戴雨辰，陳飛，李宏順，王寒棟

1.武漢工程大學理學院，湖北 武漢 430205；2.深圳職業(yè)技術學院機電工程學院，廣東 深圳 518000

太陽能驅(qū)動的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)研究進展

戴雨辰1,2，陳飛1，李宏順1，王寒棟2*

1.武漢工程大學理學院，湖北 武漢 430205；2.深圳職業(yè)技術學院機電工程學院，廣東 深圳 518000

太陽能冷熱電聯(lián)供作為一種由多個子系統(tǒng)集成的復雜系統(tǒng)，目前仍存在系統(tǒng)運行不穩(wěn)定、子系統(tǒng)之間相互耦合匹配復雜、評價指標多元化等問題.在國內(nèi)外太陽能冷熱電聯(lián)供文獻研究的基礎上，從系統(tǒng)類型、采用工質(zhì)的特點及適用范圍、系統(tǒng)運行模式與策略、系統(tǒng)評價指標等角度分析了現(xiàn)有太陽能冷熱電聯(lián)供研究的現(xiàn)狀與進展.提出太陽能冷熱電聯(lián)供各子系統(tǒng)的工質(zhì)應根據(jù)應用特點進行針對性選擇；冷熱電聯(lián)供的運行模式應根據(jù)用戶具體需求及系統(tǒng)最佳運行策略而定，且系統(tǒng)最佳運行策略受系統(tǒng)運行工況及優(yōu)化目標的影響較大；系統(tǒng)的評價應針對聯(lián)供系統(tǒng)的熱力學性能、經(jīng)濟性能和環(huán)境友好性能三個方面得出一套統(tǒng)一的綜合評價指標.

太陽能；冷熱電聯(lián)供；吸收式制冷；耦合；評價準則

0 引言

能源是經(jīng)濟社會發(fā)展的基礎，同時也是影響經(jīng)濟社會發(fā)展的重要因素.隨著國家經(jīng)濟的飛速發(fā)展和現(xiàn)代化進程的不斷深入，國家對能源的需求也在日益增加，當前我國能源形勢十分嚴峻，而能源供求矛盾將長期存在.現(xiàn)階段，國家不斷發(fā)布政策，鼓勵加大發(fā)展對風能、太陽能、水能、海洋能等可再生能源的利用.

根據(jù)我國多年的太陽輻射數(shù)據(jù)資料分析，全國太陽年輻射總值約為1 050～2 450 kW·h/（m2· a），而年輻射值大于1 050 kW·h／（m2·a）的地區(qū)占國土面積的96%以上.我們平均每年受到的太陽輻照能量相當于燃燒17 000億噸的標準煤所釋放的能量，且對于人類生命來說，太陽能是“取之不盡、用之不竭”的.

冷熱電聯(lián)供（CCHP）是在熱電聯(lián)供（CHP）的基礎上加入了余熱驅(qū)動式制冷設備，以達到可以同時向用戶提供電量、冷量及熱量，是對能量的梯級利用，具有節(jié)能減排、緩解電網(wǎng)壓力等優(yōu)點.Wu和Wang［1］對冷熱電聯(lián)供技術進行了全面的綜述，詳細介紹了冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的定義、優(yōu)點、技術特點以及應用和發(fā)展狀況.岳建華等［2］介紹了冷熱電三聯(lián)產(chǎn)分布式供能系統(tǒng)在國內(nèi)外的應用情況，對其分類、原理和特點進行了歸納，并對該技術在我國的發(fā)展前景進行了展望.

為了高效利用資源豐富的太陽能，同時滿足用戶的多樣化能源需求，可以利用太陽能實現(xiàn)冷熱電聯(lián)供，因此大力開展太陽能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的研究，對提高能源利用效率、改善能源消費結構、減小環(huán)境污染和霧霾天氣的發(fā)生、發(fā)展低碳經(jīng)濟具有重要的科學意義.本文通過對現(xiàn)有的聯(lián)供系統(tǒng)研究進行總結，對系統(tǒng)中集熱與發(fā)電所采用工質(zhì)的特點及適用范圍進行了分析對比，介紹了冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的運行模式，討論了系統(tǒng)的評價指標，并提出了未來的一些研究方向，對確定太陽能冷熱電聯(lián)供研究方向提供一定的參考價值，并有助于促進太陽能的高效梯級利用及社會的節(jié)能減排.

1 太陽能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的類型

文獻分析表明，目前關于太陽能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的研究主要可分為兩類：使用太陽能作為主要熱源驅(qū)動的系統(tǒng)和太陽能作為輔助熱源驅(qū)動的系統(tǒng)，本文也將從這兩方面來展開討論.

1.1 太陽能作為主要熱源驅(qū)動的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)

常見的太陽能作為主要熱源驅(qū)動的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)基本流程如圖1所示．首先，由集熱器收集太陽能加熱集熱器中的工質(zhì)，之后工質(zhì)進入熱機做功（一般中間會有蓄熱系統(tǒng)及輔助加熱器系統(tǒng)以供太陽能不足時使用），再利用熱機排出的中低溫工質(zhì)的余熱來進行制冷及供熱．

圖1 常見太陽能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)基本流程圖Fig.1 Flow chart of the common solar－driven CCHP system

圖2 閉式布雷頓循環(huán)太陽能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)流程圖Fig.2 Flow chart of the solar－driven CCHP system with clothed Brayton cycle

在領域的研究中，Wang［3］提出了一種由太陽能作為主要熱源驅(qū)動的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用槽式集熱器收集太陽能，螺桿膨脹機進行發(fā)電，余熱用于熱驅(qū)動式制冷及供熱，通過對太陽能發(fā)電系統(tǒng)的能量及火用分析比較，該新型冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)可以減少51．92%的能量損失及31．98%的火用損失．蘇亞欣等［4］以太陽能作為唯一熱源加熱氣體工質(zhì)進行閉式布雷頓循環(huán)發(fā)電，余熱用以制冷及供熱，閉式布雷頓循環(huán)利用發(fā)電機同軸帶動壓縮機，具有可靠性高、性能優(yōu)良等特點，系統(tǒng)流程如圖2所示，其燃氣輪機排出的廢氣余熱高達450 K，具有很高的利用價值，但是該系統(tǒng)為了保證在陰雨天氣和夜間的正常運行而配備了蓄電池系統(tǒng)，導致了系統(tǒng)初投資過高．

A．Al－Sulaiman等［5］對一種采用復合拋物面集熱器集熱、有機工質(zhì)透平進行發(fā)電、吸收式制冷機進行制冷的太陽能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的熱力性能進行了研究，結果表明，有機工質(zhì)透平進口壓力的變化對系統(tǒng)性能的影響較小，所以在該系統(tǒng)中使用低壓運行的有機工質(zhì)以節(jié)約運行成本．系統(tǒng)流程如圖3所示，該系統(tǒng)由于加入了儲熱裝置，所以在集熱與發(fā)電循環(huán)采用了兩種不同的工質(zhì)，這種系統(tǒng)的特點是在太陽能不足的情況下也能運行，但是系統(tǒng)在控制上相對復雜，很多參數(shù)難以匹配和協(xié)調(diào)．Perdichizzi等［6］通過比較太陽能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)與傳統(tǒng)化石燃料冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的發(fā)電效率和燃料節(jié)省率后得出，以太陽能為主要熱源驅(qū)動的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)明顯減少了夏季和冬季用電高峰時段的化石燃料消耗，同時在一天中能夠提供更高的整體效率．Wang等［7］使用非支配排序遺傳算法對一個采用平板集熱器、有機工質(zhì)透平、噴射式制冷裝置的太陽能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的熱力學參數(shù)進行了多目標優(yōu)化，結果表明，聯(lián)供系統(tǒng)不同需求時的最佳性能可以通過多目標優(yōu)化來實現(xiàn)．Wang等［8］采用復合拋物面集熱器、有機工質(zhì)透平、噴射式制冷裝置構成一個太陽能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)，作者對系統(tǒng)中太陽能復合拋物面集熱器的傾斜角及太陽時角對系統(tǒng)性能的影響進行了分析，并使用系統(tǒng)火用效率作為目標函數(shù)對這兩個參數(shù)進行了優(yōu)化．另外，該作者還將一個超臨界CO2應用在了太陽能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)中［9］．Calise和Buonomano等［10－12］提出了一種由太陽能光伏／熱板驅(qū)動的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)，其中光伏層用來直接供電，光熱層則通過加熱流體用以驅(qū)動吸收式制冷及供熱，作者對意大利那不勒斯的一個學校建筑進行了案例分析，結果表明，該系統(tǒng)在適當?shù)馁Y助政策下可以盈利．

圖3 有機朗肯循環(huán)太陽能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)流程圖Fig.3 Flow chart of the solar－driven CCHP system with organic Rankine cycle

一些學者提出了以太陽能作為主要熱源與化學能整合的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)，如郭棟等［13］提出了一種太陽能甲醇分解的冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由太陽能直接提供甲醇分解所需的反應熱，通過甲醇分解反應過程將中低溫太陽能轉換并儲存為高品位的化學能，再通過燃燒分解的產(chǎn)物釋放熱能經(jīng)動力裝置發(fā)電，余熱進行制冷和供熱．郭平生等［14］設計了一種將太陽能與沼氣相結合的模型來驅(qū)動冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)，并對該系統(tǒng)的運行方案和經(jīng)濟性能進行了分析，結果表明該系統(tǒng)從環(huán)境效益、經(jīng)濟效益和運行方式來看是可行的．賀鳳娟等［15］提出了一種利用中低溫太陽能與二甲醚－氧化鈷化學鏈燃燒整合的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)，對系統(tǒng)的熱力學性能分析表明，該系統(tǒng)總能效高達92．6%，且在輸出量相同的情況下該系統(tǒng)較一般的太陽能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)對太陽能集熱器的面積節(jié)省率可達69．8%．

另有一些學者提出了太陽能與其他形式的能源共同驅(qū)動的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)，如Meng等［16］提出一種新型太陽能和工業(yè)余熱共同驅(qū)動的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)，研究表明系統(tǒng)性能主要受到太陽輻射量的影響，作者還通過用這種新型冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)與傳統(tǒng)微型燃氣輪機驅(qū)動的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)及鍋爐驅(qū)動的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)進行了比較，結果表明，所提出的新系統(tǒng)明顯優(yōu)于傳統(tǒng)冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)．Medrano等［17］設計了一種由光伏、內(nèi)燃機和光熱共同驅(qū)動的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)，其中光伏僅用于發(fā)電，內(nèi)燃機兼顧發(fā)電、供熱和制冷，太陽能光熱用來供熱和制冷．施曉麗等［18］提出一套由太陽能和地熱能共同驅(qū)動的冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)，分析了該系統(tǒng)的5種運行工況，研究指出，系統(tǒng)的各種熱力學指標隨太陽能的波動而變化，并得出冷、熱、電的分配權重參數(shù)，用戶在使用時可根據(jù)負荷需求的變化參考不同時刻的能量分配權重參數(shù)，通過改變相應的參數(shù)以達到使用目的．

1.2 太陽能作為輔助熱源的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)

太陽能作為主要驅(qū)動熱源時具有波動大、經(jīng)常處于變工況運行等缺點，所以一些學者提出了采用其他形式的能源為主要熱源，太陽能為輔助熱源驅(qū)動的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)．

Tora等［19］采用化石燃料為主要熱源，太陽能為輔助熱源共同驅(qū)動一個冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)，該系統(tǒng)熱機采用抽汽式汽輪機，汽輪機排出的余熱用以供熱，太陽能與化石燃料驅(qū)動吸收式制冷機制冷，作者以最小年成本為目標函數(shù)，采用非線性規(guī)劃方法對該系統(tǒng)進行了優(yōu)化．R．Buck等［20］提出了一種以燃料燃燒為主要熱源，太陽能作為輔助熱源加熱空氣進行布雷頓循環(huán)的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)，作者通過對三種不同的系統(tǒng)配置——燃氣輪機排出的廢氣余熱僅用于供熱、余熱用于單效吸收式制冷及供熱和余熱用于雙效吸收式制冷及供熱進行了比較，結果表明，采用雙效吸收式制冷配置下的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)具有較高的熱力學性能和較低的總成本．白鶴［21］提出了一種以天然氣為主要熱源，太陽能為輔助熱源的樓宇級冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)，該系統(tǒng)將太陽能光伏發(fā)電機組與太陽能集熱器及內(nèi)燃機結合起來實現(xiàn)了冷熱電聯(lián)供，通過與傳統(tǒng)內(nèi)燃機冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)比較后得出，該系統(tǒng)在生命周期內(nèi)的經(jīng)濟效益要明顯優(yōu)于內(nèi)燃機聯(lián)供系統(tǒng)，但是其缺點是初投資較高．吳一梅［22］在一個30 MW燃煤電站的基礎上提出一種由太陽能輔助加熱和溴化鋰吸收式制冷機制冷的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)，作者根據(jù)集熱場流量約束條件提出了針對不同太陽輻照強度時應采用不同的運行工況，結果表明，在無光照工況下，系統(tǒng)發(fā)電量隨著吸收式制冷機組抽取蒸汽量的增加而降低，但是一次能源利用率及化石能源節(jié)約率均升高；在光照不充分的工況下，系統(tǒng)的一次能源利用率及化石能源節(jié)約率均隨著光照的增強而上升；在光照充分的工況下，系統(tǒng)的發(fā)電量隨光照的增強而增加，且當太陽直射輻射為0．9 kW／m2時，系統(tǒng)發(fā)電量可增大8．2 MW．Wang等［23］以天然氣為主要熱源，太陽能為輔助熱源驅(qū)動一個冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)，該系統(tǒng)的發(fā)電途徑有天然氣燃燒發(fā)電裝置、光熱發(fā)電裝置和光伏發(fā)電三種；供熱主要由發(fā)電裝置排出的廢氣和太陽能集熱器提供；制冷由吸收式制冷持續(xù)工作以保證基本的冷負荷，電制冷僅用于補充高峰期的冷負荷，作者通過分析得出，該系統(tǒng)的平均生命周期能效為51．66%，年度太陽能利用率約38．35%．

上述兩類系統(tǒng)中，相比較而言，太陽能作為主要熱源時的系統(tǒng)具有更加環(huán)保、資源無限等優(yōu)點，但同時也具有波動較大、系統(tǒng)會常常處于變工況運行等缺點，且為了保證連續(xù)的供能，需要加入蓄熱系統(tǒng)或儲能系統(tǒng)以保證沒有太陽條件下的能量供應；以太陽能作為輔助熱源時系統(tǒng)較為穩(wěn)定，控制簡單，但在使用多種形式的能源時往往會導致能源的利用率降低，且成本較高．對于以太陽能作為主要熱源的聯(lián)供系統(tǒng)，在今后的研究工作中，關鍵問題是解決太陽能的儲存以及系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性．

2 太陽能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的相關工質(zhì)研究

按照太陽能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的流程，系統(tǒng)工質(zhì)可分為太陽能集熱循環(huán)工質(zhì)、發(fā)電循環(huán)工質(zhì)及制冷循環(huán)工質(zhì)．

2.1 太陽能集熱循環(huán)工質(zhì)

目前關于太陽能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)中集熱循環(huán)的研究工作主要采用的工質(zhì)有水、導熱油、空氣等．在采用空氣作為集熱工質(zhì)的研究上，王忠會等［24］利用一種新型太陽能發(fā)電技術實現(xiàn)了太陽能冷熱電聯(lián)供，并進行了案例分析，證明了系統(tǒng)的可行性．幾種集熱工質(zhì)的特點如表1所示．

由表1可以看出，不同集熱工質(zhì)的集熱范圍也不同，一般來說，集熱溫度越高，系統(tǒng)熱效率也越高，但是對于設備的要求也會增高．所以根據(jù)不同的應用要求，可以選用不同的工質(zhì)．

2.2 發(fā)電循環(huán)工質(zhì)

對于太陽能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)中的發(fā)電循環(huán)，現(xiàn)階段相關研究中所采用的工質(zhì)普遍有水、有機工質(zhì)、CO2、氨水等．

a．水．作為傳統(tǒng)朗肯循環(huán)的工質(zhì)，水具有成本低、焓降大、易凝結、無毒無污染等優(yōu)點．文獻［3］在太陽能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)中采用了水作為發(fā)電循環(huán)的工質(zhì)，由于該系統(tǒng)在集熱部分使用的是槽式導熱油系統(tǒng)，使得換熱后熱機進口溫度可達到160℃，熱機出口的余熱溫度111．35℃，這也相應提高了熱驅(qū)動式制冷的制冷性能．但是水作為動力循環(huán)工質(zhì)在集熱系統(tǒng)溫度低時不能使用，且在汽輪機中使用時需要解決水的干度問題．

表1 太陽能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)中不同集熱工質(zhì)的特點Table1 Different characteristics of the solar-collector working fluids in solar-driven CCHP system

b．有機工質(zhì)．在有機朗肯循環(huán)的研究中，普遍采用的工質(zhì)有R245fa、R236fa、R600、R600a、R601等，韓中合等［25］對9種有機工質(zhì)的蒸發(fā)壓力、熱效率、功比和不可逆損失等進行了比較后得出，在使用太陽能低溫熱發(fā)電的朗肯循環(huán)系統(tǒng)中，R245fa具有比較高的熱效率和火用效率，其次，R236fa和R236ea作為系統(tǒng)循環(huán)工質(zhì)也具有較為良好的性能．文獻［7］在太陽能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)中采用了R245fa作為發(fā)電循環(huán)工質(zhì)，文獻［8，26］由于在太陽能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)中采用了噴射式制冷，發(fā)電循環(huán)與制冷循環(huán)采用了同一種工質(zhì)，所以作者均選用了無毒、無腐蝕性、不可燃的低壓制冷劑R123作為冷熱電循環(huán)的工質(zhì)．有機工質(zhì)的優(yōu)點是不會出現(xiàn)兩相流問題，凝結壓力高，不需要抽真空系統(tǒng)；缺點是相對成本較高，焓降小，部分有一定毒性，且可燃可爆，泄漏問題較大．

c．CO2．CO2具有相對成本低、易獲取、少量泄漏、危害性不大等優(yōu)點，但是凝結困難．文獻［9］利用太陽能作為熱源加熱超臨界CO2進行布雷頓循環(huán)發(fā)電，透平排氣進入換熱器以供熱，之后在氣體冷卻器中冷卻，然后進入噴射器進行噴射式制冷．作者對該系統(tǒng)的幾個關鍵熱力學參數(shù)進行了研究，結果表明，提高透平進口壓力和噴射器進口溫度會降低系統(tǒng)效率，而提高透平背壓和透平進口溫度會提高系統(tǒng)效率，此外，提高噴射器背壓會降低系統(tǒng)的熱效率，但會提高系統(tǒng)的火用效率．

d．氨水．由氨水作為工質(zhì)的動力循環(huán)由Alexander Kalina提出，該循環(huán)也稱Kalina循環(huán)．由于氨水在作為發(fā)電工質(zhì)時具有相變非等溫過程及過程中濃度改變的特點，使得循環(huán)在整體上與熱源和冷源有較好的換熱匹配關系．周然等［27］提出了一種太陽能Kalina循環(huán)的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)，并對該系統(tǒng)進行了熱力學分析，結果表明，系統(tǒng)的循環(huán)熱效率和火用效率均隨汽輪機入口壓力的升高而上升．氨水作為動力工質(zhì)的不足之處是系統(tǒng)設備較多，需要精餾，且精餾后用于做功和制冷的濃氨僅占總工質(zhì)量的一小部分，使得做功量受到限制，而做工后汽輪機排出的氨主要為氣體，導致該循環(huán)只能利用排出的氨的顯熱制冷，而不是相變蒸發(fā)制冷，所以制冷量較小，制冷溫度也受到限制．

幾種發(fā)電工質(zhì)的熱力學特性如表2所示．

表2 太陽能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)中不同發(fā)電工質(zhì)的熱力學特性Table 2 Thermodynamic characteristics of the different power working fluids in solar-driven CCHP

2.3 制冷循環(huán)工質(zhì)

現(xiàn)階段屬于熱驅(qū)動的制冷方式主要是吸收式制冷和吸附式制冷，兩者又可按工作介質(zhì)的不同進一步區(qū)分．

常見的吸收式制冷工質(zhì)對有氨－水吸收式制冷和水－溴化鋰吸收式制冷．在氨－水吸收式制冷中氨作為制冷劑，水作為吸收劑，氨－水吸收式制冷可以制取0℃以下的冷量，但是由于其中作為吸收劑的水和作為制冷劑的氨的沸點較為接近，這就使得發(fā)生器出口的蒸汽需要精餾，這影響了系統(tǒng)的性能且使得系統(tǒng)需要較高的初投資．此外，氨作為制冷劑對常用的換熱器材料銅有一定的腐蝕性，而且發(fā)生器溫度較高的時候氨還會面臨分解的問題，因此該工質(zhì)對的使用仍然有一定的局限性．徐士鳴等［28］通過對影響氨水吸收式制冷循環(huán)因素的定性和定量分析得出，完全回收制冷循環(huán)中的精餾熱可顯著提高循環(huán)的制冷系數(shù)．在水－溴化鋰吸收式制冷中水作為制冷劑，溴化鋰溶液作為吸收劑，采用該工質(zhì)對不需要精餾，相比使用氨－水作為工質(zhì)對的系統(tǒng)初投資較低，且具有較高的性能．然而水－溴化鋰吸收式制冷不能制取0℃以下的冷量，且當發(fā)生器溫度較高時，溶液具有較大的腐蝕性，另外系統(tǒng)還存在結晶問題．目前，對于吸收式制冷的改進工作主要是尋找新的工質(zhì)對及改進原有工質(zhì)對的性能［29］．

擴散吸收式制冷是在吸收式制冷的基礎上利用制冷劑向平衡氣體中擴散來代替節(jié)流過程以獲得制冷能力，并利用熱虹吸原理使得系統(tǒng)可以在無機械運作的情況下循環(huán)工作．王寒棟等［30］在擴散吸收式制冷中采用氨－硫氰化鈉工質(zhì)對進行了研究，由于氨與硫氰化鈉的沸點相差較大，可免去精餾裝置，結果表明，氨－硫氰化鈉溶液具有較高的熱導率和溶解度以及較低的蒸汽壓、粘度和比熱，且對鋼材沒有腐蝕性，是一種較為理想的吸收式制冷工質(zhì)對．陸蕾穎等［31］研究了氨－水－氫擴散吸收式制冷系統(tǒng)中提升管結構、熱源加熱溫度、氨水濃度、充氣壓力對制冷裝置的影響．結果表明，濃度的提高可獲得較大的冷量，適當?shù)脑黾酉到y(tǒng)壓力可降低蒸發(fā)溫度，系統(tǒng)的冷量隨加熱功率的增加而提高，選擇較小的提升管管徑及較大的浸沒高度可獲得較好的制冷效果．擴散吸收式制冷的缺點是對器件的高位差有較高的要求，且不能在出現(xiàn)震動，傾顛或旋轉等場合應用．針對這一問題，Wang［32］提出了一種新型擴散吸收式制冷系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用LiNO3－NH3－He為工質(zhì)，利用絕熱噴霧吸收器實現(xiàn)傳熱與傳質(zhì)的分離強化，系統(tǒng)中設置了溶液循環(huán)泵，由于循環(huán)泵只需要克服工質(zhì)流動阻力，不需要循環(huán)泵提升工質(zhì)的壓力勢能，因此循環(huán)泵的能耗很小，可把電力消耗降至最低，該作者還將這種新型擴散吸收式制冷系統(tǒng)應用在了一種新型太陽能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)中［3］．但是LiNO3溶液在寒冷天氣地區(qū)極易結晶，這會大大影響系統(tǒng)的性能，所以使用該工質(zhì)對時需采用防結晶措施．

對于吸附式制冷，滕毅等［33］介紹了它的發(fā)展歷程．繆寶龍等［34］對吸附式制冷的原理及幾種典型工質(zhì)對的選擇進行了闡述，介紹了太陽能吸附式制冷系統(tǒng)和利用煙氣余熱的吸附式制冷機，并在其應用方面列舉了幾個案例，指出了吸附式制冷在太陽能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)中具有良好的應用前景．Zhai等［35］提出一種混合式太陽能驅(qū)動的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)，系統(tǒng)中槽式太陽能集熱器用來收集太陽能，螺桿膨脹機用來發(fā)電，發(fā)電采用朗肯循環(huán)，硅膠－水吸附式制冷用來提供冷量，城市氣象數(shù)據(jù)采用甘肅省敦煌市的氣象數(shù)據(jù)．系統(tǒng)分析表明，系統(tǒng)最大的能量及火用損失發(fā)生在槽式集熱器，其次發(fā)生在吸附式制冷機組．通過與朗肯循環(huán)的太陽能發(fā)電系統(tǒng)比較得出，能量利用率和火用效率明顯增加．然而，硅膠－水吸附式冷水機組在實際運行中仍然存在系統(tǒng)總體運行效率低、工況變化適應性差、難以實施控制等問題．在其他形式能源驅(qū)動的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)中，孔祥強等［36］設計并建成了一套小型燃氣內(nèi)燃機和吸附制冷機相結合的微型冷熱電聯(lián)供實驗系統(tǒng)，并研究了該系統(tǒng)在不同工況下的特性，結果表明聯(lián)供系統(tǒng)中熱電模式運行節(jié)能性明顯優(yōu)于冷電模式運行，且一次能源節(jié)約率均在70%以上．

總的來講，熱驅(qū)動式制冷中，吸收式制冷技術較為成熟，不少技術已經(jīng)實現(xiàn)了商業(yè)化生產(chǎn)，如水－溴化鋰，氨－水吸收式制冷機等，因此現(xiàn)階段的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)仍普遍采用吸收式制冷．相對而言，吸附式制冷具有制冷量較小、性能不穩(wěn)定等缺點，但是它的熱源溫區(qū)范圍大，不需要溶液泵等裝置，也不存在制冷劑污染、結晶、腐蝕等問題．在冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)趨于小型化、微型化的背景下，吸附式制冷的應用將具有良好的發(fā)展前景．

3 冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的運行模式及系統(tǒng)耦合研究

冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)是由多個模塊集成在一起的系統(tǒng)，它能同時滿足用戶冷、熱和電能的需求，它不是將各模塊簡單的疊加，其總體性能不僅與各模塊的性能參數(shù)有關，而且與各模塊間的熱力參數(shù)匹配及耦合流程形式有關，而根據(jù)用戶的具體需求不同，冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的運行模式也不盡相同．

文獻［4］對一個太陽能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)進行了性能評估，作者按照太陽能供熱、太陽能和儲熱裝置聯(lián)合供熱、儲熱裝置供熱三種模式進行了比較，結果表明，太陽能供熱模式下的能效最高．作者還通過研究得出了三種模式在系統(tǒng)僅輸出電量的時候的最大效率分別為15%、7%、6．5%，而在冷熱電聯(lián)供的情況下，三種模式的最大效率明顯增加，分別為94%、47%、42%．

而在以其他穩(wěn)定形式能源驅(qū)動的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)中（如天然氣），運行模式研究主要集中在冷熱電聯(lián)供部分．康書碩等［37］從熱電輸出和燃料消耗量兩個方面分析比較了天然氣燃氣輪機冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的兩種運行模式“以熱定電”和“以電定熱”的性能差異，結果表明，當熱電需求比（HPR）在1≤HPR＜1．75時，“以熱定電”為最佳的系統(tǒng)運行方式，而當熱電需求比在1．75＜HPR≤2．5時，“以電定熱”為最佳的系統(tǒng)運行方式．孟金英等［38］根據(jù)不同運行工況及不同優(yōu)化目標對一個微燃機冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)進行了優(yōu)化，結果表明，在冬季工況下，當選擇以最小一次能源消耗量為優(yōu)化目標時，系統(tǒng)宜采用“以電定熱”的運行模式；當以一次能源消耗量、運行成本和二氧化碳排放的加權最小值為優(yōu)化目標時，系統(tǒng)宜采用“以熱定電”的運行模式；在夏季工況下，當以一次能源消耗量為優(yōu)化目標時，宜采用分產(chǎn)系統(tǒng)的運行策略；而在以最低運行成本或最低二氧化碳排放量為優(yōu)化目標時，宜采用“以電定熱”的運行模式；而以三者加權最小值為優(yōu)化目標時，系統(tǒng)宜采用“以熱定電”的運行模式．

對于冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的耦合研究，蔣潤花［39］根據(jù)總能系統(tǒng)，按照能的品位高低合理利用來處理熱（冷）、功和熱力學循環(huán)能等的匹配關系，作者強調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化耦合的核心問題是能的綜合梯級利用，應遵循熱力學第一定律、熱力學第二定律，根據(jù)能量的品位與溫度的高低進行梯級利用，做到“物盡其用”．林世平［40］以冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)為對象，研究了冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)與可再生能源系統(tǒng)和常規(guī)能源系統(tǒng)的耦合機理和特性，其中，與可再生能源的耦合包括太陽能、風能、地熱能、生物質(zhì)能以及其他低熱值燃料；與常規(guī)能源系統(tǒng)的耦合包括蓄能系統(tǒng)、煙氣余熱回收系統(tǒng)等．

對于冷熱電聯(lián)供這種多機種、多臺數(shù)、多工況的復雜系統(tǒng)，應該跟蹤系統(tǒng)實時變化的冷負荷、熱負荷及電負荷，針對不同的情況用不同的運行模式協(xié)調(diào)各機組的控制，以達到最佳的節(jié)能效應與經(jīng)濟效應．它耦合了可再生能源、發(fā)電、制冷、供熱、環(huán)境、控制技術等，然而目前國內(nèi)外對聯(lián)供系統(tǒng)耦合的研究較少，缺乏相應的文獻，這與系統(tǒng)控制策略的發(fā)展和實踐不符，今后應重點研究各模塊間耦合特性和協(xié)調(diào)控制，以提高系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性和靈活性．

4 系統(tǒng)評價指標

一般來說，為了確定一個系統(tǒng)的優(yōu)劣以及對系統(tǒng)進行優(yōu)化設計等，需要采用一定的評價指標對系統(tǒng)作出評價．由于冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)存在多種形式的能量輸出，且各模塊之間呈現(xiàn)出多種不同的屬性，單從某一方面進行分析無法得出全面的評價結果，所以應從多個角度提出系統(tǒng)的評價標準．

目前從可獲得的文獻中尚未發(fā)現(xiàn)關于太陽能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)整體評價指標的研究內(nèi)容，相關研究主要是針對其他類型的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)，但其研究思路與方法可供借鑒．如馮志兵等［41］通過對幾種常用的評價準則進行比較，得出能量利用系數(shù)和火用效率均不適用于冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的評價，作者通過分析認為經(jīng)濟火用效率較適用于冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的評價．王志偉等［42］以微型燃氣輪機和排煙再燃型溴化鋰吸收式冷溫水機組組成的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)為分析對象，對聯(lián)供系統(tǒng)的幾種評價指標進行了比較并總結出了三種適用的評價指標：一次能源節(jié)約率、火用效率及火用經(jīng)濟成本．荊有印等［43］以一次能源節(jié)約率、當量CO2減排率和相對投資回報年限對一個聯(lián)供系統(tǒng)進行了優(yōu)化研究，作者還以一個綜合辦公樓為例進行了實例分析，結果表明太陽能聯(lián)供系統(tǒng)的綜合性能要優(yōu)于分供系統(tǒng)．Chua等［44］選用經(jīng)濟成本、能源消耗和環(huán)境影響對一個包含光伏－熱，太陽能－熱，燃料電池，微型透平和吸收式制冷機四個子系統(tǒng)的商業(yè)建筑的聯(lián)供系統(tǒng)進行了多指標分析，結果表明，由80%的微型燃氣輪機、10%的太陽能光伏－熱和10%的燃料電池所構成的驅(qū)動系統(tǒng)是降低運營成本、提高節(jié)能及減少環(huán)境影響的最佳構成方式．許達等［45］采用系統(tǒng)熱效率、系統(tǒng)當量效率及太陽能份額三個評價準則衡量了一個太陽能與甲醇熱化學互補的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的性能，結果表明，該系統(tǒng)的一次能源效率高達89．36%，火用效率高達47．10%．Wang等［46］采用一次能源節(jié)約率、CO2排放減少量及年度總節(jié)約成本三個指標對五個不同氣候地區(qū)的模擬建筑進行了性能評價，結果表明，冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)中的熱需求模式在寒冷地區(qū)可以獲得更大的利益，而電需求在氣候溫和的地區(qū)可以獲得更大的利益．郭民臣等［47］采用一次能耗率、煤耗量以及制冷機的當量熱耗系數(shù)比較了冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)和分產(chǎn)系統(tǒng)的熱經(jīng)濟性能，結果表明聯(lián)供系統(tǒng)比分產(chǎn)系統(tǒng)更加節(jié)能．Wu等［48］提出了一種基于功率能量級的分析方法來評估多種分布式冷源中的制冷及供熱性能，結果表明冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)在制冷和供熱模式下均具有較高的節(jié)能效應．Mago等［49］選擇能源消耗量、運行成本和CO2排放量作為一個建筑用冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的評價指標，并對指標進行優(yōu)化，結果表明，對于所評估的城市，優(yōu)化后的系統(tǒng)明顯比沒有優(yōu)化的系統(tǒng)具有更好的性能．鄧建等［50］基于熱經(jīng)濟學結構理論對一個微型冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)建立了熱經(jīng)濟學數(shù)學模型，量化了系統(tǒng)模塊間的相互關系，并利用火用成本分析法評價了系統(tǒng)在設計工況及變工況下的性能，結果表明，熱經(jīng)濟學結構理論可以有效地評價復雜的聯(lián)供系統(tǒng)．Abdollahi［51］采用主要能源消耗量、CO2排放減少量和年成本節(jié)約量來評估聯(lián)供系統(tǒng)性能，作者還建立了一個目標函數(shù)來綜合考慮能量、經(jīng)濟性和環(huán)境問題，使得冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的效益達到最大．

雖然對于聯(lián)供系統(tǒng)的眾多研究中所采用的評價指標都不盡相同，但基本都離不開熱力學性能、經(jīng)濟性能和環(huán)境友好性能三個方面．其中，熱力學性能普遍采用一次能源利用率和火用效率方法；經(jīng)濟性能普遍采用投資回報期、年度總節(jié)約成本、火用經(jīng)濟成本等多種方法；環(huán)境友好性能普遍采用CO2排放減少量作為評價指標．因此，可以選取每種性能中的一個單目標評價指標，根據(jù)三個不同性能的單目標評價指標，采用線性加權法構造一個多目標評價函數(shù)．雖然這種方法的研究工作較為復雜，但是在國內(nèi)外關于聯(lián)供系統(tǒng)的研究大熱潮背景下，圍繞熱力學性能、經(jīng)濟性能和環(huán)境友好性能三個方面發(fā)展出一套統(tǒng)一的聯(lián)供系統(tǒng)評價標準將會是一個必然的趨勢．

5 結語

太陽能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)作為可再生能源的利用和分布式能源系統(tǒng)的綜合，開展相關的研究工作符合國家節(jié)能減排的政策和可持續(xù)發(fā)展的要求，具有重要的學術意義和應用前景．

a．目前關于太陽能冷熱電聯(lián)供的研究分為以太陽能為主要熱源驅(qū)動的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)和以太陽能作為輔助能源與其他形式的能源共同驅(qū)動冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)．在今后的研究工作中，關鍵問題是解決太陽能的儲存以及系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性．

b．太陽能集熱循環(huán)和發(fā)電循環(huán)的工質(zhì)應根據(jù)不同的應用范圍而選擇．對于熱驅(qū)動式制冷，現(xiàn)階段冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)中仍以吸收式制冷為主，為了滿足制冷溫區(qū)變化，可以選用不同的工質(zhì)對．

c．冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的運行模式根據(jù)用戶的具體需求及系統(tǒng)最佳運行策略而定，系統(tǒng)最佳運行策略受系統(tǒng)運行工況及優(yōu)化目標的影響比較大．針對系統(tǒng)的耦合問題還缺乏系統(tǒng)性的研究和認知，針對各模塊間具體耦合的研究工作是今后研究的重點．

d．由于冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)存在多種形式的能量輸出，單從某一方面進行分析無法得出全面的評價結果．現(xiàn)有對聯(lián)供系統(tǒng)的評價指標都是從熱力學性能、經(jīng)濟性能和環(huán)境友好性能三個方面來進行，因此，得出一套統(tǒng)一的綜合評價指標是今后的研究方向．

目前太陽能冷熱電聯(lián)供仍處于起步階段，相關技術的發(fā)展面臨巨大的機遇和挑戰(zhàn)，成本、系統(tǒng)穩(wěn)定性、運行經(jīng)驗有限等問題都限制了系統(tǒng)的實際運用，在當前國家節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展的政策下，開展相關研究具有重要的學術意義和價值．

致謝

感謝深圳市科創(chuàng)委及深圳職業(yè)技術學院對本研究的資助！

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Review of combined cooling heating and power system driven by solar nergy

DAI Yu－chen1，2，CHEN Fei1，LI Hong－shun1，WANG Han－dong2
1．School of Science，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430205，China；2．School of Mechanical and Electrical Engineering，Shenzhen Polytechnic，Shenzhen 518000，China

As a complex system integrated by multiple subsystems，the combined cooling heating and power（CCHP）system driven by solar energy has disadvantages of unstable system operation，coupling between subsystems，evaluation diversification．The status and the progress of CCHP systems were analyzed from the aspects of types，characteristics and scopes of working fluids，operation modes and strategies，evaluation criterion of the systems．We proposed that the working fluid in each subsystem should be chosen according to the specific application characteristics；the operating mode of the CCHP systems should be determined on the basis of the specific requirements of users and the optimal operation strategy which mainly depends on the working conditions and the optimal objects；a unified and comprehensive evaluation criterion of the CCHP systems should be given after evaluating the thermal properties and the performance of economic and environmental friendliness．

solar energy；combined cooling heating and power；absorption refrigeration；coupling；evaluation criterion

TK519

A

10.3969/j.issn.1674-2869.2015.09.012

1674－2869（2015）09－0068－11

本文編輯：苗變

2015-05-18

深圳市科創(chuàng)委戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)專項資金（No.JCYJ20130331150226792）；深圳職業(yè)技術學院重點項目（No.2213K3020001）

戴雨辰（1991-），男，湖北天門人，碩士研究生.研究方向：太陽能熱利用.*通信聯(lián)系人.