太阳能驱动的冷热电联供系统研究进展

戴雨辰，陈飞，李宏顺，王寒栋

1.武汉工程大学理学院，湖北 武汉 430205；2.深圳职业技术学院机电工程学院，广东 深圳 518000

太阳能驱动的冷热电联供系统研究进展

戴雨辰1,2，陈飞1，李宏顺1，王寒栋2*

1.武汉工程大学理学院，湖北 武汉 430205；2.深圳职业技术学院机电工程学院，广东 深圳 518000

太阳能冷热电联供作为一种由多个子系统集成的复杂系统，目前仍存在系统运行不稳定、子系统之间相互耦合匹配复杂、评价指标多元化等问题.在国内外太阳能冷热电联供文献研究的基础上，从系统类型、采用工质的特点及适用范围、系统运行模式与策略、系统评价指标等角度分析了现有太阳能冷热电联供研究的现状与进展.提出太阳能冷热电联供各子系统的工质应根据应用特点进行针对性选择；冷热电联供的运行模式应根据用户具体需求及系统最佳运行策略而定，且系统最佳运行策略受系统运行工况及优化目标的影响较大；系统的评价应针对联供系统的热力学性能、经济性能和环境友好性能三个方面得出一套统一的综合评价指标.

太阳能；冷热电联供；吸收式制冷；耦合；评价准则

0 引言

能源是经济社会发展的基础，同时也是影响经济社会发展的重要因素.随着国家经济的飞速发展和现代化进程的不断深入，国家对能源的需求也在日益增加，当前我国能源形势十分严峻，而能源供求矛盾将长期存在.现阶段，国家不断发布政策，鼓励加大发展对风能、太阳能、水能、海洋能等可再生能源的利用.

根据我国多年的太阳辐射数据资料分析，全国太阳年辐射总值约为1 050～2 450 kW·h/（m2· a），而年辐射值大于1 050 kW·h／（m2·a）的地区占国土面积的96%以上.我们平均每年受到的太阳辐照能量相当于燃烧17 000亿吨的标准煤所释放的能量，且对于人类生命来说，太阳能是“取之不尽、用之不竭”的.

冷热电联供（CCHP）是在热电联供（CHP）的基础上加入了余热驱动式制冷设备，以达到可以同时向用户提供电量、冷量及热量，是对能量的梯级利用，具有节能减排、缓解电网压力等优点.Wu和Wang［1］对冷热电联供技术进行了全面的综述，详细介绍了冷热电联供系统的定义、优点、技术特点以及应用和发展状况.岳建华等［2］介绍了冷热电三联产分布式供能系统在国内外的应用情况，对其分类、原理和特点进行了归纳，并对该技术在我国的发展前景进行了展望.

为了高效利用资源丰富的太阳能，同时满足用户的多样化能源需求，可以利用太阳能实现冷热电联供，因此大力开展太阳能冷热电联供系统的研究，对提高能源利用效率、改善能源消费结构、减小环境污染和雾霾天气的发生、发展低碳经济具有重要的科学意义.本文通过对现有的联供系统研究进行总结，对系统中集热与发电所采用工质的特点及适用范围进行了分析对比，介绍了冷热电联供系统的运行模式，讨论了系统的评价指标，并提出了未来的一些研究方向，对确定太阳能冷热电联供研究方向提供一定的参考价值，并有助于促进太阳能的高效梯级利用及社会的节能减排.

1 太阳能冷热电联供系统的类型

文献分析表明，目前关于太阳能冷热电联供系统的研究主要可分为两类：使用太阳能作为主要热源驱动的系统和太阳能作为辅助热源驱动的系统，本文也将从这两方面来展开讨论.

1.1 太阳能作为主要热源驱动的冷热电联供系统

常见的太阳能作为主要热源驱动的冷热电联供系统基本流程如图1所示．首先，由集热器收集太阳能加热集热器中的工质，之后工质进入热机做功（一般中间会有蓄热系统及辅助加热器系统以供太阳能不足时使用），再利用热机排出的中低温工质的余热来进行制冷及供热．

图1 常见太阳能冷热电联供系统基本流程图Fig.1 Flow chart of the common solar－driven CCHP system

图2 闭式布雷顿循环太阳能冷热电联供系统流程图Fig.2 Flow chart of the solar－driven CCHP system with clothed Brayton cycle

在领域的研究中，Wang［3］提出了一种由太阳能作为主要热源驱动的冷热电联供系统，该系统采用槽式集热器收集太阳能，螺杆膨胀机进行发电，余热用于热驱动式制冷及供热，通过对太阳能发电系统的能量及火用分析比较，该新型冷热电联供系统可以减少51．92%的能量损失及31．98%的火用损失．苏亚欣等［4］以太阳能作为唯一热源加热气体工质进行闭式布雷顿循环发电，余热用以制冷及供热，闭式布雷顿循环利用发电机同轴带动压缩机，具有可靠性高、性能优良等特点，系统流程如图2所示，其燃气轮机排出的废气余热高达450 K，具有很高的利用价值，但是该系统为了保证在阴雨天气和夜间的正常运行而配备了蓄电池系统，导致了系统初投资过高．

A．Al－Sulaiman等［5］对一种采用复合抛物面集热器集热、有机工质透平进行发电、吸收式制冷机进行制冷的太阳能冷热电联供系统的热力性能进行了研究，结果表明，有机工质透平进口压力的变化对系统性能的影响较小，所以在该系统中使用低压运行的有机工质以节约运行成本．系统流程如图3所示，该系统由于加入了储热装置，所以在集热与发电循环采用了两种不同的工质，这种系统的特点是在太阳能不足的情况下也能运行，但是系统在控制上相对复杂，很多参数难以匹配和协调．Perdichizzi等［6］通过比较太阳能冷热电联供系统与传统化石燃料冷热电联供系统的发电效率和燃料节省率后得出，以太阳能为主要热源驱动的冷热电联供系统明显减少了夏季和冬季用电高峰时段的化石燃料消耗，同时在一天中能够提供更高的整体效率．Wang等［7］使用非支配排序遗传算法对一个采用平板集热器、有机工质透平、喷射式制冷装置的太阳能冷热电联供系统的热力学参数进行了多目标优化，结果表明，联供系统不同需求时的最佳性能可以通过多目标优化来实现．Wang等［8］采用复合抛物面集热器、有机工质透平、喷射式制冷装置构成一个太阳能冷热电联供系统，作者对系统中太阳能复合抛物面集热器的倾斜角及太阳时角对系统性能的影响进行了分析，并使用系统火用效率作为目标函数对这两个参数进行了优化．另外，该作者还将一个超临界CO2应用在了太阳能冷热电联供系统中［9］．Calise和Buonomano等［10－12］提出了一种由太阳能光伏／热板驱动的冷热电联供系统，其中光伏层用来直接供电，光热层则通过加热流体用以驱动吸收式制冷及供热，作者对意大利那不勒斯的一个学校建筑进行了案例分析，结果表明，该系统在适当的资助政策下可以盈利．

图3 有机朗肯循环太阳能冷热电联供系统流程图Fig.3 Flow chart of the solar－driven CCHP system with organic Rankine cycle

一些学者提出了以太阳能作为主要热源与化学能整合的冷热电联供系统，如郭栋等［13］提出了一种太阳能甲醇分解的冷热电联产系统，该系统由太阳能直接提供甲醇分解所需的反应热，通过甲醇分解反应过程将中低温太阳能转换并储存为高品位的化学能，再通过燃烧分解的产物释放热能经动力装置发电，余热进行制冷和供热．郭平生等［14］设计了一种将太阳能与沼气相结合的模型来驱动冷热电联供系统，并对该系统的运行方案和经济性能进行了分析，结果表明该系统从环境效益、经济效益和运行方式来看是可行的．贺凤娟等［15］提出了一种利用中低温太阳能与二甲醚－氧化钴化学链燃烧整合的冷热电联供系统，对系统的热力学性能分析表明，该系统总能效高达92．6%，且在输出量相同的情况下该系统较一般的太阳能冷热电联供系统对太阳能集热器的面积节省率可达69．8%．

另有一些学者提出了太阳能与其他形式的能源共同驱动的冷热电联供系统，如Meng等［16］提出一种新型太阳能和工业余热共同驱动的冷热电联供系统，研究表明系统性能主要受到太阳辐射量的影响，作者还通过用这种新型冷热电联供系统与传统微型燃气轮机驱动的冷热电联供系统及锅炉驱动的冷热电联供系统进行了比较，结果表明，所提出的新系统明显优于传统冷热电联供系统．Medrano等［17］设计了一种由光伏、内燃机和光热共同驱动的冷热电联供系统，其中光伏仅用于发电，内燃机兼顾发电、供热和制冷，太阳能光热用来供热和制冷．施晓丽等［18］提出一套由太阳能和地热能共同驱动的冷热电三联供系统，分析了该系统的5种运行工况，研究指出，系统的各种热力学指标随太阳能的波动而变化，并得出冷、热、电的分配权重参数，用户在使用时可根据负荷需求的变化参考不同时刻的能量分配权重参数，通过改变相应的参数以达到使用目的．

1.2 太阳能作为辅助热源的冷热电联供系统

太阳能作为主要驱动热源时具有波动大、经常处于变工况运行等缺点，所以一些学者提出了采用其他形式的能源为主要热源，太阳能为辅助热源驱动的冷热电联供系统．

Tora等［19］采用化石燃料为主要热源，太阳能为辅助热源共同驱动一个冷热电联供系统，该系统热机采用抽汽式汽轮机，汽轮机排出的余热用以供热，太阳能与化石燃料驱动吸收式制冷机制冷，作者以最小年成本为目标函数，采用非线性规划方法对该系统进行了优化．R．Buck等［20］提出了一种以燃料燃烧为主要热源，太阳能作为辅助热源加热空气进行布雷顿循环的冷热电联供系统，作者通过对三种不同的系统配置——燃气轮机排出的废气余热仅用于供热、余热用于单效吸收式制冷及供热和余热用于双效吸收式制冷及供热进行了比较，结果表明，采用双效吸收式制冷配置下的冷热电联供系统具有较高的热力学性能和较低的总成本．白鹤［21］提出了一种以天然气为主要热源，太阳能为辅助热源的楼宇级冷热电联供系统，该系统将太阳能光伏发电机组与太阳能集热器及内燃机结合起来实现了冷热电联供，通过与传统内燃机冷热电联供系统比较后得出，该系统在生命周期内的经济效益要明显优于内燃机联供系统，但是其缺点是初投资较高．吴一梅［22］在一个30 MW燃煤电站的基础上提出一种由太阳能辅助加热和溴化锂吸收式制冷机制冷的冷热电联供系统，作者根据集热场流量约束条件提出了针对不同太阳辐照强度时应采用不同的运行工况，结果表明，在无光照工况下，系统发电量随着吸收式制冷机组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节约率均升高；在光照不充分的工况下，系统的一次能源利用率及化石能源节约率均随着光照的增强而上升；在光照充分的工况下，系统的发电量随光照的增强而增加，且当太阳直射辐射为0．9 kW／m2时，系统发电量可增大8．2 MW．Wang等［23］以天然气为主要热源，太阳能为辅助热源驱动一个冷热电联供系统，该系统的发电途径有天然气燃烧发电装置、光热发电装置和光伏发电三种；供热主要由发电装置排出的废气和太阳能集热器提供；制冷由吸收式制冷持续工作以保证基本的冷负荷，电制冷仅用于补充高峰期的冷负荷，作者通过分析得出，该系统的平均生命周期能效为51．66%，年度太阳能利用率约38．35%．

上述两类系统中，相比较而言，太阳能作为主要热源时的系统具有更加环保、资源无限等优点，但同时也具有波动较大、系统会常常处于变工况运行等缺点，且为了保证连续的供能，需要加入蓄热系统或储能系统以保证没有太阳条件下的能量供应；以太阳能作为辅助热源时系统较为稳定，控制简单，但在使用多种形式的能源时往往会导致能源的利用率降低，且成本较高．对于以太阳能作为主要热源的联供系统，在今后的研究工作中，关键问题是解决太阳能的储存以及系统运行的稳定性．

2 太阳能冷热电联供系统的相关工质研究

按照太阳能冷热电联供系统的流程，系统工质可分为太阳能集热循环工质、发电循环工质及制冷循环工质．

2.1 太阳能集热循环工质

目前关于太阳能冷热电联供系统中集热循环的研究工作主要采用的工质有水、导热油、空气等．在采用空气作为集热工质的研究上，王忠会等［24］利用一种新型太阳能发电技术实现了太阳能冷热电联供，并进行了案例分析，证明了系统的可行性．几种集热工质的特点如表1所示．

由表1可以看出，不同集热工质的集热范围也不同，一般来说，集热温度越高，系统热效率也越高，但是对于设备的要求也会增高．所以根据不同的应用要求，可以选用不同的工质．

2.2 发电循环工质

对于太阳能冷热电联供系统中的发电循环，现阶段相关研究中所采用的工质普遍有水、有机工质、CO2、氨水等．

a．水．作为传统朗肯循环的工质，水具有成本低、焓降大、易凝结、无毒无污染等优点．文献［3］在太阳能冷热电联供系统中采用了水作为发电循环的工质，由于该系统在集热部分使用的是槽式导热油系统，使得换热后热机进口温度可达到160℃，热机出口的余热温度111．35℃，这也相应提高了热驱动式制冷的制冷性能．但是水作为动力循环工质在集热系统温度低时不能使用，且在汽轮机中使用时需要解决水的干度问题．

表1 太阳能冷热电联供系统中不同集热工质的特点Table1 Different characteristics of the solar-collector working fluids in solar-driven CCHP system

b．有机工质．在有机朗肯循环的研究中，普遍采用的工质有R245fa、R236fa、R600、R600a、R601等，韩中合等［25］对9种有机工质的蒸发压力、热效率、功比和不可逆损失等进行了比较后得出，在使用太阳能低温热发电的朗肯循环系统中，R245fa具有比较高的热效率和火用效率，其次，R236fa和R236ea作为系统循环工质也具有较为良好的性能．文献［7］在太阳能冷热电联供系统中采用了R245fa作为发电循环工质，文献［8，26］由于在太阳能冷热电联供系统中采用了喷射式制冷，发电循环与制冷循环采用了同一种工质，所以作者均选用了无毒、无腐蚀性、不可燃的低压制冷剂R123作为冷热电循环的工质．有机工质的优点是不会出现两相流问题，凝结压力高，不需要抽真空系统；缺点是相对成本较高，焓降小，部分有一定毒性，且可燃可爆，泄漏问题较大．

c．CO2．CO2具有相对成本低、易获取、少量泄漏、危害性不大等优点，但是凝结困难．文献［9］利用太阳能作为热源加热超临界CO2进行布雷顿循环发电，透平排气进入换热器以供热，之后在气体冷却器中冷却，然后进入喷射器进行喷射式制冷．作者对该系统的几个关键热力学参数进行了研究，结果表明，提高透平进口压力和喷射器进口温度会降低系统效率，而提高透平背压和透平进口温度会提高系统效率，此外，提高喷射器背压会降低系统的热效率，但会提高系统的火用效率．

d．氨水．由氨水作为工质的动力循环由Alexander Kalina提出，该循环也称Kalina循环．由于氨水在作为发电工质时具有相变非等温过程及过程中浓度改变的特点，使得循环在整体上与热源和冷源有较好的换热匹配关系．周然等［27］提出了一种太阳能Kalina循环的冷热电联供系统，并对该系统进行了热力学分析，结果表明，系统的循环热效率和火用效率均随汽轮机入口压力的升高而上升．氨水作为动力工质的不足之处是系统设备较多，需要精馏，且精馏后用于做功和制冷的浓氨仅占总工质量的一小部分，使得做功量受到限制，而做工后汽轮机排出的氨主要为气体，导致该循环只能利用排出的氨的显热制冷，而不是相变蒸发制冷，所以制冷量较小，制冷温度也受到限制．

几种发电工质的热力学特性如表2所示．

表2 太阳能冷热电联供系统中不同发电工质的热力学特性Table 2 Thermodynamic characteristics of the different power working fluids in solar-driven CCHP

2.3 制冷循环工质

现阶段属于热驱动的制冷方式主要是吸收式制冷和吸附式制冷，两者又可按工作介质的不同进一步区分．

常见的吸收式制冷工质对有氨－水吸收式制冷和水－溴化锂吸收式制冷．在氨－水吸收式制冷中氨作为制冷剂，水作为吸收剂，氨－水吸收式制冷可以制取0℃以下的冷量，但是由于其中作为吸收剂的水和作为制冷剂的氨的沸点较为接近，这就使得发生器出口的蒸汽需要精馏，这影响了系统的性能且使得系统需要较高的初投资．此外，氨作为制冷剂对常用的换热器材料铜有一定的腐蚀性，而且发生器温度较高的时候氨还会面临分解的问题，因此该工质对的使用仍然有一定的局限性．徐士鸣等［28］通过对影响氨水吸收式制冷循环因素的定性和定量分析得出，完全回收制冷循环中的精馏热可显著提高循环的制冷系数．在水－溴化锂吸收式制冷中水作为制冷剂，溴化锂溶液作为吸收剂，采用该工质对不需要精馏，相比使用氨－水作为工质对的系统初投资较低，且具有较高的性能．然而水－溴化锂吸收式制冷不能制取0℃以下的冷量，且当发生器温度较高时，溶液具有较大的腐蚀性，另外系统还存在结晶问题．目前，对于吸收式制冷的改进工作主要是寻找新的工质对及改进原有工质对的性能［29］．

扩散吸收式制冷是在吸收式制冷的基础上利用制冷剂向平衡气体中扩散来代替节流过程以获得制冷能力，并利用热虹吸原理使得系统可以在无机械运作的情况下循环工作．王寒栋等［30］在扩散吸收式制冷中采用氨－硫氰化钠工质对进行了研究，由于氨与硫氰化钠的沸点相差较大，可免去精馏装置，结果表明，氨－硫氰化钠溶液具有较高的热导率和溶解度以及较低的蒸汽压、粘度和比热，且对钢材没有腐蚀性，是一种较为理想的吸收式制冷工质对．陆蕾颖等［31］研究了氨－水－氢扩散吸收式制冷系统中提升管结构、热源加热温度、氨水浓度、充气压力对制冷装置的影响．结果表明，浓度的提高可获得较大的冷量，适当的增加系统压力可降低蒸发温度，系统的冷量随加热功率的增加而提高，选择较小的提升管管径及较大的浸没高度可获得较好的制冷效果．扩散吸收式制冷的缺点是对器件的高位差有较高的要求，且不能在出现震动，倾颠或旋转等场合应用．针对这一问题，Wang［32］提出了一种新型扩散吸收式制冷系统，该系统采用LiNO3－NH3－He为工质，利用绝热喷雾吸收器实现传热与传质的分离强化，系统中设置了溶液循环泵，由于循环泵只需要克服工质流动阻力，不需要循环泵提升工质的压力势能，因此循环泵的能耗很小，可把电力消耗降至最低，该作者还将这种新型扩散吸收式制冷系统应用在了一种新型太阳能冷热电联供系统中［3］．但是LiNO3溶液在寒冷天气地区极易结晶，这会大大影响系统的性能，所以使用该工质对时需采用防结晶措施．

对于吸附式制冷，滕毅等［33］介绍了它的发展历程．缪宝龙等［34］对吸附式制冷的原理及几种典型工质对的选择进行了阐述，介绍了太阳能吸附式制冷系统和利用烟气余热的吸附式制冷机，并在其应用方面列举了几个案例，指出了吸附式制冷在太阳能冷热电联供系统中具有良好的应用前景．Zhai等［35］提出一种混合式太阳能驱动的冷热电联供系统，系统中槽式太阳能集热器用来收集太阳能，螺杆膨胀机用来发电，发电采用朗肯循环，硅胶－水吸附式制冷用来提供冷量，城市气象数据采用甘肃省敦煌市的气象数据．系统分析表明，系统最大的能量及火用损失发生在槽式集热器，其次发生在吸附式制冷机组．通过与朗肯循环的太阳能发电系统比较得出，能量利用率和火用效率明显增加．然而，硅胶－水吸附式冷水机组在实际运行中仍然存在系统总体运行效率低、工况变化适应性差、难以实施控制等问题．在其他形式能源驱动的冷热电联供系统中，孔祥强等［36］设计并建成了一套小型燃气内燃机和吸附制冷机相结合的微型冷热电联供实验系统，并研究了该系统在不同工况下的特性，结果表明联供系统中热电模式运行节能性明显优于冷电模式运行，且一次能源节约率均在70%以上．

总的来讲，热驱动式制冷中，吸收式制冷技术较为成熟，不少技术已经实现了商业化生产，如水－溴化锂，氨－水吸收式制冷机等，因此现阶段的冷热电联供系统仍普遍采用吸收式制冷．相对而言，吸附式制冷具有制冷量较小、性能不稳定等缺点，但是它的热源温区范围大，不需要溶液泵等装置，也不存在制冷剂污染、结晶、腐蚀等问题．在冷热电联供系统趋于小型化、微型化的背景下，吸附式制冷的应用将具有良好的发展前景．

3 冷热电联供系统的运行模式及系统耦合研究

冷热电联供系统是由多个模块集成在一起的系统，它能同时满足用户冷、热和电能的需求，它不是将各模块简单的叠加，其总体性能不仅与各模块的性能参数有关，而且与各模块间的热力参数匹配及耦合流程形式有关，而根据用户的具体需求不同，冷热电联供系统的运行模式也不尽相同．

文献［4］对一个太阳能冷热电联供系统进行了性能评估，作者按照太阳能供热、太阳能和储热装置联合供热、储热装置供热三种模式进行了比较，结果表明，太阳能供热模式下的能效最高．作者还通过研究得出了三种模式在系统仅输出电量的时候的最大效率分别为15%、7%、6．5%，而在冷热电联供的情况下，三种模式的最大效率明显增加，分别为94%、47%、42%．

而在以其他稳定形式能源驱动的冷热电联供系统中（如天然气），运行模式研究主要集中在冷热电联供部分．康书硕等［37］从热电输出和燃料消耗量两个方面分析比较了天然气燃气轮机冷热电联供系统的两种运行模式“以热定电”和“以电定热”的性能差异，结果表明，当热电需求比（HPR）在1≤HPR＜1．75时，“以热定电”为最佳的系统运行方式，而当热电需求比在1．75＜HPR≤2．5时，“以电定热”为最佳的系统运行方式．孟金英等［38］根据不同运行工况及不同优化目标对一个微燃机冷热电联供系统进行了优化，结果表明，在冬季工况下，当选择以最小一次能源消耗量为优化目标时，系统宜采用“以电定热”的运行模式；当以一次能源消耗量、运行成本和二氧化碳排放的加权最小值为优化目标时，系统宜采用“以热定电”的运行模式；在夏季工况下，当以一次能源消耗量为优化目标时，宜采用分产系统的运行策略；而在以最低运行成本或最低二氧化碳排放量为优化目标时，宜采用“以电定热”的运行模式；而以三者加权最小值为优化目标时，系统宜采用“以热定电”的运行模式．

对于冷热电联供系统的耦合研究，蒋润花［39］根据总能系统，按照能的品位高低合理利用来处理热（冷）、功和热力学循环能等的匹配关系，作者强调系统优化耦合的核心问题是能的综合梯级利用，应遵循热力学第一定律、热力学第二定律，根据能量的品位与温度的高低进行梯级利用，做到“物尽其用”．林世平［40］以冷热电联供系统为对象，研究了冷热电联供系统与可再生能源系统和常规能源系统的耦合机理和特性，其中，与可再生能源的耦合包括太阳能、风能、地热能、生物质能以及其他低热值燃料；与常规能源系统的耦合包括蓄能系统、烟气余热回收系统等．

对于冷热电联供这种多机种、多台数、多工况的复杂系统，应该跟踪系统实时变化的冷负荷、热负荷及电负荷，针对不同的情况用不同的运行模式协调各机组的控制，以达到最佳的节能效应与经济效应．它耦合了可再生能源、发电、制冷、供热、环境、控制技术等，然而目前国内外对联供系统耦合的研究较少，缺乏相应的文献，这与系统控制策略的发展和实践不符，今后应重点研究各模块间耦合特性和协调控制，以提高系统运行的经济性和灵活性．

4 系统评价指标

一般来说，为了确定一个系统的优劣以及对系统进行优化设计等，需要采用一定的评价指标对系统作出评价．由于冷热电联供系统存在多种形式的能量输出，且各模块之间呈现出多种不同的属性，单从某一方面进行分析无法得出全面的评价结果，所以应从多个角度提出系统的评价标准．

目前从可获得的文献中尚未发现关于太阳能冷热电联供系统整体评价指标的研究内容，相关研究主要是针对其他类型的冷热电联供系统，但其研究思路与方法可供借鉴．如冯志兵等［41］通过对几种常用的评价准则进行比较，得出能量利用系数和火用效率均不适用于冷热电联供系统的评价，作者通过分析认为经济火用效率较适用于冷热电联供系统的评价．王志伟等［42］以微型燃气轮机和排烟再燃型溴化锂吸收式冷温水机组组成的冷热电联供系统为分析对象，对联供系统的几种评价指标进行了比较并总结出了三种适用的评价指标：一次能源节约率、火用效率及火用经济成本．荆有印等［43］以一次能源节约率、当量CO2减排率和相对投资回报年限对一个联供系统进行了优化研究，作者还以一个综合办公楼为例进行了实例分析，结果表明太阳能联供系统的综合性能要优于分供系统．Chua等［44］选用经济成本、能源消耗和环境影响对一个包含光伏－热，太阳能－热，燃料电池，微型透平和吸收式制冷机四个子系统的商业建筑的联供系统进行了多指标分析，结果表明，由80%的微型燃气轮机、10%的太阳能光伏－热和10%的燃料电池所构成的驱动系统是降低运营成本、提高节能及减少环境影响的最佳构成方式．许达等［45］采用系统热效率、系统当量效率及太阳能份额三个评价准则衡量了一个太阳能与甲醇热化学互补的冷热电联供系统的性能，结果表明，该系统的一次能源效率高达89．36%，火用效率高达47．10%．Wang等［46］采用一次能源节约率、CO2排放减少量及年度总节约成本三个指标对五个不同气候地区的模拟建筑进行了性能评价，结果表明，冷热电联供系统中的热需求模式在寒冷地区可以获得更大的利益，而电需求在气候温和的地区可以获得更大的利益．郭民臣等［47］采用一次能耗率、煤耗量以及制冷机的当量热耗系数比较了冷热电联供系统和分产系统的热经济性能，结果表明联供系统比分产系统更加节能．Wu等［48］提出了一种基于功率能量级的分析方法来评估多种分布式冷源中的制冷及供热性能，结果表明冷热电联供系统在制冷和供热模式下均具有较高的节能效应．Mago等［49］选择能源消耗量、运行成本和CO2排放量作为一个建筑用冷热电联供系统的评价指标，并对指标进行优化，结果表明，对于所评估的城市，优化后的系统明显比没有优化的系统具有更好的性能．邓建等［50］基于热经济学结构理论对一个微型冷热电联供系统建立了热经济学数学模型，量化了系统模块间的相互关系，并利用火用成本分析法评价了系统在设计工况及变工况下的性能，结果表明，热经济学结构理论可以有效地评价复杂的联供系统．Abdollahi［51］采用主要能源消耗量、CO2排放减少量和年成本节约量来评估联供系统性能，作者还建立了一个目标函数来综合考虑能量、经济性和环境问题，使得冷热电联供系统的效益达到最大．

虽然对于联供系统的众多研究中所采用的评价指标都不尽相同，但基本都离不开热力学性能、经济性能和环境友好性能三个方面．其中，热力学性能普遍采用一次能源利用率和火用效率方法；经济性能普遍采用投资回报期、年度总节约成本、火用经济成本等多种方法；环境友好性能普遍采用CO2排放减少量作为评价指标．因此，可以选取每种性能中的一个单目标评价指标，根据三个不同性能的单目标评价指标，采用线性加权法构造一个多目标评价函数．虽然这种方法的研究工作较为复杂，但是在国内外关于联供系统的研究大热潮背景下，围绕热力学性能、经济性能和环境友好性能三个方面发展出一套统一的联供系统评价标准将会是一个必然的趋势．

5 结语

太阳能冷热电联供系统作为可再生能源的利用和分布式能源系统的综合，开展相关的研究工作符合国家节能减排的政策和可持续发展的要求，具有重要的学术意义和应用前景．

a．目前关于太阳能冷热电联供的研究分为以太阳能为主要热源驱动的冷热电联供系统和以太阳能作为辅助能源与其他形式的能源共同驱动冷热电联供系统．在今后的研究工作中，关键问题是解决太阳能的储存以及系统运行的稳定性．

b．太阳能集热循环和发电循环的工质应根据不同的应用范围而选择．对于热驱动式制冷，现阶段冷热电联供系统中仍以吸收式制冷为主，为了满足制冷温区变化，可以选用不同的工质对．

c．冷热电联供系统的运行模式根据用户的具体需求及系统最佳运行策略而定，系统最佳运行策略受系统运行工况及优化目标的影响比较大．针对系统的耦合问题还缺乏系统性的研究和认知，针对各模块间具体耦合的研究工作是今后研究的重点．

d．由于冷热电联供系统存在多种形式的能量输出，单从某一方面进行分析无法得出全面的评价结果．现有对联供系统的评价指标都是从热力学性能、经济性能和环境友好性能三个方面来进行，因此，得出一套统一的综合评价指标是今后的研究方向．

目前太阳能冷热电联供仍处于起步阶段，相关技术的发展面临巨大的机遇和挑战，成本、系统稳定性、运行经验有限等问题都限制了系统的实际运用，在当前国家节能减排和可持续发展的政策下，开展相关研究具有重要的学术意义和价值．

致谢

感谢深圳市科创委及深圳职业技术学院对本研究的资助！

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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

本文编辑：苗变

2015-05-18

深圳市科创委战略新兴产业专项资金（No.JCYJ20130331150226792）；深圳职业技术学院重点项目（No.2213K3020001）

戴雨辰（1991-），男，湖北天门人，硕士研究生.研究方向：太阳能热利用.*通信联系人.