糞源熱泵技術(shù)在豬場(chǎng)中的應(yīng)用

龐建建，張利斌，劉文權(quán)，宋詠梅

（北京京鵬環(huán)宇畜牧科技股份有限公司，北京 100094）

隨著社會(huì)的發(fā)展，石油、煤炭、天然氣等不可再生資源被過(guò)量開采和使用，能源短缺問題越來(lái)越嚴(yán)重[1]。2020年9月我國(guó)在聯(lián)合國(guó)大會(huì)上提出二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。碳達(dá)峰和碳中和的實(shí)現(xiàn)，不僅要使用節(jié)約能源，而且需要轉(zhuǎn)變能源結(jié)構(gòu)，開發(fā)新型的可再生能源替代化石能源[2]。熱泵是從自然界的空氣、土壤或水中獲取低品位熱能，通過(guò)電力做功，轉(zhuǎn)化為高品位熱能的一種裝置。它的工作原理是從周圍環(huán)境中吸取熱量，并把它傳遞給需要加熱的對(duì)象，既可節(jié)約能量，又可利用余熱，是備受關(guān)注的新能源技術(shù)，按照熱能來(lái)源劃分為空氣源熱泵、水源熱泵、地源熱泵、雙源熱泵（水源熱泵和空氣源熱泵結(jié)合）等[3]。本文對(duì)糞源熱泵技術(shù)在豬場(chǎng)中的應(yīng)用效果進(jìn)行探索，旨在為綠色養(yǎng)豬產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供參考。

1 糞源熱泵系統(tǒng)工作原理及組成部分

1.1 工作原理

低溫低壓液態(tài)制冷劑的形成：首先在蒸發(fā)器里從高溫?zé)嵩粗形鼰岵饣傻蛪赫魵猓缓笤趬嚎s機(jī)內(nèi)壓縮成高溫高壓蒸氣，該高溫高壓氣體在冷凝器內(nèi)被低溫?zé)嵩蠢鋮s凝結(jié)成高壓液體，再經(jīng)節(jié)流元件節(jié)流成低溫低壓液態(tài)制冷劑。通過(guò)在豬舍糞池底部鋪設(shè)熱量收集管路，利用熱量傳遞原理收集豬糞尿中的熱量，再通過(guò)熱泵技術(shù)將收集到的熱量轉(zhuǎn)化為場(chǎng)區(qū)供暖所需熱量，滿足場(chǎng)區(qū)供暖需求，實(shí)現(xiàn)對(duì)能量的有效利用（圖1）。

圖1 糞源熱泵工作原理

1.2 組成部分

糞源熱泵系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)部分組成：能量收集系統(tǒng)、熱泵機(jī)組系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)和供暖終端系統(tǒng)。能量收集系統(tǒng)：通過(guò)鋪設(shè)在糞池底部的塑料管（PVC或PE管道），利用水循環(huán)把豬舍糞尿余熱進(jìn)行回收的系統(tǒng)。熱泵機(jī)組系統(tǒng)：把熱回收系統(tǒng)中20～25 ℃的溫水通過(guò)壓縮機(jī)（制冷和放熱）提高到60 ℃。自動(dòng)控制系統(tǒng)：根據(jù)豬熱量需求，自動(dòng)控制熱泵機(jī)組工作，控制豬舍熱量的釋放，滿足豬所需要的舒適溫度。供暖終端系統(tǒng)：將糞源熱泵加熱后的熱水（55 ℃）通過(guò)供暖管路輸送到豬舍及其他區(qū)域的供暖終端實(shí)現(xiàn)供暖。詳見圖2。

圖2 糞源熱泵工作示意圖

2 糞源熱泵技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

2.1 改善豬舍環(huán)境，提高肥料效益

糞源熱泵技術(shù)是以豬舍漏糞地板下部糞池內(nèi)的糞尿?yàn)槟芰縼?lái)源，通過(guò)降低糞尿溫度來(lái)提取能量。糞尿溫度降低后，豬舍內(nèi)氨氣、硫化氫等有害氣體大大減少[4]，能顯著改善豬舍環(huán)境，降低豬呼吸道疾病發(fā)病率，提高豬采食量和日增重。同時(shí)，大量氨氣保留在糞尿中，糞尿養(yǎng)分含量進(jìn)一步提高，為制作糞肥有機(jī)肥提供了更好的基礎(chǔ)，生產(chǎn)出的糞肥肥效更高。

2.2 優(yōu)化豬舍溫度，提高生產(chǎn)效益

豬舍溫度對(duì)豬的生長(zhǎng)和生產(chǎn)具有重要影響，關(guān)系著豬場(chǎng)經(jīng)濟(jì)效益。應(yīng)用糞源熱泵技術(shù)可以自動(dòng)控制供暖設(shè)備，顯著提高供暖設(shè)備效率。同時(shí)，可以進(jìn)行局部供暖或降溫。采用半漏縫地板的分娩舍，夏季可實(shí)現(xiàn)對(duì)母豬區(qū)域降溫和對(duì)仔豬區(qū)域供暖，在保障仔豬健康生長(zhǎng)的同時(shí)，有效提高母豬的體感舒適度，提高母豬采食量和產(chǎn)奶量，進(jìn)而提高仔豬存活率。此外，采暖區(qū)清洗消毒后，供暖管道通過(guò)供暖的形式對(duì)此區(qū)域進(jìn)行烘干，可避免細(xì)菌滋生，為下一批次豬營(yíng)造安全的生長(zhǎng)環(huán)境。總之，應(yīng)用糞源熱泵技術(shù)可滿足同豬舍或者同豬欄不同豬群的溫度需求，為豬的生長(zhǎng)和生產(chǎn)提供更好的保障。

2.3 減少環(huán)境污染，降低生產(chǎn)成本

糞源熱泵技術(shù)通過(guò)轉(zhuǎn)移豬舍糞尿的熱能實(shí)現(xiàn)能源利用，相對(duì)于煤炭、天然氣，是一種可持續(xù)的清潔能源，減少了環(huán)境污染，能夠滿足現(xiàn)行及未來(lái)的環(huán)保政策要求，不會(huì)因環(huán)保政策的改變而影響豬場(chǎng)生產(chǎn)，且可節(jié)約成本，對(duì)養(yǎng)豬業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

3 糞源熱泵技術(shù)應(yīng)用實(shí)際與效果分析

3.1 北京某豬場(chǎng)對(duì)糞源熱泵技術(shù)的應(yīng)用

選取存欄30 000頭育肥場(chǎng)進(jìn)行糞源熱泵利用設(shè)計(jì)，場(chǎng)區(qū)共6棟育肥舍，每棟設(shè)計(jì)6個(gè)單元，各單元設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。項(xiàng)目所在地為北京市延慶區(qū)，通過(guò)對(duì)該地多年來(lái)的氣溫進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)最低溫度-21 ℃，因此項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)必須保證室外-21 ℃時(shí)豬舍內(nèi)溫度適宜，不影響生產(chǎn)（后續(xù)的運(yùn)行耗能數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)以90%的溫度統(tǒng)計(jì)-15 ℃進(jìn)行）。

表1 育肥舍各單元設(shè)計(jì)參數(shù)

3.1.1 豬場(chǎng)供暖需求設(shè)計(jì) 依據(jù)現(xiàn)有豬舍設(shè)計(jì)、通風(fēng)量、預(yù)期溫度值及宿舍辦公區(qū)面積等數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，育肥舍的期望溫度為20 ℃、需求熱量為2 360 kW，宿舍和辦公室所需熱量為85 kW，合計(jì)所需熱量2 445 kW。熱量由糞源熱泵系統(tǒng)供給，工作參數(shù)見表2。

表2 糞源熱泵系統(tǒng)工作參數(shù)

3.1.2 糞源熱泵及燃?xì)庠O(shè)備運(yùn)行費(fèi)用 整個(gè)豬場(chǎng)供暖需要配備熱泵房（表3）和熱量回收系統(tǒng)（表4），總需費(fèi)用如表5所示。豬場(chǎng)若采用燃?xì)夤┡枰鋫淙細(xì)夤艿兰叭細(xì)庹镜龋枞細(xì)庵比紮C(jī)共計(jì)108臺(tái)，總需費(fèi)用如表5所示。

表3 熱泵房設(shè)備清單

表4 熱量回收系統(tǒng)設(shè)備清單

表5 糞源熱泵及燃?xì)庠O(shè)備投資費(fèi)用

糞源熱泵運(yùn)行費(fèi)用基價(jià)：電費(fèi)0.49元/kWh，燃?xì)?.98元/m3，供暖周期按照130 d計(jì)算。糞源熱泵+空氣源熱泵全年耗電量（表6）為1 971 786.15 kWh，運(yùn)行費(fèi)用約96.6萬(wàn)元。

表6 糞源熱泵所需熱負(fù)荷及運(yùn)行功率

燃?xì)庠O(shè)備運(yùn)行費(fèi)用：根據(jù)燃?xì)庵比紮C(jī)性能參數(shù)（表7），每臺(tái)直燃機(jī)天然氣消耗量為6.2 m3/h，則運(yùn)行費(fèi)用約174.7萬(wàn)元。

表7 燃?xì)庠O(shè)備所需熱負(fù)荷及運(yùn)行功率

回資周期：存欄30 000頭育肥場(chǎng)配置糞源熱泵系統(tǒng)需要投資1 014萬(wàn)元，燃?xì)庠O(shè)備需要投氣溫-25 ℃。

3 000頭母豬區(qū)（表8）：分娩舍3棟，面積共6 321.0 m2；妊娠舍2棟，面積共4 845.0 m2；配種舍2棟，面積共3 187.8 m2。

400頭母豬區(qū)（表8）：配種妊娠舍1棟1 074.0 m2，育肥舍1棟1 563.5 m2，分娩舍1棟資620萬(wàn)元。每年的總運(yùn)行費(fèi)用，糞源熱泵約96.6萬(wàn)元，燃?xì)庠O(shè)備約174.7萬(wàn)元，整個(gè)項(xiàng)目約5年可以回收成本。

表8 山西某豬場(chǎng)糞源熱泵項(xiàng)目豬舍情況

3.2 山西某豬場(chǎng)對(duì)糞源熱泵技術(shù)的應(yīng)用

該項(xiàng)目位于山西，設(shè)3 000頭母豬區(qū)和400頭母豬區(qū)，合計(jì)采暖面積19 081.3 m2，當(dāng)?shù)刈畹? 144.0m2，保育舍1棟946.0 m2。

從表9可以看出，山西某豬場(chǎng)應(yīng)用糞源熱泵供熱，前期投資高，但是運(yùn)營(yíng)成本降低，每年應(yīng)用糞源熱泵供熱比燃煤供熱節(jié)省供暖費(fèi)用20萬(wàn)～23萬(wàn)元。

表9 供暖設(shè)計(jì)參數(shù)

4 結(jié)論

糞源熱泵技術(shù)是一種新型可再生能源利用技術(shù)，糞能回收系統(tǒng)和熱泵技術(shù)相結(jié)合，通過(guò)舍內(nèi)風(fēng)機(jī)盤管散熱系統(tǒng)的配合可充分利用糞能資源，節(jié)省成本。采用糞源熱泵技術(shù)，所有設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)均由控制程序?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)控制，且對(duì)豬舍內(nèi)小氣候不會(huì)產(chǎn)生較大影響，安裝便捷，可根據(jù)客戶需求進(jìn)行個(gè)性化、優(yōu)質(zhì)化設(shè)計(jì)，能夠保證豬生長(zhǎng)環(huán)境的良好性。