以育苗废水作热源的海水热泵制热性能研究

(大连海洋大学辽宁省渔业装备工程技术研究中心,辽宁大连116023)

摘要：以新鲜海水和育苗废水作热源,研究了海水热泵的制热性能和对育苗水体的升温效果。结果表明:增加海水热源温度和流量,有利于提高海水热泵的蒸发温度和制热量,当海水热源温度和流量保持在16℃和300 L/h以上时,海水热泵具有良好的制热性能,热泵的制热系数COP值超过3.5;提高海水热源温度,冷凝器出水升温幅度随之增加,但是随着海水热源流量增大,冷凝器出水升温幅度明显下降,当海水热源温度高于16℃、流量小于300 L/h时,冷凝器出水升温幅度保持在5.8℃以上;利用净化后的育苗废水(温度为21～23℃,流量为300 L/h)作热源时,海水热泵具有良好的运转性能,热泵的COP值达到4.2,冷凝器出水升温幅度达7.6℃,海水热泵的水体升温费用与燃煤锅炉相当,仅为燃气锅炉、电加热和燃油锅炉加热费用的14.5%、23.7%和28.5%。

近年来,工厂化水产养殖在中国得到了迅速发展,养殖规模已超过1 300万m3[1]。水产苗种生产是工厂化水产养殖的重要组成部分,由于受气候条件限制,育苗生产中每年有6～8个月需要给水体升温,目前生产上主要利用燃煤(油、气)锅炉或电加热进行水体升温,能源消耗巨大,另外由于育苗系统每天换水量很大,育苗废水直接排放造成了巨大的能源浪费[2-3]。因此,开展育苗废水余热回收和再利用技术研究,是工厂化水产养殖节能减排的重要课题[4]。国外已有利用热泵技术进行养殖水体控温的研究报道,特别是在利用海水热泵为养殖水体升温的研究方面取得了重要成果[8-12];国内对热泵技术的研究和利用主要集中在建筑行业对空气温度的调节[5-7],而有关利用海水热泵进行养殖水体控温的研究报道较少。李颂哲等[13]利用井水和柴油机冷却水作热源进行了对虾育苗水体热泵升温的试验研究,发现热泵运转费用是电加热的1/4。本研究中,作者设计完成了一套实验室规模的海水热泵系统,分别利用新鲜海水和育苗废水作热源,对海水热泵的制热性能、废水余热回收和育苗用水升温效果进行试验研究,探讨海水热泵的制热效率以及对育苗废水余热回收和用水升温的可行性,并对热泵的运转经济性进行分析评价。

1 材料与方法

1.1.1 试验用水新鲜海水取自大连市黑石礁海域,沙滤后备用;育苗废水取自实验室循环水养殖系统,经过滤和生物净化后使用。

1.1.2 海水热泵系统海水热泵系统主要由蒸汽压缩式热泵、水系统、温度检测和电控装置等组成(图1)。蒸汽压缩式热泵由往复式压缩机(QR3-44,功率为2 kW)、壳管式蒸发器和冷凝器(换热面积分别为1.3 m2和1.1 m2)、内平衡式热力膨胀阀等组成,制冷工质为氟利昴(R22);水系统由水体净化装置、水泵和储水池等组成,用于蒸发器热源海水的供应和冷凝器升温海水的收集;海水热泵系统中各检测点的温度由XMD-12004H型温度巡检仪监测,测温范围为-200～600℃;电控系统用于控制海水热泵系统的运行。海水热泵系统的海水运行温度为5～25℃,设计流量为100～600 L/h。

1.2.1 海水热泵的制热性能试验采用新鲜海水作为海水热泵的热源,试验设置6个海水热源温度分别为10、16、18、20、23℃,设置5个海水热源流量分别为150、200、300、350、400 L/h,以此研究不同海水热源温度和流量对海水热泵制热性能的影响。试验时先开启水泵,待水泵正常运转后,开启压缩机,压缩机运行稳定后调节海水热源流量;当海水热源温度一定,在每一个试验流量条件下,待系统运转稳定后,通过温度巡检仪记录热泵系统各监测点的温度,每个监测点连续测温10次,取其平均值;改变海水热源温度,重复上述试验。

1.2.2 育苗废水余热回收和新鲜海水升温效果试验将海水热泵系统与实验室循环水养殖系统串联(图1),利用育苗废水作海水热泵的热源,为新鲜海水(育苗用水)升温,考察海水热泵对育苗废水余热回收和对新鲜海水升温的效果。试验时,育苗废水由养殖池排出,经沉降、气浮和生物净化,进入海水热泵蒸发器中为工质蒸发提供热量,待升温的新鲜海水(与进入蒸发器的废水流量相等)进入冷凝器中吸收工质冷凝所放出的热量,温度升高,作为育苗用水。

1.2.3 指标测定测定海水热泵系统各监测点的温度,包括:蒸发器内部、蒸发器工质进/出口和海水热源进水/出水口温度;冷凝器内部、冷凝器工质进/出口和新鲜海水进水/出水口水温度;压缩机吸/排气温度等。

式中:Q为热泵单位质量工质制热量(kW/kg); W为热泵单位质量工质压缩机消耗功率(kW/kg)。

2 结果与分析

从图2可见,随着新鲜海水热源温度的增加,热泵的蒸发温度和制热量明显增加。当海水热源温度由10℃升至23℃时,在试验流量范围内,热泵的蒸发温度由-25.4～-18.2℃升至0.3～2.2℃,系统制热量提高2倍以上。由此可见,提高海水热源温度,热泵的制热性能明显提高。这主要是由于蒸发温度提高,热泵循环中的蒸发压力增加,压缩机的排气温度降低,因此制热量增加。在本试验条件下,当海水热泵热源温度为10℃时,由于蒸发温度低,蒸发器的换热效率大大降低,系统制热量亦偏低;当海水热源温度超过16℃时,由于蒸发温度提高幅度较大,系统可获得较高的制热效果。

图2 新鲜海水热源温度和流量对热泵蒸发温度和制热量的影响
Fig.2 Effects of new seawater temperature and flowing rate on evaporation temperature and heating capacity of a seawater heat pump

从图2还可以看出,当海水热源温度一定时,增加热源流量,热泵的蒸发温度和制热量亦随之升高,这是因为随着海水热源流量的增加,蒸发器的换热负荷逐渐增大,因此蒸发温度和实际制热量升高。在本试验条件下,当海水热源温度低于16℃时,热源流量的变化对蒸发温度和系统制热量的影响更明显。当海水热源温度为10℃、流量由150 L/h增至400 L/h时,热泵的蒸发温度由-25.4℃升至-18.2℃,系统制热量大约提高28%;而当海水热源温度为23℃、流量由150 L/h增至400 L/h时,蒸发温度和系统制热量分别提高1.9℃和12%。

综合分析试验结果可知,海水热源温度的变化对热泵蒸发温度和制热性能的影响更为显著,在本试验条件下,当海水热源温度高于16℃时,热泵系统的制热性能较好。

从图3可见,随着海水热源温度的增加,热泵的COP值明显增加。当海水热源温度为10℃时,在试验流量范围内,热泵的COP值为2.3～2.9;当海水热源温度高于16℃时,热泵系统的制热性能明显改善(COP值在3.5以上);而当海水热源温度升至23℃时,热泵COP值达到4.1～4.5,制热效果显著。由试验结果还可发现,当海水热源温度一定时,增加热源流量,热泵COP值亦随之增加,特别是当海水热源温度较低时,热源流量的变化对热泵制热性能的影响更明显。当海水热源温度为10～16℃、流量由150 L/h增至400 L/h时,热泵的COP值提高了30%～39%;当海水热源温度为16～23℃、流量由150 L/h增至400 L/h时,热泵的COP值提高了17%～31%。由此可见,加大低温海水热源的流量,有利于提高热泵的制热性能,但在较高热源温度条件下,流量超过300 L/h时,对热泵COP值的影响不显著。

图3 新鲜海水热源温度和流量对热泵COP值和冷凝器出水升温幅度的影响
Fig.3 Effects of new seawater temperature and flowing rate on COP and temperature increment in condenser outlet water

从图3还可见,在每一种热源流量条件下,冷凝器出水升温幅度随海水热源温度的升高而增大,特别是当流量较低时,提高海水热源温度,冷凝器出水升温幅度明显增大。当海水热源流量为150 L/h时,热源温度由10℃升至23℃,冷凝器出水升温幅度由6.8℃增至14.9℃。由试验结果还发现,在每一种海水热源温度条件下,热源流量越低,冷凝器出水升温幅度越大,而且当海水热源温度较高时,热源流量的变化对新鲜海水升温效果的影响愈加显著。当海水热源温度为10℃、海水热源流量由150 L/h增至400 L/h时,冷凝器出水升温幅度由6.8℃降至3.9℃(大约降低43%);而当海水热源温度为23℃、海水热源流量由150 L/h增至400 L/h时,冷凝器出水升温幅度降低60%。

综合分析试验结果可知,当海水热源温度较低且流量较小时,由于蒸发温度较低,蒸发器结霜从而影响换热效果,海水热泵系统的实际制热量就降低,因此COP值和冷凝器出水升温幅度均比较小;随着海水热源温度和流量的增加,蒸发温度升高,同时冷凝器的水流量增加,从而降低了冷凝温度,使系统的制热量增大,压缩机损耗功率减小,热泵COP值和冷凝器出水升温幅度也相应增加。

由海水热源温度和流量对热泵COP值影响的方差分析结果(取α=0.025,查表[16]得F1-α(4, 16)=3.73,计算得F温度=435.52＞3.73,F流量= 46.42＞3.73)可知,海水热源温度和流量对海水热泵的制热性能有很大影响,其中海水热源温度对热泵COP的影响更显著;同样由海水热源温度和流量对冷凝器出水升温效果影响的方差分析结果(取α=0.025,查表[16]得F1-α(4,16)=3.73,计算得F流量=35.67＞3.73,F温度=13.28＞3.73)可知,冷凝器出水升温幅度与海水热源温度和流量有关,其中流量对升温幅度的影响更显著。

本试验中育苗水体温度为21～23℃,系统排放废水和补充新鲜海水的流量均为300 L/h。育苗废水经过沉淀池、气浮和生物滤池净化后作为热源,进入蒸发器,试验过程中测得热泵系统中各检测点的温度变化见表1。根据表1计算得到,热泵的平均蒸发温度为-3.3℃,冷凝温度为28.1℃,压缩机实际制热量为5.15 kW,COP值为4.2,冷凝器出水升温幅度达到7.6℃,试验结果与利用新鲜海水(温度20～23℃、流量300 L/h)作热源的海水热泵性能指标基本一致。可见,利用经过净化的育苗废水(温度为21～23℃,流量为300 L/h)作海水热泵的热源时,海水热泵系统具有良好的运转性能和水体升温效果。

为了评价海水热泵为育苗水体升温的经济性,对利用海水热泵为育苗水体升温和采用其它传统方式供热的能耗费用进行对比分析,计算依据如下:

表1 育苗废水作热源的海水热泵系统各监测点的温度
Tab.1 The temperature at survey sites in a seawater heat pump using effluent from a hatchery as heat sources in a recirculating aquaculture system℃

试验次数experimental samples蒸发器工质压缩机蒸发器冷凝器冷凝器工质refrigerant in evaporator进口inlet出口排气出口冷凝器内inside outlet compressor吸气intake exit evaporator进水inlet water出水outlet蒸发器内inside evaporator出水outlet condenser water condenser进水inlet water water refrigerant in condenser进口inlet outlet .145.941.1 2 -3.85.96.2114.018.321.517.325.818.3107.646.341.1 3 -3.25.76.2114.218.121.517.125.818.3107.546.141.1 4 -2.65.56.2114.318.221.617.425.818.3108.246.641.2 5 -2.96.36.6114.618.321.617.426.018.3108.446.641.3 6 -3.46.66.6114.418.321.617.426.018.3108.446.441.1 7 -2.76.26.4114.418.321.617.526.018.3108.646.341.2 8 -2.96.26.4114.518.321.717.426.018.3108.446.541.4 9 -4.36.26.5114.718.321.717.426.018.3108.446.541.4 10-2.95.96.3114.718.521.717.526.018.310 1 -3.93.66.1114.318.421.517.425.818.2108 8.646.641.5

设育苗水体温度为21～23℃,育苗废水排放流量为300 L/h(系统每天换水量为7 200 L),分别利用海水热泵、电加热、燃煤锅炉、燃气锅炉将等量的新鲜海水(设初始水温为15℃),升温至21～23℃。不同加热方式的能源消耗量分别按下面相应公式计算[16]:

式中:WH、WE分别为海水热泵和电加热为育苗用水升温所消耗的功率(kW);Q为育苗用水升温所需热量(kJ/d);COP为海水热泵制热系数;BC、BG、BO分别为育苗用水升温消耗的燃煤量(kg)、天然气量(m3)和燃油量(kg);ηC、ηG、ηO分别为燃煤、燃气和燃油效率,分别取ηC=0.70, ηG=0.75,ηO=0.80。

设目前我国农业用电价格为0.6元/(kW·h),燃煤价格为900元/t,天然气价格为3.0元/m3,燃油价格为5 000元/t。据此计算得到用不同加热方式升温等量新鲜海水的能源消耗费用见图4。

由图4可以看出,利用海水热泵为育苗补充水体升温时,随着海水热源温度的提高,用海水热泵升温的费用明显降低。当利用温度为10℃的海水作热源时,海水热泵为育苗补充水体的升温费用为14.5元/d;当利用温度为21～23℃的育苗废水作热源时,海水热泵的升温费用降至8.6～8.9元/d,可见利用育苗废水作热源比低温海水作热源的升温费用成本降低40%左右。另外,对比不同加热方式的升温费用可以看出:利用燃煤锅炉为育苗补充水体升温时,能耗费用约为10元/d,与利用16～18℃的海水热源的热泵升温费用相当(9.6～10.8元/d);采用燃油锅炉、电加热和燃气锅炉为育苗补充水体升温时,能源费用分别为30.2、36.3、59.5元/d,此3种加热方式的升温费用分别为用10℃新鲜海水作热源的海水热泵升温费用的2.1、2.5和4.1倍,分别为用育苗废水(21～23℃)作热源的海水热泵升温费用的3.5、4.2和6.9倍。

3 结论

海水热源温度和流量对海水热泵制热性能有显著影响,提高海水热源温度和流量,海水热泵的蒸发温度、系统制热量和COP值明显升高,有利于改善热泵的制热性能,当海水热源温度高于16℃、流量在300 L/h以上时,海水热泵具有良好的制热性能(COP值在3.5以上);海水热源流量和温度对冷凝器出水升温幅度的影响也比较显著,提高海水热源温度、降低流量,冷凝器出水升温幅度增加,当海水热源温度在16℃以上、流量小于300 L/h时,冷凝器出水升温幅度在5.8℃以上;利用育苗废水(21～23℃)作热源的海水热泵的COP值达到4.2,育苗水体温度平均提升7.6℃,具有明显的节能效果;利用育苗废水作热源的海水热泵的升温费用分别为利用燃气锅炉、电加热和燃油锅炉加热费用的14.5%、23.7%和28.5%。虽然目前采用海水热泵提升育苗水体温度与采用燃煤锅炉升温的能源费用基本相当,但考虑到燃煤价格不断上涨和燃煤造成的环境污染的影响,利用育苗废水作热源的海水热泵设备具有显著的节能优势和环保潜力。

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A seawater heating pump using effluent from a hatchery for heat recovery in a recirculating aquaculture system

LI Xiu-chen,WU Li-na,ZHANG Guo-chen,MU Chen-xiao,MU Gang
(Research&Development Center of Fisheries Equipment and Engineering of Liaoning Province,Dalian Ocean University,Dalian 116023,China)

Abstract：The performance and water heating efficiency of a seawater heat pump were studied using clean seawater and wastewater or effluent as heating sources,in a recirculating aquaculture system.Results showed that increase in temperature and flow rate of the heat sources led to improvement of operating performance of the seawater heating pump.The coefficient of operating performance(COP)of the seawater heating pump was found to be over 3.5 when the heat sources was at temperature of above 16℃and flow rate of 300 L/h.Also,the water temperature in condenser outlet rose significantly as the heating source was decreased in flow rate or increased in temperature.The water temperature was increased to over 5.8℃at the condenser outlet when the heat sources was up to 16℃and flow rate of less than 300L/h.Furthermore,the seawater heat pump showed favorable performance when it used the waste water(21-23℃and 300 L/h)from a hatchery as the heat source in marine culture system,with the COP of 4.2,rising by 7.6℃at the condenser water outlet,and the energy cost being equivalent to that using coal fired boiler,only 14.5%of gas fired boiler,23.7%of electricity and 28.5%of oil fired boiler.

Key words：seawater heating pump;aquaculture;heating;wastewater;residual heat;recovery