2018年11月29日，由国家太阳能光热产业技术创新战略联盟和中国可再生能源学会太阳能热发电专委会（筹）联合主办，清华大学建筑学院承办的第八届太阳能热利用科学技术研究生论坛（简称论坛）在清华大学建筑学院王泽生报告厅举行。清华大学建筑学院杨旭东教授主持了论坛。
论坛特别邀请了2018年度太阳能热利用科学技术杰出贡献奖得主、年愈八旬仍奋斗在太阳能热利用科研第一线的清华大学李元哲教授为研究生们进行了题为《发展中的太阳能热利用》的报告。李老师用30分钟的时间从太阳能热水器、太阳能暖房、太阳能与其他能源耦合利用、太阳能制冷和空调的特点及应用等方面进行讲述，向参会研究生们及其他参会者展示了一部中国太阳能热利用简史，以及在应用过程中的个人体会。
图1：报告中的李元哲老师（左一）
（注：李老师因腰椎骨折不能长时间站立，所以坐着。）
以下是对她报告主要内容进行的整理，以供参考学习。
一、太阳能热水器
1、平板式太阳能热水器的特点
图2：平板式太阳能板构造示意图（来源：百度百科）
◆价格相对便宜；
◆ 相同安装条件下夏季较真空管式热水器水温高；
◆ 冬季有冻结危险与夜间泄水问题。
2、真空管式太阳能热水器的特点
◆真空管走水式发展为热管真空管式，可避免冬季冻结；
◆大面积的热管真空管式使用期达十几年；
◆国家颁布新建建筑要配太阳能热水，执行难度很大；
◆屋顶安装的系统防冻用伴热带耗电量大，不合理；
◆建筑有空调专用位置，太阳能热水器也可以设置专用安装位置。
图3：真空管式太阳能热水器（来源：百度百科）
3、太阳能热水器的应用
图4：南窗下横置全玻璃真空管太阳能集热器主视图
1）横置全玻璃真空管集热可行性论证
◆理论模拟：十九世纪八十年代，清华大学任泽霈，殷志强等采用数学模拟与可视化实验证明[1，2]。
◆实际工程：北京原清华阳光昌平职工宿舍示范工程[3]。
1）某大学家属院安装项目
本是太阳能热水器项目是在建筑中利用太阳能的极好项目，却因推广设计不当等，遇到很多问题，引起了轩然大波，由于多种弊端很多家还没入住就拆除了。产品安装示意图见图5。
其中经验教训，本人总结为：
◆销售急功近利：如在东西向和被遮挡区都安装了产品。
◆防冻液做传热介质黏度大：30℃水运动粘度系数0.805×10-6ｍ²/s， 40℃有机液体运动粘度系数8.34×10-6 ｍ²/s。
◆热传递方案不合理：防冻液循环管管径小，与真空管内换热面积小，效果差；防冻液与热水储水箱二次换热为内外筒式，换热效率低（配电补热）。
◆系统能耗大：防冻液循环用泵耗电及大功率的电补热。
◆安装位置不当：储水箱占用原建筑设计中空调外机的安装位置。
◆太阳能在高层建筑中的应用以及冬季防冻，是需要攻克的难点。
图5：某家属院窗下太阳能热水器产品安装示意图
二、太阳能暖房
1、按太阳能资源区域划分，太阳能暖房安装的可分为五个区，分别为：
最佳区：青海南部、西藏大部分地区；
次佳区：黑龙江、内蒙、新疆和青海北部地区；
适宜区：宁夏全部、甘肃大部、黑龙江南部和晋、陕、冀北部地区；
较适宜区：鲁、新疆、甘肃、晋、冀南部、豫、皖、苏北和陕中地区。
2、太阳能暖房的应用
1）中西德合作太阳暖房示范村项目
项目背景：上世纪八十年代初，由科技部牵头指定清华大学、天津大学和北京太阳能研究所三家在大兴义和庄建农村被动式太阳房，与西德在该地同期建的太阳房做比较。
（1）天津大学
天津大学主要采用的特朗伯墙构造。特朗伯墙冬季采暖工作原理[4]见图 6。
◆模式来源：法国；
◆ 作用原理：在南向墙体表面涂黑扣上玻璃框，上下有通风孔，当太阳照射在墙上时墙体发热，墙与玻璃之间形成空气的热虹吸流道，与室内低温的空气进行循环流动，并且由墙体向房间导热；
◆结构特点：在光照充足的白天是不错的墙式空气集热器，夜间该墙体向外散热，有时会形成倒虹吸，由于夜间供热量不足，因此达不到供暖的要求；
◆适宜仅日间供暖场合：辽宁营口市某小学教室（较寒冷地区），玻璃窗下安装与玻璃窗配合应用，另学生人员密集性，供暖效果较好；
◆夏季房间过热。
a. 特朗伯墙冬季白天工作原理
b. 特朗伯墙冬季夜间工作原理
图6: 特朗伯墙冬季太阳能供暖工作原理
（2）北京太阳能研究所
北京太阳能研究所建太阳暖房，主要在农宅南向墙面上使用了附加阳光间（见图7）。效果如下：
◆白天阳光间给房间送去热量，夜间不能向室内给热，因此达不到全天供暖需求。
◆适用于仅日间用建筑。
◆已成功用于夏季凉爽地区的学校：如青海省（较寒冷地区）某师范学院采用此模式，效果很好。
图7：农宅南向使用附加阳光间
（3）清华大学的相关研究
清华大学采用直接受益式窗+花格蓄热墙的太阳能采暖方式
◆采用软件模拟手段，对直接受益式被动房的保温和采暖负荷做了数学模拟，结果见图8。
◆太阳房采用夜间保温的直接受益窗，以减少了夜间的散热，白天向室内供暖。同时安装窗下有涂黑的混凝土块砌成的花格式太阳墙（见图9）日间蓄热夜间供暖。
◆冬季供暖原理（见图10）及效果
① 白天：窗下玻璃后的花格墙受太阳晒构成储热墙；
② 夜间：玻璃外侧盖上保温板，打开花格墙室内侧的后档板上的通风孔，形成热气流向室内供热，达到了供暖比较好的效果；
③ 夜间供暖:但花格墙的蓄热还是不够的；
④ 综合指标达到：在被动太阳房设施增造价不大于初投资20%的条件下，最冷天室内不低于8℃的室温超过90%以上；
此项目获得北京市科技进步二等奖。
图8：北京地区一月中旬某直接收益式被动太阳房采暖特性
图9：混凝土块（花格墙）
图10：花格式集热墙冬季供暖工作原理
2）清华大学相关后续研究
清华大学李元哲教授的研究生方贤德课题研究：
◆花格式太阳墙做了数学模拟与优化[5]。
◆建立的花格墙几何模型见图11。
◆研究结果表明：对于农村住宅式被动太阳房，最主要的是蓄热技术； 之前被动房室温达不到的原因是供需时间上的不均衡。
图11：花格墙单元几何模型
3）太阳房的发展和实例
我国在“七五”攻关时期，由国内五单位共同编写了《被动式太阳房热工设计手册》，“十五”住建部立题：由中国建筑科学研究院和几个大的太阳能企业分别承担了太阳房的课题，遗憾的是没有更好的成果。
清华大学参与验收的北京某以主动式为主的太阳房项目:
◆项目概况：120ｍ²房屋面积，在屋顶安装20ｍ²太阳能集热器 ，使用地板采暖。
◆运行效果：住户反应不满意。
问题原因：详细数据未知，但因强调集热器要与建筑相协调，太阳能集热器安装的倾角不足30°极大的影响了得热。从图12北京地区一月份集热器不同倾角下得热[5]可知30°比60°得热少1/4。
鉴于上述原因，国家在“十一五”和“十二五”期间都没有对太阳房研究给予更大的资助。
图12：北纬40°地区不同倾角太阳月平均日辐照量
三、太阳能与其他能源耦合利用
2014~2015年冬季，李元哲教授团队在昌平马池口清华阳光职工宿舍建立了一种“主被动太阳能多热源集成供暖系统”。三种热源集成地板辐射采暖系统形式见图 13，项目地实景图见图14。
在系统运行中，充分利用白天被动式太阳能供暖，其次是太阳能集热器的热，不足部分是空气源热泵补充，做到廉价获得的优先。系统运行控制流程图见图15。运行实测结果平均室温高于20℃，节电80%以上。
1-热泵机组水泵；2-热泵蓄水箱水泵；3-太阳能系统水泵
图13：三种热源集成地板辐射采暖系统
a. 室外实景图 b. 室内现场情况
图14：项目实景
图15：系统运行控制流程图
四、太阳能制冷和空调
中国的研究情况：
◆二十世纪八十年代太阳能空调研究：中国建筑科学研究院原科室主任郭晓光和其当时研究生郑瑞澄是最早研究太阳能空调的，首都师范大学李申生教授也做过研究。
◆二十世纪九十年代末较大规模的工程：北京太阳能研究所新建办公楼采用太阳能空调。
◆上海交大王如竹教授团队多次发表过太阳能制冰方面的论文。
本人看法：（因本人缺乏相关研究经验，以下仅代表个人看法，仅供参考。）
◆补热代价高：夏季晴天太阳能稳定在最高辐射时间不长，对太阳能作为驱动热源于的吸收式制冷，发生器补热比较多
◆工质问题：早期研究者用的应多为氨，因其有毒还腐蚀金属，现已弃用。
◆整体研究缺乏：太阳能空调、制冷仅在“八五、九五”期间列入了国家项目。
五、结语
太阳能热利用的形式是多种多样的，以上所述是本人所认为较为典型的四种形式。另外：太阳能固体吸附除湿是值得研究利用的，如硅胶等吸附质再生温度较低，50~55℃；太阳能烘干也是太阳能热利用的极好方式。随着太阳能热利用科学技术的发展，相信太阳能热利用的方式会越来越成熟，更好地服务人类社会。
另，因年代跨度大，仅按照自己所了解记忆的内容进行简述，如有与实际不符及不严谨之处请多包涵。
以上就是我的报告内容，谢谢！
六、 部分参考文献
[1]殷志强,吴家庆,陶祖岩,史月艳. 全玻璃真空管集热器的研制[J]. 太阳能学报,1981(04):345-352.
[2]吴家庆,殷志强,张首博,王凤春. 真空管太阳能家用热水器及其东西向与南北向放置的比较[J]. 太阳能学报,1988(04):396-405.
[3]李元哲,单明,何端练. 太阳能主动式采暖实测与分析[J]. 太阳能学报,2009,30(11):1469-1475.
[4]夏云等.生态与可持续建筑[M].北京：中国建筑工业出版社，2001.
[5]李元哲,方贤德. 花格墙式被动太阳房的数学模拟[J]. 太阳能学报,1987(02):173-178.（董清风 整理）
