为建筑提供更环保的采暖、制冷与发电的太阳能三联供系统的研究与方案提出

把阳光变成舒适为何重要

让我们的住宅、办公楼和医院保持舒适需要大量能源，而这些能源的大部分仍来自会使地球变暖并污染空气的化石燃料。与此同时，太阳每天在我们的屋顶和街道上投下大量清洁能源。本研究探讨了一种利用阳光的新途径，使单一太阳能系统同时为建筑提供三项基本服务：电力、采暖和制冷。通过从每一道阳光中挤出更多的有用能源，所提方案旨在减少浪费、降低排放并减少对传统发电厂的依赖。

一座太阳能塔，三种有用服务

所提布局的核心是一座被可追踪太阳的反射镜包围并将光线反射到塔顶接收器的太阳能塔。在该接收器内部，研究者使用带有小内肋的紧密螺旋管，管内充满一种名为 Syltherm 800 的特殊传热油。当聚光阳光照射到接收器时，这些盘管中的油会急剧升温。系统并不把这股高温油仅用来做一件事，而是将热量引入一个组合装置，能够同时发电、生产用于制冷的冷水，并提供用于采暖的热水或蒸汽。换言之，同一束被捕获的阳光驱动一个面向建筑需求的“太阳能三联供”装置。

将热量变为电力与制冷的隐藏回路

为了把捕获的热量转换为有用服务，该系统依赖两个相互关联的回路。第一个是称为卡利纳循环的发电回路，它使用氨水混合物在较宽的温度范围内沸腾和冷凝。这使其能够较好地匹配太阳热源，并比传统蒸汽循环在相对中等温度下提取更多功。接收器中的热油将能量传递给该混合物，混合物随后膨胀通过透平产生机械功，进而转为电力。之后，部分冷却的工质仍然携带足够热量可被再次利用，而非浪费。

第二回路是吸收式制冷循环，也使用氨—水混合物，但布置方式使得制冷过程由热而非电力驱动。来自发电回路的一部分温热工质被送入一个发生器，将氨蒸气从溶液中分离出来。当该蒸气随后被再吸收时，它会从另一支流中吸热，产生适用于空调或冷藏的制冷效应。任何剩余热量可通过工艺换热器用于提供热水或工业用热。两条回路协同工作，确保高温太阳热首先执行最有价值的任务—发电，然后逐级用于制冷与采暖。

设计微调如何提升性能

研究人员使用计算机模拟来检验设计选择如何影响系统性能。他们关注接收器中螺旋管的形状、入射太阳光强度以及发电与制冷回路内的运行工况。研究发现，在强烈日照下，采用更小的内肋并配合合适的螺旋结构，可以使油的出口温度显著升高——在有利情况下接近提升40%，而不会带来大的压降惩罚。更高的油温反过来增加了透平发电量、向用户提供的采暖量以及吸收式制冷装置的制冷能力。当直接日照强度从中等提高到高时，三联供系统的整体有用输出从约145千瓦上升到200千瓦以上，且能量效率与更苛求的用能质量（放热可用性）效率均有所改善。

找出能量损失所在

并非所有入射太阳能都能变为有用服务；其中一部分不可避免地被降质或损失。为了解最大损失发生的位置，作者进行了用能质量（exergy）分析，该分析不仅追踪系统中能量的流动量，还评估这些能量中有多少保持着做功的能力。他们发现塔顶的中央接收器是单一最大质量损失来源，其次是反射镜场和将热从油传递给工质的过热器。这些损失主要来自冷热流之间的温差和向周围环境的热泄漏。作者认为，通过缩小这些温差并改进接收器与分离器设计，系统的未来版本能够从相同的阳光中提取更多有用的电力、采暖与制冷。

对更清洁建筑的意义

通俗来说，研究表明一座精心设计的太阳能塔可以作为紧凑的能源枢纽，仅凭阳光和巧妙的工艺管路，为建筑提供电力、空调和采暖。在现实的日照条件下，该系统的整体能量与用能质量效率与文献中报道的其他先进太阳能三联供概念相当，有时略优。尽管此项工作基于详细模拟而非全尺度试验，但它指向了一条可行路径，可用单一集成的太阳能解决方案替代分离的燃烧锅炉、冷水机组和电网供电，从而更好地利用每一缕被捕获的光子。

引用: Alsharif, A.M., Khaliq, A., Hussein, E. et al. Investigation and proposal of a novel solar-powered trigeneration system for more environmentally friendly heating, cooling, and power generation. Sci Rep 16, 12871 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41098-x

关键词: 太阳能三联供, 建筑能源系统, 聚光太阳能, 太阳能供热与制冷, 卡利纳循环