太陽能熱泵在溫湯鎮的應用

陳勇玲 吳俊淵 姚 蕾

（宜春市科學院（江西富硒產業研究院），江西 宜春 336000）

我國制定了“雙碳”、水資源保護等一系列環保政策，因此人們越來越重視環境保護，在這種時代背景下，城市的建設過程中應采用節能節水技術。

張鑫等[1]針對新疆吐魯番地區太陽能建筑的設計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與空氣源熱泵相結合的系統的特點和運行特性；宋航等[3]采用TRNSYS對拉薩地區的一幢住宅樓內的太陽能-空氣源熱泵雙聯供熱系統供熱時運行性能進行研究，證明了太陽能空氣源熱泵在高寒地區的可行性；柳紅軍等[4]針對市政熱資源供應滯后問題，探索一種太陽能空氣源熱泵系統并驗證該系統的可實施性，結果顯示，該系統可有效解決市政熱資源短缺問題；馮春紅等[5]對電鍋爐、燃氣鍋爐、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進行分析，結果表明，太陽能空氣源熱泵年耗能費用最低、年運行費用最少、CO2減排量最多。該文針對宜春市溫塘鎮資源情況設計太陽能結合雙熱泵節能節水系統。

1 溫湯鎮地理位置及資源介紹

溫湯鎮位于江西省宜春市袁州區西南部，地理位置優越。該鎮以其豐富的太陽能資源和地熱水資源而聞名，成為可持續能源領域的重要研究和開發區域。

太陽能資源方面，溫湯鎮地處南方地區，日照充足，陽光資源豐富。這種環境為鎮內的太陽能發電、太陽能熱水等清潔能源項目提供了得天獨厚的條件。當地政府積極推動太陽能技術應用，普及清潔能源，為環保可持續發展做出重要貢獻。

此外，溫湯鎮還有豐富的地熱水資源。地熱水作為一種綠色能源，不僅可以用于供暖，還可以應用于溫室種植、溫泉旅游等領域。鎮內地熱能的開發不僅為居民提供了舒適的生活條件，還給當地經濟增長帶來新的機遇。溫湯鎮不僅在能源領域中有巨大的潛力，還有得天獨厚的自然環境和人文資源。作為袁州區的重要組成部分，溫湯鎮在繼承傳統文化的同時，不斷創新發展，為全區乃至全市的繁榮發展貢獻力量。

1.1 太陽能資源

溫湯鎮坐落在宜春市袁州區，享有典型的亞熱帶季風氣候，這說明這片土地上日照充足，每年的平均日照時間為1737.1h，日均可享受4.83h的溫暖陽光。這種優越的自然條件為太陽能資源的充分利用提供了得天獨厚的優勢。溫湯鎮的光照條件是促進清潔能源普遍應用的重要因素。溫塘鎮作為宜春市溫泉旅游中心，對太陽能資源的開發有廣闊的發展空間。隨著科技的不斷進步，人們對太陽能技術的研究與創新也將不斷推動該地區在可再生能源領域的蓬勃發展。溫湯鎮是太陽能資源富集的重要地區，不僅能為當地居民提供清潔、可再生的能源，還能在未來的發展中為宜春市乃至整個地區的綠色發展做出積極貢獻，實現可持續能源利用的目標。溫湯鎮月平均輻照強度如圖1所示。

圖1 各月平均輻照強度

1.2 地熱水資源

溫泉的古稱為溫湯，而溫湯鎮以溫湯為名，可見其地熱水資源的豐富，根據宜春市溫湯地熱水資源開發利用與保護規劃（2020—2025年）可知，溫湯鎮規劃區現有地熱田如下：1）溫湯地熱田。溫泉水溫為57℃～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-萬龍山斷裂控熱。江西省勘察設計研究院于1971—2011年對溫湯地熱田進行一次系統勘查與四次增量回灌試驗，共實施地熱鉆孔56個，總深度1.12萬m，探明級地熱水可開采量10000t/d，地熱水水溫66℃，水質類型為重碳酸鈉型，礦化度為140mg/L～167mg/L，無色、透明，水中H2SiO3含量達命名“硅水”濃度，并富含硒元素。2）夏家坊地熱田。為江西省勘察設計研究院于2005—2010年在溫湯鎮南西8km處的夏家坊一帶發現的隱伏型地熱田。該地熱田共施工地熱井11個，總進尺4617.83m。地熱水水溫36.0℃～39.2℃，探明級地熱水可開采量1950.92t/d。地熱水為重碳酸鈉鈣型淡水，無色、透明，略具H2S氣味，水中F、H2SiO3含量達“氟水”、“硅水”的命名濃度，并含鋰、硫化氫等有益元素。3） 洪江地熱田。溫泉水溫37℃～38℃，自流量39.23t/d～65.23t/d，出露于北東向河谷中，受洪江-蓮花斷裂控熱。江西省勘察設計研究院于2008—2012年對洪江地熱田進行系統勘查，完成地熱井9口，總進尺746.67m，探明的地熱水可采量1323t/d，水溫43℃～57℃，地熱水可命名為“硅水”與“氟水”。2017年該礦區進行新鑿建2口生產井，通過試驗可開采量達3000t/d。

2 太陽能雙熱泵系統

太陽能作為一種可再生能源，具有不可估量的價值。其獨特之處在于太陽能的供應幾乎是無限的，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發展的背景下，太陽能的潛力愈發凸顯。

在合理利用太陽能資源的過程中，不僅能夠滿足日益增長的能源需求，還能夠顯著減少對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致能源短缺，還會加劇環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、保護環境的理想選擇，有助于減緩全球變暖和氣候變化的影響。

通過積極開發和應用太陽能技術，人類不僅可以使能源供應多樣化，不僅能推動經濟發展，而且保護生態平衡。這種轉向可持續能源的轉型，有助于構建更穩定、可靠的能源體系，為子孫后代留下一個更美好的生態環境。因此，太陽能的合理利用對能源安全、可持續發展和人類未來的繁榮具有重要意義。

在現代社會中，化石能源的大規模使用導致大氣污染和全球變暖等環境問題，嚴重影響全球生態平衡和人類健康。引入太陽能熱泵系統為環境保護提供一種環保的解決方案。該系統以太陽能為能源，因此不會產生任何污染物，不會排放二氧化碳等溫室氣體，有效避免進一步加劇氣候變化和大氣污染的問題。太陽能熱泵系統的工作原理簡單，它通過收集和利用太陽能的熱量，并結合空氣和余熱廢水中的熱能，將這些能源轉化為供暖和熱水供應所需的能量。這種技術不僅充分利用對可再生能源，而且能夠大幅度地降低傳統能源的消耗，從而達到節能減排的目的。除了環保優勢外，太陽能熱泵系統還在經濟方面表現出色。雖然該系統的安裝成本可能相對較高，隨著時間推移，通過節約能源消耗和減少能源費用，可以帶來顯著的經濟回報。此外，由于太陽能熱泵系統的運行成本相對較低，因此對長期使用和大規模應用來說，它是一個經濟高效的選擇。該文針對溫塘鎮的資源情況提出太陽能雙熱泵系統，系統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 系統工作流程圖

由于人們的需求以及生活習慣，因此會出現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入下水道，這不僅會導致大量的余熱浪費，還加重了污水處理廠的負擔；因此，該系統設計水箱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。熱水通過水泵進入水箱1，當水溫不滿足用戶熱水需求溫度時通過空氣源熱泵進行加熱，熱水經用戶使用后進入水箱2，通過水源熱泵對余熱進行回收，用于室內供暖，進行余熱回收后的廢水進入水箱3，供便池沖洗所用。同時屋頂加裝太陽能電池板，通過并網連接對空氣源熱泵和水源熱泵供電；該系統充分利用對太陽能、地熱水的水熱資源，可減少水、熱、電的消耗。

3 效益分析

假設某小區某單元有住戶20戶，每戶人口4人，采用該系統進行供暖供熱水，系統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。根據宜春市水利局調查統計，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 經濟效益分析

太陽能電池板的發電量取決于太陽輻照強度、光照時間等，其電能產量計算如公式（1）所示。

式中：α為光伏電池板的轉換效率，取0.2；H為太陽輻照強度，w/m2；S1為光伏電池板的有效面積，m2；T1為日照時間，日。

由公式（1）計算太陽能電池年發電量為14119.75kW·h，各月日發電量計算結果見表1。

表1 太陽能電池板各月日發電量

空氣源熱泵的耗電量計算如公式（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為單位質量提升單位溫度所需的能量，kJ；I為轉換系數。

不考慮人口流動以及用水量波動情況，可計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，年相對節能8515.45kW·h。

水源熱泵的耗電量計算如公式（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，取0.45kJ/（m2·℃）；tN為室內設計溫度，取20℃；tW為室外溫度，℃；S2為室內建筑面積，m2；COP2為水源熱泵的能效比；T2，tW為tW溫度時水源熱泵運轉時間，h；當室外溫度低于15℃時開始供暖，根據2022年溫塘鎮氣象數據可知各溫度供暖時間見表2。

表2 溫度梯度小時數

計算熱泵年耗電量Q3為2394kW·h，如果采用能效比為2.8的家用分體式空調供暖，那么全年供暖耗電量為3420kW·h，每年相對節能1026kW·h。

采用傳統（空調+熱水器）供暖、熱水方式的耗電量、該系統供暖、熱水耗電量和系統發電量如圖3所示。

圖3 能耗圖

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

按家用電0.6元/kW·h、上網電價為0.45元/kW·h、家用到戶水價2.98元/m3，則年產電收益1497.13元、節約電費12132元、節約水費8701.6元。

3.2 環境效益分析

我國目前的發電方式還是以火力發電為主，利用燃燒化石能源來獲取電力會產生許多污染物質[9]。

生產1kW·h電量所需燃燒的化石能源計算如公式（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為轉換系數，取0.4。

由式（3）可計算生產1kW·h電量需燃燒標準煤0.31kg。而1kg煤炭燃燒會釋放3.2kg的二氧化碳，所以生產1kW·h電量會釋放0.98kg二氧化碳；安裝該系統后每年節產電量23546.95kW·h，可減少二氧化碳排放量23076.01kg。同時本系統年節水量為2920m3，每年可為污水處理廠減少污水處理負擔2920m3。

4 結語

該文提出一種新的節能節水系統的設計思路，將太陽能電池板和空氣源熱泵、水源熱泵相結合，構建一套節能節水系統，在假定的情況下，該系統每年可產電14119.75kW·h，節約電能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擔2920m3，實現了能源的高效利用和減排目標。該系統的成功應用將有助于推動可持續發展，減少對有限資源的依賴，保護環境。通過進一步研究和推廣，這種節能節水系統將應用于未來的綠色能源領域。