海产养殖中余热回收热泵系统热力循环优化方法

江亚柯，武雨果，高博,刘靖

(1.河南理工大学土木工程学院，河南 焦作 454003； 2. 山东省科学院流动与强化传热重点实验室，山东省科学院能源研究所，山东 济南 250014 )

【能源与动力】

海产养殖中余热回收热泵系统热力循环优化方法

江亚柯1,2，武雨果1,2，高博2*,刘靖1

(1.河南理工大学土木工程学院，河南 焦作 454003； 2. 山东省科学院流动与强化传热重点实验室，山东省科学院能源研究所，山东 济南 250014 )

采用Ebsilon软件构建了海产养殖余热回收和热泵供热系统的热力循环模型，通过仿真计算分析了一个典型的海产养殖热泵系统工程案例的系统缺陷。经过优化，系统能效提高一倍左右，以青岛地区冬季室内一个海参育苗池为例，日节电可达2 000 kW·h，节能潜力巨大，经济效益显著。研究表明，利用热泵回收海产养殖排水余热，最关键的是要遵循“温度对口，梯级利用”的科学用能原则。

海产养殖；余热回收；热泵；热力循环；Ebsilon软件

工业化海产养殖对水温控制有着严格的要求，例如对虾在育苗时要求水温控制在22～25 ℃[1]，而生长期的最佳温度为29.7 ℃[2]；海参育苗温度约20 ℃[3]；鲆鲽鱼养殖适宜水温为10～15 ℃[4]，大菱鲆养殖要求水温低于20 ℃[1,3]。另外，海产养殖需要频繁换水，而且每次换水量很大[3]，海水温度较低时需要消耗大量热能用于加热，直接造成生产成本升高，成为困扰海水养殖业发展的一大难题。换水过程中排水含有大量可利用的余热，若能回收利用，必然是一个降低生产能耗、提高生产效益的有效途径。

目前，世界上开展海产养殖余热利用相关研究的学者主要集中在国内，且主要来自于青岛、大连等北方沿海城市的高校和科研院所，其中青岛理工大学相关成果较多，国际上反而很少有相关报道，这种研究现状与各国海产养殖产业发展水平、能源紧张程度以及地域气候条件等有很大关系。

海水源热泵技术的相关研究近年来取得了一系列新进展[5-7]，在国内外均有较为成熟的实际应用[8-9]。在海水养殖余热利用的各种技术方案中，海水源热泵无疑是最受关注的一种。目前已有的研究表明，海水源热泵系统在北方海域海产养殖场的应用具有可行性，在环保和经济性方面均比燃煤、燃气锅炉和电加热等传统生产模式有所提高。其中，张吉光等[1]对开式热泵系统作为热源或冷源加热或冷却海水技术方案进行了经济性分析；刘珂珂[3]、刘国丹等[10]对海水源热泵系统在北方地区某海参养殖场的具体应用案例进行了系统设计和分析，有效解决了工业化养殖温控环节存在的问题；李秀辰等[11]探讨了养殖废水温度和流量对热泵的制热性能、养殖用水升温和废水余热的回收效果的影响，指出利用热泵设备对养殖用水的锅炉电加热节能减排效果显著。

目前，国内外对于海水源热泵的研究和应用经验，绝大多数是来自于用于采暖的海水源热泵[12]，然而这些经验并不能完全适用于海产养殖余热回收。海产养殖热泵系统的特殊性，主要体现在热水输出温度与低温热源温度比较接近，若系统设计不够优化，很容易产生较大的火用损失；反之，若能最大限度地实现温度梯级利用，系统效率会大幅度提高。例如， Shi等[13]通过火用分析对一个利用太阳能的海水源热泵系统进行了优化，同时强调对设备的选择应该给予更多关注，劣质的组件可以大大降低整体性能；殷尧其[12]通过换热器充分回收养殖排水中的冷量和热量，减少了热泵系统配制容量与运行能耗，取得了显著的节能效果，社会效益与经济效益较其他方案更为显著。上述研究表明，现有各种技术方案虽然有一定的可行性和经济性，但是在系统设计运行方面，仍有很大的优化空间。

本文通过对现有海水养殖热泵系统热力学循环的仿真分析，挖掘系统节能潜力，提出了更加符合温度对口原则的系统优化方案。

1 热力循环模型仿真

本文采用Ebsilon®Professional软件(试用版)建立海产养殖余热回收和热泵供热系统的热力循环模型并进行仿真模拟。Ebsilon软件是德国STEAG公司开发的热力循环过程的模拟软件[14]，主要用于电站规划、设计和优化，由于其部件灵活性和方法通用性非常高，几乎适用于模拟任何热力循环过程的能量平衡和质量平衡，其中包括制冷循环和热泵循环。

Ebsilon软件在构建系统循环模型时主要涉及了压缩机、蒸发器、冷凝器等组件(Component)，其图例和模型详见表1。针对具体案例建立的热泵系统整体热力循环模型的拓扑结构图将在后文介绍。

为了检验Ebsilon软件在热泵系统热力循环仿真方面的适用性，本文选择特灵公司的RTWS105热泵机组作为参照系，建立了如图1所示的系统模型，分别模拟了45 ℃、50 ℃和55 ℃热水工况下的系统运行状况，参考工况为冷水进水温度15 ℃，出水温度7 ℃；热水进出水温差为5 ℃。模型设定压缩机效率0.8，电机效率0.85，蒸发器换热效率0.8，冷凝器冷水侧进出口温度按工况设定。机组参数(特灵公司在互联网上公布的数据)与计算结果详见表2，其中制热能效比(COP)是按照制热量除以输入功率计算得到的，未采用厂商公布的数据。

表1 海产养殖热泵系统核心部件图例和模型

图1 水源热泵机组热力循环模型Fig.1 The thermodynamic cycle model of water source heat pump units

热水工况项目制热量/kW输入功率/kW制热COP蒸发器水流量/(m3·h-1)冷凝器水流量/(m3·h-1)45℃参考值376．086．44．432．968．4计算值378．486．74．432．866．0相对误差/%0．60．30．30．33．555℃参考值348．5100．03．528．463．7计算值349．4100．53．528．461．2相对误差/%0．30．50．20．03．960℃参考值335．2108．23．126．061．4计算值334．9107．03．126．358．8相对误差/%0．11．11．01．14．2

从表2中可见，采用Ebsilon软件的仿真计算数据与参考数据的相对误差最大只有4.2%，大部分数据的相对误差都小于1.1%，表明计算模型是非常可靠的。

2 案例分析

2.1 工程概况

刘珂珂[3]针对青岛某海参养殖场的实际需求，设计了海水养殖热泵系统，采用海水源热泵承担换水热负荷，并在育苗池内布置毛细管加热器，对池水进行加热，以维持育苗池内水温恒定。此外，采用污水源热泵回收排水中的余热，用作毛细管加热器的热源。其系统流程图如图2所示，虚线表示育苗池废水排入海水的过程。冬季海水水温设为2 ℃，海水经过一级钛板换热器，与废水池的15 ℃排水进行换热，温度提升至7 ℃，然后经过海水源热泵，温度提升至20 ℃，送入育苗池；废水经过一级钛板换热器温度降为10 ℃，排入海中；污水源热泵从废水池中15 ℃排水取热，温度降为10 ℃排回废水池，在热水侧将毛细管加热器20 ℃回水加热至23 ℃。该育苗场每天换水5次，每次1 h，总换水流量为360 m3/h，换水热负荷为5 460 kW；厂房内环境温度18 ℃，供热负荷为303 kW。

图2 海参育苗场热泵系统流程图[3]Fig.2 The flow chart of heat pump system for the sea cucumber seedling plant [3]

2.2 仿真分析

根据图2所示流程图，可分别建立海水源热泵系统和污水源热泵系统的热力循环仿真模型，采用R22作为制冷工质，其热物性通过Ebsilon软件内置的Refprop数据库获得。

从图3可见，海水源热泵系统提供热负荷5 324.4 kW，压缩机输入功率996.8 kW，制热COP为5.3。文献[3]中的热泵选型为2台螺杆式水-水热泵机组PSRHH6604，制热量2 821.7 kW(共5 643.4 kW)，输入功率618.9 kW(共1 237.8 kW)，COP为4.6，选型基本合理，但是也存在冷热水流量与冬季工况不匹配的问题。从图4可见，污水源热泵系统提供热负荷303.5 kW，压缩机功率42.2 kW，COP为7.2，COP如此之高的原因在于低温热源温度15～10 ℃品位与输出热水温度23 ℃品位十分接近，循环效率高是正常的。文献[3]中选用水源螺杆机组GSG310ASA，制热量373 kW，功率98 kW，COP只有3.8，显然选型不合理。

文献[3]所述的海参育苗场热泵系统在海产养殖领域比较有代表性，除了设备选型有不合理之处外，还存在一些原则上的错误，最关键的是没有按照“温度对口，梯级利用”的原则合理利用余热，这一点在国内在役的海产养殖热泵系统中比较普遍。

图3 海水源热泵系统热力循环模型和仿真计算结果Fig.3 The thermodynamic cycle model and simulation calculation results of the seawater source heat pump system

图4 污水源热泵系统热力循环模型和仿真计算结果Fig.4 The thermodynamic cycle model and simulation calculation results of the sewage source heat pump system

3 系统优化

3.1 优化热泵系统流程

对图2所示的换水热泵系统进行优化，在换水过程中，20 ℃的育苗池排水不再排入废水池，而是直接通过换热器预热新鲜海水，2 ℃的海水经过预热温度升至12 ℃后，作为低温热源提供给用于加热海水的热泵，最后排入废水池或者直接排入大海，系统流程图如图5所示。

3.2 仿真对比分析

对比原换水热泵系统图3，图6中有一些数据发生了显著的变化。首先，在换水流量和温度没有变化的前提下，压缩机输入功率由996.8 kW降低为543.5 kW，冷凝器制热3 276.4 kW，热泵COP为6.0；其次，蒸发器海水流量由1 142.2 m3/h降至360.0 m3/h，泵功率由70.3 kW降至22.2 kW，共计节省501.4 kW。

图6 海参育苗场换水热泵系统热力循环模型与仿真计算结果Fig.6 The thermodynamic cycle model and simulation calculation results of heat pump system for heating fresh seawaterpoured into the sea cucumber seedling pool

图6显示，换水热泵系统几乎将育苗池排水余热全部利用，排水最终温度为3.1 ℃，与海水温度2 ℃非常接近了。而用于补偿育苗池热能损失、维持池温恒定的热泵系统就只能用海水作为低温热源了，系统将变为如图7所示的形式。对比图4所示的原供热热泵系统，发生变化的数据主要是压缩机输入功率，由42.2 kW上升至61.6 kW；蒸发器海水流量也有小幅度上升，泵功率增加0.9 kW，共计增加功率20.3 kW。

图7 海参育苗场供热热泵系统热力循环模型与仿真计算结果Fig.7 The thermodynamic cycle model and simulation calculation results of heat pump system for maintaining constant temperature of the sea cucumber seedling pool

因为供热热泵每天需要运行24 h，而换水热泵每天需要运行5 h，因此，上述系统在理想状态下每天可以节电2 019.8 kW·h，节能潜力巨大。当然，这种情况只发生在冬季海水温度较低的工况下，夏季节能优势就没有这么明显。如果按照每年90 d平均日节电1.8 ×103kW·h估算，年可节电1.6×105kW·h，经济效益约为12～25万元。

4 结论

通过案例研究表明，在利用热泵回收海产养殖排水余热时，应首先利用温度品位最高的余热对给水进行预热，用温度品位居中的余热为主要负荷的热泵提供低温热源，用品位最低的余热为次要负荷的热泵提供低温热源，即要遵循“温度对口，梯级利用”的科学用能原则。同时，要避免热泵输出温度远远高于所需温度，例如，一些工程案例中利用热泵制取40 ℃热水再与冷水掺混至20 ℃的做法是非常错误的；也要避免低温热源温度远远超过蒸发温度，造成较大的不可逆损失。在目前世界性能源危机的背景下，该研究的节能、环保作用在实际的工程中具有非常大的优越性。

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[14] 朱泓逻. 基于Ebsilon的火电厂热力系统建模、监测及优化[D]. 北京：清华大学，2015.

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

国家重点研发计划(2016YFB0601300)； 山东省科学院基础基金(科基合字(2015)第8号)

江亚柯(1991—)，女，硕士研究生，研究方向为供热、供燃气通风及空调工程。

*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