徐洪坡, 楊智園, 車曉明, 任蒙慶

(臨沂大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，山東臨沂 276005)

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太陽(yáng)能輔助地源熱泵系統(tǒng)在水產(chǎn)養(yǎng)殖中的應(yīng)用

徐洪坡, 楊智園, 車曉明, 任蒙慶

(臨沂大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，山東臨沂 276005)

為確保冬季寒冷地區(qū)水產(chǎn)養(yǎng)殖對(duì)水溫的要求，并達(dá)到節(jié)約能源和保護(hù)環(huán)境的目的，設(shè)計(jì)了以熱管式真空管太陽(yáng)能集熱器為主、太陽(yáng)能集熱器取熱不足時(shí)地源熱泵補(bǔ)充的聯(lián)合提溫系統(tǒng)，對(duì)養(yǎng)魚(yú)車間的養(yǎng)殖水進(jìn)行提溫。通過(guò)兩個(gè)冬季的試驗(yàn)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，效果良好，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目的，節(jié)約了80 %左右的運(yùn)行費(fèi)用。

水產(chǎn)養(yǎng)殖； 太陽(yáng)能； 地源熱泵

目前，太陽(yáng)能和地源熱泵技術(shù)的不斷發(fā)展，利用太陽(yáng)能和地源熱泵產(chǎn)生中低溫水的領(lǐng)域不斷拓寬，既環(huán)保節(jié)能又可以為用戶節(jié)約大量的運(yùn)行費(fèi)用。而將太陽(yáng)能和地源熱泵應(yīng)用于水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)，在國(guó)內(nèi)還沒(méi)有引起足夠的重視[1]。

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人民的生活水平正在逐步提高，對(duì)水產(chǎn)品的需求呈逐年上升趨勢(shì)[2]，而水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)受環(huán)境等因素的制約較大，在我國(guó)東北和西北等冬季比較寒冷的地區(qū)，一些名貴的熱帶水產(chǎn)品種，即使在室內(nèi)，如果不對(duì)養(yǎng)殖水提溫，也無(wú)法達(dá)到生長(zhǎng)要求或生長(zhǎng)緩慢。所以每年到了冬季，為了能夠維持熱帶水產(chǎn)品種的正常生長(zhǎng)，寒冷地區(qū)只能采用燃燒常規(guī)能源(主要是煤炭)的方式來(lái)對(duì)養(yǎng)殖水提溫，造成人力和物力的極大浪費(fèi)，而且煤炭燃燒后釋放出的煙氣會(huì)對(duì)環(huán)境造成極大的污染[3]。本文的研究就是為了解決這一問(wèn)題，同時(shí)在冬季寒冷地區(qū)尋找到一條既經(jīng)濟(jì)又節(jié)能環(huán)保的水產(chǎn)養(yǎng)殖方式。

1 工程簡(jiǎn)介

1.1 太陽(yáng)能集熱器

作為本工程主要熱源的太陽(yáng)能集熱器采用了熱管式真空管集熱系統(tǒng)，考慮到北方冬季特別寒冷的因素，選擇了防凍液作為熱管內(nèi)的循環(huán)介質(zhì)[4]，解決了太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)的防凍問(wèn)題，集熱器面積共約40 m2。

1.2 地源熱泵系統(tǒng)

地源熱泵機(jī)組由哈爾濱市第二水泵廠設(shè)計(jì)加工，機(jī)組實(shí)際輸入功率3.5 kW，名義輸出功率60 kW。該地源熱泵系統(tǒng)的循環(huán)方式為密閉式循環(huán)，機(jī)組外循環(huán)液體采用乙二醇，取熱循環(huán)管為直徑20 mm導(dǎo)熱性能良好并具有一定強(qiáng)度的PERT管。取熱管布置在生產(chǎn)車間旁邊每天用來(lái)排水用的池塘底部，共600 m，采取平行布置，4組并聯(lián)運(yùn)行(圖1)。

圖1 地源熱泵機(jī)組外取熱循環(huán)管路布置

1.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)由臨沂大學(xué)、哈爾濱陽(yáng)光能源工程有限公司和哈爾濱市第二水泵廠聯(lián)合設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)采用太陽(yáng)能和地源熱泵聯(lián)合運(yùn)行的方式對(duì)蓄水池中的水進(jìn)行提溫，太陽(yáng)能取熱不足時(shí)啟動(dòng)地源熱泵系統(tǒng)加以補(bǔ)充，要求蓄水池中20 t水的升溫幅度為14 ℃(圖2)。

圖2 系統(tǒng)原理

1.4 控制系統(tǒng)

本工程采用了自動(dòng)控制系統(tǒng)和自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，利用專業(yè)模塊采集各控制點(diǎn)溫度輸出信號(hào)給設(shè)備(泵、電磁閥、熱泵主機(jī)等)，并利用模塊將信號(hào)傳遞給控制中心，隨時(shí)控制系統(tǒng)的起停，也可切換到人工控制。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行出現(xiàn)故障時(shí)，可以通過(guò)采集到的錯(cuò)誤信息，進(jìn)行自動(dòng)報(bào)警。目前該控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，效果良好，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目的。

2 能量計(jì)算

20 t水提升14 ℃所需熱量：

Q=CM△t

(1)

式中:Q為吸收的熱量；C為質(zhì)量熱容，水的質(zhì)量熱容是4.2×103J/(kg·K)；M為質(zhì)量；t為升高或者降低的溫度。

Q=4.2×103×20×103×14=1176 MJ

如用電加熱來(lái)升溫，

需耗電量=1176×106/3.6×106=327 kW·h

(2)

對(duì)于太陽(yáng)能集熱器，

(3)

式中：Qu為集熱器在規(guī)定時(shí)段內(nèi)輸出的有用能量，單位W；A為集熱器面積，單位m2；G為太陽(yáng)輻照度，單位W/m2；(τα)e為透明蓋板透射率與吸熱體吸收率的乘積；UL為集熱器總熱損系數(shù)，單位W/(m2·K)；TP為吸熱體溫度，單位℃；Ta為環(huán)境溫度，單位℃。

根據(jù)太陽(yáng)能廠家所提供的參數(shù)該系統(tǒng)所采用的太陽(yáng)能集熱器在哈爾濱地區(qū)冬季晴好天氣的日均得熱量為1 404MJ，太陽(yáng)能集熱器對(duì)水加熱的轉(zhuǎn)化率為85 %。

20t水的得熱量為1 404×85%=1 193MJ>1 176MJ。

在絕大多數(shù)冬季晴好天氣，單獨(dú)運(yùn)行太陽(yáng)能進(jìn)行集熱就可滿足20t水的提溫要求。在冬季陰雪天氣和光照不足的情況下，需要用地源熱泵來(lái)進(jìn)行補(bǔ)充。熱泵采取間歇運(yùn)行的方式，在太陽(yáng)能完全不工作的情況下，只啟動(dòng)地源熱泵機(jī)組，5～6h即可達(dá)到水溫要求。

3 運(yùn)行效果及費(fèi)用分析

根據(jù)2014年、2015年冬季該系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的測(cè)試情況來(lái)看，實(shí)際運(yùn)行效果稍好于設(shè)計(jì)情況，在晴好天氣里，即使天氣比較寒冷，太陽(yáng)能部分也能滿足提溫要求；在太陽(yáng)能無(wú)法工作的天氣里，熱泵機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行時(shí)間要比設(shè)計(jì)時(shí)數(shù)縮短將近1h。分析原因，太陽(yáng)能部分是因?yàn)樘?yáng)能的實(shí)際轉(zhuǎn)化效率比設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)計(jì)的效率要高；而熱泵部分是因?yàn)轲B(yǎng)魚(yú)車間排出的水一般溫度都在15 ℃左右，和池塘中的水混合之后，池塘中的水比設(shè)計(jì)時(shí)采用的溫度要高。

安裝太陽(yáng)能地源熱泵系統(tǒng)后，與以前的0.3t/h鍋爐的安裝及運(yùn)行費(fèi)用比較見(jiàn)表1。

綜上所述，筆者認(rèn)為將太陽(yáng)能和地源熱泵結(jié)合起來(lái)應(yīng)用于水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)，是切實(shí)可行的，可全天候運(yùn)行，可節(jié)約總運(yùn)行費(fèi)用近80 %。

4 結(jié)論

本工程的試驗(yàn)成功，將對(duì)太陽(yáng)能和地源熱泵的聯(lián)合應(yīng)用，以及水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展具有非常重要的意義。

(1)為今后太陽(yáng)能和地源熱泵系統(tǒng)在水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)中的應(yīng)用和推廣提供了成功的工程實(shí)例。

表1 太陽(yáng)能地源熱泵機(jī)組與0.3 t/h鍋爐費(fèi)用 (元)

注：①在運(yùn)行費(fèi)用方面，地源熱泵按每月運(yùn)行10d、每天運(yùn)行6h計(jì)算，電價(jià)0.9 元/kW，共需費(fèi)用為3.5×6×10×0.9=189元。

②太陽(yáng)能地源熱泵系統(tǒng)為全自動(dòng)運(yùn)行，只需一名工人看管。

(2)為太陽(yáng)能和地源熱泵的聯(lián)合應(yīng)用及推廣積累了經(jīng)驗(yàn)，得到了許多寶貴的數(shù)據(jù)；為太陽(yáng)能和地源熱泵在更多領(lǐng)域的應(yīng)用搭建了橋梁。

(3)在實(shí)際工程中實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能和地源熱泵的有機(jī)結(jié)合，并實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的自動(dòng)控制和自動(dòng)報(bào)警，使系統(tǒng)運(yùn)行更加經(jīng)濟(jì)合理。

(4)本工程初期投資15.3萬(wàn)元，每年可節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用8.1萬(wàn)元，不到兩年即可收回全部設(shè)備成本。

(指導(dǎo)教師：劉丹)

[1] 王雁生， 王成勇， 陳文明， 等. 太陽(yáng)能+地源熱泵并聯(lián)熱水系統(tǒng)冬季運(yùn)行特性研究[J]．暖通空調(diào)， 2009，39(9)：70-74.

[2] 趙蕾，楊子江.可持續(xù)發(fā)展水產(chǎn)養(yǎng)殖的生態(tài)系統(tǒng)框架構(gòu)建[J]．中國(guó)海洋大學(xué)學(xué)報(bào)，2013(2)：18-20.

[3] 呂青，盧曉中，焦宏強(qiáng)，等. 良好水產(chǎn)養(yǎng)殖規(guī)范的發(fā)展現(xiàn)狀和應(yīng)用展望[J]．漁業(yè)現(xiàn)代化，2015，36(4)：62-65.

[4] 王崇杰，薛一冰，張蓓，等. 太陽(yáng)能建筑設(shè)計(jì)[M]．北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2012：92-95.

[5] 楊洪興，周偉．太陽(yáng)能建筑一體化技術(shù)與應(yīng)用[M]．北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2009：304-305．

2015年國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào): 201510452046)。

徐洪波(1993～)，男，大學(xué)本科。

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[定稿日期]2016-11-01