空氣源熱泵應(yīng)用于蝦塘供熱的性能測(cè)試與分析

邵鵬，邵亮亮，曹祥，高鵬，張春路

（同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院 制冷與低溫工程研究所，上海 201804）

0 引言

隨著生活水平日漸提高，人們對(duì)食物的需求越發(fā)多樣化，南美白對(duì)蝦的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值豐富，肉質(zhì)肥嫩鮮美，深受大家喜愛。南通如東是重要的南美白對(duì)蝦養(yǎng)殖基地，憑借 100余公里海岸線提供的漁業(yè)資源，發(fā)展出“小棚養(yǎng)殖”模式（圖1），即在農(nóng)田開辟池塘進(jìn)行對(duì)蝦養(yǎng)殖。到2014年下半年已有近5萬(wàn)張棚，遍布整個(gè)沿海區(qū)域。同年，如東年產(chǎn)南美白對(duì)蝦6.8萬(wàn)噸，年產(chǎn)值35億元，凈利潤(rùn)14億元[1]。

白對(duì)蝦適宜生長(zhǎng)在20℃以上的水環(huán)境[2-3]，遠(yuǎn)高于如東地區(qū)的冬季平均氣溫(7℃)。因此冬季養(yǎng)殖需要對(duì)養(yǎng)殖塘供熱。燃煤鍋爐初投資低、控制方便[4]，一直是如東當(dāng)?shù)匚r農(nóng)用于維持塘溫的主要設(shè)備。然而，出于減少排放、保護(hù)環(huán)境的目的，從2018年 5月開始，如東縣政府公布對(duì)蝦養(yǎng)殖污染意見，在全縣內(nèi)禁用燃煤鍋爐[5]。因此，當(dāng)前蝦農(nóng)急需新的供熱方案替代燃煤鍋爐，其中首推熱泵技術(shù)。

圖1 蝦塘“小棚養(yǎng)殖”模式

早在20世紀(jì)末，李頌哲等[6]和莫炳堅(jiān)等[7]就將熱泵技術(shù)應(yīng)用于水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)，取得了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。近年來(lái)，李秀辰等[8-9]和吳麗娜等[10]利用海水源熱泵回收海參育苗過(guò)程中的廢熱，該熱泵系統(tǒng)比傳統(tǒng)鍋爐節(jié)能35%以上，當(dāng)年可回收設(shè)備投資費(fèi)用。陳凡等[11]、王立寧等[12]和羅迎賓等[13]通過(guò)熱泵實(shí)現(xiàn)育苗池水與地下土壤熱交換，由于使用地下淺層熱資源，運(yùn)行穩(wěn)定且不受天氣狀況影響，能效比較高。

但是，海水源熱泵對(duì)養(yǎng)殖地理位置要求嚴(yán)苛，而地源熱泵初投資高，回收周期長(zhǎng)。兩種熱泵優(yōu)勢(shì)明顯，但缺陷同樣突出，不利于熱泵技術(shù)在水產(chǎn)養(yǎng)殖領(lǐng)域的市場(chǎng)化?？諝庠礋岜貌粌H具備清潔高效和技術(shù)成熟的特點(diǎn)，而且機(jī)組可以在任何地點(diǎn)投入使用，初投資低，設(shè)備可靠，因此空氣源熱泵取代鍋爐可行的。

空氣源熱泵廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域[14-15]，在學(xué)術(shù)界也有較深入的研究。胡斌等[16]開發(fā)了防積冰除霜方法，解決了空氣源熱泵結(jié)霜造成的系統(tǒng)性能及供熱量下降問(wèn)題。BYUN等[17]研究了用熱氣旁路法來(lái)延緩空氣源熱泵的結(jié)霜。趙寶國(guó)等[18]結(jié)合采暖工程的實(shí)際運(yùn)用數(shù)據(jù)，分析了集中式空氣源熱泵在采暖工程的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。一系列研究為空氣源熱泵設(shè)計(jì)和應(yīng)用指明了方向，提供了指導(dǎo)。

在綜合考慮養(yǎng)殖情況和實(shí)際需求后，本文首先根據(jù)過(guò)往冬季單個(gè)蝦塘煤炭消耗量估算了蝦塘負(fù)荷，選擇了一臺(tái)與負(fù)荷匹配的空氣源熱泵機(jī)組，在某蝦塘測(cè)試系統(tǒng)性能，并基于仿真改進(jìn)空氣源熱泵的運(yùn)行策略，最后從投資回報(bào)周期的角度分析空氣源熱泵的經(jīng)濟(jì)性。

1 負(fù)荷估算

通過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，單個(gè)蝦塘長(zhǎng)40 m，寬8 m，塘深0.75 m，占地面積約半畝。為了使單層膜蝦塘的水溫維持在20℃以上，在冬季（12月～1月）需要燃燒大約 10,000元的煤炭，結(jié)合煤炭的燃燒熱值（23,000 kJ/kg）、單價(jià)（0.9元/kg）和熱效率（0.7），可以估算出蝦塘所需要的供熱量。考慮到一臺(tái)鍋爐在實(shí)際使用中會(huì)供應(yīng)多個(gè)蝦塘，熱水輸送管道距離長(zhǎng)，沿途有較大的熱損失，按照最大20%計(jì)算。通過(guò)計(jì)算可得單個(gè)蝦塘平均負(fù)荷為28.7 kW。

依據(jù)計(jì)算結(jié)果，選擇國(guó)內(nèi)某知名品牌的 10匹空氣源熱泵熱水器，可以在環(huán)境溫度7℃時(shí)為蝦塘提供大約30 kW的熱量?？紤]到本文計(jì)算的是平均負(fù)荷，為了避免惡劣天氣工況下負(fù)荷過(guò)大，熱泵供熱能力不足，我們還選配了一臺(tái)熱量30 kW的電加熱器，以備不時(shí)之需。

2 熱泵實(shí)際運(yùn)行分析

為了分析空氣源熱泵為蝦塘供熱的實(shí)際運(yùn)行狀況，在某蝦塘進(jìn)行了為期一個(gè)月的運(yùn)行測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)主要包括熱泵回水溫度、熱泵出水溫度、環(huán)境溫度和蝦塘水溫，每5 min記錄一次。熱泵機(jī)組如圖2所示。

熱泵系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行分析包含兩個(gè)方面：1）空氣源熱泵平均制熱性能是否有30 kW；2）塘水溫度能否保持在設(shè)計(jì)水溫 20℃以上，定頻熱泵供熱能力受環(huán)境溫度影響較大。熱泵實(shí)際制熱量和性能系數(shù)COP的計(jì)算方式如下：

式中：

Q——熱泵實(shí)際制熱量，kW；

cp——水的定壓比熱容，kJ/kg；

m——水體積流量，m3/h；

Tout，Tin——出水和進(jìn)水溫度，℃；

W——耗電量，kW；

COP——熱泵制熱系數(shù)。

圖2 蝦塘熱泵機(jī)組

空氣源熱泵在不同環(huán)境溫度下，制熱量和COP變化如圖3所示。由圖3可知，當(dāng)氣溫為0℃時(shí)，熱泵只能提供24 kW的熱量，COP為3.2，表明熱泵機(jī)組在惡劣工況下供熱能力不足。但是隨著環(huán)境溫度的升高，機(jī)組制熱量和COP也隨之升高，最高制熱量可達(dá)34 kW，最高COP可達(dá)4.1。在平均溫度7℃時(shí)，制熱量為27.7 kW，雖然略低于單個(gè)蝦塘估算的平均負(fù)荷，但是蝦塘水容量為161～240 t，巨大的熱容使較少的熱量對(duì)水溫的短期影響有限。

圖3 熱泵性能曲線

圖4記錄了12月5日7:00—12月26日7:00的塘水溫度和空氣源熱泵功耗變化。

圖4 蝦塘水溫和環(huán)境溫度（12月）

在該供熱周期內(nèi)，水溫基本維持在20℃以上，空氣源熱泵通過(guò)合理的開停既滿足了蝦塘的供熱負(fù)荷，又提高了供熱系統(tǒng)的能效。24日水溫在20℃以下，原因是蝦農(nóng)開始收蝦販賣，所以停止了熱泵供熱。綜上所述，空氣源熱泵實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)完全能夠滿足冬季蝦塘的供熱需求，且不需要輔助電加熱器。

表1所示為12月5日—12月26日空氣源熱泵開啟和關(guān)閉時(shí)刻、水溫及對(duì)應(yīng)的控制邏輯。供熱周期內(nèi)，早晚都會(huì)詢問(wèn)蝦農(nóng)當(dāng)?shù)貧庀鬆顩r，獲得實(shí)時(shí)的氣溫、晴/陰，再根據(jù)已有的水溫?cái)?shù)據(jù)，預(yù)測(cè)下個(gè)時(shí)刻的水溫，從而指導(dǎo)蝦農(nóng)開啟或關(guān)閉空氣源熱泵主機(jī)。18日15:00和20日15:00時(shí)的塘水溫度高，加上蝦塘巨大的熱容保證塘溫在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間維持在設(shè)計(jì)水溫以上。20日7:00水溫降至設(shè)計(jì)值，24日9:00水溫降至對(duì)蝦停止生長(zhǎng)。25日18:00雖然水溫較低，21.3℃的初始水溫能夠保證在26日收蝦時(shí)水溫高于18℃。

表1 空氣源熱泵開?？刂疲?2月5日—26日）

在空氣源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行測(cè)試前，由于缺少蝦塘負(fù)荷以及空氣源熱泵主機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)時(shí)，這種人為的熱泵開?？刂七壿?，有效保證了冬季蝦塘的供熱需求。但是，在取得了一個(gè)供熱周期的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后，通過(guò)數(shù)據(jù)分析蝦塘水溫變化以及空氣源熱泵主機(jī)性能，供熱系統(tǒng)運(yùn)行策略有較大的改進(jìn)空間。

3 熱泵運(yùn)行策略改進(jìn)

為了快速評(píng)估新型運(yùn)行策略的優(yōu)劣，使用GREATLAB[19-20]建立了空氣源熱泵蝦塘供熱系統(tǒng)模型，用于計(jì)算供熱周期內(nèi)的功耗和塘水溫度變化。實(shí)驗(yàn)與仿真數(shù)據(jù)對(duì)比如表2所示，其中表前7行是典型工況值。

表2 模型實(shí)驗(yàn)值與仿真值對(duì)比

由表2可知，實(shí)驗(yàn)值與仿真值在壓縮機(jī)吸/排氣壓力、熱泵回/出水溫度和系統(tǒng)制熱量等關(guān)鍵參數(shù)的最大相對(duì)誤差不超過(guò) 2%，吸氣溫度和排氣溫度的誤差也在合理的范圍內(nèi)。

由第2節(jié)分析可知，良好的運(yùn)行策略可以通過(guò)以下3點(diǎn)實(shí)現(xiàn)：1）塘水溫度不宜過(guò)高。高水溫必然引起更高的負(fù)荷，系統(tǒng)提供更多的熱量，但也散失更多的熱量；2）設(shè)置一個(gè)塘水溫度警戒線。低于水溫警戒線，供熱系統(tǒng)必須供熱，否則環(huán)境氣溫突然降低，水溫很容易低過(guò)設(shè)計(jì)值；3）盡量在環(huán)境溫度高時(shí)開啟熱泵。熱泵隨著環(huán)境溫度的升高，制熱量和COP也不斷升高。更重要的是，低氣溫會(huì)引發(fā)結(jié)霜，降低系統(tǒng)制熱性能。

圖5 改進(jìn)的運(yùn)行策略流程

圖6 改進(jìn)運(yùn)行策略的水溫和功耗變化

圖5所示為改進(jìn)運(yùn)行策略流程。控制塘水溫度不超過(guò)21.5℃，塘水溫度警戒線為20.5℃，當(dāng)塘水溫度在20.5～21.5℃時(shí)，環(huán)境溫度高于7℃（當(dāng)?shù)仄骄鶜鉁兀?，開啟空氣源熱泵儲(chǔ)存一定的熱量；環(huán)境溫度低于7℃，關(guān)閉空氣源熱泵。

空氣源熱泵系統(tǒng)在改進(jìn)運(yùn)行策略下的塘水溫度和系統(tǒng)功耗變化如圖6所示，水溫基本維持在20℃，除了12月9日、12日、13和14日的夜間環(huán)境溫度較低，水溫降至19℃，整體而言加熱效果良好。整個(gè)供熱周期系統(tǒng)的總耗電量為1,950 kW·h，相比于原系統(tǒng)的2,750 kW·h，耗電量下降29.1%。

4 經(jīng)濟(jì)性分析

很多地區(qū)燃煤鍋爐已經(jīng)被政府禁止使用，熱泵技術(shù)節(jié)能環(huán)保的特點(diǎn)，成為冬季蝦塘供熱方式的替代方案之一。相比于燃煤鍋爐，熱泵設(shè)備初投資更高，但運(yùn)行成本更低，因此需要從投資回報(bào)周期的角度分析熱泵技術(shù)應(yīng)用于蝦塘養(yǎng)殖的經(jīng)濟(jì)性。

空氣源熱泵技術(shù)解決了燃煤鍋爐被禁用的窘境，使冬、春兩季得以重新養(yǎng)殖，改進(jìn)的空氣源熱泵運(yùn)行策略使得運(yùn)行成本進(jìn)一步降低。

對(duì)蝦養(yǎng)殖為了提高成活率和縮短養(yǎng)殖周期，首先要將蝦苗標(biāo)粗，即把體長(zhǎng)0.8～1 cm的蝦苗放在蝦塘培育到體長(zhǎng)3 cm大規(guī)格蝦苗，標(biāo)粗一般需要40 d左右，標(biāo)粗放苗密度一般為125,000尾/塘，然后再分苗到其他蝦塘養(yǎng)殖40 d達(dá)到出蝦規(guī)格，一般為30尾/斤，分苗放苗密度為25,000尾/塘。

冬季蝦在11月標(biāo)粗，隨著氣溫逐漸降低，在分苗后 12～1月需要空氣源熱泵提供熱量，冬季蝦出蝦臨近春節(jié)和元宵節(jié)，節(jié)前節(jié)后的消費(fèi)拉動(dòng)促使價(jià)格高于正常收購(gòu)價(jià)兩倍，利潤(rùn)非?？捎^。

春季蝦在2月標(biāo)粗，此時(shí)天氣仍寒冷，需要熱泵供熱，分苗后天氣逐漸暖和不再需要加熱。一個(gè)配備空氣源熱泵的蝦塘可以為7個(gè)蝦塘分苗，相比于冬季蝦，春季蝦產(chǎn)量更高，運(yùn)行成本更低。同時(shí)引入空氣源熱泵的春季蝦，提前1個(gè)月上市，對(duì)蝦市場(chǎng)還處于空白期，出蝦價(jià)格較高，利潤(rùn)空間大。

兩季對(duì)蝦養(yǎng)殖的具體收益如表3所示，其中養(yǎng)殖成本包括蝦苗、飼料、藥品、工業(yè)鹽和人工費(fèi)等。

表3 冬季和春季對(duì)蝦養(yǎng)殖收益

由表3可知，冬季蝦和春季蝦的總養(yǎng)殖利潤(rùn)有92,600元，而一套30 kW空氣源熱泵供熱系統(tǒng)（包括設(shè)備費(fèi)用和安裝費(fèi)用）的初投資約30,000元，因此設(shè)備投資回報(bào)周期僅為1年，并且仍有62,600元的利潤(rùn)。從經(jīng)濟(jì)性的角度上考慮，空氣源熱泵經(jīng)濟(jì)效益顯著，是燃煤鍋爐合適的替代供熱方案。

5 結(jié)論

本文選配了一臺(tái)空氣源熱泵機(jī)組來(lái)替代燃煤鍋爐為冬季蝦塘供熱，并采用液體載冷劑法測(cè)試了機(jī)組運(yùn)行性能，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行策略做出了進(jìn)一步的改進(jìn)，最后對(duì)空氣源熱泵應(yīng)用于蝦塘的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了分析，得出以下結(jié)論：

1）根據(jù)燒煤量估算蝦塘負(fù)荷，可得“小棚養(yǎng)殖”模式的蝦塘（占地350 m2）冬季需要配備30 kW的空氣源熱泵機(jī)組；

2）空氣源熱泵能效高，當(dāng)環(huán)境溫度 0℃時(shí)，COP為3.2，當(dāng)環(huán)境溫度為15℃時(shí)，COP高達(dá)4.1；熱泵機(jī)組在南通市如東地區(qū)運(yùn)行良好，能夠滿足蝦塘水溫20℃以上的供熱需求；

3）相比于人工經(jīng)驗(yàn)的空氣源熱泵運(yùn)行策略，基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析和仿真模型的改進(jìn)運(yùn)行策略，降低了29.1%的電量消耗；

4）經(jīng)濟(jì)性分析顯示，養(yǎng)殖戶僅需1年就可回收空氣源熱泵的設(shè)備初投資，并且仍有62,600元的利潤(rùn)，經(jīng)濟(jì)效益顯著。