摘 要：該文在對比傳統(tǒng)水體溫度提升技術的基礎上，將太陽能光熱利用技術與海水源熱泵技術相結合，提出一種太陽能-海水源熱泵水體調溫系統(tǒng)。研究結果表明，該系統(tǒng)能夠有效提升冬季養(yǎng)殖水體溫度，其中廢熱回收子系統(tǒng)中廢熱回收利用效率最高可達78%，該部分對提升海水溫度的貢獻率最大，為53%；海水源熱泵子系統(tǒng)對養(yǎng)殖海水溫升貢獻率其次，為43%；太陽能輔助升溫子系統(tǒng)對養(yǎng)殖海水溫升貢獻率最小，為4%。另外，太陽能-海水源熱泵系統(tǒng)節(jié)能效益顯著，與燃煤鍋爐、燃氣鍋爐、燃油鍋爐、電鍋爐和空氣源熱泵等傳統(tǒng)養(yǎng)殖用水溫度提升技術相比，太陽能-海水源熱泵在冬季可分別節(jié)省53%、77%、80%、90%、65%的運行費用。

關鍵詞：熱泵系統(tǒng)；廢熱利用；溫度調節(jié)；太陽能熱泵；海水源熱泵；節(jié)能效益

中圖分類號：TK519" " " " " " " " " " " "文獻標志碼：A

0 引 言

近年來，中國沿海地區(qū)工廠化水產養(yǎng)殖發(fā)展迅速，其運用機械工程學、生物學、水處理化學、現代電子信息、現代建筑學等現代科學技術，通過人工飼養(yǎng)、水質調節(jié)、藥物控制等手段，以大規(guī)模、高強度的生產方式實現水產養(yǎng)殖品種的快速繁殖和高效產出。在工廠化水產養(yǎng)殖工藝中，水體質量和水體溫度是影響海產品生長與存活最重要的環(huán)境因素［1］。目前隨水處理工藝的發(fā)展，水體質量已經得到較好控制［2-4］，但水體溫度調控仍未得到很好解決，如何經濟、環(huán)保地提升海水溫度并維持恒溫、減少育苗過程對自然環(huán)境的依賴，是工廠化養(yǎng)殖面臨的重要問題，該問題的解決對提高育苗產量、縮短海產品生長周期、降低海產品培育成本意義重大。

傳統(tǒng)養(yǎng)殖用水溫度控制多通過燃煤、燃油鍋爐或電加熱給海水升溫，打井提取地下水作為冷源來降溫［5］，上述方式經濟性差且不利于節(jié)能環(huán)保。近些年熱泵系統(tǒng)以其經濟、環(huán)保的優(yōu)勢在建筑暖通空調領域得到大力發(fā)展，現也逐漸應用于工廠化養(yǎng)殖水體升溫中。劉國丹等［6］、武雨果等［7］以工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖車間為例，從經濟性和環(huán)保性論證了水源熱泵技術在海水養(yǎng)殖中應用的可行性；李秀辰等［8］提出以育苗廢水作熱源的海水源熱泵集成技術，并實驗研究了集成系統(tǒng)對育苗水體升溫和廢熱回收利用的效果；邵鵬等［9］采用空氣源熱泵為冬季蝦塘進行供熱，并優(yōu)化了系統(tǒng)運行策略。諸多研究表明，較傳統(tǒng)水溫控制技術而言，熱泵效率高、節(jié)能效果顯著，其中地源熱泵的運行費用僅為燃煤鍋爐的66%左右，海水源熱泵的運行費用為燃煤鍋爐的76%［7］。但由于養(yǎng)殖用水量大，單獨利用熱泵提升水體溫度時總的耗電量仍較大，海產品養(yǎng)殖成本居高不下。

另有研究表明，太陽能集熱器在用于水體升溫時，運行費用低，具有明顯的節(jié)能優(yōu)勢及經濟效果［10-13］。李金平等［14］研究了不同集熱方式對全玻璃真空管太陽能熱水器集熱量影響，得到自然循環(huán)豎排管熱水器的有效集熱量和平均有效集熱效率最高，其次為強制循環(huán)豎排管熱水器，最低的是強制循環(huán)橫排管熱水器；袁偉琪等［15-16］提出相變蓄熱PV/T集熱器及微通道熱管PV/T集熱器，解決了集熱器冬季防凍的問題；陳晨等［17］研究了陶瓷板太陽能集熱器對冬季養(yǎng)殖水體溫度的提升效果，并分析了不同運行工況對集熱器集熱效果的影響，結果表明，在高流量、低溫度、大風速的條件下，有保溫結構的陶瓷板太陽能集熱器能顯著提高養(yǎng)殖水體溫度。上述諸多研究均為太陽能技術在水產養(yǎng)殖中的應用提供了基礎，但太陽能集熱器的集熱效果受太陽輻照度、室外溫度等參數影響，導致水體升溫受環(huán)境影響大、不易控制。若將太陽能集熱器與熱泵技術結合，形成優(yōu)勢互補，在降低運行費用的同時提高系統(tǒng)產熱效率。

為此，本文基于“被動優(yōu)先、主動利用”的理念，將廢熱回收利用技術、太陽能光熱利用技術、熱泵技術融合于一體，提出一種新型的太陽能-海水源熱泵水體溫度調控系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠充分利用養(yǎng)殖廢熱，實現水體多級調溫，最終達到養(yǎng)殖用水溫度需求。該文的研究為北方工廠化水產養(yǎng)殖水體溫度調節(jié)提供了方法，有助于實現工廠化水產養(yǎng)殖的節(jié)能、低碳及可持續(xù)發(fā)展。

1 實驗系統(tǒng)介紹

1.1 實驗地點及基本情況介紹

本實驗位于遼寧省莊河市（39.7N°， 122.97E°）大連富谷水產品有限公司內，該廠區(qū)一面環(huán)海，擁有得天獨厚的海水養(yǎng)殖條件，其中一號車間的工廠化河豚養(yǎng)殖車間為實驗設備的安置場所。該車間有養(yǎng)殖水體700 m3，為維持水體氧含量及新鮮度，每天需替換15%的養(yǎng)殖水量，日補充新鮮海水量105 m3，平均每天換水量4.4 m3/h。根據河豚生活習性，養(yǎng)殖用水溫度全年維持在15 ℃。廠區(qū)所有車間日排放養(yǎng)殖廢水315 m3，廢水溫度在9～12 ℃之間，除此之外，廠區(qū)還有部分滲井水可利用，其溫度在10～14 ℃之間。

大連莊河地區(qū)冬季室外自然海水最低溫度為[-1.1 ℃]，平均溫度為2.2 ℃，冬季（11月中旬至次年4月中旬，約150天）需利用養(yǎng)殖設備將室外海水溫度提升至15 ℃，方可為河豚提供新鮮養(yǎng)殖海水。本項目以1號河豚養(yǎng)殖車間水體為研究對象，為經濟、環(huán)保地提升海水養(yǎng)殖溫度并維持恒溫，減少河豚養(yǎng)殖對自熱環(huán)境的依賴，在充分利用養(yǎng)殖廢熱的前提下，將太陽能利用技術與海水源熱泵技術相結合，利用基于余熱回收的太陽能-海水源熱泵水體升溫系統(tǒng)來提升冬季養(yǎng)殖水體溫度。

1.2 實驗原理

實驗系統(tǒng)主要包括3個子系統(tǒng)：太陽能輔助升溫系統(tǒng)、養(yǎng)殖廢水余熱回收系統(tǒng)以及熱泵產能系統(tǒng)。其中，太陽能輔助升溫系統(tǒng)由太陽能集熱器、板式換熱器I構成；養(yǎng)殖廢水余熱回收系統(tǒng)由廢水蓄水池、板式換熱器II、水泵等主要設備構成；熱泵產能系統(tǒng)由壓縮機、冷凝器、蒸發(fā)器、電子膨脹閥4大部件及保溫蓄水池、循環(huán)水泵構成。其主要設備性能參數見表1。

3個子系統(tǒng)既可獨立工作，也可聯合運行。當單一子系統(tǒng)提供的熱量不足以使水溫提高至養(yǎng)殖用水溫度需求時，各子系統(tǒng)需要聯合運行，其運行策略為：新鮮海水首先進入板式換熱器II回收養(yǎng)殖廢水余熱，海水溫度升高后進入蓄水池；當蓄水池中的水溫達不到養(yǎng)殖用水溫度要求時，太陽能輔助升溫系統(tǒng)開始工作，太陽能集熱換熱器I對蓄水池中的水進行二次加熱；若蓄水池中的水溫仍低于養(yǎng)殖用水溫度要求時，則啟動海水源熱泵，利用熱泵從滲井水中取熱，其熱量經熱泵循環(huán)輸送至冷凝器端，對蓄水池中的水再次加熱，冷卻后的滲井水則排出回灌。圖1、圖2分別為太陽能-海水源熱泵聯合調溫系統(tǒng)原理圖及實物圖。

2 實驗系統(tǒng)性能評價指標

鑒于太陽能-海水源熱泵實驗系統(tǒng)由太陽能輔助升溫子系統(tǒng)、養(yǎng)殖廢水余熱回收子系統(tǒng)及熱泵產能子系統(tǒng)構成，因此這里采用各子系統(tǒng)的性能參數作為實驗系統(tǒng)的性能評價指標。

2.1 太陽能集熱效率

太陽能集熱效率為太陽能集熱系統(tǒng)的產熱量與太陽能集熱器吸收的太陽輻射量的比值，其計算公式為：

[ηsolar=Qheat，solarA?G=cwρwVw，solarΔtw，solarA?G] （1）

式中：[Qheat，solar]——太陽能集熱系統(tǒng)的產熱功率，W；[A]——太陽能集熱器的集熱面積，m2；[G]——太陽能集熱器所在平面的太陽輻照度，W/m2；[cw]——水的比熱容，J/（kg·K）；[ρw]——水的密度，kg/m3；[Vw，solar]——太陽能集熱系統(tǒng)中流經板式換熱器I的養(yǎng)殖海水流量，m3/s；[Δtw，solar]——太陽能集熱系統(tǒng)中流經板式換熱器I的養(yǎng)殖海水進出水溫差，K。

2.2 養(yǎng)殖廢水余熱回收效率

養(yǎng)殖廢水的余熱回收效率是反映余熱回收系統(tǒng)的性能指標，體現了養(yǎng)殖廢水余熱的有效利用率，其數值等于從養(yǎng)殖廢水中回收后用于提升新鮮海水的熱量與養(yǎng)殖廢水自身攜帶熱量的比值，計算公式為：

[ηwaste=Qheat，freshQwaste=cwρwVw，freshΔtw，freshcwρwVw，wasteΔtw，waste=Vw，freshΔtw，freshVw，wasteΔtw，waste] （2）

式中：[Qheat，fresh]——新鮮海水在板式換熱器II處的換熱功率，即從養(yǎng)殖廢水中回收的提升新鮮海水的熱功率，W；[Qwaste]——養(yǎng)殖廢水在板式換熱器II處的換熱功率，W；[Δtw，fresh]——新鮮海水在板式換熱器II處的進出水溫差，K；[Δtw，waste]——養(yǎng)殖廢水在板式換熱器II處的進出水溫差，K；[Vw，fresh]——流經板式換熱器II的新鮮水流量，m3/s；[Vw，waste]——流經板式換熱器II的養(yǎng)殖廢水流量，m3/s。

2.3 熱泵機組制熱性能系數

熱泵機組的制熱性能系數為機組制熱功率與耗電功率的比值，其計算公式為：

[ε=Qheat，h_pWcom=cwρwVwΔtw，conWcom] （3）

式中：[ε]——熱泵機組的制熱性能系數；[Qheat，h_p]——熱泵設備的制熱功率，W；[Wcom]——壓縮機的耗功功率，W；[Vw]——流經熱泵冷凝器側的滲井水流量，m3/s；[Δtw，con]——流經熱泵冷凝器側的水溫差，K。

3 實驗方法

為進一步研究系統(tǒng)運行性能及其提升水體溫度效果，2022年12月9—14日期間對系統(tǒng)進行實驗測試?；谏鲜鲂阅茉u價指標，具體測試參數包括太陽輻照度、室外環(huán)境溫度、風速等環(huán)境參數，新鮮補水流量、太陽能側水流量、養(yǎng)殖廢水側水流量等流量參數以及海水補水進出口溫度、各設備進出口處溫度等水體溫度參數，其測點布置見圖1。表2給出測試用儀器主要性能參數，測試期間室外環(huán)境參數如圖3所示。其中，太陽輻照度最大值為489 W/m2，平均值為211 W/m2；室外環(huán)境溫度分布在[-8.1～7.1 ℃]之間，平均值為0.1 ℃；室外風速分布范圍為0.3～4.0 m/s，平均值為1.3 m/s。

4 結果與討論

4.1 太陽能輔助升溫子系統(tǒng)實驗性能

4.1.1 室外環(huán)境參數對太陽能集熱效果的影響研究

圖4為12月9日太陽能輔助升溫系統(tǒng)中流經板式換熱器I的養(yǎng)殖水體進口溫度及經太陽能輔助升溫系統(tǒng)加熱后流出板式換熱器I的養(yǎng)殖水體出口溫度隨太陽輻照度和室外環(huán)境溫度的變化規(guī)律。由圖4可看出，養(yǎng)殖水體進口溫度相對穩(wěn)定，在0～1 ℃之間；養(yǎng)殖水體出口溫度主要受太陽輻照度的影響，且與太陽輻照度的變化呈正相關趨勢。上午09：30開始，隨著太陽輻照度的升高，經太陽能集熱器加熱后的水體出口溫度逐漸增加，當太陽輻照度達到最大值420 W/m2時（中午11：30左右），出口水溫也達到最大值4 ℃，此時水溫提升幅度最大，為3.3 ℃；下午，隨著太陽輻照度的減小，水體溫度則呈下降趨勢。但值得注意的是，在太陽能輔助升溫系統(tǒng)最初運行時（上午08：00左右），養(yǎng)殖水體出口溫度也相對較高，其主要原因在于水泵未運行前太陽能集熱器不斷吸收的太陽輻射提高了集熱溫度，由此導致水泵剛運行時經太陽能集熱器加熱后的養(yǎng)殖水體出口溫度較高。運行期間，養(yǎng)殖水體溫度平均提升2.3 ℃。

4.1.2 太陽能輔助升溫子系統(tǒng)效率

圖5為12月9日太陽能輔助升溫系統(tǒng)的制熱效率及制熱量隨太陽輻照度的變化規(guī)律。由圖5可知，太陽能輔助升溫系統(tǒng)的熱效率變化趨勢與太陽輻照度相反，在太陽輻照度較高的中午（在11：30左右）制熱效率較低，僅有40%，其制熱效率最大值出現在系統(tǒng)運行之初，其原因在于：水泵未運行前集熱量的不斷提升導致較高的集熱溫度，由此水泵運行時制熱量較大，但此時太陽能輻照度值小，故太陽能輔助升溫系統(tǒng)的制熱效率最大。整個運行期間太陽能制熱效率平均值為43.7%，全天累積制熱量為244.6 MJ。

4.2 養(yǎng)殖廢水余熱回收子系統(tǒng)實驗性能

養(yǎng)殖廢水余熱回收系統(tǒng)通過板式換熱器將養(yǎng)殖廢水的熱量傳遞給新鮮海水，當流經板式換熱器兩側水體流量不同時，其換熱量也會發(fā)生變化。

圖6、圖7分別為養(yǎng)殖廢水余熱回收系統(tǒng)中流經板式換熱器的養(yǎng)殖廢水流量為20 m3/h、新鮮海水流量為10～60 m3/h時板式換熱器兩側的水體溫度及換熱量的變化情況。測試過程中，流入板式換熱器的新鮮海水和養(yǎng)殖廢水的溫度分別約為0.8 ℃、11.5 ℃，這里養(yǎng)殖廢水的入口溫度較河豚養(yǎng)殖池中的水溫（15 ℃）略低，其主要原因在于養(yǎng)殖池中的養(yǎng)殖廢水排出后，需經過濾、沉降等一系列操作后再引入板式換熱器，且該過程及廢水池均無保溫措施。由圖6、圖7可看出，經板式換熱器換熱后的養(yǎng)殖廢水出口溫度隨新鮮海水流量的增大有所降低，但幅度不大，新鮮海水流量由10 m3/h 增至60 m3/h時，養(yǎng)殖廢水的出口溫度由7.4 ℃降至7.1 ℃，其養(yǎng)殖廢水溫降由3.8 ℃升至4.6 ℃，從養(yǎng)殖廢水中回收的熱量隨新鮮海水流量的增大而有所增加，由89 kW增至107 kW；換熱后的新鮮海水出口溫度隨新鮮海水流量的增大而顯著降低，新鮮海水流量由10 m3/h 增至60 m3/h時，新鮮海水的出口溫度由3.6 ℃降至2 ℃，其海水溫升幅度也由2.7 ℃降至1.3 ℃，但新鮮海水升溫的熱量負荷隨新鮮海水流量的增大而顯著增加，由40 kW增至83 kW，養(yǎng)殖廢熱回收利用率則由45%提高至78%。

4.3 熱泵子系統(tǒng)實驗性能

本實驗系統(tǒng)采用滲井水作為熱泵系統(tǒng)的熱源以提升海水養(yǎng)殖溫度，實驗分別測試了滲井水溫度為10、12、14 ℃，流量為15、20、25、30 m3/h的工況下熱泵子系統(tǒng)的制熱性能系數及其對養(yǎng)殖海水的升溫效果。

圖8、圖9分別為冷凝器側養(yǎng)殖海水入口溫度為14 ℃、流量為25 m3/h時蒸發(fā)器側不同熱源（滲井水）入口溫度和流量下的養(yǎng)殖海水溫升、熱泵機組制熱性能系數以及制熱功率。由圖8、圖9可看出，當流經蒸發(fā)器側的熱源溫度為14 ℃、流量由15 m3/h增至30 m3/h時，冷凝器側的養(yǎng)殖海水溫升幅度由2.6 ℃升至2.9 ℃，熱泵系統(tǒng)制熱功率由74.7 kW增至84 kW，制熱性能系數由4.4增加至4.9；當流經蒸發(fā)器側的熱源溫度為10 ℃、流量由15 m3/h增至30 m3/h時，冷凝器側的海水溫升幅度由2.2 ℃增加至2.4 ℃，制熱功率由64.2 kW增至70.9 kW，制熱性能系數由3.8增至4.2。對比得到，當蒸發(fā)器側熱源溫度恒定時，隨著滲井水流量增大，冷凝器側海水升溫幅度、制熱功率和制熱性能系數均顯著提高；當蒸發(fā)器側滲井水流量恒定時，熱源溫度越高，冷凝器側海水升溫幅度、制熱功率和制熱性能系數越高。分析原因在于：當流過蒸發(fā)器側的滲井水溫度或流量增加時，制冷劑在蒸發(fā)器側的吸熱量就會增加，熱量通過熱泵循環(huán)在冷凝端輸出，由此導致熱泵系統(tǒng)的制熱功率和制熱性能系數增大，由于冷凝器側養(yǎng)殖海水入口溫度和流量都恒定，因此養(yǎng)殖海水的升溫幅度也升高。

4.4 太陽能-海水源熱泵系統(tǒng)綜合實驗性能

基于養(yǎng)殖企業(yè)實際運行工況及系統(tǒng)性能測試結果，可計算得到太陽能輔助升溫系統(tǒng)、養(yǎng)殖廢水余熱回收系統(tǒng)、熱泵系統(tǒng)聯合運行時養(yǎng)殖海水的升溫負荷。

本實驗中將105 m3河豚養(yǎng)殖用海水溫度由2.2 ℃提高至15 ℃，共需提供5645 MJ的熱量。為保證系統(tǒng)運行費用最低，各子系統(tǒng)聯合運行提升水溫時，優(yōu)先運行熱回收系統(tǒng)，其次為太陽能輔助升溫系統(tǒng)，當這兩個系統(tǒng)提供的熱量仍不能滿足養(yǎng)殖海水溫度需求時，再開啟海水源熱泵。圖10為在上述運行原則下太陽能-海水源熱泵聯合運行時各子系統(tǒng)提供的熱量及其承擔的熱量占比。由圖10可看出，太陽能輔助升溫系統(tǒng)一天可提供熱量245 MJ，占養(yǎng)殖用海水溫度提升需求熱量的4%，該系統(tǒng)對養(yǎng)殖海水溫升提高幅度作用最小，其主要原因在于太陽能集熱器的安裝面積較?。粺峄厥障到y(tǒng)一天可提供熱量3005 MJ，對養(yǎng)殖海水溫升提高幅度作用最大，占養(yǎng)殖海水溫度提升需求熱量的53%；海水源熱泵系統(tǒng)提供剩下熱量，共2395 MJ，占養(yǎng)殖海水溫度提升需求熱量的43%，對應的海水源熱泵運行時間為8 h。受太陽輻照度的影響及企業(yè)實際運行情況（廢水可能幾天排放一次），太陽能輔助升溫系統(tǒng)和熱回收系統(tǒng)提供的熱量并不穩(wěn)定，此時可通過調節(jié)海水源熱泵的運行時間來保證養(yǎng)殖海水溫度滿足河豚養(yǎng)殖需求。

4.5 太陽能-海水源熱泵系統(tǒng)節(jié)能效益分析

為分析太陽能-海水源熱泵系統(tǒng)的節(jié)能效益，本文將太陽能-海水源熱泵系統(tǒng)的運行費用與傳統(tǒng)水體升溫技術（包括燃煤鍋爐、燃氣鍋爐、燃油鍋爐、電鍋爐、空氣源熱泵）的運行費用進行對比。本實驗中，將105 m3河豚養(yǎng)殖用海水溫度由2.2 ℃提高至15 ℃，共需提供5645 MJ的熱量。采用不同水體升溫方式的耗能量及運行費用計算如下。

1）對于傳統(tǒng)鍋爐而言，提供上述熱量所需燃料數量及運行費用為：

[m=Qη?q] （4）

[C=m?Pfuel] （5）

式中：[m]——提供所需熱量所消耗的燃料數量，kg或m3；[Q]——將105 m3養(yǎng)殖海水溫度由2.2 ℃提高至15 ℃所需熱量，kJ；[η]——設備燃燒效率，%；[q]——燃料燃燒熱值，kJ/kg或kJ/m3；[C]——將105 m3養(yǎng)殖海水溫度由2.2 ℃提高至15 ℃所需運行費用，元；[Pfuel]——燃料單價，元/kg或元/m3。

表3給出上述不同類型鍋爐的燃燒效率、所用燃料熱值及燃料單價。

2）單獨采用空氣源熱泵時，提供上述熱量所需電能及運行費用為：

[Wair=Q3600εair] （6）

[C=Wair?Pelec] （7）

式中：[Wair]——空氣源熱泵耗電量，kWh；[εair]——空氣源熱泵的制熱性能系數，取3.4；[Pelec]——電能單價，kWh/元。

3）采用太陽能-海水源熱泵時，基于其運行費用最低的運行策略，即優(yōu)先運行熱回收子系統(tǒng)，其次運行太陽能輔助升溫子系統(tǒng)，最后運行海水源熱泵子系統(tǒng)，故將105 m3養(yǎng)殖海水溫度由2.2 ℃提高至15 ℃時，由海水源熱泵提供的熱量應從所需總熱量[Q]中除去由熱回收子系統(tǒng)和太陽能輔助升溫子系統(tǒng)提供的熱量，因此采用太陽能-海水源熱泵系統(tǒng)時，其消耗的電能及運行費用為：

[Wsol-water=Q′3600εsol-water] （8）

[C=Wsol-water?Pelec] （9）

式中：[Wsol-water]——海水源熱泵耗電量，kWh；[Q′]——將105 m3養(yǎng)殖海水溫度由2.2 ℃提高至15 ℃時所需總熱量[Q]減去由熱回收子系統(tǒng)和太陽能輔助升溫子系統(tǒng)提供的熱量，kJ；[εsol-water]——海水源熱泵的制熱性能系數，取4.6。

由式（4）～式（9）可計算得到采用不同升溫方式將105 m3養(yǎng)殖海水溫度由2.2 ℃提高至15 ℃時的運行費用及每立方米海水升溫運行費用，如圖11所示。

對比發(fā)現，采用太陽能-海水源熱泵系統(tǒng)提升單位體量的海水所需的運行費用最低，它將1 m3海水的溫度由2 ℃提升至15 ℃所需運行費用為1.7 元；其次為燃煤鍋爐，所需運行費用為3.6元；空氣源熱泵的運行費用為4.8元；燃氣鍋爐與燃油鍋爐略高，分別為7.4和8.3元；電鍋爐的運行費用最高，為17元。與燃煤鍋爐、燃氣鍋爐、燃油鍋爐、電鍋爐和空氣源熱泵相比，太陽能-海水源熱泵系統(tǒng)在整個冬季的運行費用分別降低3、9、10.5、24.2、5萬元，節(jié)能率分別為53%、77%、80%、90%、65%。

5 結 論

針對北方工廠化水產養(yǎng)殖，本文提出一種充分利用養(yǎng)殖廢熱的太陽能-海水源熱泵水體調溫系統(tǒng)，并實驗研究了該系統(tǒng)調溫性能，結果表明：

1）太陽能輔助升溫系統(tǒng)中，流經板式換熱器I的養(yǎng)殖水體出口溫度與太陽輻照度的變化呈正相關趨勢，制熱效率與太陽輻照度的變化呈負相關趨勢。運行期間，水溫提升幅度平均值為3.3 ℃，太陽能制熱效率平均值為43.7%，全天累積制熱量為244.6 MJ。

2）熱回收系統(tǒng)中，養(yǎng)殖海水的升溫幅度隨養(yǎng)殖海水流量的增大而顯著降低，但升溫的熱量負荷及養(yǎng)殖廢熱回收利用率隨養(yǎng)殖海水流量的增大而顯著增加。流經板式換熱器II的養(yǎng)殖廢水入口溫度為11.5 ℃、入口流量為20 m3/h，新鮮海水入口溫度為0.8 ℃，流量為10～60 m3/h時，廢熱回收利用率在45%～78%。

3）海水源熱泵系統(tǒng)中，當流過蒸發(fā)器側的熱源溫度或流量增加時，冷凝器側海水升溫幅度、制熱功率和制熱性能系數均顯著提高。

4）太陽能-海水源熱泵系統(tǒng)聯合運行時，太陽能輔助升溫系統(tǒng)對養(yǎng)殖海水溫升提高幅度最小，占養(yǎng)殖用海水溫度提升需求熱量的4%；熱回收系統(tǒng)對養(yǎng)殖海水溫升提高幅度最大，占養(yǎng)殖海水溫度提升需求熱量的53%；海水源熱泵系統(tǒng)提供的熱量占養(yǎng)殖海水溫度提升需求熱量的43%。

5）太陽能-海水源熱泵系統(tǒng)聯合運行具有顯著的節(jié)能效益。與燃煤鍋爐、燃氣鍋爐、燃油鍋爐、電鍋爐和空氣源熱泵等傳統(tǒng)加熱方式相比，太陽能-海水源熱泵在整個冬季的節(jié)能率分別為53%、77%、80%、90%、65%。

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STUDY ON WATER TEMPERATURE CONTROL PERFORMANCE OF SOLAR ASSISTED SEAWATER SOURCE HEAT PUMP SYSTEM

APPLIED IN INDUSTRIAL AQUACULTURE

Shao Nina，Tian Xingwang，Zhang Dianguang

（College of Ocean and Civil Engineering， Dalian Ocean University， Dalian 116023， China）

Abstract：In this paper， based on the comparison of traditional water temperature raising technology， a solar assisted seawater source heat pump system for controlling water temperature is proposed by combining solar thermal utilization technology and seawater source heat pump technology. The results show that this system can effectively improve the temperature of aquaculture water in winter. And the waste heat recovery efficiency in heat recovery subsystem can reach 78%， which accounts for the most to the increase of seawater temperature with the value of 53%. Followed by the seawater source heat pump subsystem， which accounts for 43%. The solar assisted heating system contributes the least， which is 4%. In addition， the energy saving benefits of this system is significant， which can save the operating costs of 53%， 77%， 80%， 90% and 65%， respectively， when compared with coal-fired boilers， gas boilers， oil-fired boilers， electric boilers and air source heat pumps.

Keywords：heat pump systems； waste heat utilization； temperature control； solar-assisted heat pump； seawater source heat pump； energy-conserving benefit