太陽能熱泵在溫湯鎮(zhèn)的應(yīng)用

陳勇玲 吳俊淵 姚 蕾

（宜春市科學(xué)院（江西富硒產(chǎn)業(yè)研究院），江西 宜春 336000）

我國(guó)制定了“雙碳”、水資源保護(hù)等一系列環(huán)保政策，因此人們?cè)絹碓街匾暛h(huán)境保護(hù)，在這種時(shí)代背景下，城市的建設(shè)過程中應(yīng)采用節(jié)能節(jié)水技術(shù)。

張?chǎng)蔚萚1]針對(duì)新疆吐魯番地區(qū)太陽能建筑的設(shè)計(jì)提出一些可行性的太陽能電池板利用策略；耿秀等[2]分析了不同的太陽能利用技術(shù)與空氣源熱泵相結(jié)合的系統(tǒng)的特點(diǎn)和運(yùn)行特性；宋航等[3]采用TRNSYS對(duì)拉薩地區(qū)的一幢住宅樓內(nèi)的太陽能-空氣源熱泵雙聯(lián)供熱系統(tǒng)供熱時(shí)運(yùn)行性能進(jìn)行研究，證明了太陽能空氣源熱泵在高寒地區(qū)的可行性；柳紅軍等[4]針對(duì)市政熱資源供應(yīng)滯后問題，探索一種太陽能空氣源熱泵系統(tǒng)并驗(yàn)證該系統(tǒng)的可實(shí)施性，結(jié)果顯示，該系統(tǒng)可有效解決市政熱資源短缺問題；馮春紅等[5]對(duì)電鍋爐、燃?xì)忮仩t、燃油鍋爐、太陽能、太陽能輔助電熱、地源熱泵以及空氣源熱泵幾種常用的熱水系統(tǒng)進(jìn)行分析，結(jié)果表明，太陽能空氣源熱泵年耗能費(fèi)用最低、年運(yùn)行費(fèi)用最少、CO2減排量最多。該文針對(duì)宜春市溫塘鎮(zhèn)資源情況設(shè)計(jì)太陽能結(jié)合雙熱泵節(jié)能節(jié)水系統(tǒng)。

1 溫湯鎮(zhèn)地理位置及資源介紹

溫湯鎮(zhèn)位于江西省宜春市袁州區(qū)西南部，地理位置優(yōu)越。該鎮(zhèn)以其豐富的太陽能資源和地?zé)崴Y源而聞名，成為可持續(xù)能源領(lǐng)域的重要研究和開發(fā)區(qū)域。

太陽能資源方面，溫湯鎮(zhèn)地處南方地區(qū)，日照充足，陽光資源豐富。這種環(huán)境為鎮(zhèn)內(nèi)的太陽能發(fā)電、太陽能熱水等清潔能源項(xiàng)目提供了得天獨(dú)厚的條件。當(dāng)?shù)卣e極推動(dòng)太陽能技術(shù)應(yīng)用，普及清潔能源，為環(huán)保可持續(xù)發(fā)展做出重要貢獻(xiàn)。

此外，溫湯鎮(zhèn)還有豐富的地?zé)崴Y源。地?zé)崴鳛橐环N綠色能源，不僅可以用于供暖，還可以應(yīng)用于溫室種植、溫泉旅游等領(lǐng)域。鎮(zhèn)內(nèi)地?zé)崮艿拈_發(fā)不僅為居民提供了舒適的生活條件，還給當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)增長(zhǎng)帶來新的機(jī)遇。溫湯鎮(zhèn)不僅在能源領(lǐng)域中有巨大的潛力，還有得天獨(dú)厚的自然環(huán)境和人文資源。作為袁州區(qū)的重要組成部分，溫湯鎮(zhèn)在繼承傳統(tǒng)文化的同時(shí)，不斷創(chuàng)新發(fā)展，為全區(qū)乃至全市的繁榮發(fā)展貢獻(xiàn)力量。

1.1 太陽能資源

溫湯鎮(zhèn)坐落在宜春市袁州區(qū)，享有典型的亞熱帶季風(fēng)氣候，這說明這片土地上日照充足，每年的平均日照時(shí)間為1737.1h，日均可享受4.83h的溫暖陽光。這種優(yōu)越的自然條件為太陽能資源的充分利用提供了得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。溫湯鎮(zhèn)的光照條件是促進(jìn)清潔能源普遍應(yīng)用的重要因素。溫塘鎮(zhèn)作為宜春市溫泉旅游中心，對(duì)太陽能資源的開發(fā)有廣闊的發(fā)展空間。隨著科技的不斷進(jìn)步，人們對(duì)太陽能技術(shù)的研究與創(chuàng)新也將不斷推動(dòng)該地區(qū)在可再生能源領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展。溫湯鎮(zhèn)是太陽能資源富集的重要地區(qū)，不僅能為當(dāng)?shù)鼐用裉峁┣鍧?、可再生的能源，還能在未來的發(fā)展中為宜春市乃至整個(gè)地區(qū)的綠色發(fā)展做出積極貢獻(xiàn)，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)能源利用的目標(biāo)。溫湯鎮(zhèn)月平均輻照強(qiáng)度如圖1所示。

圖1 各月平均輻照強(qiáng)度

1.2 地?zé)崴Y源

溫泉的古稱為溫湯，而溫湯鎮(zhèn)以溫湯為名，可見其地?zé)崴Y源的豐富，根據(jù)宜春市溫湯地?zé)崴Y源開發(fā)利用與保護(hù)規(guī)劃（2020—2025年）可知，溫湯鎮(zhèn)規(guī)劃區(qū)現(xiàn)有地?zé)崽锶缦拢?）溫湯地?zé)崽?。溫泉水溫?7℃～62℃，自流量864t/d，出露于河谷中的條痕狀混合巖裂隙中，受溫湯-萬龍山斷裂控?zé)?。江西省勘察設(shè)計(jì)研究院于1971—2011年對(duì)溫湯地?zé)崽镞M(jìn)行一次系統(tǒng)勘查與四次增量回灌試驗(yàn)，共實(shí)施地?zé)徙@孔56個(gè)，總深度1.12萬m，探明級(jí)地?zé)崴砷_采量10000t/d，地?zé)崴疁?6℃，水質(zhì)類型為重碳酸鈉型，礦化度為140mg/L～167mg/L，無色、透明，水中H2SiO3含量達(dá)命名“硅水”濃度，并富含硒元素。2）夏家坊地?zé)崽?。為江西省勘察設(shè)計(jì)研究院于2005—2010年在溫湯鎮(zhèn)南西8km處的夏家坊一帶發(fā)現(xiàn)的隱伏型地?zé)崽?。該地?zé)崽锕彩┕さ責(zé)峋?1個(gè)，總進(jìn)尺4617.83m。地?zé)崴疁?6.0℃～39.2℃，探明級(jí)地?zé)崴砷_采量1950.92t/d。地?zé)崴疄橹靥妓徕c鈣型淡水，無色、透明，略具H2S氣味，水中F、H2SiO3含量達(dá)“氟水”、“硅水”的命名濃度，并含鋰、硫化氫等有益元素。3） 洪江地?zé)崽?。溫泉水?7℃～38℃，自流量39.23t/d～65.23t/d，出露于北東向河谷中，受洪江-蓮花斷裂控?zé)帷＝魇】辈煸O(shè)計(jì)研究院于2008—2012年對(duì)洪江地?zé)崽镞M(jìn)行系統(tǒng)勘查，完成地?zé)峋?口，總進(jìn)尺746.67m，探明的地?zé)崴刹闪?323t/d，水溫43℃～57℃，地?zé)崴擅麨椤肮杷迸c“氟水”。2017年該礦區(qū)進(jìn)行新鑿建2口生產(chǎn)井，通過試驗(yàn)可開采量達(dá)3000t/d。

2 太陽能雙熱泵系統(tǒng)

太陽能作為一種可再生能源，具有不可估量的價(jià)值。其獨(dú)特之處在于太陽能的供應(yīng)幾乎是無限的，源源不斷地向地球釋放能量，使其成為一種取之不盡、用之不竭的能源來源。這為人類能源需求提供可靠的替代選擇，尤其在能源安全和可持續(xù)發(fā)展的背景下，太陽能的潛力愈發(fā)凸顯。

在合理利用太陽能資源的過程中，不僅能夠滿足日益增長(zhǎng)的能源需求，還能夠顯著減少對(duì)有限的化石能源的依賴。隨著全球能源消耗不斷增加，化石燃料資源的有限性日益凸顯，過度依賴這些能源不僅可能導(dǎo)致能源短缺，還會(huì)加劇環(huán)境污染和氣候變化等問題。太陽能的可再生性使其成為減少碳排放、保護(hù)環(huán)境的理想選擇，有助于減緩全球變暖和氣候變化的影響。

通過積極開發(fā)和應(yīng)用太陽能技術(shù)，人類不僅可以使能源供應(yīng)多樣化，不僅能推動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，而且保護(hù)生態(tài)平衡。這種轉(zhuǎn)向可持續(xù)能源的轉(zhuǎn)型，有助于構(gòu)建更穩(wěn)定、可靠的能源體系，為子孫后代留下一個(gè)更美好的生態(tài)環(huán)境。因此，太陽能的合理利用對(duì)能源安全、可持續(xù)發(fā)展和人類未來的繁榮具有重要意義。

在現(xiàn)代社會(huì)中，化石能源的大規(guī)模使用導(dǎo)致大氣污染和全球變暖等環(huán)境問題，嚴(yán)重影響全球生態(tài)平衡和人類健康。引入太陽能熱泵系統(tǒng)為環(huán)境保護(hù)提供一種環(huán)保的解決方案。該系統(tǒng)以太陽能為能源，因此不會(huì)產(chǎn)生任何污染物，不會(huì)排放二氧化碳等溫室氣體，有效避免進(jìn)一步加劇氣候變化和大氣污染的問題。太陽能熱泵系統(tǒng)的工作原理簡(jiǎn)單，它通過收集和利用太陽能的熱量，并結(jié)合空氣和余熱廢水中的熱能，將這些能源轉(zhuǎn)化為供暖和熱水供應(yīng)所需的能量。這種技術(shù)不僅充分利用對(duì)可再生能源，而且能夠大幅度地降低傳統(tǒng)能源的消耗，從而達(dá)到節(jié)能減排的目的。除了環(huán)保優(yōu)勢(shì)外，太陽能熱泵系統(tǒng)還在經(jīng)濟(jì)方面表現(xiàn)出色。雖然該系統(tǒng)的安裝成本可能相對(duì)較高，隨著時(shí)間推移，通過節(jié)約能源消耗和減少能源費(fèi)用，可以帶來顯著的經(jīng)濟(jì)回報(bào)。此外，由于太陽能熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行成本相對(duì)較低，因此對(duì)長(zhǎng)期使用和大規(guī)模應(yīng)用來說，它是一個(gè)經(jīng)濟(jì)高效的選擇。該文針對(duì)溫塘鎮(zhèn)的資源情況提出太陽能雙熱泵系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由太陽能電池板、空氣源熱泵、水源熱泵和蓄熱水箱組成，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)工作流程圖

由于人們的需求以及生活習(xí)慣，因此會(huì)出現(xiàn)高峰期供水不足的問題[6]，且生活熱水通常通過直排的方式進(jìn)入下水道，這不僅會(huì)導(dǎo)致大量的余熱浪費(fèi)，還加重了污水處理廠的負(fù)擔(dān)；因此，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)水箱1～水箱3，其中水箱1作為熱水保溫水箱放置于樓頂，水箱2作為余熱廢水保溫水箱放置于地面，水箱3作為廢水蓄水箱放置于地面。熱水通過水泵進(jìn)入水箱1，當(dāng)水溫不滿足用戶熱水需求溫度時(shí)通過空氣源熱泵進(jìn)行加熱，熱水經(jīng)用戶使用后進(jìn)入水箱2，通過水源熱泵對(duì)余熱進(jìn)行回收，用于室內(nèi)供暖，進(jìn)行余熱回收后的廢水進(jìn)入水箱3，供便池沖洗所用。同時(shí)屋頂加裝太陽能電池板，通過并網(wǎng)連接對(duì)空氣源熱泵和水源熱泵供電；該系統(tǒng)充分利用對(duì)太陽能、地?zé)崴乃疅豳Y源，可減少水、熱、電的消耗。

3 效益分析

假設(shè)某小區(qū)某單元有住戶20戶，每戶人口4人，采用該系統(tǒng)進(jìn)行供暖供熱水，系統(tǒng)太陽能電池板有效面積為50m2，空氣源熱泵和水源熱泵的COP均為4.0。根據(jù)宜春市水利局調(diào)查統(tǒng)計(jì)，人均每日用水量為1.21m3，假定其中生活熱水為0.1m3、便池用水為0.1m3。

3.1 經(jīng)濟(jì)效益分析

太陽能電池板的發(fā)電量取決于太陽輻照強(qiáng)度、光照時(shí)間等，其電能產(chǎn)量計(jì)算如公式（1）所示。

式中：α為光伏電池板的轉(zhuǎn)換效率，取0.2；H為太陽輻照強(qiáng)度，w/m2；S1為光伏電池板的有效面積，m2；T1為日照時(shí)間，日。

由公式（1）計(jì)算太陽能電池年發(fā)電量為14119.75kW·h，各月日發(fā)電量計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 太陽能電池板各月日發(fā)電量

空氣源熱泵的耗電量計(jì)算如公式（2）所示[7]。

式中：COP1為空氣源熱泵的能效比；V為需要加熱的水的體積，m3；ΔT為所需提升的溫度，℃；β為單位質(zhì)量提升單位溫度所需的能量，kJ；I為轉(zhuǎn)換系數(shù)。

不考慮人口流動(dòng)以及用水量波動(dòng)情況，可計(jì)算每日空氣源熱泵耗電量為23.33kW·h；如果所有居民使用電熱水器，電熱水器每日總耗電量為46.67kW·h，年相對(duì)節(jié)能8515.45kW·h。

水源熱泵的耗電量計(jì)算如公式（3）所示[8]。

式中：Q3為水源熱泵的耗電量，kW·h；K為建筑綜合傳熱系數(shù)，取0.45kJ/（m2·℃）；tN為室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度，取20℃；tW為室外溫度，℃；S2為室內(nèi)建筑面積，m2；COP2為水源熱泵的能效比；T2，tW為tW溫度時(shí)水源熱泵運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間，h；當(dāng)室外溫度低于15℃時(shí)開始供暖，根據(jù)2022年溫塘鎮(zhèn)氣象數(shù)據(jù)可知各溫度供暖時(shí)間見表2。

表2 溫度梯度小時(shí)數(shù)

計(jì)算熱泵年耗電量Q3為2394kW·h，如果采用能效比為2.8的家用分體式空調(diào)供暖，那么全年供暖耗電量為3420kW·h，每年相對(duì)節(jié)能1026kW·h。

采用傳統(tǒng)（空調(diào)+熱水器）供暖、熱水方式的耗電量、該系統(tǒng)供暖、熱水耗電量和系統(tǒng)發(fā)電量如圖3所示。

圖3 能耗圖

不考慮人口流動(dòng)以及用水量波動(dòng)情況，按每人每天便池用水0.1m3，年可節(jié)約用水2920m3。

按家用電0.6元/kW·h、上網(wǎng)電價(jià)為0.45元/kW·h、家用到戶水價(jià)2.98元/m3，則年產(chǎn)電收益1497.13元、節(jié)約電費(fèi)12132元、節(jié)約水費(fèi)8701.6元。

3.2 環(huán)境效益分析

我國(guó)目前的發(fā)電方式還是以火力發(fā)電為主，利用燃燒化石能源來獲取電力會(huì)產(chǎn)生許多污染物質(zhì)[9]。

生產(chǎn)1kW·h電量所需燃燒的化石能源計(jì)算如公式（4）所示。

式中：M為化石能源的消耗量，kg；L為1kW·h電量所含的能量，J；O為1kg煤炭所含的能量，J；γ為轉(zhuǎn)換系數(shù)，取0.4。

由式（3）可計(jì)算生產(chǎn)1kW·h電量需燃燒標(biāo)準(zhǔn)煤0.31kg。而1kg煤炭燃燒會(huì)釋放3.2kg的二氧化碳，所以生產(chǎn)1kW·h電量會(huì)釋放0.98kg二氧化碳；安裝該系統(tǒng)后每年節(jié)產(chǎn)電量23546.95kW·h，可減少二氧化碳排放量23076.01kg。同時(shí)本系統(tǒng)年節(jié)水量為2920m3，每年可為污水處理廠減少污水處理負(fù)擔(dān)2920m3。

4 結(jié)語

該文提出一種新的節(jié)能節(jié)水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，將太陽能電池板和空氣源熱泵、水源熱泵相結(jié)合，構(gòu)建一套節(jié)能節(jié)水系統(tǒng)，在假定的情況下，該系統(tǒng)每年可產(chǎn)電14119.75kW·h，節(jié)約電能12132kW·h，減少二氧化碳排放量23076.01kg，減少污水處理廠污水處理負(fù)擔(dān)2920m3，實(shí)現(xiàn)了能源的高效利用和減排目標(biāo)。該系統(tǒng)的成功應(yīng)用將有助于推動(dòng)可持續(xù)發(fā)展，減少對(duì)有限資源的依賴，保護(hù)環(huán)境。通過進(jìn)一步研究和推廣，這種節(jié)能節(jié)水系統(tǒng)將應(yīng)用于未來的綠色能源領(lǐng)域。