海水源熱泵對海參育苗廢水熱能回收的工程應用

李秀辰，鄧 偉，張殿光，母 剛，張國琛，陳 帥，車 全

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海水源熱泵對海參育苗廢水熱能回收的工程應用

李秀辰1，鄧 偉1，張殿光1，母 剛1，張國琛1，陳 帥1，車 全2

（1. 大連海洋大學遼寧省漁業裝備工程技術研究中心，大連116023； 2. 大連鑫玉龍海洋珍品有限公司，大連 116222）

該文針對水產生物工廠化育苗水體升溫技術需求，開展了利用育苗廢水作熱源為育苗水體升溫的海水源熱泵集成技術應用示范，探討了集成系統對海參育苗水體升溫和廢水熱能的回收效果。結果表明，進入Ⅰ級換熱器的育苗廢水和新鮮海水溫度分別為10.3～14.9 ℃和?1.9～4.9 ℃時，新鮮海水出水溫度提升4.6～5.8 ℃，廢水熱能最大回收率達到59.2%；海水源熱泵的廢水熱源溫度和流量一定時，新鮮海水的溫升幅度隨其入流流量和溫度升高而降低，入流溫度分別為7.3和10.3 ℃的新鮮海水，流量不超過15和20 m3/h時，出水溫度均保持在15 ℃以上，滿足海參育苗水溫要求。熱泵對廢水熱能的最大回收率為40.7%，COP（coefficient of performance）在5.03以上；集成升溫系統比傳統鍋爐升溫綜合節能37.6%以上，減排二氧化碳約2 200 t/a，當年內可收回設備投資費用。

廢水；加熱；溫度；海參；水體升溫；海水源熱泵；熱能回收

0 引 言

隨著中國水產養殖產業的發展，水產苗種市場需求不斷增加，苗種培育已成為水產養殖產業的重要組成部分。2015年中國海水苗種產量達78.4億尾[1]，僅遼寧省大連市水產苗種場已達1 000余家，育苗水體超過300多萬m2[2]。然而，因受氣候條件制約，中國北方水產育苗生產企業每年有5～6個月，需要將?2～5 ℃的水體升溫至15～23 ℃[3]。目前主要采用燃煤（油、氣）鍋爐或電加熱進行水體升溫。因育苗用水量大，致使水體升溫能源消耗巨大，升溫成本高達生產成本的1/3以上[4-6]，同時，大量育苗廢水直接排放，導致大量熱能浪費[7]。面對資源、能源與環保壓力，實現高效、低成本和節能生產，是工廠化水產養殖產業發展急需解決的問題[8-9]。諸多研究表明，利用熱泵技術進行溫度調節和廢熱回收具有明顯的優勢[10-13]。柴立龍等[14-15]分別研究了地源熱泵和主動蓄放熱-熱泵聯合加溫技術對日光溫室的調節與節能效果；龔希武等[16-17]計算分析了海水源熱泵用于建筑空氣調節的可行性、負荷及經濟性；倪龍等[18]提出熱泵與輔助加熱聯合技術不僅可降低空調初始投資，而且有利于提高熱泵效率；Baik等[19]研究發現，海水源熱泵串聯使用，可改善其運行效果。另有研究表明，熱泵技術用于水產養殖水溫調節，不僅可縮短養殖周期，而且節能優勢明顯[20-21]；鄭榮進等[22]探討了太陽能-熱泵聯合集熱系統對溫室水產養殖系統的空氣調節效果；劉國丹[23]等比較分析了地源熱泵和海水源熱泵在海參養殖水體升溫的經濟性；Oh等[24]研究表明，利用海水源熱泵可將養殖水體的溫度理想范圍內；Okamoto[25]將海水源熱泵用于水族館溫度調節，發現節能減排效果明顯；李秀辰等[26-27]開展了利用海水源熱泵回收養殖廢水余熱和水體升溫的實驗室規模試驗研究，發現該技術具有良好的制熱性能和節能減排效果。然而，海水源熱泵裝備技術在中國水產養殖中的應用鮮有報道。

本文針對中國北方地區水產苗種工業化生產技術需求，開展了海參工廠化育苗水體升溫與廢水熱能回收集成技術應用示范。采用海水源熱泵機組（Ⅰ級換熱器與海水源熱泵設備）與鍋爐集成升溫模式對育苗水體升溫和廢水熱能回收。通過生產運行，探討海水源熱泵機組對海參育苗水體的升溫和廢水熱能的回收效果，并且對集成技術的節能減排效果進行分析評價，以期為海水源熱泵技術在中國水產養殖產業中的應用，提供相關技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與設備

1.1.1 企業生產概述

本文試驗在大連鑫玉龍海洋珍品有限公司進行，該公司位于遼寧省大連市普蘭店海參島，公司擁有海參育苗水體3萬m3，育苗水體溫度為15 ℃；育苗系統每天排放廢水5 000 m3，廢水溫度為15 ℃；每天需要補充新鮮海水5 000 m3，現采用燃煤鍋爐對補充水體升溫。

1.1.2 試驗用水

新鮮海水：取自該企業的新鮮海水蓄水池，冬季升溫期間，新鮮海水的溫度為?1.9～5.0 ℃，鹽度為30～33‰，無冰凍現象。

育苗廢水：取自海參育苗車間，經過沉降凈化后儲于廢水蓄水池中，作為Ⅰ級換熱器和海水源熱泵設備的熱源。

1.1.3 系統設備

海參育苗水體升溫與廢水熱能回收集成系統原理圖如圖1所示。該系統由海水源熱泵機組、鍋爐和蓄水池等組成。海水源熱泵機組主要由Ⅰ級換熱器和海水源熱泵設備組成，Ⅰ級換熱器設計流量為400 m3/h，由2臺鈦合金板式換熱器并聯使用，單臺換熱面積為155 m2、設計流量為200 m3/h；海水源熱泵設備由壓縮機（上海漢鐘精機股份有限公司生產的 RC2-100BF 型雙螺桿制冷壓縮機，額定功率為30 kW），滿液式蒸發器（換熱面積為5.5 m2），板式冷凝器（換熱面積為6.8 m2）等組成，制冷工質為R22，設計流量為20 m3/h；鍋爐設備為1臺20 t燃煤蒸汽鍋爐，運行水體流量為400 m3/h。系統運行時，來自新鮮水蓄水池的海水與來自廢水池的部分育苗廢水首先在Ⅰ級換熱器中進行熱交換，提溫后的新鮮海水泵入中間蓄水池，提取熱能后的育苗廢水經企業排污管道排放；另外，來自廢水池的另一部分育苗廢水進入海水源熱泵的蒸發器，作為海水源熱泵的熱源，對來自中間蓄水池的一部分水體進行升溫，升溫后的新鮮海水送至海參育苗車間，經熱泵提取熱能后的育苗廢水經企業排污管道排放；中間蓄水池的其他新鮮海水則由鍋爐設備升溫后送入海參育苗車間。

1.2 試驗方法

1.2.1 Ⅰ級換熱器運行試驗

根據海參育苗生產工藝要求，將進出Ⅰ級換熱器的育苗廢水和新鮮海水的流量分別調至設計流量400 m3/h，測定Ⅰ級換熱器中育苗廢水進/出口溫度和新鮮海水進/出口溫度，核算新鮮海水的升溫幅度和育苗廢水熱能回收率，考察Ⅰ級換熱器對育苗水體的升溫和育苗廢水熱能的回收效果。

1.2.2 海水源熱泵設備運行試驗

將進入海水源熱泵設備的育苗廢水（熱源）的流量調至設計流量20 m3/h，對來自中間蓄水池的新鮮海水進行升溫，新鮮海水流量為10～20 m3/h。分別測定蒸發器內部工質進/出口溫度和壓力、育苗廢水進/出口溫度，冷凝器內部工質進/出口溫度和壓力、新鮮海水進/出水溫度和流量，壓縮機吸氣/排氣溫度和壓力、電流和電壓等。確定新鮮海水的升溫幅度和育苗廢水溫降幅度，核算海水源熱泵設備對新鮮海水的升溫效果和育苗廢水熱能的回收率以及制熱性能系數COP（coefficient of performance）。

1.2.3 鍋爐設備運行試驗

將鍋爐設備的供水流量調至400 m3/h，與海水源熱泵設備共同對中間蓄水池的新鮮海水進行升溫，運行期間，每天記錄鍋爐設備的煤碳和電功率消耗量。系統運行時間：2014年12月15日至2015年4月15日。

1.3 計算方法

1.3.1 制熱性能系數COP計算

海水源熱泵設備的COP由下式求得[28]：

式中COP為海水源熱泵的制熱性能系數，無量綱；為海水源熱泵單位質量工質的制熱量，kW/kg；為海水源熱泵單位質量工質壓縮機所消耗的電能，kW/kg。

1.3.2 熱能回收率計算

Ⅰ級換熱器或海水源熱泵對育苗廢水熱能的回收率可由下式計算

式中w為育苗廢水的熱能回收率，%；0為Ⅰ級換熱器或海水源熱泵中育苗廢水的入流溫度，℃；Δ為Ⅰ級換熱器或海水源熱泵中育苗廢水進、出水溫差，℃。

2 結果與分析

2.1 Ⅰ級換熱器運行效果

系統運行期間，Ⅰ級換熱器中育苗廢水和新鮮海水的溫度變化如圖2所示。由圖2看出，進入Ⅰ級換熱器的育苗廢水與新鮮海水的溫差越大，新鮮海水升溫效果越好。當育苗廢水和新鮮海水的入流溫度分別為10.3和?1.9 ℃（溫差為12.2 ℃）時，新鮮海水和育苗廢水的出口溫度分別為3.9和4.2 ℃，新鮮海水的溫升幅度和育苗廢水溫降幅度分別達到5.8和6.1 ℃；當育苗廢水和新鮮海水的入流溫度分別為14.9和4.9 ℃（溫差為10.0 ℃）時，新鮮海水和育苗廢水的出口溫度分別為9.5和10.0 ℃，新鮮海水的溫升幅度和育苗廢水溫降幅度分別為4.6和4.9 ℃。另由圖2發現，2014年12月至次年3月期間，Ⅰ級換熱器中育苗廢水的入流溫度在10.3～13.0 ℃之間波動，比育苗車間排放的廢水溫度（15 ℃）平均低3.4 ℃，由于廢水蓄水池未進行保溫隔熱處理，因而造成一定的熱量散失。不過在運行工況條件下，Ⅰ級換熱器對新鮮海水的升溫幅度仍保持在4.6～5.8 ℃，育苗廢水熱能的最大回收率達到59.2%。

2.2 海水源熱泵設備運行效果

廢水熱源的溫度為14.5 ℃、流量為20 m3/h時，不同新鮮海水溫度和流量工況下，海水源熱泵中新鮮海水和育苗廢水的溫度變化以及熱泵的制熱性能系數分別見圖3和圖4。

圖3結果顯示，當海水源熱泵中廢水熱源的溫度和流量一定時，新鮮海水的溫升幅度與其入流溫度和流量成反比。例如，當進入冷凝器的新鮮海水溫度為7.3 ℃，流量由10增至20 m3/h時，新鮮海水的出水溫度分別為18.6和13.2 ℃，其溫升幅度由11.3降至5.9 ℃；當冷凝器中入流新鮮海水的溫度為10.3 ℃時，在對應流量條件下，新鮮海水的出水溫度分別為20.1和16.6 ℃，新鮮海水的溫升幅度由9.8降至6.3 ℃。在運行工況條件下，育苗廢水的溫降幅度為5.7～6.0 ℃。分析原因，當進入海水源熱泵的育苗廢水的溫度和流量一定時，單位時間內被蒸發器中的工質提取的總熱量相對穩定，因而育苗廢水的溫降幅度變化不大；同時，在系統換熱量一定的條件下，當新鮮海水的流量增加時，其換熱溫差減小[28-29]，因此冷凝器出水的溫升幅度降低；另外，當進入冷凝器的新鮮海水的溫度升高時，冷凝溫度隨之升高[29-30]，致使新鮮海水的溫升幅度減小。由圖3還可看出，當進入冷凝器的新鮮海水溫度為7.3 ℃，流量不超過15 m3/h時，新鮮海水的出水溫度保持在15.1～18.6 ℃，當新鮮海水的入流溫度為10.3 ℃，流量達到20 m3/h時，冷凝器出水的溫度為16.6 ℃，均可滿足海參育苗水溫（15 ℃）要求。系統運行期間，海水源熱泵設備對育苗廢水熱能的最大回收率達到40.7%。

由圖4可知，當廢水熱源的溫度和流量保持不變時，海水源熱泵的制熱性能隨新鮮海水的入流流量增加而增加，隨新鮮海水的入流溫度升高而降低。在運行工況條件下，當冷凝器中入流新鮮海水的溫度為7.3 ℃，流量由10增至20 m3/h時，海水源熱泵設備的COP由5.28增至5.52；當進入冷凝器的新鮮海水的溫度升至10.3 ℃，在對應流量條件下，海水源熱泵設備的COP由5.03增至5.40。主要是因為隨著新鮮海水的流量增加，冷凝器中流體的雷諾數增大，努謝爾數隨之增加[26]，單位時間內新鮮海水獲取的總熱量增加[29-30]，因此熱泵設備的COP隨之增加；另一方面，當冷凝器中新鮮海水的入流溫度升高時，冷凝溫差減小，壓縮機的功耗增加，致使熱泵設備的COP降低[29-30]。在運行工況條件下，當冷凝器中新鮮海水的入流流量保持在15 m3/h以上時，海水源熱泵設備具有較佳的制熱性能。

2.3 節能減排效果核算

2.3.1 計算依據

該企業每天升溫新鮮海水5 000 m3，升溫期為每年11月中旬至次年4月中旬，年升溫天數按150 d計。根據該企業所處的地理位置，水體升溫期按寒冷期（新鮮海水溫度低于0 ℃）為60 d、常規期（新鮮海水溫度0～5 ℃）為90 d計算。本文分別按集成升溫（海水源熱泵機組+鍋爐）和傳統升溫（鍋爐升溫）核算相關節能減排指標。

集成升溫系統中Ⅰ級換熱器運行流量為400 m3/h，每天運行12.5 h，配套4臺功率分別為18.5 kW的循環水泵；海水源熱泵設備的額定功率為30 kW、制熱量為130 kW，配套1.8 kW的廢水泵和新鮮海水泵各1臺，每天升溫新鮮海水400 m3；鍋爐設備的運行流量為400 m3/h，每天運行11.5 h，2臺循環水泵的功率分別為18.5 kW，鼓風機、引風機和上煤機構等輔助設備的功率共計160 kW。

傳統升溫鍋爐的運行流量為400 m3/h，升溫期間，每天運行12.5 h，直接將新鮮海水（?1.9～5.0 ℃）升溫至15 ℃，其他配套設備同上。

其他參數：海水定壓比熱取4.096 kJ/(kg·℃)、密度取1 021.54 kg/m3；企業采購的煤炭燃燒值為22 990 kJ/kg、價格為800元/t、鍋爐熱效率為65%，用電電價為0.9元/(kW×h)，1 t標煤二氧化碳排量按2.4 t計算[13]。

2.3.2 升溫能耗與能源費用核算

升溫期間，海水源熱泵機組的電能消耗量和鍋爐設備的煤炭消耗量分別按公式（3）和（4）計算[28]

（4）

式中1、2分別為海水源熱泵機組和鍋爐升溫所需的總熱量，kJ/a；COP為海水源熱泵的制熱性能系數，無量綱；W為海水源熱泵機組每年消耗的電能，(kW·h)/a；W為鍋爐設備每年消耗的煤炭量，kg/a；為煤炭的燃燒值，取22 990 kJ/kg（企業提供數據）；η為鍋爐設備的熱效率，取65%（企業提供數據）。

2.3.3 設備投資回收期計算

海水源熱泵機組設備投資回收期按公式（5）計算[28]

式中為投資回收期，a；Δ為海水源熱泵機組增加的投資額，本期投資60萬元；Δ為海水源熱泵設備每年節約能源費用，萬元/a。

Δ=1?2（6）

1=0.8W1×10-4

2=(0.9W+0.8W2)×10-4

式中1為傳統鍋爐升溫每年消耗的能源費用，萬元/a；2為集成升溫每年消耗的能源費用，萬元/a；W為海水源熱泵機組每年消耗的電能，(kW×h)/a；W1為傳統升溫鍋爐設備每年消耗的煤炭量，kg/a；W2為集成升溫鍋爐設備每年消耗的煤炭量，kg/a。

海參育苗水體集成升溫與傳統鍋爐升溫工況下，主要節能減排指標的核算結果見表1。

表1 不同升溫方式的能耗與溫室氣體排放量

由表1看出，每日升溫新鮮海水5 000 m3時，集成升溫和傳統鍋爐升溫系統的能耗量分別為4.19×1010和6.72×1010kJ/a，二氧化碳排放量分別為3 657.7和5 856.8 t/a，集成升溫系統比傳統鍋爐升溫綜合節能37.6%以上，減排二氧化碳約2 200 t/a，而且當年即可收回海水源熱泵機組設備的投資費用，可見海水源熱泵機組取得了比較顯著節能減排效果。

3 結 論

本文針對水產生物工廠化育苗水體升溫技術需求，設計完成了由Ⅰ級換熱器與海水源熱泵設備組成水體升溫和廢水熱能回收系統，并應用于海參工廠化育苗生產中，系統運行結果表明

1）Ⅰ級換熱器的換熱效率與育苗廢水和新鮮海水的溫差成正比，利用溫度為10.3～14.9 ℃的海參育苗廢水，可將?1.9～4.9 ℃的新鮮海水提升至3.9～9.5 ℃，新鮮海水的最大溫升幅度為5.8 ℃，育苗廢水的溫降幅度達到4.9～6.1 ℃，廢水熱能的最大回收率達到59.2%。

2）當育苗廢水溫度和流量一定時，海水源熱泵設備對新鮮海水的升溫幅度隨其入流流量和溫度升高而降低。入流溫度分別為7.3和10.3 ℃的新鮮海水，流量由10提高到20 m3/h時，溫升幅度分別由11.3和9.8 ℃降至5.9和6.3 ℃；當新鮮海水的流量分別為15和20 m3/h時，海水源熱泵設備可將其溫度提升至15 ℃以上，滿足海參育苗生產需要；另外，在運行工況條件下，海水源熱泵設備具有良好的制熱性能，系統COP一直保持在5.03以上；升溫期間，育苗廢水的溫降幅度為5.7～6.0 ℃，熱能最大回收率達到40.7%。

3）與傳統鍋爐升溫相比，集成升溫系統綜合節能37.6%以上，每年減排二氧化碳約2 200 t，而且當年可回收設備投資，海水源熱泵機組用于育苗水體升溫和廢水熱能回收，具有比較明顯的節能減排方面優勢。

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Engineering application of seawater-source heat pump for waste heat recovery in sea cucumber breeding system

Li Xiuchen1, Deng Wei1, Zhang Dianguang1, Mu Gang1, Zhang Guochen1, Chen Shuai1, Che Quan2

(1.116023,; 2.,116222,)

In order to cut down energy consumption, heat loss and air pollution for water heating in indoor aquaculture system, a seawater-source heat pump system, which comprised 2 heat exchangers (namely I-stage exchangers) and a seawater-source heat pump and employed waste water as heating source, was developed and applied in an aquatic organism indoor nursing system. The onsite flow rate of waste water and fresh seawater in I-stage exchangers were regulated to 400 m3/h, respectively. The flow rate of waste water in the seawater-source heat pump was 20 m3/h, while the flow rate of fresh seawater increased from 10 to 20 m3/h during the onsite operation. The effectiveness for fresh seawater heating and the heat recovery of waste water by the seawater-source heat pump system were studied on site, and the amounts of energy consumption and carbon emission during the heating period were correspondingly calculated and compared with conditional coal-fired boiler heating approach. It showed that the heat-exchanging efficiency of I-stage heat exchangers was in direct proportion to the temperature difference of inflowing waste water and fresh seawater. When the inlet temperatures of waste water and fresh seawater were 10.3 and -1.9 ℃, respectively, the 5.8 ℃ increment of temperature in fresh seawater and 6.1 ℃ drop of temperature in waste water were observed. Additionally, with 14.9 ℃ inflowing waste water and 4.9 ℃ fresh seawater, the outlet temperature of fresh seawater increased to 9.5 ℃, while the waste water dropped to 10.0 ℃. The maximum heat recovery efficiency by I-stage exchangers from waste water was 59.5%. On the other hand, when the temperature and flow rate of inflowing waste water were not changed, the temperature increment of fresh seawater from the seawater-source heat pump was inversely proportional to its inflowing rate and temperature. With waste water of 14.9 ℃ as the heat source of the seawater-source heat pump, the temperature of fresh seawater increased from 7.3 to 18.6 ℃ at 10 m3/h and to 13.2 ℃ at 20 m3/h, which brought out temperature increment of 5.9-11.3 ℃. In the same case, the temperature of fresh seawater out of the seawater-source heat pump increased from 10.3 to 20.1 ℃ at 10 m3/h and to 16.6 ℃ at 20 m3/h, with temperature increment of 6.3-9.8 ℃. Accordingly, when the temperature of inflowing fresh seawater was 7.3 and 10.3 ℃, appropriate water temperature (15 ℃) could be obtained for aquatic organism indoor nursing by keeping the flow rate of fresh seawater at 15 and 20 m3/h, respectively. It was also found that the temperature drop of waste water in the seawater-source heat pump was about 6 ℃ during the operation, which gained the heat recovery efficiency of 40.7% for waste water. The coefficient of performance (COP) of the seawater-source heat pump was 5.03-5.52. In comparison with traditional coal-fired boiler heating approach, the integrated seawater-source heat pump system demonstrated significant drop in energy consumption (over 37.6%) and carbon dioxide emission (about 2 200 t/a). The payback period for the seawater-source heat pump system would be about 0.77 a. Therefore the seawater-source heat pump system has an obvious potential in energy conservation and carbon emission reduction in indoor aquaculture system.

waste water; heating; temperature; sea cucumber; water heating; seawater-source heat pump; heat recovery

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.09.028

TKS

A

1002-6819(2017)-09-0218-06

2016-12-11

2017-04-12

遼寧省科學技術重點項目（2008228001）；大連市科技興海專項資金項目（20140301）

李秀辰，女，博士，教授，主要從事漁業裝備與節能減排技術研究。大連 大連海洋大學遼寧省漁業裝備工程技術研究中心，116023。 Email：lxc@dlou.edu.cn

李秀辰，鄧 偉，張殿光，母 剛，張國琛，陳 帥，車 全. 海水源熱泵對海參育苗廢水熱能回收的工程應用[J]. 農業工程學報，2017，33(9)：218－223. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.09.028 http://www.tcsae.org

Li Xiuchen, Deng Wei, Zhang Dianguang, Mu Gang, Zhang Guochen, Chen Shuai, Che Quan. Engineering application of seawater-source heat pump for waste heat recovery in sea cucumber breeding system[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(9): 218－223. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.09.028 http://www.tcsae.org