空气源热泵应用于虾塘供热的性能测试与分析

邵鹏，邵亮亮，曹祥，高鹏，张春路

（同济大学机械与能源工程学院 制冷与低温工程研究所，上海 201804）

0 引言

随着生活水平日渐提高，人们对食物的需求越发多样化，南美白对虾的营养价值丰富，肉质肥嫩鲜美，深受大家喜爱。南通如东是重要的南美白对虾养殖基地，凭借 100余公里海岸线提供的渔业资源，发展出“小棚养殖”模式（图1），即在农田开辟池塘进行对虾养殖。到2014年下半年已有近5万张棚，遍布整个沿海区域。同年，如东年产南美白对虾6.8万吨，年产值35亿元，净利润14亿元[1]。

白对虾适宜生长在20℃以上的水环境[2-3]，远高于如东地区的冬季平均气温(7℃)。因此冬季养殖需要对养殖塘供热。燃煤锅炉初投资低、控制方便[4]，一直是如东当地虾农用于维持塘温的主要设备。然而，出于减少排放、保护环境的目的，从2018年 5月开始，如东县政府公布对虾养殖污染意见，在全县内禁用燃煤锅炉[5]。因此，当前虾农急需新的供热方案替代燃煤锅炉，其中首推热泵技术。

图1 虾塘“小棚养殖”模式

早在20世纪末，李颂哲等[6]和莫炳坚等[7]就将热泵技术应用于水产养殖系统，取得了可观的经济效益。近年来，李秀辰等[8-9]和吴丽娜等[10]利用海水源热泵回收海参育苗过程中的废热，该热泵系统比传统锅炉节能35%以上，当年可回收设备投资费用。陈凡等[11]、王立宁等[12]和罗迎宾等[13]通过热泵实现育苗池水与地下土壤热交换，由于使用地下浅层热资源，运行稳定且不受天气状况影响，能效比较高。

但是，海水源热泵对养殖地理位置要求严苛，而地源热泵初投资高，回收周期长。两种热泵优势明显，但缺陷同样突出，不利于热泵技术在水产养殖领域的市场化。空气源热泵不仅具备清洁高效和技术成熟的特点，而且机组可以在任何地点投入使用，初投资低，设备可靠，因此空气源热泵取代锅炉可行的。

空气源热泵广泛应用于各领域[14-15]，在学术界也有较深入的研究。胡斌等[16]开发了防积冰除霜方法，解决了空气源热泵结霜造成的系统性能及供热量下降问题。BYUN等[17]研究了用热气旁路法来延缓空气源热泵的结霜。赵宝国等[18]结合采暖工程的实际运用数据，分析了集中式空气源热泵在采暖工程的应用优势。一系列研究为空气源热泵设计和应用指明了方向，提供了指导。

在综合考虑养殖情况和实际需求后，本文首先根据过往冬季单个虾塘煤炭消耗量估算了虾塘负荷，选择了一台与负荷匹配的空气源热泵机组，在某虾塘测试系统性能，并基于仿真改进空气源热泵的运行策略，最后从投资回报周期的角度分析空气源热泵的经济性。

1 负荷估算

通过调研发现，单个虾塘长40 m，宽8 m，塘深0.75 m，占地面积约半亩。为了使单层膜虾塘的水温维持在20℃以上，在冬季（12月～1月）需要燃烧大约 10,000元的煤炭，结合煤炭的燃烧热值（23,000 kJ/kg）、单价（0.9元/kg）和热效率（0.7），可以估算出虾塘所需要的供热量。考虑到一台锅炉在实际使用中会供应多个虾塘，热水输送管道距离长，沿途有较大的热损失，按照最大20%计算。通过计算可得单个虾塘平均负荷为28.7 kW。

依据计算结果，选择国内某知名品牌的 10匹空气源热泵热水器，可以在环境温度7℃时为虾塘提供大约30 kW的热量。考虑到本文计算的是平均负荷，为了避免恶劣天气工况下负荷过大，热泵供热能力不足，我们还选配了一台热量30 kW的电加热器，以备不时之需。

2 热泵实际运行分析

为了分析空气源热泵为虾塘供热的实际运行状况，在某虾塘进行了为期一个月的运行测试，测试数据主要包括热泵回水温度、热泵出水温度、环境温度和虾塘水温，每5 min记录一次。热泵机组如图2所示。

热泵系统实际运行分析包含两个方面：1）空气源热泵平均制热性能是否有30 kW；2）塘水温度能否保持在设计水温 20℃以上，定频热泵供热能力受环境温度影响较大。热泵实际制热量和性能系数COP的计算方式如下：

式中：

Q——热泵实际制热量，kW；

cp——水的定压比热容，kJ/kg；

m——水体积流量，m3/h；

Tout，Tin——出水和进水温度，℃；

W——耗电量，kW；

COP——热泵制热系数。

图2 虾塘热泵机组

空气源热泵在不同环境温度下，制热量和COP变化如图3所示。由图3可知，当气温为0℃时，热泵只能提供24 kW的热量，COP为3.2，表明热泵机组在恶劣工况下供热能力不足。但是随着环境温度的升高，机组制热量和COP也随之升高，最高制热量可达34 kW，最高COP可达4.1。在平均温度7℃时，制热量为27.7 kW，虽然略低于单个虾塘估算的平均负荷，但是虾塘水容量为161～240 t，巨大的热容使较少的热量对水温的短期影响有限。

图3 热泵性能曲线

图4记录了12月5日7:00—12月26日7:00的塘水温度和空气源热泵功耗变化。

图4 虾塘水温和环境温度（12月）

在该供热周期内，水温基本维持在20℃以上，空气源热泵通过合理的开停既满足了虾塘的供热负荷，又提高了供热系统的能效。24日水温在20℃以下，原因是虾农开始收虾贩卖，所以停止了热泵供热。综上所述，空气源热泵实验系统完全能够满足冬季虾塘的供热需求，且不需要辅助电加热器。

表1所示为12月5日—12月26日空气源热泵开启和关闭时刻、水温及对应的控制逻辑。供热周期内，早晚都会询问虾农当地气象状况，获得实时的气温、晴/阴，再根据已有的水温数据，预测下个时刻的水温，从而指导虾农开启或关闭空气源热泵主机。18日15:00和20日15:00时的塘水温度高，加上虾塘巨大的热容保证塘温在相当长的时间维持在设计水温以上。20日7:00水温降至设计值，24日9:00水温降至对虾停止生长。25日18:00虽然水温较低，21.3℃的初始水温能够保证在26日收虾时水温高于18℃。

表1 空气源热泵开停控制（12月5日—26日）

在空气源热泵系统运行测试前，由于缺少虾塘负荷以及空气源热泵主机运行数据时，这种人为的热泵开停控制逻辑，有效保证了冬季虾塘的供热需求。但是，在取得了一个供热周期的实验数据后，通过数据分析虾塘水温变化以及空气源热泵主机性能，供热系统运行策略有较大的改进空间。

3 热泵运行策略改进

为了快速评估新型运行策略的优劣，使用GREATLAB[19-20]建立了空气源热泵虾塘供热系统模型，用于计算供热周期内的功耗和塘水温度变化。实验与仿真数据对比如表2所示，其中表前7行是典型工况值。

表2 模型实验值与仿真值对比

由表2可知，实验值与仿真值在压缩机吸/排气压力、热泵回/出水温度和系统制热量等关键参数的最大相对误差不超过 2%，吸气温度和排气温度的误差也在合理的范围内。

由第2节分析可知，良好的运行策略可以通过以下3点实现：1）塘水温度不宜过高。高水温必然引起更高的负荷，系统提供更多的热量，但也散失更多的热量；2）设置一个塘水温度警戒线。低于水温警戒线，供热系统必须供热，否则环境气温突然降低，水温很容易低过设计值；3）尽量在环境温度高时开启热泵。热泵随着环境温度的升高，制热量和COP也不断升高。更重要的是，低气温会引发结霜，降低系统制热性能。

图5 改进的运行策略流程

图6 改进运行策略的水温和功耗变化

图5所示为改进运行策略流程。控制塘水温度不超过21.5℃，塘水温度警戒线为20.5℃，当塘水温度在20.5～21.5℃时，环境温度高于7℃（当地平均气温），开启空气源热泵储存一定的热量；环境温度低于7℃，关闭空气源热泵。

空气源热泵系统在改进运行策略下的塘水温度和系统功耗变化如图6所示，水温基本维持在20℃，除了12月9日、12日、13和14日的夜间环境温度较低，水温降至19℃，整体而言加热效果良好。整个供热周期系统的总耗电量为1,950 kW·h，相比于原系统的2,750 kW·h，耗电量下降29.1%。

4 经济性分析

很多地区燃煤锅炉已经被政府禁止使用，热泵技术节能环保的特点，成为冬季虾塘供热方式的替代方案之一。相比于燃煤锅炉，热泵设备初投资更高，但运行成本更低，因此需要从投资回报周期的角度分析热泵技术应用于虾塘养殖的经济性。

空气源热泵技术解决了燃煤锅炉被禁用的窘境，使冬、春两季得以重新养殖，改进的空气源热泵运行策略使得运行成本进一步降低。

对虾养殖为了提高成活率和缩短养殖周期，首先要将虾苗标粗，即把体长0.8～1 cm的虾苗放在虾塘培育到体长3 cm大规格虾苗，标粗一般需要40 d左右，标粗放苗密度一般为125,000尾/塘，然后再分苗到其他虾塘养殖40 d达到出虾规格，一般为30尾/斤，分苗放苗密度为25,000尾/塘。

冬季虾在11月标粗，随着气温逐渐降低，在分苗后 12～1月需要空气源热泵提供热量，冬季虾出虾临近春节和元宵节，节前节后的消费拉动促使价格高于正常收购价两倍，利润非常可观。

春季虾在2月标粗，此时天气仍寒冷，需要热泵供热，分苗后天气逐渐暖和不再需要加热。一个配备空气源热泵的虾塘可以为7个虾塘分苗，相比于冬季虾，春季虾产量更高，运行成本更低。同时引入空气源热泵的春季虾，提前1个月上市，对虾市场还处于空白期，出虾价格较高，利润空间大。

两季对虾养殖的具体收益如表3所示，其中养殖成本包括虾苗、饲料、药品、工业盐和人工费等。

表3 冬季和春季对虾养殖收益

由表3可知，冬季虾和春季虾的总养殖利润有92,600元，而一套30 kW空气源热泵供热系统（包括设备费用和安装费用）的初投资约30,000元，因此设备投资回报周期仅为1年，并且仍有62,600元的利润。从经济性的角度上考虑，空气源热泵经济效益显著，是燃煤锅炉合适的替代供热方案。

5 结论

本文选配了一台空气源热泵机组来替代燃煤锅炉为冬季虾塘供热，并采用液体载冷剂法测试了机组运行性能，根据实验数据对系统运行策略做出了进一步的改进，最后对空气源热泵应用于虾塘的经济性进行了分析，得出以下结论：

1）根据烧煤量估算虾塘负荷，可得“小棚养殖”模式的虾塘（占地350 m2）冬季需要配备30 kW的空气源热泵机组；

2）空气源热泵能效高，当环境温度 0℃时，COP为3.2，当环境温度为15℃时，COP高达4.1；热泵机组在南通市如东地区运行良好，能够满足虾塘水温20℃以上的供热需求；

3）相比于人工经验的空气源热泵运行策略，基于实验数据分析和仿真模型的改进运行策略，降低了29.1%的电量消耗；

4）经济性分析显示，养殖户仅需1年就可回收空气源热泵的设备初投资，并且仍有62,600元的利润，经济效益显著。