁化问题的需求

2017 年我国提出“推进北方地区冬季清洁取暖”重要工作，当年5 月财政部、住建部等四部门印发《关于开展中央财政支持北方地区冬季清洁取暖试点工作的通知》，提出在6 省市“2+26”大气污染传输通道城市筛选示范城市进行试点。其中城郊与农村是散煤燃烧的主要分布区域，由于建筑密度较低，基础设施尚不完备，不便于采用集中式供热，是清洁取暖工作的难题所在。通知中提出，“热源侧”清洁化改造应因地制宜推广浅层地热能、空气热能、太阳能、生物质能等可再生能源分布式，多能源互补应用的新型取暖模式。同年12 月发改委、能源局等十部委共同发布《北方地区冬季清洁取暖规划(2017-2021)》，对北方地热供暖、生物质供暖、太阳能供暖、天然气供暖、电供暖等总体方案做出了具体安排，提出到2021 年，北方地区清洁取暖率达到70%。其中明确指出应大力推广太阳能供暖，积极推进太阳能与常规能源融合，采取集中式与分布式结合的方式进行供暖。

因此，充分利用我国北方地区丰富的太阳能资源，并采用更加优化的多能源互补系统实现供暖，提升单一可再生能源系统供热稳定性和清洁能源贡献率的重要途径，是解决北方城郊及农村地区清洁取暖工作的重要技术方案。

4.2 解决藏区及西北高原地区供暖问题的需求

我国藏区能源结构较差，缺油气少煤炭，除拉萨外大部分地区尚不具备天然气输送的条件，从外省运输燃煤、燃气的成本较高，并且燃煤、燃气供热还将一定程度破坏当地脆弱的生态环境；电力供应多以水电为主，大型水电站有藏木水电站、羊湖电厂等，但覆盖范围有限，电力供应不稳定。

相比之下该地区纬度低、海拔高、云量少，日照时间长，太阳能辐照总量折合标煤约4500 亿吨/ 年，居全国首位，大部分地区属于太阳能资源极富区的Ⅰ类地区。因此在该地区充分利用太阳能是解决建筑供热采暖问题的必要且首选的方案。

鉴于藏区独特的太阳能资源，常规的太阳能供暖系统具有较高的太阳能保证率，但大部分高海拔山区由于采暖季气候寒冷，建筑节能水平一般，建筑耗热量较大。根据阿里地区措勤县调研数据，当地高寒缺氧，多风沙，多寒流，自然条件极度恶劣，全年平均温度为0.4℃，采暖季室外计算温度为-19.8℃，采暖期长达234 天。因此，对于巨大的供暖需求，提高太阳能保证率至关重要。对此增加太阳能集热器的安装量固然是一种方法，但是该地区多数建筑年代久远，屋面空间有限，承重能力较差，且具有典型的民族文化、艺术特征，因此应慎重考虑用户的实际诉求，以此设计集热系统的安装量。在这种背景下，则需要选择能源综合利用效率更高的多能源互补供热系统。

阿里地区措勤县在藏区具有代表性，通过多能源互补供热系统解决采暖问题，将为当地藏民提供舒适的居住环境，推进当地的民生改善工作，对维护民族团结、边疆稳定和实现国家的长治久安具有重要意义。2016 年7 月我国针对藏区太阳能采暖、川西藏区空气源热泵采暖、西部炎热干燥地区蒸发冷却技术研究示范启动国家重点研发计划项目“藏区、西北及高原地区利用可再生能源采暖空调新技术”（2016YFC0700400），基于太阳能的多能源互补供热技术被列为该项目的重点研究内容[13]。

5 多能源互补供热系统的关键技术问题

综上所述，无论是在亟待通过清洁取暖改善空气环境的北方地区，还是在供暖需求迫切、太阳能资源丰富的西藏地区，更高性能的多能源互补供热系统都具有良好的推广前景。结合现状分析，应重点解决以下重点技术问题。

5.1 提高多种能源之间的耦合作用

多能源互补供热不仅仅是能源叠加的过程，当一种能源供给不足时就投入另一种能源，应充分利用各自能源的特性，通过优化能源系统的配置与控制，从而提高系统整体的运行效率。

5.2 提高主要能源太阳能的集热效率

常规太阳能供暖系统中太阳能集热系统的工作温度维持相对较高，导致太阳能集热效率下降。多能源供热系统应提升集热系统的可利用温度范围，从而提高太阳能有用得热量。

5.3 提高供能系统与用能系统的匹配性

太阳能能流密度低，供能特性与建筑负荷不匹配，因此宜基于性能化设计方法，优化系统配置，提高供能、用能系统的匹配特性，提升太阳能在供热采暖系统中的贡献率。

5.4 提高供热系统的稳定性与高效性

由于太阳能波动不连续、辅助热源间歇性投入及能源切换频繁，易出现采暖季末端供热温度“忽冷忽热”，以及非采暖季工质过热导致的气化、超压、泄露等问题。应通过优化控制系统提高系统的稳定性，确保系统设备在较高的效率下工作。

5.5 提高可再生能源系统的集成度

在不影响供热能力的前提下，提高硬件设备的集成度，减小系统的占地面积，保障施工质量。另外宜尽可能使控制系统人性化，让无专业背景的用户可以方便、快捷地调节设备。

6 总结

多能源互补供热有利于发挥各自能源系统的优势，综合提升太阳能等可再生能源的贡献率和供热稳定性。北欧发达国家在该领域研究较早，由于建筑密度低、布局分散，居民科学素养高，以户用为主的多能源互补供热系统已经实现较高的产品化，同时占据较大的市场份额。国际能源署太阳能供热制冷委员会（IEA SHC）专门成立了研究任务组；国际标准化组织太阳能技术委员会第四分委员会（ISO TC 180/SC4）目前正重点开展多能源互补供热系统的国际标准编制工作。

我国拥有世界上最大的太阳能热利用市场和丰富的太阳能资源，太阳能供热采暖技术越来越成熟。但受建筑体量和经济水平等影响，户用系统的市场占有率不高，运行能效有待提升，性能更优的多能源互补供热系统将面临较大的技术挑战和市场需求。以中国建筑科学研究院为典型的多家单位、院校在不同气候区开展了广泛的研究和测试，在提高系统节能效益和设备集成化方面取得了一定的成果。

目前国家重点研发计划项目“藏区、西北及高原地区利用可再生能源采暖空调新技术”将多能源互补供热技术列为重点研究内容，同时中国工程建设标准化协会标准《多能源耦合供热系统》编制工作正式启动，各项工作将致力提高多能源互补供热技术水平，共同推动清洁能源走入千家万户，为世界可再生能源技术的应用和普及做出贡献。

参考文献

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[8] 王磊, 程建国, 许志浩, 等. 西藏太阳能与水源热泵联合供暖系统优化[J]. 暖通空调, 2007(11):90-94.

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[10] 刘丽军. 太阳能辅助空气源热泵在生活热水工程中的应用研究[D]. 哈尔滨工程大学, 2013.