海水源熱泵對(duì)海參育苗廢水熱能回收的工程應(yīng)用

李秀辰，鄧 偉，張殿光，母 剛，張國(guó)琛，陳 帥，車(chē) 全

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海水源熱泵對(duì)海參育苗廢水熱能回收的工程應(yīng)用

李秀辰1，鄧 偉1，張殿光1，母 剛1，張國(guó)琛1，陳 帥1，車(chē) 全2

（1. 大連海洋大學(xué)遼寧省漁業(yè)裝備工程技術(shù)研究中心，大連116023； 2. 大連鑫玉龍海洋珍品有限公司，大連 116222）

該文針對(duì)水產(chǎn)生物工廠化育苗水體升溫技術(shù)需求，開(kāi)展了利用育苗廢水作熱源為育苗水體升溫的海水源熱泵集成技術(shù)應(yīng)用示范，探討了集成系統(tǒng)對(duì)海參育苗水體升溫和廢水熱能的回收效果。結(jié)果表明，進(jìn)入Ⅰ級(jí)換熱器的育苗廢水和新鮮海水溫度分別為10.3～14.9 ℃和?1.9～4.9 ℃時(shí)，新鮮海水出水溫度提升4.6～5.8 ℃，廢水熱能最大回收率達(dá)到59.2%；海水源熱泵的廢水熱源溫度和流量一定時(shí)，新鮮海水的溫升幅度隨其入流流量和溫度升高而降低，入流溫度分別為7.3和10.3 ℃的新鮮海水，流量不超過(guò)15和20 m3/h時(shí)，出水溫度均保持在15 ℃以上，滿足海參育苗水溫要求。熱泵對(duì)廢水熱能的最大回收率為40.7%，COP（coefficient of performance）在5.03以上；集成升溫系統(tǒng)比傳統(tǒng)鍋爐升溫綜合節(jié)能37.6%以上，減排二氧化碳約2 200 t/a，當(dāng)年內(nèi)可收回設(shè)備投資費(fèi)用。

廢水；加熱；溫度；海參；水體升溫；海水源熱泵；熱能回收

0 引 言

隨著中國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，水產(chǎn)苗種市場(chǎng)需求不斷增加，苗種培育已成為水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的重要組成部分。2015年中國(guó)海水苗種產(chǎn)量達(dá)78.4億尾[1]，僅遼寧省大連市水產(chǎn)苗種場(chǎng)已達(dá)1 000余家，育苗水體超過(guò)300多萬(wàn)m2[2]。然而，因受氣候條件制約，中國(guó)北方水產(chǎn)育苗生產(chǎn)企業(yè)每年有5～6個(gè)月，需要將?2～5 ℃的水體升溫至15～23 ℃[3]。目前主要采用燃煤（油、氣）鍋爐或電加熱進(jìn)行水體升溫。因育苗用水量大，致使水體升溫能源消耗巨大，升溫成本高達(dá)生產(chǎn)成本的1/3以上[4-6]，同時(shí)，大量育苗廢水直接排放，導(dǎo)致大量熱能浪費(fèi)[7]。面對(duì)資源、能源與環(huán)保壓力，實(shí)現(xiàn)高效、低成本和節(jié)能生產(chǎn)，是工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)發(fā)展急需解決的問(wèn)題[8-9]。諸多研究表明，利用熱泵技術(shù)進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)和廢熱回收具有明顯的優(yōu)勢(shì)[10-13]。柴立龍等[14-15]分別研究了地源熱泵和主動(dòng)蓄放熱-熱泵聯(lián)合加溫技術(shù)對(duì)日光溫室的調(diào)節(jié)與節(jié)能效果；龔希武等[16-17]計(jì)算分析了海水源熱泵用于建筑空氣調(diào)節(jié)的可行性、負(fù)荷及經(jīng)濟(jì)性；倪龍等[18]提出熱泵與輔助加熱聯(lián)合技術(shù)不僅可降低空調(diào)初始投資，而且有利于提高熱泵效率；Baik等[19]研究發(fā)現(xiàn)，海水源熱泵串聯(lián)使用，可改善其運(yùn)行效果。另有研究表明，熱泵技術(shù)用于水產(chǎn)養(yǎng)殖水溫調(diào)節(jié)，不僅可縮短養(yǎng)殖周期，而且節(jié)能優(yōu)勢(shì)明顯[20-21]；鄭榮進(jìn)等[22]探討了太陽(yáng)能-熱泵聯(lián)合集熱系統(tǒng)對(duì)溫室水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)的空氣調(diào)節(jié)效果；劉國(guó)丹[23]等比較分析了地源熱泵和海水源熱泵在海參養(yǎng)殖水體升溫的經(jīng)濟(jì)性；Oh等[24]研究表明，利用海水源熱泵可將養(yǎng)殖水體的溫度理想范圍內(nèi)；Okamoto[25]將海水源熱泵用于水族館溫度調(diào)節(jié)，發(fā)現(xiàn)節(jié)能減排效果明顯；李秀辰等[26-27]開(kāi)展了利用海水源熱泵回收養(yǎng)殖廢水余熱和水體升溫的實(shí)驗(yàn)室規(guī)模試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)該技術(shù)具有良好的制熱性能和節(jié)能減排效果。然而，海水源熱泵裝備技術(shù)在中國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖中的應(yīng)用鮮有報(bào)道。

本文針對(duì)中國(guó)北方地區(qū)水產(chǎn)苗種工業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)需求，開(kāi)展了海參工廠化育苗水體升溫與廢水熱能回收集成技術(shù)應(yīng)用示范。采用海水源熱泵機(jī)組（Ⅰ級(jí)換熱器與海水源熱泵設(shè)備）與鍋爐集成升溫模式對(duì)育苗水體升溫和廢水熱能回收。通過(guò)生產(chǎn)運(yùn)行，探討海水源熱泵機(jī)組對(duì)海參育苗水體的升溫和廢水熱能的回收效果，并且對(duì)集成技術(shù)的節(jié)能減排效果進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，以期為海水源熱泵技術(shù)在中國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用，提供相關(guān)技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

1.1.1 企業(yè)生產(chǎn)概述

本文試驗(yàn)在大連鑫玉龍海洋珍品有限公司進(jìn)行，該公司位于遼寧省大連市普蘭店海參島，公司擁有海參育苗水體3萬(wàn)m3，育苗水體溫度為15 ℃；育苗系統(tǒng)每天排放廢水5 000 m3，廢水溫度為15 ℃；每天需要補(bǔ)充新鮮海水5 000 m3，現(xiàn)采用燃煤鍋爐對(duì)補(bǔ)充水體升溫。

1.1.2 試驗(yàn)用水

新鮮海水：取自該企業(yè)的新鮮海水蓄水池，冬季升溫期間，新鮮海水的溫度為?1.9～5.0 ℃，鹽度為30～33‰，無(wú)冰凍現(xiàn)象。

育苗廢水：取自海參育苗車(chē)間，經(jīng)過(guò)沉降凈化后儲(chǔ)于廢水蓄水池中，作為Ⅰ級(jí)換熱器和海水源熱泵設(shè)備的熱源。

1.1.3 系統(tǒng)設(shè)備

海參育苗水體升溫與廢水熱能回收集成系統(tǒng)原理圖如圖1所示。該系統(tǒng)由海水源熱泵機(jī)組、鍋爐和蓄水池等組成。海水源熱泵機(jī)組主要由Ⅰ級(jí)換熱器和海水源熱泵設(shè)備組成，Ⅰ級(jí)換熱器設(shè)計(jì)流量為400 m3/h，由2臺(tái)鈦合金板式換熱器并聯(lián)使用，單臺(tái)換熱面積為155 m2、設(shè)計(jì)流量為200 m3/h；海水源熱泵設(shè)備由壓縮機(jī)（上海漢鐘精機(jī)股份有限公司生產(chǎn)的 RC2-100BF 型雙螺桿制冷壓縮機(jī)，額定功率為30 kW），滿液式蒸發(fā)器（換熱面積為5.5 m2），板式冷凝器（換熱面積為6.8 m2）等組成，制冷工質(zhì)為R22，設(shè)計(jì)流量為20 m3/h；鍋爐設(shè)備為1臺(tái)20 t燃煤蒸汽鍋爐，運(yùn)行水體流量為400 m3/h。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，來(lái)自新鮮水蓄水池的海水與來(lái)自廢水池的部分育苗廢水首先在Ⅰ級(jí)換熱器中進(jìn)行熱交換，提溫后的新鮮海水泵入中間蓄水池，提取熱能后的育苗廢水經(jīng)企業(yè)排污管道排放；另外，來(lái)自廢水池的另一部分育苗廢水進(jìn)入海水源熱泵的蒸發(fā)器，作為海水源熱泵的熱源，對(duì)來(lái)自中間蓄水池的一部分水體進(jìn)行升溫，升溫后的新鮮海水送至海參育苗車(chē)間，經(jīng)熱泵提取熱能后的育苗廢水經(jīng)企業(yè)排污管道排放；中間蓄水池的其他新鮮海水則由鍋爐設(shè)備升溫后送入海參育苗車(chē)間。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 Ⅰ級(jí)換熱器運(yùn)行試驗(yàn)

根據(jù)海參育苗生產(chǎn)工藝要求，將進(jìn)出Ⅰ級(jí)換熱器的育苗廢水和新鮮海水的流量分別調(diào)至設(shè)計(jì)流量400 m3/h，測(cè)定Ⅰ級(jí)換熱器中育苗廢水進(jìn)/出口溫度和新鮮海水進(jìn)/出口溫度，核算新鮮海水的升溫幅度和育苗廢水熱能回收率，考察Ⅰ級(jí)換熱器對(duì)育苗水體的升溫和育苗廢水熱能的回收效果。

1.2.2 海水源熱泵設(shè)備運(yùn)行試驗(yàn)

將進(jìn)入海水源熱泵設(shè)備的育苗廢水（熱源）的流量調(diào)至設(shè)計(jì)流量20 m3/h，對(duì)來(lái)自中間蓄水池的新鮮海水進(jìn)行升溫，新鮮海水流量為10～20 m3/h。分別測(cè)定蒸發(fā)器內(nèi)部工質(zhì)進(jìn)/出口溫度和壓力、育苗廢水進(jìn)/出口溫度，冷凝器內(nèi)部工質(zhì)進(jìn)/出口溫度和壓力、新鮮海水進(jìn)/出水溫度和流量，壓縮機(jī)吸氣/排氣溫度和壓力、電流和電壓等。確定新鮮海水的升溫幅度和育苗廢水溫降幅度，核算海水源熱泵設(shè)備對(duì)新鮮海水的升溫效果和育苗廢水熱能的回收率以及制熱性能系數(shù)COP（coefficient of performance）。

1.2.3 鍋爐設(shè)備運(yùn)行試驗(yàn)

將鍋爐設(shè)備的供水流量調(diào)至400 m3/h，與海水源熱泵設(shè)備共同對(duì)中間蓄水池的新鮮海水進(jìn)行升溫，運(yùn)行期間，每天記錄鍋爐設(shè)備的煤碳和電功率消耗量。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間：2014年12月15日至2015年4月15日。

1.3 計(jì)算方法

1.3.1 制熱性能系數(shù)COP計(jì)算

海水源熱泵設(shè)備的COP由下式求得[28]：

式中COP為海水源熱泵的制熱性能系數(shù)，無(wú)量綱；為海水源熱泵單位質(zhì)量工質(zhì)的制熱量，kW/kg；為海水源熱泵單位質(zhì)量工質(zhì)壓縮機(jī)所消耗的電能，kW/kg。

1.3.2 熱能回收率計(jì)算

Ⅰ級(jí)換熱器或海水源熱泵對(duì)育苗廢水熱能的回收率可由下式計(jì)算

式中w為育苗廢水的熱能回收率，%；0為Ⅰ級(jí)換熱器或海水源熱泵中育苗廢水的入流溫度，℃；Δ為Ⅰ級(jí)換熱器或海水源熱泵中育苗廢水進(jìn)、出水溫差，℃。

2 結(jié)果與分析

2.1 Ⅰ級(jí)換熱器運(yùn)行效果

系統(tǒng)運(yùn)行期間，Ⅰ級(jí)換熱器中育苗廢水和新鮮海水的溫度變化如圖2所示。由圖2看出，進(jìn)入Ⅰ級(jí)換熱器的育苗廢水與新鮮海水的溫差越大，新鮮海水升溫效果越好。當(dāng)育苗廢水和新鮮海水的入流溫度分別為10.3和?1.9 ℃（溫差為12.2 ℃）時(shí)，新鮮海水和育苗廢水的出口溫度分別為3.9和4.2 ℃，新鮮海水的溫升幅度和育苗廢水溫降幅度分別達(dá)到5.8和6.1 ℃；當(dāng)育苗廢水和新鮮海水的入流溫度分別為14.9和4.9 ℃（溫差為10.0 ℃）時(shí)，新鮮海水和育苗廢水的出口溫度分別為9.5和10.0 ℃，新鮮海水的溫升幅度和育苗廢水溫降幅度分別為4.6和4.9 ℃。另由圖2發(fā)現(xiàn)，2014年12月至次年3月期間，Ⅰ級(jí)換熱器中育苗廢水的入流溫度在10.3～13.0 ℃之間波動(dòng)，比育苗車(chē)間排放的廢水溫度（15 ℃）平均低3.4 ℃，由于廢水蓄水池未進(jìn)行保溫隔熱處理，因而造成一定的熱量散失。不過(guò)在運(yùn)行工況條件下，Ⅰ級(jí)換熱器對(duì)新鮮海水的升溫幅度仍保持在4.6～5.8 ℃，育苗廢水熱能的最大回收率達(dá)到59.2%。

2.2 海水源熱泵設(shè)備運(yùn)行效果

廢水熱源的溫度為14.5 ℃、流量為20 m3/h時(shí)，不同新鮮海水溫度和流量工況下，海水源熱泵中新鮮海水和育苗廢水的溫度變化以及熱泵的制熱性能系數(shù)分別見(jiàn)圖3和圖4。

圖3結(jié)果顯示，當(dāng)海水源熱泵中廢水熱源的溫度和流量一定時(shí)，新鮮海水的溫升幅度與其入流溫度和流量成反比。例如，當(dāng)進(jìn)入冷凝器的新鮮海水溫度為7.3 ℃，流量由10增至20 m3/h時(shí)，新鮮海水的出水溫度分別為18.6和13.2 ℃，其溫升幅度由11.3降至5.9 ℃；當(dāng)冷凝器中入流新鮮海水的溫度為10.3 ℃時(shí)，在對(duì)應(yīng)流量條件下，新鮮海水的出水溫度分別為20.1和16.6 ℃，新鮮海水的溫升幅度由9.8降至6.3 ℃。在運(yùn)行工況條件下，育苗廢水的溫降幅度為5.7～6.0 ℃。分析原因，當(dāng)進(jìn)入海水源熱泵的育苗廢水的溫度和流量一定時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)被蒸發(fā)器中的工質(zhì)提取的總熱量相對(duì)穩(wěn)定，因而育苗廢水的溫降幅度變化不大；同時(shí)，在系統(tǒng)換熱量一定的條件下，當(dāng)新鮮海水的流量增加時(shí)，其換熱溫差減小[28-29]，因此冷凝器出水的溫升幅度降低；另外，當(dāng)進(jìn)入冷凝器的新鮮海水的溫度升高時(shí)，冷凝溫度隨之升高[29-30]，致使新鮮海水的溫升幅度減小。由圖3還可看出，當(dāng)進(jìn)入冷凝器的新鮮海水溫度為7.3 ℃，流量不超過(guò)15 m3/h時(shí)，新鮮海水的出水溫度保持在15.1～18.6 ℃，當(dāng)新鮮海水的入流溫度為10.3 ℃，流量達(dá)到20 m3/h時(shí)，冷凝器出水的溫度為16.6 ℃，均可滿足海參育苗水溫（15 ℃）要求。系統(tǒng)運(yùn)行期間，海水源熱泵設(shè)備對(duì)育苗廢水熱能的最大回收率達(dá)到40.7%。

由圖4可知，當(dāng)廢水熱源的溫度和流量保持不變時(shí)，海水源熱泵的制熱性能隨新鮮海水的入流流量增加而增加，隨新鮮海水的入流溫度升高而降低。在運(yùn)行工況條件下，當(dāng)冷凝器中入流新鮮海水的溫度為7.3 ℃，流量由10增至20 m3/h時(shí)，海水源熱泵設(shè)備的COP由5.28增至5.52；當(dāng)進(jìn)入冷凝器的新鮮海水的溫度升至10.3 ℃，在對(duì)應(yīng)流量條件下，海水源熱泵設(shè)備的COP由5.03增至5.40。主要是因?yàn)殡S著新鮮海水的流量增加，冷凝器中流體的雷諾數(shù)增大，努謝爾數(shù)隨之增加[26]，單位時(shí)間內(nèi)新鮮海水獲取的總熱量增加[29-30]，因此熱泵設(shè)備的COP隨之增加；另一方面，當(dāng)冷凝器中新鮮海水的入流溫度升高時(shí)，冷凝溫差減小，壓縮機(jī)的功耗增加，致使熱泵設(shè)備的COP降低[29-30]。在運(yùn)行工況條件下，當(dāng)冷凝器中新鮮海水的入流流量保持在15 m3/h以上時(shí)，海水源熱泵設(shè)備具有較佳的制熱性能。

2.3 節(jié)能減排效果核算

2.3.1 計(jì)算依據(jù)

該企業(yè)每天升溫新鮮海水5 000 m3，升溫期為每年11月中旬至次年4月中旬，年升溫天數(shù)按150 d計(jì)。根據(jù)該企業(yè)所處的地理位置，水體升溫期按寒冷期（新鮮海水溫度低于0 ℃）為60 d、常規(guī)期（新鮮海水溫度0～5 ℃）為90 d計(jì)算。本文分別按集成升溫（海水源熱泵機(jī)組+鍋爐）和傳統(tǒng)升溫（鍋爐升溫）核算相關(guān)節(jié)能減排指標(biāo)。

集成升溫系統(tǒng)中Ⅰ級(jí)換熱器運(yùn)行流量為400 m3/h，每天運(yùn)行12.5 h，配套4臺(tái)功率分別為18.5 kW的循環(huán)水泵；海水源熱泵設(shè)備的額定功率為30 kW、制熱量為130 kW，配套1.8 kW的廢水泵和新鮮海水泵各1臺(tái)，每天升溫新鮮海水400 m3；鍋爐設(shè)備的運(yùn)行流量為400 m3/h，每天運(yùn)行11.5 h，2臺(tái)循環(huán)水泵的功率分別為18.5 kW，鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)和上煤機(jī)構(gòu)等輔助設(shè)備的功率共計(jì)160 kW。

傳統(tǒng)升溫鍋爐的運(yùn)行流量為400 m3/h，升溫期間，每天運(yùn)行12.5 h，直接將新鮮海水（?1.9～5.0 ℃）升溫至15 ℃，其他配套設(shè)備同上。

其他參數(shù)：海水定壓比熱取4.096 kJ/(kg·℃)、密度取1 021.54 kg/m3；企業(yè)采購(gòu)的煤炭燃燒值為22 990 kJ/kg、價(jià)格為800元/t、鍋爐熱效率為65%，用電電價(jià)為0.9元/(kW×h)，1 t標(biāo)煤二氧化碳排量按2.4 t計(jì)算[13]。

2.3.2 升溫能耗與能源費(fèi)用核算

升溫期間，海水源熱泵機(jī)組的電能消耗量和鍋爐設(shè)備的煤炭消耗量分別按公式（3）和（4）計(jì)算[28]

（4）

式中1、2分別為海水源熱泵機(jī)組和鍋爐升溫所需的總熱量，kJ/a；COP為海水源熱泵的制熱性能系數(shù)，無(wú)量綱；W為海水源熱泵機(jī)組每年消耗的電能，(kW·h)/a；W為鍋爐設(shè)備每年消耗的煤炭量，kg/a；為煤炭的燃燒值，取22 990 kJ/kg（企業(yè)提供數(shù)據(jù)）；η為鍋爐設(shè)備的熱效率，取65%（企業(yè)提供數(shù)據(jù)）。

2.3.3 設(shè)備投資回收期計(jì)算

海水源熱泵機(jī)組設(shè)備投資回收期按公式（5）計(jì)算[28]

式中為投資回收期，a；Δ為海水源熱泵機(jī)組增加的投資額，本期投資60萬(wàn)元；Δ為海水源熱泵設(shè)備每年節(jié)約能源費(fèi)用，萬(wàn)元/a。

Δ=1?2（6）

1=0.8W1×10-4

2=(0.9W+0.8W2)×10-4

式中1為傳統(tǒng)鍋爐升溫每年消耗的能源費(fèi)用，萬(wàn)元/a；2為集成升溫每年消耗的能源費(fèi)用，萬(wàn)元/a；W為海水源熱泵機(jī)組每年消耗的電能，(kW×h)/a；W1為傳統(tǒng)升溫鍋爐設(shè)備每年消耗的煤炭量，kg/a；W2為集成升溫鍋爐設(shè)備每年消耗的煤炭量，kg/a。

海參育苗水體集成升溫與傳統(tǒng)鍋爐升溫工況下，主要節(jié)能減排指標(biāo)的核算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同升溫方式的能耗與溫室氣體排放量

由表1看出，每日升溫新鮮海水5 000 m3時(shí)，集成升溫和傳統(tǒng)鍋爐升溫系統(tǒng)的能耗量分別為4.19×1010和6.72×1010kJ/a，二氧化碳排放量分別為3 657.7和5 856.8 t/a，集成升溫系統(tǒng)比傳統(tǒng)鍋爐升溫綜合節(jié)能37.6%以上，減排二氧化碳約2 200 t/a，而且當(dāng)年即可收回海水源熱泵機(jī)組設(shè)備的投資費(fèi)用，可見(jiàn)海水源熱泵機(jī)組取得了比較顯著節(jié)能減排效果。

3 結(jié) 論

本文針對(duì)水產(chǎn)生物工廠化育苗水體升溫技術(shù)需求，設(shè)計(jì)完成了由Ⅰ級(jí)換熱器與海水源熱泵設(shè)備組成水體升溫和廢水熱能回收系統(tǒng)，并應(yīng)用于海參工廠化育苗生產(chǎn)中，系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果表明

1）Ⅰ級(jí)換熱器的換熱效率與育苗廢水和新鮮海水的溫差成正比，利用溫度為10.3～14.9 ℃的海參育苗廢水，可將?1.9～4.9 ℃的新鮮海水提升至3.9～9.5 ℃，新鮮海水的最大溫升幅度為5.8 ℃，育苗廢水的溫降幅度達(dá)到4.9～6.1 ℃，廢水熱能的最大回收率達(dá)到59.2%。

2）當(dāng)育苗廢水溫度和流量一定時(shí)，海水源熱泵設(shè)備對(duì)新鮮海水的升溫幅度隨其入流流量和溫度升高而降低。入流溫度分別為7.3和10.3 ℃的新鮮海水，流量由10提高到20 m3/h時(shí)，溫升幅度分別由11.3和9.8 ℃降至5.9和6.3 ℃；當(dāng)新鮮海水的流量分別為15和20 m3/h時(shí)，海水源熱泵設(shè)備可將其溫度提升至15 ℃以上，滿足海參育苗生產(chǎn)需要；另外，在運(yùn)行工況條件下，海水源熱泵設(shè)備具有良好的制熱性能，系統(tǒng)COP一直保持在5.03以上；升溫期間，育苗廢水的溫降幅度為5.7～6.0 ℃，熱能最大回收率達(dá)到40.7%。

3）與傳統(tǒng)鍋爐升溫相比，集成升溫系統(tǒng)綜合節(jié)能37.6%以上，每年減排二氧化碳約2 200 t，而且當(dāng)年可回收設(shè)備投資，海水源熱泵機(jī)組用于育苗水體升溫和廢水熱能回收，具有比較明顯的節(jié)能減排方面優(yōu)勢(shì)。

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Engineering application of seawater-source heat pump for waste heat recovery in sea cucumber breeding system

Li Xiuchen1, Deng Wei1, Zhang Dianguang1, Mu Gang1, Zhang Guochen1, Chen Shuai1, Che Quan2

(1.116023,; 2.,116222,)

In order to cut down energy consumption, heat loss and air pollution for water heating in indoor aquaculture system, a seawater-source heat pump system, which comprised 2 heat exchangers (namely I-stage exchangers) and a seawater-source heat pump and employed waste water as heating source, was developed and applied in an aquatic organism indoor nursing system. The onsite flow rate of waste water and fresh seawater in I-stage exchangers were regulated to 400 m3/h, respectively. The flow rate of waste water in the seawater-source heat pump was 20 m3/h, while the flow rate of fresh seawater increased from 10 to 20 m3/h during the onsite operation. The effectiveness for fresh seawater heating and the heat recovery of waste water by the seawater-source heat pump system were studied on site, and the amounts of energy consumption and carbon emission during the heating period were correspondingly calculated and compared with conditional coal-fired boiler heating approach. It showed that the heat-exchanging efficiency of I-stage heat exchangers was in direct proportion to the temperature difference of inflowing waste water and fresh seawater. When the inlet temperatures of waste water and fresh seawater were 10.3 and -1.9 ℃, respectively, the 5.8 ℃ increment of temperature in fresh seawater and 6.1 ℃ drop of temperature in waste water were observed. Additionally, with 14.9 ℃ inflowing waste water and 4.9 ℃ fresh seawater, the outlet temperature of fresh seawater increased to 9.5 ℃, while the waste water dropped to 10.0 ℃. The maximum heat recovery efficiency by I-stage exchangers from waste water was 59.5%. On the other hand, when the temperature and flow rate of inflowing waste water were not changed, the temperature increment of fresh seawater from the seawater-source heat pump was inversely proportional to its inflowing rate and temperature. With waste water of 14.9 ℃ as the heat source of the seawater-source heat pump, the temperature of fresh seawater increased from 7.3 to 18.6 ℃ at 10 m3/h and to 13.2 ℃ at 20 m3/h, which brought out temperature increment of 5.9-11.3 ℃. In the same case, the temperature of fresh seawater out of the seawater-source heat pump increased from 10.3 to 20.1 ℃ at 10 m3/h and to 16.6 ℃ at 20 m3/h, with temperature increment of 6.3-9.8 ℃. Accordingly, when the temperature of inflowing fresh seawater was 7.3 and 10.3 ℃, appropriate water temperature (15 ℃) could be obtained for aquatic organism indoor nursing by keeping the flow rate of fresh seawater at 15 and 20 m3/h, respectively. It was also found that the temperature drop of waste water in the seawater-source heat pump was about 6 ℃ during the operation, which gained the heat recovery efficiency of 40.7% for waste water. The coefficient of performance (COP) of the seawater-source heat pump was 5.03-5.52. In comparison with traditional coal-fired boiler heating approach, the integrated seawater-source heat pump system demonstrated significant drop in energy consumption (over 37.6%) and carbon dioxide emission (about 2 200 t/a). The payback period for the seawater-source heat pump system would be about 0.77 a. Therefore the seawater-source heat pump system has an obvious potential in energy conservation and carbon emission reduction in indoor aquaculture system.

waste water; heating; temperature; sea cucumber; water heating; seawater-source heat pump; heat recovery

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.09.028

TKS

A

1002-6819(2017)-09-0218-06

2016-12-11

2017-04-12

遼寧省科學(xué)技術(shù)重點(diǎn)項(xiàng)目（2008228001）；大連市科技興海專(zhuān)項(xiàng)資金項(xiàng)目（20140301）

李秀辰，女，博士，教授，主要從事漁業(yè)裝備與節(jié)能減排技術(shù)研究。大連 大連海洋大學(xué)遼寧省漁業(yè)裝備工程技術(shù)研究中心，116023。 Email：lxc@dlou.edu.cn

李秀辰，鄧 偉，張殿光，母 剛，張國(guó)琛，陳 帥，車(chē) 全. 海水源熱泵對(duì)海參育苗廢水熱能回收的工程應(yīng)用[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(9)：218－223. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.09.028 http://www.tcsae.org

Li Xiuchen, Deng Wei, Zhang Dianguang, Mu Gang, Zhang Guochen, Chen Shuai, Che Quan. Engineering application of seawater-source heat pump for waste heat recovery in sea cucumber breeding system[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(9): 218－223. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.09.028 http://www.tcsae.org