太阳能热利用技术在建筑中应用是降低建筑能耗的重要措施，本文在分析太阳能热利用技术应用现状的基础上，对建筑中应用较多的太阳能集热技术、太阳能供热采暖技术、太阳能空调技术、太阳能光伏光热综合利用技术发展现状进行分析，总结了近几年建筑太阳能热利用技术的重要突破，*后提出了太阳能热利用技术在建筑中应用的发展方向及应用前景。

作　者

张昕宇，边萌萌，李博佳，何　涛，王　敏，黄祝连，张　磊

建筑安全与环境国家重点实验室，北京 100013

中国建筑科学研究院有限公司 建筑环境与能源研究院，北京 100013

中国建筑科学研究院有限公司 国家建筑工程技术研究中心，北京 100013

建科环能科技有限公司，北京 100013

０引言

2021年，“碳达峰碳中和”工作首次被写进政府工作报告，我国已制定2030年前碳排放达峰行动方案。大力发展太阳能等可再生能源成为降低碳排放，促进能源绿色低碳转型的重要途径。

截至2021年，我国建筑总量约660亿m2，每年新建建筑约为20亿m2，建筑全过程碳排放总量约为50亿tCO2，占全国碳排放的比重为50.6%。

从用户端降低建筑用能需求、发展可再生能源建筑应用是促进建筑领域绿色低碳发展的重要组成部分。太阳能具有绿色、低碳、取之不尽用之不竭的特点，在全世界得到了广泛应用。

在世界范围内，太阳能热利用技术因其形式多样、易与建筑结合等优点成为应用量前三的可再生能源技术之一。我国对太阳能热利用技术的研究始于1958年，从上世纪90年代开始进入快速发展阶段。目前，我国已经是世界上*大的太阳能热利用产品生产国和*大市场。近几年，随着“双碳”工作及清洁取暖的进一步推动，建筑太阳能热利用的技术与应用发展迅速，在技术方面，*集热技术、蓄热技术及供热采暖技术均产生了多项突破；在应用方面，应用形式逐步从分散的太阳能热水发展到大型太阳能供热、太阳能供暖空调，应用规模不断增大。

本文根据近年来国内外建筑太阳能热利用技术*新发展情况，从应用现状、技术创新和工程实例等几方面总结了*新研究成果，并对建筑太阳能热利用技术的未来发展趋势和推广应用前景进行了展望。

1 应用情况

1.1 国际情况

根据国际能源署太阳能供热制冷委员会（IEA SHC）的*新统计数据，截至2021年底，全球范围内太阳能热利用系统的累计保有量为522 GW（约合集热器面积7.46亿m2），2021年当年的供能量为425 TWh，可减少二氧化碳排放1.48亿t，为降低温室气体排放做出重要贡献。

从应用形式来看，建筑中太阳能热利用方式主要有太阳能热水系统、太阳能供热采暖系统及太阳能空调系统。此外，光伏光热综合利用技术在近几年得到迅速发展。目前，太阳能热水系统仍为太阳能热利用技术的主要应用形式，占新增装机量的比例为86%，太阳能供热采暖及空调系统占新增装机量的比例约为8%，与上一年的5%相比，增长显著。由此可见，太阳能热水应用已趋向饱和，为满足进一步节能降碳需求，技术研发与推广应用的重点已逐步从太阳能热水转向太阳能供热采暖及空调。

从系统规模来看，小型太阳能热利用系统仍是全球范围内装机容量*大的热利用系统形式，户用及分布式太阳能热水及供热系统年新增装机容量约占总装机容量的60%。但近几年受国家支持政策的影响及光伏和热泵行业的冲击，户用及分布式太阳能热利用系统的增长速度放缓。随着大型集热技术、规模化蓄热技术成熟和区域多能互补供热场景不断增加，大型太阳能供热技术将快速发展，截至2021年底，全世界范围内约299个大型太阳能区域供热系统已投入运行，总装机量1.6 GW。

除太阳能光热利用外，目前国际上应用较多的还有光伏热水器、太阳能光伏光热系统等。光伏热水器利用光伏直流电加热热水，在非洲等发展中国家应用较多，随着光伏技术的进一步发展，发展潜力巨大，2021年中国和澳大利亚联合发起了“面向2030的太阳能热水系统”研究项目，光伏热水器亦是研究的重点之一。太阳能光伏光热系统可以同时输出热能和电能，装机量总体呈现稳步增长趋势。截至2021年底，太阳能光伏光热组件总安装面积约144万m²（热功率和峰值电功率分别为751 MW和254 MW），其中占全球市场份额*大的是欧洲、亚洲（除中国外）和中国。目前，太阳能光伏光热技术已经成为研究热点，但现有的应用多为试点示范，仅相当于光热应用的0.2%，距规模化应用还有一定的距离。

1.2 国内情况

随着太阳能热利用产品生产及应用技术的发展，我国已经连续16年成为世界*大的太阳热利用产品生产国和安装国。截至2021年底，我国太阳能热利用系统累计运行量为337.4 GW，约占全球市场份额的64.6%。广泛安装使用的太阳能热利用系统为建筑节能减排已经且正在做出巨大贡献，但缺少相关评价标准作为依据。我国已立项开始编制太阳能热利用系统温室气体减排量评估标准，可以为太阳能热利用系统碳减排*评价提供有效、可靠、可量化的手段和工具，准确衡量太阳能热利用系统的温室气体减排量，促进太阳能热利用行业发展从“量”到“质”转变，进而为建筑领域碳达峰、碳中和目标实现提供科学合理的标准依据。

从产品形式来看，真空管型太阳能集热器仍是我国热利用市场的主流产品。近年来，平板型太阳能集热器因其安全性更好，更易于建筑结合等优势，在集热器市场中所占比例逐年加大，2021年我国平板型太阳能集热系统新增集热面积710.7万m2，占集热器市场的26.3%，与2020年同比增长2.2%，而2021年真空管型集热器销量同比下降0.68%。

从应用规模来看，我国太阳能热利用市场已经基本实现从零售市场到工程市场的转型。根据图3可知，我国太阳能热利用工程市场占比从2006年的25%增加到2021年的71.9%，工程市场占据主要地位。太阳能热水工程作为我国建筑中应用*普遍的太阳能热利用系统形式得到了广泛的推广和应用，2021年新增酒店等公共建筑用太阳能热水工程占工程总项目的88.5%左右。此外，太阳能区域供热系统的新增装机量集中在中国西藏地区，随着西藏浪卡子县及仲巴县等地相继建成大型太阳能区域供热系统，太阳能保证率达到100%，极大地推动了太阳能热利用逐步从生活热水向供暖采暖等形式多元发展。

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2 太阳能热利用技术*新研究进展

2.1 太阳能集热技术

太阳能集热器是影响太阳能热利用系统*的*关键部件。我国是世界上太阳能集热器生产企业*多，集热器产量和应用安装量*多的国家，然而生产的太阳能集热器产品长期以满足生活热水需求的低温型集热器为主。目前，为了满足供暖空调、区域供热等多种太阳能热利用形式需要，太阳能集热技术向中高温方向发展，当前研究主要以提高集热温度、降低成本为目标，优化中高温真空管型太阳能集热器性能以及研发高性能平板集热器。

对于真空管太阳能集热器的研究主要集中在通过结构和换热材料优化实现高温工况下集热效率的提升，以满足中高温用热需求。在结构优化方面，张昕宇等人通过在吸热板背部添加铝制内遮光板降低热管式真空管集热器热损失，与不带遮光板的集热器相比，净辐射传热热损降低22.7%，背部辐射热损可降低57%；王祥瑞等人提出在热管式真空管集热器内翅片和热管之间填充导热胶，降低热阻，在600 W/m2的辐照条件下，实现集热效率提高12.7%，集热温度提高37℃；相关产业化进程也不断加快，近年来许多企业与科研院所合作，优化真空管集热器产品结构，实现集热温度的逐步提升，但尚不能完全满足我国日益增长的中温热利用市场需求。此外，相变材料与集热器结合也成为目前研究的热点，毛凌波等人对集热器的相变传热工质进行了实验研究，制备了石蜡质量分数为30%、并掺入0.1%Cu纳米粉末的复合相变石蜡乳状液体，与普通纳米流体相比，其导热系数高、粘度低，适合用作太阳能集热器的传热工质，其日平均集热效率可达60%以上，同时由于其相变特性，可作为储热工质减缓在无辐照条件下的温降；刘艳峰等人通过模拟与实验验证相结合的方式研究了工质流动时相变材料对U型真空管集热器热性能的影响，结果表明，与无相变材料的集热器相比，相变材料对集热器的总有效集热量影响不大，但可使集热器的有效运行时间延长1.0~3.7 h。相变材料在真空管型集热器中的创新应用，可以有效延长集热器的工作时间，同时降低过热风险，是目前研究的热点之一，但实验室研究较多，大规模工程应用的实测*研究较少，未来还需进一步完善。

平板型太阳能集热器受到越来越多的关注，市场占比逐年提高，在技术研究与产业化方面均取得了重要突破。李博佳等人研究了平板型太阳能集热器的三维动态传热模型，可用于瞬时传热过程分析和全年运行性能预测，为集热器性能优化提供了基础。王登甲等人在“十三五”国家重点研发计划课题中，对大尺寸平板集热器的集热性能进行了理论和实验研究，发现与并联常规平板集热器相比，单一大尺寸平板集热器集热效率约增大4%。在产业化方面，中国建筑科学研究院有限公司和日出东方控股股份有限公司联合研发了耐高温、耐冻并易于安装的大尺寸平板型太阳能集热器，大幅减少集热器过热、冻裂等故障及现场安装工作量，保证太阳能集热系统的稳定可靠运行，根据国家太阳能热水器质量检验检测中心（北京）的测试结果，基于采光面积的瞬时效率曲线截距为0.81，热损系数为3.8 W/(m2·K)，远高于国家标准的要求（不大于6.0 W/(m2·K)），并已在示范项目中应用。由于此种平板型太阳能集热器集热效率高、面积大，实现同样的总安装面积，较普通的平板型集热器接口数量少，提升了集热系统的可靠性，目前国内一些大型太阳能集热器产品制造商已有类似的产品，但成本较高。结合太阳能中高温应用需求，进一步提高集热温度、降低集热成本是当前集热器技术的发展方向。

2.2 太阳能供热采暖技术

我国“六五”~“八五”期间在太阳能供暖领域的研究集中在被动式太阳能采暖、太阳能集热器等关键设备研发方面；进入21世纪后，我国的主动式太阳能供热采暖技术开发和工程应用开始逐渐加速，太阳能供热采暖综合应用技术的研发和工程示范成为重点研究方向，应用*较好的太阳能供暖工程项目大多集中在太阳能资源丰富的西部地区。

当前，太阳能供热采暖系统的精细化设计方法和*运行策略成为研究热点。太阳能供热采暖系统集热场设计、蓄热系统容量匹配及系统设计方法对太阳能供热采暖系统的运行*具有重要影响。针对集热场设计方法，杜晓羽针对集热场流动阻力不均引起的局部过热问题，建立了集热场热性能数学模型，研究了集热器布局、流量、入口温度对集热场阻力及集热效率的影响，揭示了不同串并联排布下集热场热力水力平衡特性，并提出了一种集热器布局和参数优化设计方法。针对蓄热水箱容积设计，袁俊等人提出了一种短期蓄热太阳能供热采暖系统中太阳能贮热水箱的半经验设计计算方法，可有效预测非采暖期太阳能集热器阵列可能出现的过热现象并采取相应的措施。在太阳能供热采暖系统设计方法方面，中国建筑科学研究院有限公司建立了太阳能供热系统“集-蓄-供”多环节的综合设计方法，研发了太阳能供热采暖空调系统优化设计软件，编制了国家标准《太阳能供热采暖工程技术标准》GB 50495-2019，提高了太阳能供热系统设计的科学性与准确性。通过“十三五”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”研究，针对西北及高原地区供热采暖需求，提出了围护结构*保温、被动节能技术、主动采暖空调系统、供暖空调末端等多环节的全链条设计方法，有效提升西北及高原地区太阳能供热采暖系统科学性与经济性。综上所述，我国当前太阳能供热采暖设计方法正在由经验/半经验设计计算方法向基于逐时模拟的设计方法转变，推动了太阳能供热采暖工程的大规模推广应用，未来还需在精细化设计工具开发方面进一步发展。

在工程应用方面，我国相继建成了西藏浪卡子县、仲巴县太阳能集中供热采暖工程，根据国家建筑节能质量检验检测中心的测试结果，集热系统日平均集热效率大于50%，供暖期内平均太阳能保证率可达100%。大型太阳能供热采暖技术主要分布在我国太阳能资源较好的西藏地区，以政府投资的民生工程为主。在清洁取暖背景下，我国太阳能热供暖技术具有广阔的应用前景，未来应进一步提高太阳能供热采暖技术的经济性，以市场为主导推动太阳能供热采暖技术的大规模推广。

2.3 太阳能空调技术

我国在上世纪70年代开始进行太阳能制冷空调的研究，1979年中国建筑科学研究院在原北京市第三棉纺织厂设计了我国第一套实用性太阳能空调系统，采用氨-水吸收式制冷，此后太阳能空调技术稳步发展，效率不断提升。“十三五”期间，太阳能空调技术的发展重点为进一步提升太阳能空调系统运行稳定性和效率。

太阳能空调系统的优势在于季节匹配性较好，与太阳能供暖、热水结合，可以较好的实现太阳能的全年综合应用，但成本较高是制约发展的重要因素，也是导致太阳能空调技术应用规模较小的主要原因。目前太阳能空调技术的研究重点是结合相关技术研究的进展，提升太阳能集热/制冷效率、优化系统控制策略及高性能蓄能材料和装置开发，核心是降低太阳能空调系统成本，提升系统运行效率。

太阳能光伏空调技术的研究主要围绕外部气象因素影响机理、内部能流互补特性及系统集成设计等方面，为了保证稳定供冷并提高运行经济性，太阳能空调技术通常与蓄冰或蓄电装置结合。如上海交通大学研究了光伏空调系统的外部源荷耦合机理和内部能流耦合机理，在基于室温调节的空调运行控制策略中引入光伏发电与空调能耗的功率差信号，提出了一种太阳能光伏空调的自适应PID控制方法，提高空调制冷量与建筑冷负荷的匹配性，此外，建立了光伏蓄冰空调系统日前调度的非线性优化模型，对提升光伏发电、蓄冰储能与建筑用能之间的协调性具有重要作用。中国科学技术大学构建了一种采用冰蓄冷的离网光伏直驱制冷系统，并探究了压缩机转速控制模型参数、光伏电池参数、太阳辐照强度等因素对于光伏系统性能的影响，提出了压缩机转速随太阳辐照强度线性变化的压缩机转速控制模型，相比于定转速运行模式，可将系统的全天总制冷量提升32.76%；同时，进一步搭建了PV/T直驱冷热联供系统，实现了光电光热的综合利用，在合肥地区典型夏季气候条件下全天太阳能综合利用率可达到45.5%。目前针对光伏直驱空调系统的研究，主要以建筑用能需求为基础，通过负荷预测、冰蓄冷等技术实现供冷量与冷负荷的一致性。负荷预测与控制模型的研究多为模拟或实验研究，系统的长期运行稳定性需进一步研究，同时建筑用能需求不仅仅是冷负荷，还应考虑热电需求，进一步开展储热/冷/电耦合应用方面的研究，以更好的匹配建筑用能需求。

在产业化方面，光伏直驱变频离心机、光伏直驱变频空调等产品已经面世，相比于常规光伏驱动交流空调系统，由于节省两次电能的转换过程，能源转换效率提升6%~8%，目前相关标准规范编制工作也正在进行中。

太阳能热驱动制冷技术近几年发展较为缓慢，由于太阳热能品质较低、太阳能热驱动制冷系统效率通常较低，当前研究较多的是通过多级压缩等方式实现热能的梯级利用，从而提高制冷效率。如上海交通大学针对太阳能吸收式制冷系统的不匹配性和不稳定性，构建了一种变效吸收式制冷循环，实验结果表明，该循环可以在95℃到120℃的发生温度工况下得到0.69到1.08的实验COP；宋梦宇等人提出了一种冷量梯级利用的太阳能吸收/压缩复叠双温制冷系统，与传统的太阳能溴化锂单效吸收制冷系统和太阳能吸收/压缩复叠制冷系统相比，该系统可减少集热面积，且运行能耗较低。但总的来说，受限于热能品质太阳能热驱动的制冷系统能效不高，采用多级压缩等方式会增加系统复杂度，难以大规模推广。

太阳能光伏光热组件可以同时提供电能与热能，将光伏光热组件与热泵结合时，利用光伏工作过程中的伴生热量可以提高热泵机组冷凝温度，提高热泵运行能效。北京工业大学将微热管阵列与通有制冷剂的多孔微通道扁管贴合，组成新型光伏直膨式太阳能/空气能多能互补热泵系统，典型工况下太阳能热源、耦合运行以及空气能热源这三种运行模式下，系统COP分别为4.8、4.2和3.8之间，验证了光伏光热组件与热泵结合的节能性。当前，太阳能光伏光热热泵尚处于实验室阶段，尚未大规模量产，此外由于太阳能资源的不稳定性，通常需要在多种模式下运行，太阳能热源、空气能热源以及多能互补耦合运行模式的切换条件或调控方法相关研究较少。

总的来说，降本增效仍是当前太阳能空调技术的发展方向。太阳能热驱动空调技术发展较为缓慢，难以克服热驱动制冷技术能效较低的障碍；光伏直驱空调及太阳能光伏光热热泵技术可以同时满足建筑冷热电需求，是太阳能空调技术重要的发展方向，应进行深入研究，进一步提高该项技术的经济性。

2.4 太阳能光伏光热综合利用技术

太阳能光伏光热综合利用技术可以在光伏发电的同时回收热能并加以多元利用，是提高太阳能利用率的重要途径。我国太阳能光伏光热综合利用技术的研究始于20世纪末，“十一五”期间，结合我国供暖和多功能应用的需要开展了太阳能光伏光热组件的研究，与常规光伏组件相比在组件结构上有所创新；“十二五”期间，相关研究主要集中在太阳能光伏光热技术工作机理及光伏光热建筑一体化应用等方面，取得了一系列理论、概念、设计突破；“十三五”期间，我国光伏光热综合利用技术进入到应用研发阶段，主要以降低成本，保证性能，提高可靠性和稳定性为目标。当前，我国已完成了从理论研究到应用示范的过程，但产业化方面仍处于起步阶段。

近年来，太阳能光伏光热综合利用技术的研究主要集中在组件结构优化、产品研发和评价方法等方面。如上海交通大学代彦军教授团队提出了六边形与棋盘型流道耦合的流道结构及单向进出的流动方法，并通过实验研究发现与常规直线型流道相比，组件工作温度降低36℃，发电效率提升19.9%，为光伏光热组件的设计提供新思路。中国科学技术大学季杰教授团队也是较早开始太阳能光伏光热综合利用技术研究的团队之一，研发了不同种类光伏电池以空气/水/制冷剂为冷却介质在聚光/非聚光条件下的多种PV/T模块，提出全光谱梯级利用理论体系，研发了光伏通风窗技术和太阳能光伏光热/除醛杀毒技术等太阳能光伏光热建筑一体化技术，并在某徽派民居建筑中应用，模拟结果表明，太阳能光伏光热综合利用技术可实现夏季降温、冬季采暖的作用，夏季冷负荷可降低20.4%，冬季热负荷降低18.3%，具有显著的节能*。太阳能光伏光热建筑一体化系统的设计和应用也需要因地制宜，不同气候区定量化的设计方法尚还需进一步研究。目前，太阳能光伏光热产品的性能测试与评价方法尚未出台，中国建筑科学研究院有限公司张昕宇等人基于太阳能系统监测经验及太阳能光伏光热组件的性能测试结果，提出基于归一化温差的发电效率、集热效率，以及系统㶲效率作为评价指标，为太阳能光伏光热产品的测试与评价提供基础。

在工程应用方面，上海交通大学与中国建筑科学研究院有限公司共同承担“低碳社区、建筑清洁能源冷热电联供关键技术及示范”，针对应用太阳能光伏光热热泵系统为社区供热供冷供电实现低碳排放的关键技术开展系列研究。截止目前，项目已完成新型光伏光热组件、高温空气源热泵的开发并编制了团体标准《太阳能光伏光热热泵系统技术规程》T/CECS 830-2021，从设计、施工、检验调试及验收等各个环节对太阳能光伏光热与热泵结合的系统进行规定。太阳能光伏光热综合利用技术可以有效提高太阳能利用率、与建筑的冷热电需求相协调，对太阳能光伏光热的高质量应用具有推动作用，是未来太阳能热利用行业重要的发展方向之一。

3  太阳能热利用技术发展趋势

3.1 以太阳能为主的多能互补系统

太阳能热利用的涵盖范围不仅仅是太阳能热水器、太阳能集热器等产品，更多的广泛应用于全世界各地的单体建筑或区域供热水、供热采暖和空调工程中，是风能、光伏之后的第三大可再生能源应用形式，节能减碳*非常明显。在欧洲、加拿大等地区得到广泛应用，受到高度重视。而我国相关技术领域的技术标准较少，往往认为太阳能热利用仅仅是太阳能热水器，对于相关技术应用支持不够。

由于太阳能资源的不稳定性，太阳能热利用系统通常与其他可再生能源或化石能源结合应用，通过多能互补保障供能稳定性，如太阳能光伏直驱空调、太阳能光伏光热组件与热泵耦合等应用形式可以有效解决太阳能因不稳定性和季节性特点而造成的能量损失，充分发挥太阳能的节能潜力。

3.2 太阳能热利用逐步从太阳能热水向供暖空调、综合利用等多元化利用方式拓展

当前我国太阳能热利用系统以太阳能热水系统为主，随着建筑综合用能需求的提升，以及双碳目标的进一步推进，太阳能成为降低碳排放、实现可持续发展的重要途经，太阳能供暖空调、太阳能综合利用等方式相继成为重要发展趋势，并列为国家发改委针对产业结构调整的鼓励类别。当前已建成一批示范工程，运行*较好，未来应以技术为依托，以示范为引领，加快我国太阳能热利用市场的转型。

我国自2017年开始实施清洁取暖示范，在清洁取暖过程中煤改气、煤改电和热电联产等是应用较多的清洁取暖方式，太阳能供热采暖等可再生能源供暖技术仅开展小规模示范应用，未来随着太阳能供热采暖技术的进一步完善及经济性的提升，太阳能供热采暖技术将成为重要的清洁取暖措施之一。

4 总结与建议

本文对建筑太阳能热利用技术研究进展及工程应用情况进行了深入的分析和总结，得到以下结论：

1) 我国是世界上*大的太阳能热利用系统安装和生产国，太阳能热利用系统的温室气体减排量评估方法得到重视，并已开始编制相应标准，将为太阳能热利用的节能减排量统计建立依据。

2) 在清洁取暖与双碳目标背景下，太阳能热利用系统正逐步从太阳能热水向太阳能供暖空调、综合利用等方向发展；随着大型集热场设计建设技术的完善和区域多能互补供热场景不断增加，大型太阳能供热技术将快速发展。

3）太阳能光伏直驱空调技术及太阳能光伏光热热泵技术可以满足同时建筑的冷/热/电需求，是太阳能空调技术的重要发展方向，应进行深入研究，进一步提高该项技术的经济性。

引用本文

本篇文章发表于《建筑科学》2022年第10期

引用需标注：张昕宇,边萌萌,李博佳,何涛,王敏,黄祝连,张磊.建筑太阳能热利用技术研究进展与展望[J].建筑科学,2022,38(10):268-274

原文地址：https://mp.weixin.qq.com/s/s5bSmcfFHBM033OFDKppRA