空氣源熱泵應用于蝦塘供熱的性能測試與分析

邵鵬，邵亮亮，曹祥，高鵬，張春路

（同濟大學機械與能源工程學院 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，人們對食物的需求越發(fā)多樣化，南美白對蝦的營養(yǎng)價值豐富，肉質肥嫩鮮美，深受大家喜愛。南通如東是重要的南美白對蝦養(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），即在農田開辟池塘進行對蝦養(yǎng)殖。到2014年下半年已有近5萬張棚，遍布整個沿海區(qū)域。同年，如東年產南美白對蝦6.8萬噸，年產值35億元，凈利潤14億元[1]。

白對蝦適宜生長在20℃以上的水環(huán)境[2-3]，遠高于如東地區(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?shù)匚r農用于維持塘溫的主要設備。然而，出于減少排放、保護環(huán)境的目的，從2018年 5月開始，如東縣政府公布對蝦養(yǎng)殖污染意見，在全縣內禁用燃煤鍋爐[5]。因此，當前蝦農急需新的供熱方案替代燃煤鍋爐，其中首推熱泵技術。

圖1 蝦塘“小棚養(yǎng)殖”模式

早在20世紀末，李頌哲等[6]和莫炳堅等[7]就將熱泵技術應用于水產養(yǎng)殖系統(tǒng)，取得了可觀的經濟效益。近年來，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程中的廢熱，該熱泵系統(tǒng)比傳統(tǒng)鍋爐節(jié)能35%以上，當年可回收設備投資費用。陳凡等[11]、王立寧等[12]和羅迎賓等[13]通過熱泵實現(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，海水源熱泵對養(yǎng)殖地理位置要求嚴苛，而地源熱泵初投資高，回收周期長。兩種熱泵優(yōu)勢明顯，但缺陷同樣突出，不利于熱泵技術在水產養(yǎng)殖領域的市場化?？諝庠礋岜貌粌H具備清潔高效和技術成熟的特點，而且機組可以在任何地點投入使用，初投資低，設備可靠，因此空氣源熱泵取代鍋爐可行的。

空氣源熱泵廣泛應用于各領域[14-15]，在學術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霜造成的系統(tǒng)性能及供熱量下降問題。BYUN等[17]研究了用熱氣旁路法來延緩空氣源熱泵的結霜。趙寶國等[18]結合采暖工程的實際運用數(shù)據(jù)，分析了集中式空氣源熱泵在采暖工程的應用優(yōu)勢。一系列研究為空氣源熱泵設計和應用指明了方向，提供了指導。

在綜合考慮養(yǎng)殖情況和實際需求后，本文首先根據(jù)過往冬季單個蝦塘煤炭消耗量估算了蝦塘負荷，選擇了一臺與負荷匹配的空氣源熱泵機組，在某蝦塘測試系統(tǒng)性能，并基于仿真改進空氣源熱泵的運行策略，最后從投資回報周期的角度分析空氣源熱泵的經濟性。

1 負荷估算

通過調研發(fā)現(xiàn)，單個蝦塘長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，結合煤炭的燃燒熱值（23,000 kJ/kg）、單價（0.9元/kg）和熱效率（0.7），可以估算出蝦塘所需要的供熱量?？紤]到一臺鍋爐在實際使用中會供應多個蝦塘，熱水輸送管道距離長，沿途有較大的熱損失，按照最大20%計算。通過計算可得單個蝦塘平均負荷為28.7 kW。

依據(jù)計算結果，選擇國內某知名品牌的 10匹空氣源熱泵熱水器，可以在環(huán)境溫度7℃時為蝦塘提供大約30 kW的熱量?？紤]到本文計算的是平均負荷，為了避免惡劣天氣工況下負荷過大，熱泵供熱能力不足，我們還選配了一臺熱量30 kW的電加熱器，以備不時之需。

2 熱泵實際運行分析

為了分析空氣源熱泵為蝦塘供熱的實際運行狀況，在某蝦塘進行了為期一個月的運行測試，測試數(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。熱泵機組如圖2所示。

熱泵系統(tǒng)實際運行分析包含兩個方面：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計水溫 20℃以上，定頻熱泵供熱能力受環(huán)境溫度影響較大。熱泵實際制熱量和性能系數(shù)COP的計算方式如下：

式中：

Q——熱泵實際制熱量，kW；

cp——水的定壓比熱容，kJ/kg；

m——水體積流量，m3/h；

Tout，Tin——出水和進水溫度，℃；

W——耗電量，kW；

COP——熱泵制熱系數(shù)。

圖2 蝦塘熱泵機組

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，當氣溫為0℃時，熱泵只能提供24 kW的熱量，COP為3.2，表明熱泵機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，機組制熱量和COP也隨之升高，最高制熱量可達34 kW，最高COP可達4.1。在平均溫度7℃時，制熱量為27.7 kW，雖然略低于單個蝦塘估算的平均負荷，但是蝦塘水容量為161～240 t，巨大的熱容使較少的熱量對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，水溫基本維持在20℃以上，空氣源熱泵通過合理的開停既滿足了蝦塘的供熱負荷，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，空氣源熱泵實驗系統(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閉時刻、水溫及對應的控制邏輯。供熱周期內，早晚都會詢問蝦農當?shù)貧庀鬆顩r，獲得實時的氣溫、晴/陰，再根據(jù)已有的水溫數(shù)據(jù)，預測下個時刻的水溫，從而指導蝦農開啟或關閉空氣源熱泵主機。18日15:00和20日15:00時的塘水溫度高，加上蝦塘巨大的熱容保證塘溫在相當長的時間維持在設計水溫以上。20日7:00水溫降至設計值，24日9:00水溫降至對蝦停止生長。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)運行測試前，由于缺少蝦塘負荷以及空氣源熱泵主機運行數(shù)據(jù)時，這種人為的熱泵開停控制邏輯，有效保證了冬季蝦塘的供熱需求。但是，在取得了一個供熱周期的實驗數(shù)據(jù)后，通過數(shù)據(jù)分析蝦塘水溫變化以及空氣源熱泵主機性能，供熱系統(tǒng)運行策略有較大的改進空間。

3 熱泵運行策略改進

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

表2 模型實驗值與仿真值對比

由表2可知，實驗值與仿真值在壓縮機吸/排氣壓力、熱泵回/出水溫度和系統(tǒng)制熱量等關鍵參數(shù)的最大相對誤差不超過 2%，吸氣溫度和排氣溫度的誤差也在合理的范圍內。

由第2節(jié)分析可知，良好的運行策略可以通過以下3點實現(xiàn)：1）塘水溫度不宜過高。高水溫必然引起更高的負荷，系統(tǒng)提供更多的熱量，但也散失更多的熱量；2）設置一個塘水溫度警戒線。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，水溫很容易低過設計值；3）盡量在環(huán)境溫度高時開啟熱泵。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，低氣溫會引發(fā)結霜，降低系統(tǒng)制熱性能。

圖5 改進的運行策略流程

圖6 改進運行策略的水溫和功耗變化

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

空氣源熱泵系統(tǒng)在改進運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 經濟性分析

很多地區(qū)燃煤鍋爐已經被政府禁止使用，熱泵技術節(jié)能環(huán)保的特點，成為冬季蝦塘供熱方式的替代方案之一。相比于燃煤鍋爐，熱泵設備初投資更高，但運行成本更低，因此需要從投資回報周期的角度分析熱泵技術應用于蝦塘養(yǎng)殖的經濟性。

空氣源熱泵技術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，改進的空氣源熱泵運行策略使得運行成本進一步降低。

對蝦養(yǎng)殖為了提高成活率和縮短養(yǎng)殖周期，首先要將蝦苗標粗，即把體長0.8～1 cm的蝦苗放在蝦塘培育到體長3 cm大規(guī)格蝦苗，標粗一般需要40 d左右，標粗放苗密度一般為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)后的消費拉動促使價格高于正常收購價兩倍，利潤非常可觀。

春季蝦在2月標粗，此時天氣仍寒冷，需要熱泵供熱，分苗后天氣逐漸暖和不再需要加熱。一個配備空氣源熱泵的蝦塘可以為7個蝦塘分苗，相比于冬季蝦，春季蝦產量更高，運行成本更低。同時引入空氣源熱泵的春季蝦，提前1個月上市，對蝦市場還處于空白期，出蝦價格較高，利潤空間大。

兩季對蝦養(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)鹽和人工費等。

表3 冬季和春季對蝦養(yǎng)殖收益

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

5 結論

本文選配了一臺空氣源熱泵機組來替代燃煤鍋爐為冬季蝦塘供熱，并采用液體載冷劑法測試了機組運行性能，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)對系統(tǒng)運行策略做出了進一步的改進，最后對空氣源熱泵應用于蝦塘的經濟性進行了分析，得出以下結論：

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

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

3）相比于人工經驗的空氣源熱泵運行策略，基于實驗數(shù)據(jù)分析和仿真模型的改進運行策略，降低了29.1%的電量消耗；

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