kaiyun官方网页登录 基于太阳能的多能互补供热技术的发展现状与展望

1 简介

我国太阳能资源丰富，也是全球最大的太阳能集热器生产和安装国。利用太阳能为建筑物供暖是目前太阳能热利用最有前景的实用领域。但由于太阳能流密度低且波动不连续，导致供能特性与建筑负荷不匹配。因此，通过多能源互补供暖，可以发挥各能源系统的优势，全面提高太阳能等可再生能源的利用率和供应。热稳定性。

北欧地区的一些国家早在20世纪80年代就开始研究多能源互补供暖系统，部分系统已经商业化并取得了较高的市场份额。我国建设的太阳能采暖系统大多是太阳能与电采暖相结合的方式。为进一步提高节能效益，建设了太阳能与地源热泵、空气源热泵等可再生能源相结合的多能互补供暖系统项目。 “十一五”以来，中国建筑科学研究院研发了多种多能源互补供暖装置，显着提高了系统的节能水平和装置集成度。

本文基于多能源互补供暖技术的研究现状，结合当前北方地区清洁供暖工作以及藏区、西北和高原地区居民的实际需求，提出了多能源互补供暖技术的发展前景和关键技术。多能源互补供热技术问题。

2 国外研究现状

近年来，太阳能区域供热和太阳能供热系统集成一直是国外太阳能热利用领域的研究热点。后者专注于基于太阳能的多能源互补供暖系统。尤其是北欧地区国家，由于纬度较高，冬季室外气温较低，采暖季节较长，全年供暖需求较大。但采暖季太阳辐照度普遍偏低，如图1所示，11月斯图加特太阳辐照总强度为129016.8 kJ/m²，相当于北京和拉萨月辐照度的55.5%和24.5%。而对于一般住宅建筑来说，屋顶和建筑周围可用于铺设太阳能集热器的空间是有限的。因此，太阳能与其他能源互补供暖是解决当地太阳能供应不足的关键措施。关于这一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

多能源互补供暖技术广泛应用于太阳能混合供暖系统（Solar Combisystem）。其概念是20世纪80年代中期在欧洲提出的。其主要含义是利用太阳能作为主要能源，满足建筑采暖和热水的需要。家庭供暖系统。法国学者率先开发了“直接太阳能地板”系统，该系统几乎是1988年至1992年法国市场上唯一的太阳能采暖系统[1]，其中太阳能集热器加热的工作流体直接流入地板辐射供暖管道，供暖系统没有专门的热水储存箱，但热水供应系统主要在夜间启动，因此具有一定的蓄热能力。 20世纪90年代后，奥地利、丹麦、德国、瑞典、荷兰等国相继设计了适合各自国情的太阳能混合供暖系统，均采用以太阳能为主体的多能源互补供暖形式。

近二十年来，欧洲国家设计的基于太阳能的多能互补供暖系统可归纳为21种，如表1所示[1]。其中部分系统及相关技术已经商业化并投入市场，在欧洲太阳能热利用市场的份额快速增长。

图2是奥地利低能耗建筑中常见的多能源互补供暖系统。热源为太阳能和生物质能。该系统的特点是通过与热水储罐进行热交换间接制备热水，可以避免细菌的滋生。当太阳辐射不足时，生物质锅炉对水箱上部水域进行局部加热，充分利用温度分层现象，提供更好的供暖舒适度。在实际使用中，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%提供给供暖储水箱，从而充分利用了锅炉在待机状态下的热损失。用于卧室、卫生间等，主要通过墙壁和地板辐射采暖。

图2：奥地利市场上典型的多能源互补供暖系统

丹麦市场上比较流行的系统（如图3所示）通过热交换器间接连接太阳能集热系统、辅助热源系统和末端供热系统。水箱蓄热主要用于提供热水，内部有两套浸入式系统。换热器分别与太阳能集热系统和辅助热源系统连接。系统通过温差和阈值控制进行调节，可与油炉、燃气炉、集中供热网等辅助热源配合使用。实际应用表明，该系统的主要问题是没有供暖储热水箱，末端供暖温度与室内温度波动较大，因此适合与热容量较大的地板辐射采暖配套使用。该系统于 20 世纪 90 年代投放市场。

图3：丹麦市场上典型的多能源互补供暖系统

随着建筑能源系统的不断创新，国外学者正在尝试将太阳能与多种新能源串联耦合，以提高太阳能的利用效率。典型的系统包括太阳能/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点[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。 ，例如尝试将平板集热器与水源热泵结合起来，并提出可以为建筑物供暖和制冷的空调系统。但由于系统性能系数（COP）较低且初始投资较大，当时并未被广泛采用[3]。近年来，中国、土耳其等发展中国家也参与其中并取得了一系列研究成果。在太阳能热泵产业化方面，美国的SolarKing太阳能热泵供暖设备和澳大利亚的Quantum太阳能热泵热水器都是很好的产品范例[4]。

在国际技术研究和标准制定方面，1998年，国际能源署太阳能供热与制冷委员会（IEA SHC）专门成立了“太阳能混合供热系统”任务组。研究内容包括系统调查与推广、性能测试方法、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）组织制定了欧洲与太阳能混合供暖系统相关的标准（见表1）。

国际标准化组织太阳能技术委员会第四分委会（ISO TC 180/SC4）目前正在重点制定多能源互补供暖系统标准。该组织成立于1981年，是国际标准化组织（ISO TC 180）太阳能技术委员会的成员。 ）是最早成立的两个分委员会之一，主要负责制定太阳能热利用技术中最重要的系统系统热性能、可靠性和耐久性的国际标准。 2017年12月7日至8日，经ISO TC 180名参与者提名投票，并经ISO国内技术同行审核通过，中国建筑科学研究院有限公司高级工程师何涛教授担任ISO自2018年起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机构。作为全球最大的太阳能热利用市场，随着技术水平逐年提高，中国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个太阳能混合供暖系统汇总

3 国内研究现状

随着我国太阳能热利用产业的发展，经过各领域专家、学者、工程师的探索，太阳能采暖技术在实际工程应用中已日趋成熟。特别是在农村和城镇地区，由于建筑节能水平的不断提高，建筑节能与太阳能采暖特性能够更好地匹配。因此，适合农村和城镇建筑的小型、分散式多能源互补供暖系统已成为我国太阳能热利用产业。热点之一。

比较简单、常规的多能源互补供暖系统主要是将太阳能和电供暖结合起来。例如，北京市平谷区玻璃太村、将军关村、瓜家峪村、太平庄村等均采用了该系统云开·全站apply体育官方平台，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）对北京分散式太阳能供热系统进行了实测。该系统采用面积24.2平方米的平板集热器，配备150升供暖水箱和100升热水箱。辅助能源为燃煤锅炉，受热面积160平方米。据测算，该系统全年运行良好。采暖季室内温度为16.9℃（比设计温度高15℃），可以满足非采暖季居民的热水需求[5]。但主要问题是系统集成度不高，操作不方便；采暖季能耗较高，太阳能保障率有待提高。

以提高太阳能利用率为目标，国内学者陆续提出了性能更优的多能源互补供暖系统。邹宇、李吉等人在郑州市古营镇曹村坡村农房改造工程中使用了太阳能和地源。对于热泵复合供暖系统，全年实测供暖系统性能系数（COP）为3.28，室内平均温度为16.3℃。 [6]；冯晓梅、邹宇、张新宇在北京市通州区示范工程中研究了太阳能系统与地源热泵系统的联合运行开yun体育官网入口登录APP下载安装，确定了并联和串联系统的适用特性[7]；王雷、程建国等提出了西藏太阳能与水源热泵联合供暖系统的优化措施。结果证明，该热源组合在藏区具有良好的技术经济效益，适合在西藏推广应用[8]。

同时，由于热水和采暖的负荷特性不同，仅提供生活热水的多能源供暖技术也在项目中得到应用。罗惠龙、铁燕等人采用空气源热泵辅助太阳能系统为昆明一栋员工住宅楼提供生活热水。实际测量结果表明，在昆明气候条件下，系统太阳能保证率可达81%，且全年均可实现。在最冷的月份（1月），空气源热泵的性能系数（COP）可达2.5～3.3，具有良好的节能性和经济性[9]。刘立军、姜旭东等人还对哈尔滨市太阳能与空气源热泵互补热水供应系统的制热能力进行了研究。研究结果表明，系统运行情况较差，太阳能集热效率为45~50%，太阳能保证率不足25%。 ％[10]。

目前研究的多能源互补供暖系统仍存在规模庞大、施工复杂、使用不便等问题。目前在农村和城镇建筑中推广难度较大。因此，从产品化程度来看，目前占据市场份额的仍然是带有辅助热水箱的太阳能热水系统。辅助热源主要采用电加热，少部分采用燃气或锅炉。储热水箱可实现辅助加热和过热保护。 、压力限制和热回流防止功能。

针对目前国内多能源互补供暖技术存在的问题，中国建筑科学研究院在“十一五”阶段提出了“供暖系统集成”的概念，以90平方米为标准户型开发了一种集成度良好的太阳能与电加热相结合的多能源加热装置[11]。该产品外观类似冰箱，占地面积小，将温度控制与作息时间融为一体。温度可人性化设定，所有控制操作可手动转自动。该产品的造价相当于每平方米建筑面积200元左右。

图4：太阳能与水源热泵相结合的多能源互补供暖装置

在此基础上，为进一步提高系统节能水平云开·全站APPkaiyun官网，中国建筑科学研究院在“十二五”阶段将水源热泵集成到太阳能采暖系统中（图2.1）。当太阳能加热温度不足时，采用热泵增加供给。热品质可充分利用太阳能低温得热，降低集热系统的运行温度，显着提高太阳能集热效率；同时，通过控制策略可以保持水源热泵的较高性能系数（COP）[12]。经计算，该系统采暖季太阳能有用得热比常规电辅助采暖系统提高了54.7%，平均太阳能集热效率由33.4%提高到52.0%。实测太阳辐射量为17 MJ/(m²·d)。当环境温度为2.5℃时，太阳能的有用得热量达到9.5MJ/(m²·d)。该装置内的设备、管道、附件及自动控制系统高度集成，控制软件易于用户学习和操作。

“十三五”期间，随着“煤改电”和“清洁供暖”任务的大力推进，空气源热泵产品技术水平显着提升，多项试点项目相继开展北方地区的村镇都建有。但在北京延庆、密云等部分山区，实测室外环境温度比市区低8~10℃。尤其是夜间，最低气温可达-25℃。这时，受环境温度波动的影响，空气源热泵的运行就会受到影响。效果并不好。因此，结合当前工程热点，中国建筑科学研究院于2017年12月研发了太阳能与空气源热泵互补供暖装置。空气源热泵同时配备水冷和风冷蒸发器，即改造为“双源热泵”，水冷蒸发器与太阳能集热系统相结合，可实现太阳能与水源热泵供热相结合，扩大了太阳能热利用的温度范围，并显着提高了采暖效率。减少空气源热泵的蓄热量和电耗。

图 5：“双源热泵”原型

太阳能/双源热泵互补供暖系统的控制策略结合天气和负荷预测功能，实现“太阳能直接供暖”、“太阳能联合水源热泵供暖”、“空气源热泵供暖”多模式智能调节”。实测太阳能集热效率达到50%，以上三种模式对应的系统性能系数（COP）分别为23.0~25.0、3.8~4.4和1.6~2.2。系统整体供热性能系数（COP）达到3.5，相比单一能源系统和在冷凝器端组合并提供并联供热的太阳能/空气源热泵系统，能源效率显着提高。

标准编制方面，2017年5月，中国工程建设标准化协会发布了《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计划的通知》（建标协字[2017]015号），其中其中“多能耦合供热系统”被列为制定项目。该标准将规范相关产品的生产和应用，统一技术要求和测试方法，为行业健康有序发展提供重要保障。同时，编制团队将配合国家“标准走出去”战略，抓住我国负责ISO TC 180/SC4的契机，启动相应国际标准的编制工作。

4、我国多能源互补供热技术的发展需求

4.1 北方地区需要解决热源清洁问题

2017年，我国提出“推进北方地区冬季清洁取暖”的重要任务。当年5月，财政部、住房城乡建设部等四部门印发《关于开展中央财政支持北方地区冬季清洁取暖试点的通知》，提出“推动北方地区冬季清洁取暖”。 2+26”大气污染传输通道城市筛选示范城市试点。其中，郊区和农村是散煤燃烧的主要分布区域。由于建筑密度低、基础设施不完善，不方便集中使用供暖是清洁供暖的难题 通知指出，“热源侧”清洁改造要推广浅层地热能、空气热能、太阳能、生物质能等分布式可再生能源。因地制宜，新的供暖模式与补充应用同年12月，国家发改委、能源局等十部委联合印发《北方地区冬季清洁取暖规划（2017-2021年）》，做出了具体的总体规划。适用于北方地热供暖、生物质供暖、太阳能供暖、天然气供暖、电供暖等。提出到2021年，北方地区清洁供暖率达到70%。明确指出，要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供暖相结合的方式。

因此，充分利用我国北方丰富的太阳能资源，采用更加优化的多能互补系统实现供暖，提高单一可再生能源系统的供暖稳定性和清洁能源贡献率是重要途径解决北方郊区和农村问题。清洁供暖工作的重要技术解决方案。

4.2 需解决藏区和西北高原地区供暖问题

我国藏区能源结构较差，油气、煤炭短缺。除拉萨外，大部分地区尚不具备天然气运输条件。外省运煤、燃气成本较高，煤、气供暖将受到一定限制。破坏当地脆弱的生态环境；大部分电力供应是水力发电。大型水电站有藏木水电站、洋湖发电厂等，但覆盖范围有限，供电不稳定。

相比之下，该地区纬度低、海拔高、云少、日照时间长。太阳辐射总量相当于每年约4500亿吨标准煤，居全国第一。大部分地区属于太阳能资源极为丰富的地区。班级区。因此，充分利用该地区的太阳能是解决建筑供暖问题的必要且优选的方案。

鉴于藏区独特的太阳能资源，常规太阳能供暖系统的太阳能保证率较高。但由于大部分高海拔山区采暖季气候寒冷，建筑节能水平一般，建筑热耗较大。据阿里地区措勤县调查资料显示，当地气候严寒、缺氧、风沙多，寒流多，自然条件极其恶劣。年平均气温0.4℃，计算采暖季室外温度为-19.8℃。供暖期长达234天。因此，对于巨大的供热需求，提高太阳能保证率至关重要。增加太阳能集热器的安装固然是一种方法，但该地区大部分建筑年代久远，屋顶空间有限，承重能力较差，且具有典型的民族文化艺术特征。因此，应仔细考虑用户的实际需求。需求，并据此设计集热系统的安装体积。在此背景下，有必要选择能源综合利用效率更高的多能源互补供暖系统。

阿里地区措勤县是藏区的代表。通过多能源互补供暖系统解决供暖问题，将为当地藏民提供舒适的生活环境，促进当地民生改善，为维护国家统一、边境稳定、实现国家长治久安做出贡献。国具有重要意义。 2016年7月，我国启动国家重点研发计划项目“藏区、西北及高原地区可再生能源供暖空调新技术”，针对藏区太阳能供暖、川西空气源热泵供暖和藏区、西部干热地区蒸发冷却技术研究与示范。 ”（2016YFC0700400），基于太阳能的多能互补供热技术被列为该项目的重点研究内容[13]。

5 多能互补供热系统关键技术问题

综上所述，无论是在迫切需要清洁供暖改善空气环境的北方地区，还是在供暖需求迫切且太阳能资源丰富的西藏，更高性能的多能源互补供暖系统都具有良好的推广前景。根据现状分析，应解决以下关键技术问题。

5.1 提高多种能源之间的耦合

多能量互补供暖不仅仅是能量叠加的过程。当一种能源供应不足时，应投入另一种能源。充分利用每种能源的特点，通过优化能源系统的配置和控制，改善系统的整体运行。效率。

5.2 提高主要能源太阳能的集热效率

传统的太阳能采暖系统中，太阳能集热系统的工作温度保持较高，导致太阳能集热效率下降。多能源供暖系统应增加集热系统的可用温度范围，从而增加太阳能的有用热增益。

5.3 完善能源供应体系与能源消费体系匹配

太阳能流密度低，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，改善供能与能耗系统的匹配特性，提高太阳能在供热系统中的贡献率。

5.4 提高加热系统的稳定性和效率

由于太阳能的不连续波动、辅助热源的间歇性投入以及能源的频繁切换，容易出现采暖季末采暖温度“忽冷忽热”等问题，以及汽化、非采暖季节工作液过热引起的超压、泄漏。应通过优化控制系统来提高系统的稳定性，确保系统设备以更高的效率工作。

5.5 完善可再生能源系统整合

在不影响供热能力的情况下，提高了硬件设备的集成度，减少了系统占地面积，保证了施工质量。另外，控制系统应尽可能做到人性化，使没有专业背景的用户也能方便、快捷地调节设备。

6 总结

多能源互补供暖有利于发挥各自能源系统的优势，全面提高太阳能等可再生能源的贡献率和供暖稳定性。北欧发达国家在这一领域很早就开展了研究。由于建筑密度低、布局分散、居民科学素养高，以家庭使用为主的多能互补供暖系统产品化程度较高，占据了较大的市场份额。 。国际能源署太阳能供暖和制冷委员会（IEA SHC）成立了一个研究工作组；国际标准化组织太阳能技术委员会第4小组委员会(ISO TC 180/SC4)目前正重点制定多能源互补供暖系统的国际标准。工作。

我国拥有全球最大的太阳能热利用市场和丰富的太阳能资源，太阳能采暖技术日趋成熟。但受建筑规模和经济水平的影响，户用系统市场占有率不高，运行能效有待提高。性能更好的多能源互补供暖系统将面临更大的技术挑战和市场需求。以中国建筑科学研究院为典型代表的一些单位和高校在不同气候区开展了广泛的研究和测试，在提高系统能效和设备集成方面取得了一定的成果。

目前，国家重点研发计划项目“藏区、西北及高原地区可再生能源供暖空调新技术”将多能源互补供暖技术列为重点研究内容。与此同时，中国工程建设标准化协会标准《多能源耦合供热系统》编制工作已正式启动，各项工作将致力于提高多能源互补供热技术水平，共同促进清洁能源能源走进千家万户，为全球可再生能源技术的应用和普及做出贡献。

参考

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[2] Jordan RC, Threlkeld J L. 美国太阳能供暖的可用性[J].暖气、管道空调； （美国），1953，26：1-2。

[3]尹谦，刘存芳。太阳能热泵的研究与应用[J].节能技术，2006（03）：236-239。

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[5]张Xinyu。真空管太阳能热水器和中等温度收集器的热性能研究[D]。天津大学，2015年。

[6] Zou Yu，Li JI，Liu Jing等。 Zhengzhou市Huiji区的Caocunpo村的农村房屋进行节能翻新 - 太阳能和地面源热泵复合加热技术[J]。太阳能，2011年（09）：50-52。

[7] Feng Xiaomei，Zou Yu，Zhang Xinyu等。关于太阳能系统和地面源热泵系统的联合操作模式的讨论[J]。太阳能，2007（02）：23-25。

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[12] Wang Boyuan，He Tao，Huang Zhulian等。基于太阳能的多能互补加热设备的研究和开发[J]。建筑科学，2017年（12）：70-75。

[13] Liu Yanfeng，Sun Hifeng，Wang Boyuan。在西北和高原地区使用可再生能源加热和空调的新技术[J]。 HVAC，2016，46（10）：145-146。

作者

中国建筑研究公司有限公司

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