太阳能集热与空气源热泵系统在水产育苗养殖中的应用

于盟盟，梁娟，汉景明，王磊，魏海英

（日照市海洋与渔业研究院，山东 日照 276826）

我国虽然是一个资源大国，但随着国民经济的快速发展，能源需求量不断增加，能源供应日趋紧张，推进节能减排，发展低碳经济，坚持中国特色的绿色循环发展之路，已成为我国面临的非常重要而紧迫的任务。我国政府向世界承诺，到2030 年碳达峰，因此大力发展可再生能源，代替煤炭、石油等常规能源，已成为我国长期能源发展和近期能源结构调整的重要选择。

太阳能作为一种可再生清洁能源，在我国发展迅速，目前在用太阳能热水器总集热面积已超过1 亿m2，生产量和使用量均居世界第一。空气源热泵是一种使用少量高品位能源（如电能），将低温热源中的热量转移到高温热源中的装置。我国空气源热泵目前的产品主要有家用空气源热泵空调器、商用空气源热泵空调机组以及热泵冷热水系统[1]。

太阳能利用受到地域、季节和使用时间等多方面的影响，体现出间歇性和不稳定性[2]。热泵在使用中受室外环境的影响较大，特别是在北方地区，室外温度越低，其效率也就越低。将两者有机结合，优势互补，可成为目前最有希望和发展前景的能源利用方式之一[3]。太阳能集热与空气源热泵综合系统，是将2 种节能设备相连接，可有效地避免太阳能集热和热泵使用中各自的不足，达到节约高位能和减少环境污染的目的，具有很高的开发、应用价值。

太阳能集热与空气源热泵综合系统具有的优势，对推动新能源在水产育苗养殖领域的应用与推广，对我国水产养殖业的健康、可持续发展起到积极的促进作用，同时也为太阳能、热泵产业的开发和利用找到新的增长点。

1 系统介绍

1.1 太阳能集热系统

太阳能集热系统见图1。该系统包括太阳能集热器阵列、全自动智能控制系统、地下储水池、空气源热泵系统、管路系统及控制设备等，冬春季利用太阳能和空气源热泵（辅助）加热，夏秋季利用空气源热泵降温。该系统采用空气源热泵机组与太阳能集热配合的技术，较好地解决了辅助能源的问题。太阳能集热与空气源热泵集成水体升温技术，可实现新能源综合利用，替代锅炉水体升温，在我国北方工厂化水产养殖水体升温中具有良好应用前景。采用太阳能与空气源热泵配合后，不但增强了能源利用率，而且减少了系统运行过程中的能量损失，这样系统运行费用也大幅度降低。并且本系统运行二氧化碳零排放量，对环境无不利影响，符合节能减排要求。

图1 太阳能集热系统

1.2 太阳能集热与空气源热泵系统运行原理

系统运行原理见图2。采用太阳能集热和热泵辅助加热，水首先被太阳能集热站加热后进入地下储热池，达到一定量后进入热交换器加热自然海水用于水产育苗养殖，当夜间或阴雨雪天达不到采暖效果时，用空气源热泵作为辅助能源。空气源热泵机组在夏秋季作为独立系统对育苗养殖大棚水体进行降温。太阳能热水系统以供暖为主，依据太阳能辐射强度的不同，该系统主要有如下4种运行模式。

图2 系统运行原理

（1）当太阳能充足时，太阳能集热系统能够满足育苗养殖供暖需求时，热泵系统关闭，太阳能热水系统单独运行，形成由图中太阳能集热器、地下储热池、循环水泵、热交换器组成的A-B-CD 循环。

（2）当太阳能不充足时，太阳能集热系统仅能满足育苗养殖供暖部分需求时，采用太阳能集热系统和空气源热泵联合运行模式，形成由图中太阳能集热器、地下储热池、水泵和热交换器组成的循环，以及空气源热泵系统辅助补充热能。就是A-B-CD 加 E-C-D。

（3）当太阳能辐射强度为零（夜间或阴雨天气）时，空气源热泵单独运行，即形成由图中空气源热泵系统和热交换器组成的供热系统E-C-D。

（4）在夏季气温过高时，利用空气源热泵制冷即E-C-D。

1.3 设备及主要技术指标

系统设计安装JPH-100TX18-33°型三高集热站456 m2。集热单元选用“三高”真空集热管,技术指标为：全新干涉膜技术，吸收率≥96%，散射率≤4%，空晒温度不低于400 ℃，平均热损失≤0.75 W/m2℃，真空度低于5.0×10-4Pa，材质为3.3 高硼硅玻璃，抗直径2.5 cm 以下冰雹正面冲击。空气源热泵主机为3 台斯图华纳11 kW 超低温空气源热泵，换热器为换热面积50 m2的钛合金板式换热器。能够满足以下生产技术指标：

（1）冬天：在当地最低气温条件下，将自然海水提升至15 ℃，能够保证每小时出水量不低于10 m3；

（2）夏天：在当地自然海水水温最高时，将水温降低10 ℃，能够保证每小时出水量不低于15 m3。生产车间单独使用空气源热泵进行降温及保温时，采用换热器加管道降温方案。即自然海水通过换热器降到预定温度后储存于蓄水池用于日常换水，利用管道保持生产车间气温及育苗池水温恒定。

2 系统应用现状

日照市海水养殖条件得天独厚，水产苗种繁育历史悠久，是北方重要的渔业苗种生产基地。据2020 年日照市海洋主管部门统计数据，日照市有较大的苗种生产企业约230 家，总育苗水体约90 万m3，年育苗能力超过3 000 亿苗种单位，年产值过3 亿元。

水产育苗养殖企业在冬春季节进行育苗养殖生产，主要靠锅炉来提升水温。近年来，随着国家对节能减排、绿色发展的要求，常规能源的使用被不断限制，水产育苗养殖企业的生产成本也随之攀升，严重制约了水产养殖业的健康发展。

日照市海洋与渔业研究院2013 年建成1 套太阳能集热系统，占地面积1 000 m2，为1 000 m2养殖育苗车间配套使用。系统安装直通式太阳能集热器阵列5 排140 组，共计4 200 支太阳能管，安装280 个太阳能联箱，安装循环水管路系统约500 m，使用全自动智能控制系统2 套，建设地下贮水池300 m3，换热器1 套。春秋季，每日可提供300 m350～60 ℃的热水，供1 000 m2科研温室大棚所需；冬季，每日可提供40~50 ℃的热水300 m3，供1 000 m2科研温室大棚使用。2020 年在原有太阳能集热系统的基础上，新增空气源热泵3 套，完善了太阳能与空气源热泵系统。经过2 年多运行，该系统使用稳定，保温、降温效果显著，较易推广应用。

为满足室内工厂化养殖及苗种繁育的需要，本系统设计日供温水能力为300 m3，出水温度40~60 ℃。根据冬春季节日照市自然海水平均温度约为10.5 ℃计算，每天可节约燃气450 m3，整个生产期间扣除阴雨天空气源热泵用电量消耗，可直接节约生产成本约30 万元。另外，室内工厂化养殖工程中因水温适宜，水产品生长速度加快，产量会相应提高，再考虑利用市场断档期间出售，水产品价格上升的因素，每年可增加收益约20 万元。以本系统使用寿命15 年计算，预计2 年即可收回综合系统投资成本。本系统推广应用后，对日照及周边沿海地区节能减排工作意义重大，仅日照地区水产育苗业每年就可节约燃气约810 万m3（按日照育苗水体的十分之一计算），1 年可减少二氧化碳排放量约1 620×104kg。在产业经济效益方面，每年可节省大量燃气费用；节能减排大环境方面，全水产养殖行业会从二氧化碳排放大户变为无碳经济的行业排头兵，不仅保证了整个行业的健康可持续发展，而且对相关行业也会起到示范带头作用。

3 结语

太阳能集热与空气源热泵综合系统，是太阳能与热泵技术在室内工厂化养殖及水产品苗种繁育行业的有益尝试，能够有效促进太阳能与热泵技术在渔业生产中的推广应用，为水产行业发展注入新的动力。利用太阳能集热、热泵等替代传统锅炉提升水温，在我国北方沿海渔业生产中虽属新生事物，但因其在实际运用中具有使用成本低、投资回收快以及安全、节能、环保的优势，具有很高的推广应用价值，市场前景广阔。