太阳能过程加热助力约旦乳业可持续发展的技术经济与环境效益分析

本研究针对约旦乳制品行业能源成本高、依赖进口化石燃料的问题，开展了太阳能热系统（FPCs与ETCs）集成用于乳品加工过程加热的技术经济与环境可行性研究。通过T*SOL建模分析表明，太阳能可满足83%~89.6%的热能需求，净现值达7321–8478，年CO2减排量超3000kg，为中东地区工业太阳能热应用提供了可推广的实践模型。

　　

在全球能源转型和碳中和目标的推动下，工业领域的热能供应方式正面临深刻变革。特别是乳制品行业，作为能源密集型产业，其生产过程中的高温杀菌、发酵、清洗等环节需要消耗大量热能，传统依赖化石燃料的加热方式不仅成本高昂，还会带来严重的环境污染。约旦作为中东地区太阳能资源最丰富的国家之一，年均太阳辐射量高达5.6 kWh/m2/天，却仍严重依赖能源进口，其中92%的能源需从国外输入，这对本国工业竞争力构成巨大挑战。

在这一背景下，研究人员选择约旦一家典型的小型乳品工厂——Khairat Al-Shobak工厂作为案例，探索将太阳能过程加热（Solar Process Heating）技术应用于乳制品生产中的可行性。该工厂每日处理1吨牛奶，产品包括酸奶、奶酪、黄油等，传统使用柴油锅炉提供热能，月均燃料成本约422美元。为实现清洁生产和降低运营成本，研究团队开展了针对平板集热器（Flat Plate Collectors, FPCs）和真空管集热器（Evacuated Tube Collectors, ETCs）两种主流太阳能热技术的系统集成研究。

为全面评估系统性能，研究借助T*SOL仿真软件构建了热能供需模型，结合当地气象数据与工厂实际用热需求，模拟了包括集热、储热、换热及辅助加热在内的完整系统运行流程。技术分析涵盖太阳能贡献率、集热效率、温度稳定性等指标；经济性分析采用净现值（NPV）和投资回收期作为核心评价准则；环境效益则重点估算柴油替代量和二氧化碳减排量。

本研究主要依托T*SOL热系统仿真平台，结合约旦气象数据与乳品工厂实际热负荷需求，构建了包含集热器阵列、缓冲储热罐、换热单元和备用锅炉的系统模型。关键技术方法包括：太阳能资源评估与热负荷匹配、FPC与ETC两种集热器的性能对比、储热系统容量优化设计（FPC配置750L，ETC为1000L）、基于实际运行条件的动态效率模拟，以及全生命周期成本—效益分析模型（涵盖初始投资、政府补贴、燃料节省、维护成本和碳信用收益）。所有分析均以20年为周期，假设年利率8%，柴油价格年增长率2%。

研究结果主要包括以下几个方面：

4.1. T*Sol模拟太阳能热系统的性能

通过仿真发现，FPC系统总集热面积为11 m2，年太阳能贡献率为83.0%，提供6085.25 kWh的热能；ETC系统集热面积为10.85 m2，太阳能贡献率更高，达89.6%，提供6569.17 kWh热能。ETC因真空层隔热优势，在高温工况下表现更稳定，尤其夏季集热温度可超200°C，显著优于FPC。

4.2. 乳品加工中太阳能热系统的可行性研究

经济分析表明，FPC和ETC系统的净现值（NPV）分别为7321美元和8478美元，投资回收期分别为7.7年与8.4年。虽然ETC初始投资较高，但其因效率高、衰减慢（年衰减率0.5%，FPC为1%），长期节能效果更优。环境效益方面，FPC和ETC系统每年可分别节约柴油1094升与1181升，相应减少CO₂排放3039 kg与3182 kg。

4.3. 约旦乳业集成太阳能热系统的挑战与机遇

尽管太阳能热技术应用前景广阔，但仍面临初始投资高、冬季太阳辐照不足、专业技术人才缺乏等挑战。政策激励、融资机制创新以及混合能源系统（如太阳能搭配生物质或热泵）被认为是推进部署的关键。

4.4. 中大型乳品设施太阳能热系统的扩展性

通过调整集热面积、优化储热规模（推荐储热罐与集热面积比0.07–0.1 m3/m2）和模块化设计，该模式可扩展至中型及大型乳品工厂，具备在约旦及类似气候地区推广的潜力。

本研究系统论证了太阳能过程加热技术在约旦乳制品行业应用的技术可行性与经济吸引力。两种太阳能集热技术中，ETC因效率高、长期收益好而更适合高温需求场景；FPC则因初始成本低、回报快而适用于预算有限的场景。该集成模型不仅显著降低对化石燃料的依赖和温室气体排放，也为实现约旦国家能源战略目标（2030年可再生能源占比31%）提供了行业实践范例。未来需进一步探索政策支持机制、混合能源协同运行以及区域化推广路径，以加速太阳能工业热利用在中东乃至全球范围内的应用部署。