海水育苗采用海水源熱泵加熱海水的可行性分析

姜衍禮，董信林，崔從明

（威海中天羲和新能源技術(shù)有限公司，山東 威海 264200）

海水育苗采用海水源熱泵加熱海水的可行性分析

姜衍禮，董信林，崔從明

（威海中天羲和新能源技術(shù)有限公司，山東 威海 264200）

隨著國(guó)家對(duì)海水養(yǎng)殖業(yè)的重視，近幾年海水育苗得到大力發(fā)展，尤其是海參、對(duì)蝦、鮑魚(yú)、扇貝、大菱鲆、河豚等珍貴的水產(chǎn)品種的育苗越來(lái)越多，不同品種的育苗對(duì)水溫要求不同，海參育苗要求水溫在16～23℃，海水魚(yú)（如大菱鲆）育苗要求水溫在12～20℃，蝦類(lèi)、貝類(lèi)育苗要求水溫在22～25℃。每年11月份至翌年5月是海水育苗集中季節(jié)，山東育苗地區(qū)主要集中在山東半島，而此時(shí)山東半島的近海水溫為2～10℃，溫度較低，需要給海水升溫；夏季8、9月份，海水溫度可達(dá)25℃，需要給海水降溫。目前海水育苗均采用邊補(bǔ)邊排的活水養(yǎng)殖方式，有大量廢水排放，因此海水育苗不但耗能大，而且能源浪費(fèi)嚴(yán)重。

目前海水育苗加熱海水的方式，主要采用燃煤鍋爐，采用燃煤鍋爐造價(jià)和運(yùn)行費(fèi)用雖然較低，但會(huì)引起大氣污染。煤炭?jī)r(jià)格也隨開(kāi)采量的減少而逐漸增加，燃煤鍋爐已不符合國(guó)家節(jié)能減排的基本國(guó)策。威海地區(qū)目前擁有近百家育苗企業(yè)，育苗水體60萬(wàn)m3，到2015年水產(chǎn)育苗能力超過(guò)300萬(wàn)m3，這些育苗企業(yè)海水育苗加熱海水的方式均采用燃煤鍋爐，按加熱每立方水體每年需要消耗煤炭400 kg，目前威海地區(qū)每年需消耗煤炭20多萬(wàn)t，排放CO2高達(dá)50萬(wàn)t、SO21 600 t、NOX1 400 t，形勢(shì)嚴(yán)峻，現(xiàn)在急需一種節(jié)能環(huán)保的海水加熱的方式來(lái)替代燃煤鍋爐。目前，水源熱泵技術(shù)以其低投入、高產(chǎn)出的優(yōu)越性在建筑采暖制冷中已經(jīng)得到大力應(yīng)用，本文將對(duì)將其應(yīng)用到海水育苗中的可行性進(jìn)行分析，供所在地區(qū)育苗條件與威海地區(qū)相類(lèi)似的相關(guān)從業(yè)者以參考。

1 海水育苗海水源熱泵技術(shù)簡(jiǎn)介

海水源熱泵采用耐海水腐蝕換熱器，海水可以直接進(jìn)入到海水源熱泵蒸發(fā)器，吸收海水中的低溫?zé)崮埽ㄟ^(guò)壓縮機(jī)做功，在熱泵冷凝器放熱到需要加熱的海水中，實(shí)現(xiàn)加熱的目的。夏天可轉(zhuǎn)換熱泵冷凝器和蒸發(fā)器的管路，同樣實(shí)現(xiàn)制冷的目的。

2 海水源熱泵在不同工況下的性能

制熱海水溫度和吸收海水溫度對(duì)海水源熱泵的制熱系數(shù)（COP）影響很大，制熱海水溫度越低，吸收海水溫度越高，海水源熱泵的制熱系數(shù)越大。如LSBLR-1090S海水源熱泵機(jī)組，在采暖空調(diào)工況下，熱源海水溫度6/1℃，制熱水溫度40/45℃，制熱性能系數(shù)COP是3.80；熱源海水溫度10/5℃，制熱水溫度40/45℃，制熱性能系數(shù)COP是4.09。

在海水育苗工況下，熱源海水溫度6/1℃，制熱水溫度13/18℃，制熱性能系數(shù)COP是6.91；在熱源海水溫度6/1℃，制熱水溫度22/27℃，制熱性能系數(shù)COP是6.21；在熱源海水溫度10/5℃，制熱水溫度13/18℃，制熱性能系數(shù)COP是7.54；在熱源海水溫度10/5℃，制熱水溫度22/27℃，制熱性能系數(shù)COP是6.78。

由圖1可見(jiàn)，在海水育苗工況下，熱泵機(jī)組的制熱性能系數(shù)COP大于6.0，而在采暖空調(diào)工況下，熱泵機(jī)組的制熱性能系數(shù)COP為4.0左右。所以熱水機(jī)組在海水育苗工況下優(yōu)勢(shì)大于采暖空調(diào)工況，更加節(jié)能，更具有優(yōu)勢(shì)。

我們采用梯級(jí)加熱方式，通過(guò)鈦板換熱器先回收廢水中的一部分熱量，在經(jīng)過(guò)海水源熱泵進(jìn)一步加熱，系統(tǒng)制熱性能系數(shù)可進(jìn)一步提高。這種方式可充分回收廢水中的余熱，降低海水源熱泵的功率和機(jī)組的造價(jià)。

圖1 海水源熱泵在不同海水溫度下的制熱性能系數(shù)

3 節(jié)能環(huán)保效益分析

以3 000 m3水體海參育苗為例就其技術(shù)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析。

3.1 海參育苗海水源熱泵系統(tǒng)工藝流程

海參育苗池3 000 m3，水溫要求18℃，每天換水1/3，3 d清洗池1次，平均每天需1 500 m3新鮮海水補(bǔ)充，按海水最低溫度2℃計(jì)算，排水溫度17℃，育苗加熱時(shí)間210 d。

系統(tǒng)工藝流程圖如圖2所示，2℃新鮮海水先通過(guò)鈦合金換熱器和排出的17℃廢海水換熱，然后6℃廢海水進(jìn)入海水源熱泵蒸發(fā)器，預(yù)熱后的13℃新海水進(jìn)入海水源熱泵冷凝器加熱到需要的溫度18℃。

圖2 海水育苗海水源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行原理圖

3.2 海參育苗池?zé)崴臒崃看_定

海參育苗池每天熱水耗熱量Q用下公式計(jì)算:

式中：Cp為水的定壓熱容，4.19 kJ/（kg·℃）；△T為水的溫升（即熱水溫度18℃與基礎(chǔ)水溫2℃之差）；M為海水的質(zhì)量，1 500 m3×1.03×103kg/m3。

代入數(shù)據(jù)計(jì)算得Q＝1.04×108kJ。

3.3 海水源熱泵熱負(fù)荷確定

設(shè)計(jì)小時(shí)耗熱量Q1用下式計(jì)算:

式中：CP為水的定壓熱容，4.19 kJ/（kg·℃）；△T為水的溫升（即熱水溫度18℃與基礎(chǔ)水溫13℃之差）；M為海水的質(zhì)量，1500 m3×1.03×103kg/m3。

代入數(shù)據(jù)計(jì)算得Q1＝8991.04 kW。

采用12小時(shí)工作，海水源熱泵熱負(fù)荷為：8991.04 kW/12=749.25 kW。

3.4 海水源熱泵節(jié)能效益

海水源熱泵在熱源海水溫度6/1℃，制熱水溫度13/18℃，制熱性能系數(shù)COP是6.91，海水源熱泵耗電量為749.25 kW/6.91=108.43 kW，輸送能耗占系統(tǒng)能耗的比例為20%，系統(tǒng)制熱總耗電量130.12 kW，系統(tǒng)總制熱量為：

3.4 .1海水源熱泵系統(tǒng)制熱性能系數(shù)COP

海水源熱泵系統(tǒng)制熱性能系數(shù)COP用下式計(jì)算:

式中：Qr為海水源熱泵系統(tǒng)總制熱量，2407.41 kW；Wr為海水源熱泵系統(tǒng)制熱總耗電量，130.12 kW。

代入數(shù)據(jù)計(jì)算得COP＝18.50。

3.4 .2海水育苗海水源熱泵系統(tǒng)耗電量計(jì)算

海水源熱泵系統(tǒng)平均熱負(fù)荷Qrp用下式計(jì)算：

式中：Qr為海水源熱泵系統(tǒng)總制熱量，2407.41 kW；Tr為制取海水溫度，18℃；Tp為海水平均溫度，6.37℃；Tj為海水計(jì)算溫度，2℃，代入數(shù)據(jù)計(jì)算得：

海水育苗系統(tǒng)耗熱量Qhr用下式計(jì)算：

式中：N加熱天數(shù)，按210計(jì)算。

代入數(shù)據(jù)計(jì)算得Qhr=1.59×1010kJ。

該海水源熱泵系統(tǒng)制熱性能系數(shù)COP為18.50，則系統(tǒng)制熱理論耗電量為23.89萬(wàn)kWh。

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T2589-81，標(biāo)準(zhǔn)煤發(fā)熱量為29 271 kJ/kg，每kWh電能消耗標(biāo)準(zhǔn)煤為0.347 kg，折算出海水源熱泵系統(tǒng)制熱年耗煤量為82.91 t。

3.5 海水育苗采用燃煤鍋爐熱水系統(tǒng)

若海水加熱完全由燃煤鍋爐提供，燃煤鍋爐熱效率按60%計(jì)算，則每年耗煤量為：

采用海水海水源熱泵機(jī)組比燃煤鍋爐熱水系統(tǒng)每年節(jié)省煤炭量：905.36 t-82.91 t=822.45 t。

3.6 經(jīng)濟(jì)效益

3 000 m3水體海參育苗海水源熱泵系統(tǒng)的總投資為150萬(wàn)元，單位體積投資為500元/m3，使用燃煤鍋爐制熱總投資為36萬(wàn)元，單位體積投資為120元/m3，采用海水源熱泵比燃煤鍋爐需增加投資114萬(wàn)元。見(jiàn)表1。

表1 項(xiàng)目的節(jié)能效益

采用海水育苗海水源熱泵系統(tǒng)每年耗電量為23.89萬(wàn)kWh，按電價(jià)0.75元/kWh，則海水源熱泵系統(tǒng)每年運(yùn)行費(fèi)用17.92萬(wàn)元；采用燃煤鍋爐每年耗煤量為905.36 t，標(biāo)準(zhǔn)煤價(jià)格按1 000元/t計(jì)算，每年運(yùn)行費(fèi)用為90.54萬(wàn)元；采用海水育苗海水源熱泵系統(tǒng)比燃煤鍋爐系統(tǒng)每年節(jié)省費(fèi)用為72.62萬(wàn)元。靜態(tài)投資回收期約為1.57年。

3.7 環(huán)保效益

按統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，燃燒每噸標(biāo)準(zhǔn)煤的燃燒會(huì)向大氣排放CO22.62 t，SO28.5 kg，NOX7.4 kg。項(xiàng)目采用海水源熱泵機(jī)組每年可節(jié)省煤炭822.45 t，減排CO2高達(dá)2 155 t，SO2減排7 t，NOX減排6 t。

4 小結(jié)

采用海水源熱泵技術(shù)用于海水育苗海水加熱具有重要的節(jié)能與環(huán)保及經(jīng)濟(jì)價(jià)值，在技術(shù)上是可行的，在工程實(shí)施上也完全具有可行性。

海水育苗采用海水源熱泵比燃煤鍋爐具有明顯的優(yōu)勢(shì),能充分回收利用海水育苗的排水中的能量、占地少、無(wú)污染、運(yùn)行費(fèi)用低，并能促進(jìn)集約化水產(chǎn)養(yǎng)殖的發(fā)展、減少地下水開(kāi)采、保護(hù)地下水資源和防止海水回灌，是替代燃煤鍋爐的較好方案，其經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著，符合目前我國(guó)能源、環(huán)保的基本政策和國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展要求。

10.3969/j.issn.1004-2091.2017.02.007

2016-08-15）