以育苗廢水作熱源的海水熱泵制熱性能研究

李秀辰，吳麗娜，張國(guó)琛，牟晨曉，母剛

(大連海洋大學(xué)遼寧省漁業(yè)裝備工程技術(shù)研究中心，遼寧大連116023)

近年來(lái)，工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖在中國(guó)得到了迅速發(fā)展，養(yǎng)殖規(guī)模已超過(guò)1300萬(wàn)m3［1］。水產(chǎn)苗種生產(chǎn)是工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖的重要組成部分，由于受氣候條件限制，育苗生產(chǎn)中每年有6～8個(gè)月需要給水體升溫，目前生產(chǎn)上主要利用燃煤 (油、氣)鍋爐或電加熱進(jìn)行水體升溫，能源消耗巨大，另外由于育苗系統(tǒng)每天換水量很大，育苗廢水直接排放造成了巨大的能源浪費(fèi)［2－3］。因此，開(kāi)展育苗廢水余熱回收和再利用技術(shù)研究，是工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖節(jié)能減排的重要課題［4］。國(guó)外已有利用熱泵技術(shù)進(jìn)行養(yǎng)殖水體控溫的研究報(bào)道，特別是在利用海水熱泵為養(yǎng)殖水體升溫的研究方面取得了重要成果［8－12］;國(guó)內(nèi)對(duì)熱泵技術(shù)的研究和利用主要集中在建筑行業(yè)對(duì)空氣溫度的調(diào)節(jié)［5－7］，而有關(guān)利用海水熱泵進(jìn)行養(yǎng)殖水體控溫的研究報(bào)道較少。李頌哲等［13］利用井水和柴油機(jī)冷卻水作熱源進(jìn)行了對(duì)蝦育苗水體熱泵升溫的試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)熱泵運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用是電加熱的1/4。本研究中，作者設(shè)計(jì)完成了一套實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的海水熱泵系統(tǒng)，分別利用新鮮海水和育苗廢水作熱源，對(duì)海水熱泵的制熱性能、廢水余熱回收和育苗用水升溫效果進(jìn)行試驗(yàn)研究，探討海水熱泵的制熱效率以及對(duì)育苗廢水余熱回收和用水升溫的可行性，并對(duì)熱泵的運(yùn)轉(zhuǎn)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 試驗(yàn)用水 新鮮海水取自大連市黑石礁海域，沙濾后備用;育苗廢水取自實(shí)驗(yàn)室循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)濾和生物凈化后使用。

1.1.2 海水熱泵系統(tǒng) 海水熱泵系統(tǒng)主要由蒸汽壓縮式熱泵、水系統(tǒng)、溫度檢測(cè)和電控裝置等組成(圖1)。蒸汽壓縮式熱泵由往復(fù)式壓縮機(jī) (QR3－44，功率為2 kW)、殼管式蒸發(fā)器和冷凝器(換熱面積分別為1.3 m2和1.1 m2)、內(nèi)平衡式熱力膨脹閥等組成，制冷工質(zhì)為氟利昴(R22);水系統(tǒng)由水體凈化裝置、水泵和儲(chǔ)水池等組成，用于蒸發(fā)器熱源海水的供應(yīng)和冷凝器升溫海水的收集;海水熱泵系統(tǒng)中各檢測(cè)點(diǎn)的溫度由XMD－12004H型溫度巡檢儀監(jiān)測(cè)，測(cè)溫范圍為－200～600℃;電控系統(tǒng)用于控制海水熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行。海水熱泵系統(tǒng)的海水運(yùn)行溫度為5～25℃，設(shè)計(jì)流量為100～600 L/h。

1.2 方法

1.2.1 海水熱泵的制熱性能試驗(yàn) 采用新鮮海水作為海水熱泵的熱源，試驗(yàn)設(shè)置6個(gè)海水熱源溫度分別為10、16、18、20、23℃，設(shè)置5個(gè)海水熱源流量分別為150、200、300、350、400 L/h，以此研究不同海水熱源溫度和流量對(duì)海水熱泵制熱性能的影響。試驗(yàn)時(shí)先開(kāi)啟水泵，待水泵正常運(yùn)轉(zhuǎn)后，開(kāi)啟壓縮機(jī)，壓縮機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定后調(diào)節(jié)海水熱源流量;當(dāng)海水熱源溫度一定，在每一個(gè)試驗(yàn)流量條件下，待系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定后，通過(guò)溫度巡檢儀記錄熱泵系統(tǒng)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度，每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)連續(xù)測(cè)溫10次，取其平均值;改變海水熱源溫度，重復(fù)上述試驗(yàn)。

1.2.2 育苗廢水余熱回收和新鮮海水升溫效果試驗(yàn) 將海水熱泵系統(tǒng)與實(shí)驗(yàn)室循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)串聯(lián)(圖1)，利用育苗廢水作海水熱泵的熱源，為新鮮海水 (育苗用水)升溫，考察海水熱泵對(duì)育苗廢水余熱回收和對(duì)新鮮海水升溫的效果。試驗(yàn)時(shí)，育苗廢水由養(yǎng)殖池排出，經(jīng)沉降、氣浮和生物凈化，進(jìn)入海水熱泵蒸發(fā)器中為工質(zhì)蒸發(fā)提供熱量，待升溫的新鮮海水 (與進(jìn)入蒸發(fā)器的廢水流量相等)進(jìn)入冷凝器中吸收工質(zhì)冷凝所放出的熱量，溫度升高，作為育苗用水。

1.2.3 指標(biāo)測(cè)定 測(cè)定海水熱泵系統(tǒng)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度，包括:蒸發(fā)器內(nèi)部、蒸發(fā)器工質(zhì)進(jìn)/出口和海水熱源進(jìn)水/出水口溫度;冷凝器內(nèi)部、冷凝器工質(zhì)進(jìn)/出口和新鮮海水進(jìn)水/出水口水溫度;壓縮機(jī)吸/排氣溫度等。

圖1 海水熱泵系統(tǒng)原理圖Fig.1 Diagram of integrated seawater heat pump and recirculating aquaculture system

海水熱泵制熱性能系數(shù)COP值由下式求得［15］:

式中:Q為熱泵單位質(zhì)量工質(zhì)制熱量 (kW/kg);W為熱泵單位質(zhì)量工質(zhì)壓縮機(jī)消耗功率 (kW/kg)。

2 結(jié)果與分析

2.1 海水熱泵的制熱性能

從圖2可見(jiàn)，隨著新鮮海水熱源溫度的增加，熱泵的蒸發(fā)溫度和制熱量明顯增加。當(dāng)海水熱源溫度由10℃升至23℃時(shí)，在試驗(yàn)流量范圍內(nèi)，熱泵的蒸發(fā)溫度由－25.4～－18.2℃升至0.3～2.2℃，系統(tǒng)制熱量提高2倍以上。由此可見(jiàn)，提高海水熱源溫度，熱泵的制熱性能明顯提高。這主要是由于蒸發(fā)溫度提高，熱泵循環(huán)中的蒸發(fā)壓力增加，壓縮機(jī)的排氣溫度降低，因此制熱量增加。在本試驗(yàn)條件下，當(dāng)海水熱泵熱源溫度為10℃時(shí)，由于蒸發(fā)溫度低，蒸發(fā)器的換熱效率大大降低，系統(tǒng)制熱量亦偏低;當(dāng)海水熱源溫度超過(guò)16℃時(shí)，由于蒸發(fā)溫度提高幅度較大，系統(tǒng)可獲得較高的制熱效果。

圖2 新鮮海水熱源溫度和流量對(duì)熱泵蒸發(fā)溫度和制熱量的影響Fig.2 Effects of new seawater temperature and flowing rate on evaporation temperature and heating capacity of a seawater heat pump

從圖2還可以看出，當(dāng)海水熱源溫度一定時(shí)，增加熱源流量，熱泵的蒸發(fā)溫度和制熱量亦隨之升高，這是因?yàn)殡S著海水熱源流量的增加，蒸發(fā)器的換熱負(fù)荷逐漸增大，因此蒸發(fā)溫度和實(shí)際制熱量升高。在本試驗(yàn)條件下，當(dāng)海水熱源溫度低于16℃時(shí)，熱源流量的變化對(duì)蒸發(fā)溫度和系統(tǒng)制熱量的影響更明顯。當(dāng)海水熱源溫度為10℃、流量由150 L/h增至400 L/h時(shí)，熱泵的蒸發(fā)溫度由－25.4℃升至－18.2℃，系統(tǒng)制熱量大約提高28%;而當(dāng)海水熱源溫度為23℃、流量由150 L/h增至400 L/h時(shí)，蒸發(fā)溫度和系統(tǒng)制熱量分別提高1.9℃和12%。

綜合分析試驗(yàn)結(jié)果可知，海水熱源溫度的變化對(duì)熱泵蒸發(fā)溫度和制熱性能的影響更為顯著，在本試驗(yàn)條件下，當(dāng)海水熱源溫度高于16℃時(shí)，熱泵系統(tǒng)的制熱性能較好。

從圖3可見(jiàn)，隨著海水熱源溫度的增加，熱泵的COP值明顯增加。當(dāng)海水熱源溫度為10℃時(shí)，在試驗(yàn)流量范圍內(nèi)，熱泵的COP值為2.3～2.9;當(dāng)海水熱源溫度高于16℃時(shí)，熱泵系統(tǒng)的制熱性能明顯改善 (COP值在3.5以上);而當(dāng)海水熱源溫度升至23℃時(shí)，熱泵COP值達(dá)到4.1～4.5，制熱效果顯著。由試驗(yàn)結(jié)果還可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)海水熱源溫度一定時(shí)，增加熱源流量，熱泵COP值亦隨之增加，特別是當(dāng)海水熱源溫度較低時(shí)，熱源流量的變化對(duì)熱泵制熱性能的影響更明顯。當(dāng)海水熱源溫度為10～16℃、流量由150 L/h增至400 L/h時(shí)，熱泵的COP值提高了30%～39%;當(dāng)海水熱源溫度為16～23℃、流量由150 L/h增至400 L/h時(shí)，熱泵的COP值提高了17%～31%。由此可見(jiàn)，加大低溫海水熱源的流量，有利于提高熱泵的制熱性能，但在較高熱源溫度條件下，流量超過(guò)300 L/h時(shí)，對(duì)熱泵COP值的影響不顯著。

圖3 新鮮海水熱源溫度和流量對(duì)熱泵COP值和冷凝器出水升溫幅度的影響Fig.3 Effects of new seawater temperature and flowing rate on COP and temperature increment in condenser outlet water

從圖3還可見(jiàn)，在每一種熱源流量條件下，冷凝器出水升溫幅度隨海水熱源溫度的升高而增大，特別是當(dāng)流量較低時(shí)，提高海水熱源溫度，冷凝器出水升溫幅度明顯增大。當(dāng)海水熱源流量為150 L/h時(shí)，熱源溫度由10℃升至23℃，冷凝器出水升溫幅度由6.8℃增至14.9℃。由試驗(yàn)結(jié)果還發(fā)現(xiàn)，在每一種海水熱源溫度條件下，熱源流量越低，冷凝器出水升溫幅度越大，而且當(dāng)海水熱源溫度較高時(shí)，熱源流量的變化對(duì)新鮮海水升溫效果的影響愈加顯著。當(dāng)海水熱源溫度為10℃、海水熱源流量由150 L/h增至400 L/h時(shí)，冷凝器出水升溫幅度由6.8℃降至3.9℃ (大約降低43%);而當(dāng)海水熱源溫度為23℃、海水熱源流量由150 L/h增至400 L/h時(shí)，冷凝器出水升溫幅度降低60%。

綜合分析試驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)海水熱源溫度較低且流量較小時(shí)，由于蒸發(fā)溫度較低，蒸發(fā)器結(jié)霜從而影響換熱效果，海水熱泵系統(tǒng)的實(shí)際制熱量就降低，因此COP值和冷凝器出水升溫幅度均比較小;隨著海水熱源溫度和流量的增加，蒸發(fā)溫度升高，同時(shí)冷凝器的水流量增加，從而降低了冷凝溫度，使系統(tǒng)的制熱量增大，壓縮機(jī)損耗功率減小，熱泵COP值和冷凝器出水升溫幅度也相應(yīng)增加。

由海水熱源溫度和流量對(duì)熱泵COP值影響的方差分析結(jié)果 (取α=0.025，查表［16］得F1－α(4，16)=3.73，計(jì)算得 F溫度=435.52＞3.73，F(xiàn)流量=46.42＞3.73)可知，海水熱源溫度和流量對(duì)海水熱泵的制熱性能有很大影響，其中海水熱源溫度對(duì)熱泵COP的影響更顯著;同樣由海水熱源溫度和流量對(duì)冷凝器出水升溫效果影響的方差分析結(jié)果(取 α=0.025，查表［16］得 F1－α(4，16)=3.73，計(jì)算得 F流量=35.67＞3.73，F(xiàn)溫度=13.28＞3.73)可知，冷凝器出水升溫幅度與海水熱源溫度和流量有關(guān)，其中流量對(duì)升溫幅度的影響更顯著。

2.2 育苗廢水余熱的回收及新鮮海水升溫的效果

本試驗(yàn)中育苗水體溫度為21～23℃，系統(tǒng)排放廢水和補(bǔ)充新鮮海水的流量均為300 L/h。育苗廢水經(jīng)過(guò)沉淀池、氣浮和生物濾池凈化后作為熱源，進(jìn)入蒸發(fā)器，試驗(yàn)過(guò)程中測(cè)得熱泵系統(tǒng)中各檢測(cè)點(diǎn)的溫度變化見(jiàn)表1。根據(jù)表1計(jì)算得到，熱泵的平均蒸發(fā)溫度為－3.3℃，冷凝溫度為28.1℃，壓縮機(jī)實(shí)際制熱量為5.15 kW，COP值為4.2，冷凝器出水升溫幅度達(dá)到7.6℃，試驗(yàn)結(jié)果與利用新鮮海水 (溫度20～23℃、流量300 L/h)作熱源的海水熱泵性能指標(biāo)基本一致。可見(jiàn)，利用經(jīng)過(guò)凈化的育苗廢水 (溫度為21～23℃，流量為300 L/h)作海水熱泵的熱源時(shí)，海水熱泵系統(tǒng)具有良好的運(yùn)轉(zhuǎn)性能和水體升溫效果。

2.3 海水熱泵運(yùn)轉(zhuǎn)經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)

為了評(píng)價(jià)海水熱泵為育苗水體升溫的經(jīng)濟(jì)性，對(duì)利用海水熱泵為育苗水體升溫和采用其它傳統(tǒng)方式供熱的能耗費(fèi)用進(jìn)行對(duì)比分析，計(jì)算依據(jù)如下:

表1 育苗廢水作熱源的海水熱泵系統(tǒng)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度Tab.1 The temperature at survey sites in a seawater heat pump using effluent from a hatchery as heat sources in a recirculating aquaculture system℃

設(shè)育苗水體溫度為21～23℃，育苗廢水排放流量為300 L/h(系統(tǒng)每天換水量為7200 L)，分別利用海水熱泵、電加熱、燃煤鍋爐、燃?xì)忮仩t將等量的新鮮海水 (設(shè)初始水溫為15℃)，升溫至21～23℃。不同加熱方式的能源消耗量分別按下面相應(yīng)公式計(jì)算［16］:

式中:WH、WE分別為海水熱泵和電加熱為育苗用水升溫所消耗的功率 (kW);Q為育苗用水升溫所需熱量 (kJ/d);COP為海水熱泵制熱系數(shù);BC、BG、BO分別為育苗用水升溫消耗的燃煤量 (kg)、天然氣量 (m3)和燃油量 (kg);ηC、ηG、ηO分別為燃煤、燃?xì)夂腿加托?，分別取ηC=0.70，ηG=0.75，ηO=0.80。

設(shè)目前我國(guó)農(nóng)業(yè)用電價(jià)格為0.6元/(kW·h)，燃煤價(jià)格為900元/t，天然氣價(jià)格為3.0元/m3，燃油價(jià)格為5000元/t。據(jù)此計(jì)算得到用不同加熱方式升溫等量新鮮海水的能源消耗費(fèi)用見(jiàn)圖4。

由圖4可以看出，利用海水熱泵為育苗補(bǔ)充水體升溫時(shí)，隨著海水熱源溫度的提高，用海水熱泵升溫的費(fèi)用明顯降低。當(dāng)利用溫度為10℃的海水作熱源時(shí)，海水熱泵為育苗補(bǔ)充水體的升溫費(fèi)用為14.5元/d;當(dāng)利用溫度為21～23℃的育苗廢水作熱源時(shí)，海水熱泵的升溫費(fèi)用降至8.6～8.9元/d，可見(jiàn)利用育苗廢水作熱源比低溫海水作熱源的升溫費(fèi)用成本降低40%左右。另外，對(duì)比不同加熱方式的升溫費(fèi)用可以看出:利用燃煤鍋爐為育苗補(bǔ)充水體升溫時(shí)，能耗費(fèi)用約為10元/d，與利用16～18℃的海水熱源的熱泵升溫費(fèi)用相當(dāng) (9.6～10.8元/d);采用燃油鍋爐、電加熱和燃?xì)忮仩t為育苗補(bǔ)充水體升溫時(shí)，能源費(fèi)用分別為30.2、36.3、59.5元/d，此3種加熱方式的升溫費(fèi)用分別為用10℃新鮮海水作熱源的海水熱泵升溫費(fèi)用的2.1、2.5和4.1倍，分別為用育苗廢水 (21～23℃)作熱源的海水熱泵升溫費(fèi)用的3.5、4.2和6.9倍。

圖4 育苗水體的升溫費(fèi)用比較Fig.4 Daily heating cost of different heating methods in a hatchery

3 結(jié)論

海水熱源溫度和流量對(duì)海水熱泵制熱性能有顯著影響，提高海水熱源溫度和流量，海水熱泵的蒸發(fā)溫度、系統(tǒng)制熱量和COP值明顯升高，有利于改善熱泵的制熱性能，當(dāng)海水熱源溫度高于16℃、流量在300 L/h以上時(shí)，海水熱泵具有良好的制熱性能 (COP值在3.5以上);海水熱源流量和溫度對(duì)冷凝器出水升溫幅度的影響也比較顯著，提高海水熱源溫度、降低流量，冷凝器出水升溫幅度增加，當(dāng)海水熱源溫度在16℃以上、流量小于300 L/h時(shí)，冷凝器出水升溫幅度在5.8℃以上;利用育苗廢水 (21～23℃)作熱源的海水熱泵的COP值達(dá)到4.2，育苗水體溫度平均提升7.6℃，具有明顯的節(jié)能效果;利用育苗廢水作熱源的海水熱泵的升溫費(fèi)用分別為利用燃?xì)忮仩t、電加熱和燃油鍋爐加熱費(fèi)用的14.5%、23.7%和28.5%。雖然目前采用海水熱泵提升育苗水體溫度與采用燃煤鍋爐升溫的能源費(fèi)用基本相當(dāng)，但考慮到燃煤價(jià)格不斷上漲和燃煤造成的環(huán)境污染的影響，利用育苗廢水作熱源的海水熱泵設(shè)備具有顯著的節(jié)能優(yōu)勢(shì)和環(huán)保潛力。

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