海產(chǎn)養(yǎng)殖中余熱回收熱泵系統(tǒng)熱力循環(huán)優(yōu)化方法

江亞柯，武雨果，高博,劉靖

(1.河南理工大學土木工程學院，河南 焦作 454003； 2. 山東省科學院流動與強化傳熱重點實驗室，山東省科學院能源研究所，山東 濟南 250014 )

【能源與動力】

海產(chǎn)養(yǎng)殖中余熱回收熱泵系統(tǒng)熱力循環(huán)優(yōu)化方法

江亞柯1,2，武雨果1,2，高博2*,劉靖1

(1.河南理工大學土木工程學院，河南 焦作 454003； 2. 山東省科學院流動與強化傳熱重點實驗室，山東省科學院能源研究所，山東 濟南 250014 )

采用Ebsilon軟件構建了海產(chǎn)養(yǎng)殖余熱回收和熱泵供熱系統(tǒng)的熱力循環(huán)模型，通過仿真計算分析了一個典型的海產(chǎn)養(yǎng)殖熱泵系統(tǒng)工程案例的系統(tǒng)缺陷。經(jīng)過優(yōu)化，系統(tǒng)能效提高一倍左右，以青島地區(qū)冬季室內一個海參育苗池為例，日節(jié)電可達2 000 kW·h，節(jié)能潛力巨大，經(jīng)濟效益顯著。研究表明，利用熱泵回收海產(chǎn)養(yǎng)殖排水余熱，最關鍵的是要遵循“溫度對口，梯級利用”的科學用能原則。

海產(chǎn)養(yǎng)殖；余熱回收；熱泵；熱力循環(huán)；Ebsilon軟件

工業(yè)化海產(chǎn)養(yǎng)殖對水溫控制有著嚴格的要求，例如對蝦在育苗時要求水溫控制在22～25 ℃[1]，而生長期的最佳溫度為29.7 ℃[2]；海參育苗溫度約20 ℃[3]；鲆鰈魚養(yǎng)殖適宜水溫為10～15 ℃[4]，大菱鲆養(yǎng)殖要求水溫低于20 ℃[1,3]。另外，海產(chǎn)養(yǎng)殖需要頻繁換水，而且每次換水量很大[3]，海水溫度較低時需要消耗大量熱能用于加熱，直接造成生產(chǎn)成本升高，成為困擾海水養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展的一大難題。換水過程中排水含有大量可利用的余熱，若能回收利用，必然是一個降低生產(chǎn)能耗、提高生產(chǎn)效益的有效途徑。

目前，世界上開展海產(chǎn)養(yǎng)殖余熱利用相關研究的學者主要集中在國內，且主要來自于青島、大連等北方沿海城市的高校和科研院所，其中青島理工大學相關成果較多，國際上反而很少有相關報道，這種研究現(xiàn)狀與各國海產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)發(fā)展水平、能源緊張程度以及地域氣候條件等有很大關系。

海水源熱泵技術的相關研究近年來取得了一系列新進展[5-7]，在國內外均有較為成熟的實際應用[8-9]。在海水養(yǎng)殖余熱利用的各種技術方案中，海水源熱泵無疑是最受關注的一種。目前已有的研究表明，海水源熱泵系統(tǒng)在北方海域海產(chǎn)養(yǎng)殖場的應用具有可行性，在環(huán)保和經(jīng)濟性方面均比燃煤、燃氣鍋爐和電加熱等傳統(tǒng)生產(chǎn)模式有所提高。其中，張吉光等[1]對開式熱泵系統(tǒng)作為熱源或冷源加熱或冷卻海水技術方案進行了經(jīng)濟性分析；劉珂珂[3]、劉國丹等[10]對海水源熱泵系統(tǒng)在北方地區(qū)某海參養(yǎng)殖場的具體應用案例進行了系統(tǒng)設計和分析，有效解決了工業(yè)化養(yǎng)殖溫控環(huán)節(jié)存在的問題；李秀辰等[11]探討了養(yǎng)殖廢水溫度和流量對熱泵的制熱性能、養(yǎng)殖用水升溫和廢水余熱的回收效果的影響，指出利用熱泵設備對養(yǎng)殖用水的鍋爐電加熱節(jié)能減排效果顯著。

目前，國內外對于海水源熱泵的研究和應用經(jīng)驗，絕大多數(shù)是來自于用于采暖的海水源熱泵[12]，然而這些經(jīng)驗并不能完全適用于海產(chǎn)養(yǎng)殖余熱回收。海產(chǎn)養(yǎng)殖熱泵系統(tǒng)的特殊性，主要體現(xiàn)在熱水輸出溫度與低溫熱源溫度比較接近，若系統(tǒng)設計不夠優(yōu)化，很容易產(chǎn)生較大的火用損失；反之，若能最大限度地實現(xiàn)溫度梯級利用，系統(tǒng)效率會大幅度提高。例如， Shi等[13]通過火用分析對一個利用太陽能的海水源熱泵系統(tǒng)進行了優(yōu)化，同時強調對設備的選擇應該給予更多關注，劣質的組件可以大大降低整體性能；殷堯其[12]通過換熱器充分回收養(yǎng)殖排水中的冷量和熱量，減少了熱泵系統(tǒng)配制容量與運行能耗，取得了顯著的節(jié)能效果，社會效益與經(jīng)濟效益較其他方案更為顯著。上述研究表明，現(xiàn)有各種技術方案雖然有一定的可行性和經(jīng)濟性，但是在系統(tǒng)設計運行方面，仍有很大的優(yōu)化空間。

本文通過對現(xiàn)有海水養(yǎng)殖熱泵系統(tǒng)熱力學循環(huán)的仿真分析，挖掘系統(tǒng)節(jié)能潛力，提出了更加符合溫度對口原則的系統(tǒng)優(yōu)化方案。

1 熱力循環(huán)模型仿真

本文采用Ebsilon?Professional軟件(試用版)建立海產(chǎn)養(yǎng)殖余熱回收和熱泵供熱系統(tǒng)的熱力循環(huán)模型并進行仿真模擬。Ebsilon軟件是德國STEAG公司開發(fā)的熱力循環(huán)過程的模擬軟件[14]，主要用于電站規(guī)劃、設計和優(yōu)化，由于其部件靈活性和方法通用性非常高，幾乎適用于模擬任何熱力循環(huán)過程的能量平衡和質量平衡，其中包括制冷循環(huán)和熱泵循環(huán)。

Ebsilon軟件在構建系統(tǒng)循環(huán)模型時主要涉及了壓縮機、蒸發(fā)器、冷凝器等組件(Component)，其圖例和模型詳見表1。針對具體案例建立的熱泵系統(tǒng)整體熱力循環(huán)模型的拓撲結構圖將在后文介紹。

為了檢驗Ebsilon軟件在熱泵系統(tǒng)熱力循環(huán)仿真方面的適用性，本文選擇特靈公司的RTWS105熱泵機組作為參照系，建立了如圖1所示的系統(tǒng)模型，分別模擬了45 ℃、50 ℃和55 ℃熱水工況下的系統(tǒng)運行狀況，參考工況為冷水進水溫度15 ℃，出水溫度7 ℃；熱水進出水溫差為5 ℃。模型設定壓縮機效率0.8，電機效率0.85，蒸發(fā)器換熱效率0.8，冷凝器冷水側進出口溫度按工況設定。機組參數(shù)(特靈公司在互聯(lián)網(wǎng)上公布的數(shù)據(jù))與計算結果詳見表2，其中制熱能效比(COP)是按照制熱量除以輸入功率計算得到的，未采用廠商公布的數(shù)據(jù)。

表1 海產(chǎn)養(yǎng)殖熱泵系統(tǒng)核心部件圖例和模型

圖1 水源熱泵機組熱力循環(huán)模型Fig.1 The thermodynamic cycle model of water source heat pump units

熱水工況項目制熱量/kW輸入功率/kW制熱COP蒸發(fā)器水流量/(m3·h-1)冷凝器水流量/(m3·h-1)45℃參考值376．086．44．432．968．4計算值378．486．74．432．866．0相對誤差/%0．60．30．30．33．555℃參考值348．5100．03．528．463．7計算值349．4100．53．528．461．2相對誤差/%0．30．50．20．03．960℃參考值335．2108．23．126．061．4計算值334．9107．03．126．358．8相對誤差/%0．11．11．01．14．2

從表2中可見，采用Ebsilon軟件的仿真計算數(shù)據(jù)與參考數(shù)據(jù)的相對誤差最大只有4.2%，大部分數(shù)據(jù)的相對誤差都小于1.1%，表明計算模型是非常可靠的。

2 案例分析

2.1 工程概況

劉珂珂[3]針對青島某海參養(yǎng)殖場的實際需求，設計了海水養(yǎng)殖熱泵系統(tǒng)，采用海水源熱泵承擔換水熱負荷，并在育苗池內布置毛細管加熱器，對池水進行加熱，以維持育苗池內水溫恒定。此外，采用污水源熱泵回收排水中的余熱，用作毛細管加熱器的熱源。其系統(tǒng)流程圖如圖2所示，虛線表示育苗池廢水排入海水的過程。冬季海水水溫設為2 ℃，海水經(jīng)過一級鈦板換熱器，與廢水池的15 ℃排水進行換熱，溫度提升至7 ℃，然后經(jīng)過海水源熱泵，溫度提升至20 ℃，送入育苗池；廢水經(jīng)過一級鈦板換熱器溫度降為10 ℃，排入海中；污水源熱泵從廢水池中15 ℃排水取熱，溫度降為10 ℃排回廢水池，在熱水側將毛細管加熱器20 ℃回水加熱至23 ℃。該育苗場每天換水5次，每次1 h，總換水流量為360 m3/h，換水熱負荷為5 460 kW；廠房內環(huán)境溫度18 ℃，供熱負荷為303 kW。

圖2 海參育苗場熱泵系統(tǒng)流程圖[3]Fig.2 The flow chart of heat pump system for the sea cucumber seedling plant [3]

2.2 仿真分析

根據(jù)圖2所示流程圖，可分別建立海水源熱泵系統(tǒng)和污水源熱泵系統(tǒng)的熱力循環(huán)仿真模型，采用R22作為制冷工質，其熱物性通過Ebsilon軟件內置的Refprop數(shù)據(jù)庫獲得。

從圖3可見，海水源熱泵系統(tǒng)提供熱負荷5 324.4 kW，壓縮機輸入功率996.8 kW，制熱COP為5.3。文獻[3]中的熱泵選型為2臺螺桿式水-水熱泵機組PSRHH6604，制熱量2 821.7 kW(共5 643.4 kW)，輸入功率618.9 kW(共1 237.8 kW)，COP為4.6，選型基本合理，但是也存在冷熱水流量與冬季工況不匹配的問題。從圖4可見，污水源熱泵系統(tǒng)提供熱負荷303.5 kW，壓縮機功率42.2 kW，COP為7.2，COP如此之高的原因在于低溫熱源溫度15～10 ℃品位與輸出熱水溫度23 ℃品位十分接近，循環(huán)效率高是正常的。文獻[3]中選用水源螺桿機組GSG310ASA，制熱量373 kW，功率98 kW，COP只有3.8，顯然選型不合理。

文獻[3]所述的海參育苗場熱泵系統(tǒng)在海產(chǎn)養(yǎng)殖領域比較有代表性，除了設備選型有不合理之處外，還存在一些原則上的錯誤，最關鍵的是沒有按照“溫度對口，梯級利用”的原則合理利用余熱，這一點在國內在役的海產(chǎn)養(yǎng)殖熱泵系統(tǒng)中比較普遍。

圖3 海水源熱泵系統(tǒng)熱力循環(huán)模型和仿真計算結果Fig.3 The thermodynamic cycle model and simulation calculation results of the seawater source heat pump system

圖4 污水源熱泵系統(tǒng)熱力循環(huán)模型和仿真計算結果Fig.4 The thermodynamic cycle model and simulation calculation results of the sewage source heat pump system

3 系統(tǒng)優(yōu)化

3.1 優(yōu)化熱泵系統(tǒng)流程

對圖2所示的換水熱泵系統(tǒng)進行優(yōu)化，在換水過程中，20 ℃的育苗池排水不再排入廢水池，而是直接通過換熱器預熱新鮮海水，2 ℃的海水經(jīng)過預熱溫度升至12 ℃后，作為低溫熱源提供給用于加熱海水的熱泵，最后排入廢水池或者直接排入大海，系統(tǒng)流程圖如圖5所示。

3.2 仿真對比分析

對比原換水熱泵系統(tǒng)圖3，圖6中有一些數(shù)據(jù)發(fā)生了顯著的變化。首先，在換水流量和溫度沒有變化的前提下，壓縮機輸入功率由996.8 kW降低為543.5 kW，冷凝器制熱3 276.4 kW，熱泵COP為6.0；其次，蒸發(fā)器海水流量由1 142.2 m3/h降至360.0 m3/h，泵功率由70.3 kW降至22.2 kW，共計節(jié)省501.4 kW。

圖6 海參育苗場換水熱泵系統(tǒng)熱力循環(huán)模型與仿真計算結果Fig.6 The thermodynamic cycle model and simulation calculation results of heat pump system for heating fresh seawaterpoured into the sea cucumber seedling pool

圖6顯示，換水熱泵系統(tǒng)幾乎將育苗池排水余熱全部利用，排水最終溫度為3.1 ℃，與海水溫度2 ℃非常接近了。而用于補償育苗池熱能損失、維持池溫恒定的熱泵系統(tǒng)就只能用海水作為低溫熱源了，系統(tǒng)將變?yōu)槿鐖D7所示的形式。對比圖4所示的原供熱熱泵系統(tǒng)，發(fā)生變化的數(shù)據(jù)主要是壓縮機輸入功率，由42.2 kW上升至61.6 kW；蒸發(fā)器海水流量也有小幅度上升，泵功率增加0.9 kW，共計增加功率20.3 kW。

圖7 海參育苗場供熱熱泵系統(tǒng)熱力循環(huán)模型與仿真計算結果Fig.7 The thermodynamic cycle model and simulation calculation results of heat pump system for maintaining constant temperature of the sea cucumber seedling pool

因為供熱熱泵每天需要運行24 h，而換水熱泵每天需要運行5 h，因此，上述系統(tǒng)在理想狀態(tài)下每天可以節(jié)電2 019.8 kW·h，節(jié)能潛力巨大。當然，這種情況只發(fā)生在冬季海水溫度較低的工況下，夏季節(jié)能優(yōu)勢就沒有這么明顯。如果按照每年90 d平均日節(jié)電1.8 ×103kW·h估算，年可節(jié)電1.6×105kW·h，經(jīng)濟效益約為12～25萬元。

4 結論

通過案例研究表明，在利用熱泵回收海產(chǎn)養(yǎng)殖排水余熱時，應首先利用溫度品位最高的余熱對給水進行預熱，用溫度品位居中的余熱為主要負荷的熱泵提供低溫熱源，用品位最低的余熱為次要負荷的熱泵提供低溫熱源，即要遵循“溫度對口，梯級利用”的科學用能原則。同時，要避免熱泵輸出溫度遠遠高于所需溫度，例如，一些工程案例中利用熱泵制取40 ℃熱水再與冷水摻混至20 ℃的做法是非常錯誤的；也要避免低溫熱源溫度遠遠超過蒸發(fā)溫度，造成較大的不可逆損失。在目前世界性能源危機的背景下，該研究的節(jié)能、環(huán)保作用在實際的工程中具有非常大的優(yōu)越性。

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Thermodynamic cycle optimization of waste heat recovery heat pump for marine aquaculture

JIANG Ya-ke1,2, WU Yu-guo1,2, GAO Bo2*, LIU Jing1

(1. School of Civil Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454003, China; 2.Key Lab for Flow &Enhanced Heat, Energy Research Institute of Shandong Academy of Sciences, Jinan 250014,China )

∶The Ebsilon software was employed to establish a thermodynamic cycle model of a typical heat pump heating system by utilizing the waste heat in marine aquaculture. Simulations were carried out to find out the defects of the heat pump system for a typical engineering case. The optimization of the heat pump system was carried out, and a doubled energy efficiency was obtained. In the case of an indoor sea cucumber seedling plant in Qingdao sea area, electricity saving is up to 2 000 kW·h each day in winter. The energy saving potential is tremendous, and the economic benefit is remarkable. The case analysis shows that the critical point is to follow the essential scientific principle of"temperature counterpart and cascade utilization" when reusing the waste heat of drainage in mariculture by a heat pump system.

∶marine aquaculture；waste heat recovery；heat pump；thermodynamic cycle；Ebsilon software

2016-09-28

國家重點研發(fā)計劃(2016YFB0601300)； 山東省科學院基礎基金(科基合字(2015)第8號)

江亞柯(1991—)，女，碩士研究生，研究方向為供熱、供燃氣通風及空調工程。

*通信作者，高博。E-mail: 84344707@qq.com

TU833+.1

A

1002-4026(2017)02-0052-07

10.3976/j.issn.1002-4026.2017.01.009