碳中和目标描绘了人类与自然共生的美好图景，也意味着人类从自然获取和利用能源的方式，未来30年内要发生革命性转变。太阳能热利用是人类利用太阳能历史最为悠久、应用最为普及的方式，如何在此发挥自己的作用呢？
建筑领域的节能减碳是关键一环
清华大学建筑节能研究中心发布的《中国建筑节能年度发展研究报告2020》显示，2018年我国建筑运行的总商品能耗为10亿tce，约占全国能源消费总量的22%，建筑运行的化石能源消耗相关的碳排放为21亿tCO₂，其中直接碳排放占50%，电力相关的间接碳排放占42%，热电联产热力相关的间接碳排放占8%。折合人均建筑运行碳排放指标为1.5t/cap，折合单位面积平均建筑运行碳排放指标为35kg/㎡。四个用能分项的碳排放占比分别为：农村住宅23%，公共建筑30%，北方采暖26%，城镇住宅21%。
“建筑领域的节能减碳是实现我国碳达峰、碳中和目标的‘关键一环’。”中国建筑科学研究院建筑环境与节能研究院院长徐伟近日这样表示。
图：建筑全过程能耗（左）和碳排放（右）数据分析
来源：中国建筑节能协会《中国建筑能耗研究报告（2020）》
徐伟指出，我国建筑面积规模位居世界第一，现有城镇总建筑存量约650亿㎡，从建设到运营，我国建筑行业碳排放约占总碳排放量的40%，是名副其实的碳排放“大户”。这些建筑每年仅在使用过程中的‘运营碳排放’就达到21亿吨，约占我国碳排放总量的20%。伴随着建筑需求的不断攀升，加之南方供暖市场逐渐扩大，我国建筑领域的碳排放量在未来10年内仍会持续攀升。建筑领域的节能减碳对于推动我国实现碳达峰、碳中和的目标至关重要。
太阳能热利用在建筑领域的应用
数据显示，采暖和制冷能耗约占建筑能耗的22%。2018年，北方地区采暖碳排放强度平均为37.3kg CO₂/㎡。《国家能源局关于因地制宜做好可再生能源供暖相关工作的通知》中表示：利用可再生能源供暖是我国调整能源结构、实现节能减排、合理控制能源消费总量的迫切需要，是完成非化石能源利用目标、建设清洁低碳社会、实现能源可持续发展的必然选择。而太阳能供热采暖是可再生能源利用的重要领域，技术成熟，经济性较好，已在建筑供热供暖、节能减排中发挥了积极作用。
丹麦是全球最早推动太阳能区域供热的国家，也是当今世界上最大的太阳能区域供热市场。据统计，目前全球超过80%的大型（超过500㎡）太阳能区域供热项目都在丹麦。丹麦目前安装的太阳能供热集热器面积近140万㎡。据丹麦能源署发布的官方报告《太阳能供热发展策略》到2030年，太阳能供热将承担丹麦15%的供热负荷。
而在国内，太阳能光热供热供暖也正在公共和民用建筑中大量推广应用，为北方地区清洁供暖、改善大气环境质量做出了重要贡献。
北京大兴国际机场是国内使用可再生能源比例较高的机场，综合能源服务系统由太阳能、浅层地热、污水源热量、烟气余热、储能等形式组成。机场空管核心工作区及气象综合探测场设计并安装了“清华阳光”56组横排联集管式太阳能集热器配置恒温调节水箱采暖系统，满足近600名机场员工日常生活热水需求。综合能源系统每年节约1900吨标煤，减排966吨二氧化碳，减少14.5吨二氧化硫排放，并同步减少了其他大气污染物的排放。
在内蒙古，内蒙古旭宸能源有限公司在空旷及厂房屋顶区域共建设了9.3万m²槽式聚光集热镜场，为奥特莱斯商业、住宅区、青山区装备制造产业园区内50万m²建筑供暖，在非供暖季为市内移动输送热水。每年节约标准煤约6万吨，减少二氧化碳排放16.1万吨、二氧化硫排放508.3吨。
在甘肃，2017年，兰州大成科技股份有限公司彻底拆除了厂区的燃煤锅炉，采用线性菲涅耳聚光集热技术进行供暖。在2017年天然气严重缺乏导致全国供气不足，兰州更是在最冷的天气紧急启动错峰用气、降温供暖的措施时，兰州大成因供暖热源全部来自太阳能+谷电，不需要使用任何燃料，因此供暖效果未受影响，平稳、可靠的渡过了最冷的时段，有效保证了园区全部生产和生活设施的供暖需要。经过运行验证和测算，采用太阳能作为主要供热能源，低谷电作为辅助能源的供暖系统共承担了2万㎡厂房供暖和7000㎡办公/生活设施供暖需求，不仅大大减少了二氧化碳排放，同时极大节省了公司的供暖成本（运营费用比燃煤供暖降低75%，较天然气供暖降低80%）。由甘肃省建材科研设计院、中国科学院电工研究所等五家单位合作建设的国内首个“地热+太阳能”互补供暖示范工程集成了中深层地岩热利用、太阳能热利用及跨季节储热等技术。经运行测评，工程投资折算为每平方米供暖面积230元-250元；每月运行成本约为1.9元/（月•㎡），还可根据需要形成3万、5万、10万㎡的供热（制冷）工程化模块。
在宁夏，中昊银晨能源技术服务有限公司为平罗县无集中供暖区域煤改电（清洁取暖）进行了太阳能光热+技术示范，总示范面积105698.7㎡，其中：公共建筑太阳能采暖面积为86097㎡，涉及学校12所；居住建筑太阳能采暖面积为20301.7㎡，涉及农宅200户。从12所学校两个月的运行情况来看，无论节能建筑还是非节能建筑，利用太阳能采暖系统为公共建筑采暖（末端为暖气片或地暖），均能够保证建筑室内采暖温度达到18℃以上；另外，节能建筑比非节能建筑运行费用低达40%。
在西藏，2017年，日出东方旗下的太阳雨集团成功中标并承建了浪卡子县大型太阳能集中供热工程项目，成功走出了一条高原地区清洁采暖的全新路径。该项目共安装太阳能集热器24300㎡，储热水池容积15000立方米，以电锅炉为辅助热源。经过两个采暖季的检验，项目清洁、经济、高效的优势突出。当地农户表示，“屋里温度一般在16度以上，门窗密闭好的情况下能达到20多度！”此外，世界海拔最高的大型太阳能集中供暖项目——仲巴县大型太阳能集中供暖工程、拉萨市第一职业中学太阳能集中供暖工程等大型项目，拉萨市曲水县才纳净土产业园温室大棚项目、尼玛县国家电网可再生区域采暖项目、西藏鱼跃高原制氧产业园等中小型项目也都在验证着太阳能供热的“温暖”和热量。
每年的12月份到次年2月份是海拔4600米的高寒萨嘎县一年里最寒冷的季节，随着太阳能供暖工程的实施，极大改善了当地干部群众的生产生活条件。项目共安装德州金亨新能源有限公司的1800块大型太阳能平板集热器，集热面积1.8万㎡，配套供热管网建设总长10km，同时设立两个共计4500立方米的储热水箱，储存热量在极寒气候无热源补充时，仍能确保至少3天供热。项目供热服务覆盖萨嘎县城26个党政机关单位，为县城8.1万㎡的建筑提供供热保障。萨嘎县城太阳能集中供热项目现今已经运行了第二个供暖季，效果良好。
广东五星太阳能股份有限公司完成的拉萨某部队营区太阳能供暖项目，通过3200平方米大尺寸高效平板太阳能集热器，在-20℃的环境温度下仍然能高效生产90℃热水，满足8600平方米营房的采暖。在西藏阿里地区札达县，成都博昱新能源有限公司采用3400㎡槽式太阳能集热器，为某水电站10000余㎡办公楼供暖，日均供能量12800kWh。
在现代的城市建筑中，超高层和高层建筑已经成为主流。按照公安部消防局的界定，高层建筑即为8层以上、超过24米的建筑。在中国，目前这样的高层建筑有34.7万幢、百米以上超高层6000多幢，数量均居世界第一。由于建筑物的供热采暖的方式不尽相同，而不同的供热采暖方式又会极大影响人们的生活质量以及碳排放目标的达成，因此高层建筑的供热取暖方式采取清洁能源也成成为实现“碳中和”目标的关键之一。
在天津，日出东方·四季沐歌在综合考虑热水的恒温性、便捷性、节能效果以及成本控制等因素的基础上，为融创臻园高层建筑中544户业主提供了清洁能源解决方案中的核心产品——采用了航天镀膜技术的全屏平板太阳能集热器，为每户业主提供每天约80L热水需求。
针对农村户用采暖，河北道荣新能源科技有限公司提出了太阳能“光热+”清洁能源技术方案，在直接利用太阳能作为热源的同时，与电、生物质能、醇基燃料、燃气、热泵、光伏等其他技术进行系统集成，有效降低单户农村清洁供暖常规能源的能耗以及系统运行费用。同时，通过“光热+”云平台实现所有“光热+”清洁能源系统实时上传控制数据，可在省、市、县政府部门实时监控所有已实施煤改电、煤改气的每家每户的“光热+”户用供暖系统运行情况，并通过大数据分析实现进一步的节能、降耗、减排、降费。
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新形势下打造太阳能光热新业态
面对严峻的碳排放攀升形势，为进一步加强建筑领域节能减碳力度，住建部、国家发改委等多部门发布《绿色建筑创建行动方案》，明确到2022年，当年城镇新建建筑中绿色建筑面积占比需达到70%，进一步提高既有建筑能效水平和推广绿色建材应用。
实践证明，利用太阳能直接供热供暖是在科学、技术和经济上都可行的一种可再生能源采暖供热方式，是真正清洁的能源，与国家提出的“要尽可能利用清洁能源，加快提高清洁供暖比重”高度契合，将为建筑行业节能减碳做出重要贡献，对“3060”目标实现起到重要的技术支撑作用。2021年2月8日，国家能源局在《关于因地制宜做好可再生能源供暖相关工作的通知》中表示：继续推进太阳能供暖。鼓励大中型城市有供暖需求的民用建筑优先使用太阳能供暖系统；鼓励在小城镇和农村地区使用户用太阳能供暖系统；在农业大棚、养殖等用热需求大且与太阳能特性相匹配的行业充分利用太阳能供暖；在集中供暖网未覆盖、有冷热双供需求的地区试点使用太阳能热水、供暖和制冷三联供系统；鼓励采用太阳能供暖与其他供暖方式相结合的互补供暖系统。
然而，太阳能具有间歇性和不稳定性，面对冬季刚性连续的供热需求，太阳能用于建筑供热必将面临一些挑战，比如，集热、储热、供热系统优化和匹配控制，因地制宜与其他能源的耦合，供热系统的经济性和可靠性也是关键。需要对大容量跨季节储热、新型太阳能光热转化等高效利用太阳能供暖的重要技术进行科研支持。中国科学技术大学季杰教授表示，传统的太阳能热利用技术和产业相对成熟，产品单一，需要寻求更宽广的发展之路。未来的研发应更加注重打破行业界限、学科交叉，从材料-工艺-系统环节提升太阳能综合利用效率、降低成本、提高可靠性与寿命，因地制宜的实现太阳能大规模应用。同时，也需要国家相关部门进一步在财政贴息、税费减免、融资优先及建设用地等方面研究出台可操作性强的可再生能源供暖支持政策；推进完善可再生能源供热市场化机制，探索建立符合市场化原则的可再生能源供热项目开发运营模式，助力我国能源结构调整和节能减排。（文/董清风 杜凤丽）
