太陽能集熱與空氣源熱泵系統(tǒng)在水產(chǎn)育苗養(yǎng)殖中的應(yīng)用

于盟盟，梁娟，漢景明，王磊，魏海英

（日照市海洋與漁業(yè)研究院，山東 日照 276826）

我國雖然是一個資源大國，但隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源需求量不斷增加，能源供應(yīng)日趨緊張，推進(jìn)節(jié)能減排，發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)，堅持中國特色的綠色循環(huán)發(fā)展之路，已成為我國面臨的非常重要而緊迫的任務(wù)。我國政府向世界承諾，到2030 年碳達(dá)峰，因此大力發(fā)展可再生能源，代替煤炭、石油等常規(guī)能源，已成為我國長期能源發(fā)展和近期能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的重要選擇。

太陽能作為一種可再生清潔能源，在我國發(fā)展迅速，目前在用太陽能熱水器總集熱面積已超過1 億m2，生產(chǎn)量和使用量均居世界第一。空氣源熱泵是一種使用少量高品位能源（如電能），將低溫?zé)嵩粗械臒崃哭D(zhuǎn)移到高溫?zé)嵩粗械难b置。我國空氣源熱泵目前的產(chǎn)品主要有家用空氣源熱泵空調(diào)器、商用空氣源熱泵空調(diào)機(jī)組以及熱泵冷熱水系統(tǒng)[1]。

太陽能利用受到地域、季節(jié)和使用時間等多方面的影響，體現(xiàn)出間歇性和不穩(wěn)定性[2]。熱泵在使用中受室外環(huán)境的影響較大，特別是在北方地區(qū)，室外溫度越低，其效率也就越低。將兩者有機(jī)結(jié)合，優(yōu)勢互補(bǔ)，可成為目前最有希望和發(fā)展前景的能源利用方式之一[3]。太陽能集熱與空氣源熱泵綜合系統(tǒng)，是將2 種節(jié)能設(shè)備相連接，可有效地避免太陽能集熱和熱泵使用中各自的不足，達(dá)到節(jié)約高位能和減少環(huán)境污染的目的，具有很高的開發(fā)、應(yīng)用價值。

太陽能集熱與空氣源熱泵綜合系統(tǒng)具有的優(yōu)勢，對推動新能源在水產(chǎn)育苗養(yǎng)殖領(lǐng)域的應(yīng)用與推廣，對我國水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的健康、可持續(xù)發(fā)展起到積極的促進(jìn)作用，同時也為太陽能、熱泵產(chǎn)業(yè)的開發(fā)和利用找到新的增長點。

1 系統(tǒng)介紹

1.1 太陽能集熱系統(tǒng)

太陽能集熱系統(tǒng)見圖1。該系統(tǒng)包括太陽能集熱器陣列、全自動智能控制系統(tǒng)、地下儲水池、空氣源熱泵系統(tǒng)、管路系統(tǒng)及控制設(shè)備等，冬春季利用太陽能和空氣源熱泵（輔助）加熱，夏秋季利用空氣源熱泵降溫。該系統(tǒng)采用空氣源熱泵機(jī)組與太陽能集熱配合的技術(shù)，較好地解決了輔助能源的問題。太陽能集熱與空氣源熱泵集成水體升溫技術(shù)，可實現(xiàn)新能源綜合利用，替代鍋爐水體升溫，在我國北方工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖水體升溫中具有良好應(yīng)用前景。采用太陽能與空氣源熱泵配合后，不但增強(qiáng)了能源利用率，而且減少了系統(tǒng)運(yùn)行過程中的能量損失，這樣系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用也大幅度降低。并且本系統(tǒng)運(yùn)行二氧化碳零排放量，對環(huán)境無不利影響，符合節(jié)能減排要求。

圖1 太陽能集熱系統(tǒng)

1.2 太陽能集熱與空氣源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行原理

系統(tǒng)運(yùn)行原理見圖2。采用太陽能集熱和熱泵輔助加熱，水首先被太陽能集熱站加熱后進(jìn)入地下儲熱池，達(dá)到一定量后進(jìn)入熱交換器加熱自然海水用于水產(chǎn)育苗養(yǎng)殖，當(dāng)夜間或陰雨雪天達(dá)不到采暖效果時，用空氣源熱泵作為輔助能源?？諝庠礋岜脵C(jī)組在夏秋季作為獨立系統(tǒng)對育苗養(yǎng)殖大棚水體進(jìn)行降溫。太陽能熱水系統(tǒng)以供暖為主，依據(jù)太陽能輻射強(qiáng)度的不同，該系統(tǒng)主要有如下4種運(yùn)行模式。

圖2 系統(tǒng)運(yùn)行原理

（1）當(dāng)太陽能充足時，太陽能集熱系統(tǒng)能夠滿足育苗養(yǎng)殖供暖需求時，熱泵系統(tǒng)關(guān)閉，太陽能熱水系統(tǒng)單獨運(yùn)行，形成由圖中太陽能集熱器、地下儲熱池、循環(huán)水泵、熱交換器組成的A-B-CD 循環(huán)。

（2）當(dāng)太陽能不充足時，太陽能集熱系統(tǒng)僅能滿足育苗養(yǎng)殖供暖部分需求時，采用太陽能集熱系統(tǒng)和空氣源熱泵聯(lián)合運(yùn)行模式，形成由圖中太陽能集熱器、地下儲熱池、水泵和熱交換器組成的循環(huán)，以及空氣源熱泵系統(tǒng)輔助補(bǔ)充熱能。就是A-B-CD 加 E-C-D。

（3）當(dāng)太陽能輻射強(qiáng)度為零（夜間或陰雨天氣）時，空氣源熱泵單獨運(yùn)行，即形成由圖中空氣源熱泵系統(tǒng)和熱交換器組成的供熱系統(tǒng)E-C-D。

（4）在夏季氣溫過高時，利用空氣源熱泵制冷即E-C-D。

1.3 設(shè)備及主要技術(shù)指標(biāo)

系統(tǒng)設(shè)計安裝JPH-100TX18-33°型三高集熱站456 m2。集熱單元選用“三高”真空集熱管,技術(shù)指標(biāo)為：全新干涉膜技術(shù)，吸收率≥96%，散射率≤4%，空曬溫度不低于400 ℃，平均熱損失≤0.75 W/m2℃，真空度低于5.0×10-4Pa，材質(zhì)為3.3 高硼硅玻璃，抗直徑2.5 cm 以下冰雹正面沖擊?？諝庠礋岜弥鳈C(jī)為3 臺斯圖華納11 kW 超低溫空氣源熱泵，換熱器為換熱面積50 m2的鈦合金板式換熱器。能夠滿足以下生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)：

（1）冬天：在當(dāng)?shù)刈畹蜌鉁貤l件下，將自然海水提升至15 ℃，能夠保證每小時出水量不低于10 m3；

（2）夏天：在當(dāng)?shù)刈匀缓Ｋ疁刈罡邥r，將水溫降低10 ℃，能夠保證每小時出水量不低于15 m3。生產(chǎn)車間單獨使用空氣源熱泵進(jìn)行降溫及保溫時，采用換熱器加管道降溫方案。即自然海水通過換熱器降到預(yù)定溫度后儲存于蓄水池用于日常換水，利用管道保持生產(chǎn)車間氣溫及育苗池水溫恒定。

2 系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀

日照市海水養(yǎng)殖條件得天獨厚，水產(chǎn)苗種繁育歷史悠久，是北方重要的漁業(yè)苗種生產(chǎn)基地。據(jù)2020 年日照市海洋主管部門統(tǒng)計數(shù)據(jù)，日照市有較大的苗種生產(chǎn)企業(yè)約230 家，總育苗水體約90 萬m3，年育苗能力超過3 000 億苗種單位，年產(chǎn)值過3 億元。

水產(chǎn)育苗養(yǎng)殖企業(yè)在冬春季節(jié)進(jìn)行育苗養(yǎng)殖生產(chǎn)，主要靠鍋爐來提升水溫。近年來，隨著國家對節(jié)能減排、綠色發(fā)展的要求，常規(guī)能源的使用被不斷限制，水產(chǎn)育苗養(yǎng)殖企業(yè)的生產(chǎn)成本也隨之攀升，嚴(yán)重制約了水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的健康發(fā)展。

日照市海洋與漁業(yè)研究院2013 年建成1 套太陽能集熱系統(tǒng)，占地面積1 000 m2，為1 000 m2養(yǎng)殖育苗車間配套使用。系統(tǒng)安裝直通式太陽能集熱器陣列5 排140 組，共計4 200 支太陽能管，安裝280 個太陽能聯(lián)箱，安裝循環(huán)水管路系統(tǒng)約500 m，使用全自動智能控制系統(tǒng)2 套，建設(shè)地下貯水池300 m3，換熱器1 套。春秋季，每日可提供300 m350～60 ℃的熱水，供1 000 m2科研溫室大棚所需；冬季，每日可提供40~50 ℃的熱水300 m3，供1 000 m2科研溫室大棚使用。2020 年在原有太陽能集熱系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，新增空氣源熱泵3 套，完善了太陽能與空氣源熱泵系統(tǒng)。經(jīng)過2 年多運(yùn)行，該系統(tǒng)使用穩(wěn)定，保溫、降溫效果顯著，較易推廣應(yīng)用。

為滿足室內(nèi)工廠化養(yǎng)殖及苗種繁育的需要，本系統(tǒng)設(shè)計日供溫水能力為300 m3，出水溫度40~60 ℃。根據(jù)冬春季節(jié)日照市自然海水平均溫度約為10.5 ℃計算，每天可節(jié)約燃?xì)?50 m3，整個生產(chǎn)期間扣除陰雨天空氣源熱泵用電量消耗，可直接節(jié)約生產(chǎn)成本約30 萬元。另外，室內(nèi)工廠化養(yǎng)殖工程中因水溫適宜，水產(chǎn)品生長速度加快，產(chǎn)量會相應(yīng)提高，再考慮利用市場斷檔期間出售，水產(chǎn)品價格上升的因素，每年可增加收益約20 萬元。以本系統(tǒng)使用壽命15 年計算，預(yù)計2 年即可收回綜合系統(tǒng)投資成本。本系統(tǒng)推廣應(yīng)用后，對日照及周邊沿海地區(qū)節(jié)能減排工作意義重大，僅日照地區(qū)水產(chǎn)育苗業(yè)每年就可節(jié)約燃?xì)饧s810 萬m3（按日照育苗水體的十分之一計算），1 年可減少二氧化碳排放量約1 620×104kg。在產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益方面，每年可節(jié)省大量燃?xì)赓M(fèi)用；節(jié)能減排大環(huán)境方面，全水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)會從二氧化碳排放大戶變?yōu)闊o碳經(jīng)濟(jì)的行業(yè)排頭兵，不僅保證了整個行業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展，而且對相關(guān)行業(yè)也會起到示范帶頭作用。

3 結(jié)語

太陽能集熱與空氣源熱泵綜合系統(tǒng)，是太陽能與熱泵技術(shù)在室內(nèi)工廠化養(yǎng)殖及水產(chǎn)品苗種繁育行業(yè)的有益嘗試，能夠有效促進(jìn)太陽能與熱泵技術(shù)在漁業(yè)生產(chǎn)中的推廣應(yīng)用，為水產(chǎn)行業(yè)發(fā)展注入新的動力。利用太陽能集熱、熱泵等替代傳統(tǒng)鍋爐提升水溫，在我國北方沿海漁業(yè)生產(chǎn)中雖屬新生事物，但因其在實際運(yùn)用中具有使用成本低、投資回收快以及安全、節(jié)能、環(huán)保的優(yōu)勢，具有很高的推廣應(yīng)用價值，市場前景廣闊。