太陽能集熱與空氣源熱泵系統在水產育苗養殖中的應用

于盟盟，梁娟，漢景明，王磊，魏海英

（日照市海洋與漁業研究院，山東 日照 276826）

我國雖然是一個資源大國，但隨著國民經濟的快速發展，能源需求量不斷增加，能源供應日趨緊張，推進節能減排，發展低碳經濟，堅持中國特色的綠色循環發展之路，已成為我國面臨的非常重要而緊迫的任務。我國政府向世界承諾，到2030 年碳達峰，因此大力發展可再生能源，代替煤炭、石油等常規能源，已成為我國長期能源發展和近期能源結構調整的重要選擇。

太陽能作為一種可再生清潔能源，在我國發展迅速，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），將低溫熱源中的熱量轉移到高溫熱源中的裝置。我國空氣源熱泵目前的產品主要有家用空氣源熱泵空調器、商用空氣源熱泵空調機組以及熱泵冷熱水系統[1]。

太陽能利用受到地域、季節和使用時間等多方面的影響，體現出間歇性和不穩定性[2]。熱泵在使用中受室外環境的影響較大，特別是在北方地區，室外溫度越低，其效率也就越低。將兩者有機結合，優勢互補，可成為目前最有希望和發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，是將2 種節能設備相連接，可有效地避免太陽能集熱和熱泵使用中各自的不足，達到節約高位能和減少環境污染的目的，具有很高的開發、應用價值。

太陽能集熱與空氣源熱泵綜合系統具有的優勢，對推動新能源在水產育苗養殖領域的應用與推廣，對我國水產養殖業的健康、可持續發展起到積極的促進作用，同時也為太陽能、熱泵產業的開發和利用找到新的增長點。

1 系統介紹

1.1 太陽能集熱系統

太陽能集熱系統見圖1。該系統包括太陽能集熱器陣列、全自動智能控制系統、地下儲水池、空氣源熱泵系統、管路系統及控制設備等，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。該系統采用空氣源熱泵機組與太陽能集熱配合的技術，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，可實現新能源綜合利用，替代鍋爐水體升溫，在我國北方工廠化水產養殖水體升溫中具有良好應用前景。采用太陽能與空氣源熱泵配合后，不但增強了能源利用率，而且減少了系統運行過程中的能量損失，這樣系統運行費用也大幅度降低。并且本系統運行二氧化碳零排放量，對環境無不利影響，符合節能減排要求。

圖1 太陽能集熱系統

1.2 太陽能集熱與空氣源熱泵系統運行原理

系統運行原理見圖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入地下儲熱池，達到一定量后進入熱交換器加熱自然海水用于水產育苗養殖，當夜間或陰雨雪天達不到采暖效果時，用空氣源熱泵作為輔助能源。空氣源熱泵機組在夏秋季作為獨立系統對育苗養殖大棚水體進行降溫。太陽能熱水系統以供暖為主，依據太陽能輻射強度的不同，該系統主要有如下4種運行模式。

圖2 系統運行原理

（1）當太陽能充足時，太陽能集熱系統能夠滿足育苗養殖供暖需求時，熱泵系統關閉，太陽能熱水系統單獨運行，形成由圖中太陽能集熱器、地下儲熱池、循環水泵、熱交換器組成的A-B-CD 循環。

（2）當太陽能不充足時，太陽能集熱系統僅能滿足育苗養殖供暖部分需求時，采用太陽能集熱系統和空氣源熱泵聯合運行模式，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，以及空氣源熱泵系統輔助補充熱能。就是A-B-CD 加 E-C-D。

（3）當太陽能輻射強度為零（夜間或陰雨天氣）時，空氣源熱泵單獨運行，即形成由圖中空氣源熱泵系統和熱交換器組成的供熱系統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 設備及主要技術指標

系統設計安裝JPH-100TX18-33°型三高集熱站456 m2。集熱單元選用“三高”真空集熱管,技術指標為：全新干涉膜技術，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，材質為3.3 高硼硅玻璃，抗直徑2.5 cm 以下冰雹正面沖擊。空氣源熱泵主機為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。能夠滿足以下生產技術指標：

（1）冬天：在當地最低氣溫條件下，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：在當地自然海水水溫最高時，將水溫降低10 ℃，能夠保證每小時出水量不低于15 m3。生產車間單獨使用空氣源熱泵進行降溫及保溫時，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定溫度后儲存于蓄水池用于日常換水，利用管道保持生產車間氣溫及育苗池水溫恒定。

2 系統應用現狀

日照市海水養殖條件得天獨厚，水產苗種繁育歷史悠久，是北方重要的漁業苗種生產基地。據2020 年日照市海洋主管部門統計數據，日照市有較大的苗種生產企業約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，年產值過3 億元。

水產育苗養殖企業在冬春季節進行育苗養殖生產，主要靠鍋爐來提升水溫。近年來，隨著國家對節能減排、綠色發展的要求，常規能源的使用被不斷限制，水產育苗養殖企業的生產成本也隨之攀升，嚴重制約了水產養殖業的健康發展。

日照市海洋與漁業研究院2013 年建成1 套太陽能集熱系統，占地面積1 000 m2，為1 000 m2養殖育苗車間配套使用。系統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 個太陽能聯箱，安裝循環水管路系統約500 m，使用全自動智能控制系統2 套，建設地下貯水池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的基礎上，新增空氣源熱泵3 套，完善了太陽能與空氣源熱泵系統。經過2 年多運行，該系統使用穩定，保溫、降溫效果顯著，較易推廣應用。

為滿足室內工廠化養殖及苗種繁育的需要，本系統設計日供溫水能力為300 m3，出水溫度40~60 ℃。根據冬春季節日照市自然海水平均溫度約為10.5 ℃計算，每天可節約燃氣450 m3，整個生產期間扣除陰雨天空氣源熱泵用電量消耗，可直接節約生產成本約30 萬元。另外，室內工廠化養殖工程中因水溫適宜，水產品生長速度加快，產量會相應提高，再考慮利用市場斷檔期間出售，水產品價格上升的因素，每年可增加收益約20 萬元。以本系統使用壽命15 年計算，預計2 年即可收回綜合系統投資成本。本系統推廣應用后，對日照及周邊沿海地區節能減排工作意義重大，僅日照地區水產育苗業每年就可節約燃氣約810 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。在產業經濟效益方面，每年可節省大量燃氣費用；節能減排大環境方面，全水產養殖行業會從二氧化碳排放大戶變為無碳經濟的行業排頭兵，不僅保證了整個行業的健康可持續發展，而且對相關行業也會起到示范帶頭作用。

3 結語

太陽能集熱與空氣源熱泵綜合系統，是太陽能與熱泵技術在室內工廠化養殖及水產品苗種繁育行業的有益嘗試，能夠有效促進太陽能與熱泵技術在漁業生產中的推廣應用，為水產行業發展注入新的動力。利用太陽能集熱、熱泵等替代傳統鍋爐提升水溫，在我國北方沿海漁業生產中雖屬新生事物，但因其在實際運用中具有使用成本低、投資回收快以及安全、節能、環保的優勢，具有很高的推廣應用價值，市場前景廣闊。