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  • 地源热泵在水产养殖恒温系统中的应用研究
  • [2013-08-12]
  • 地源热泵在水产养殖恒温系统中的应用研究

    南京天加空调设备有限公司      罗迎宾  梁路军

    江苏工业大学能源与环境研究中心     蒋绿林

    摘要:文章结合南京某水产养殖场的工程案例,在探讨地源热泵技术应用理论的基础上,对水产养殖采用地源热泵系统的技术性及经济性进行分析,最终节能效果相当明显,具有较高的市场推广价值;完成由传统养殖技术到现代绿色养殖技术的转变,加快水产养殖技术的实用化和商业化进程。

    关键词:地源热泵   水产养殖   恒温

     

    The Research Of Ground Source Heat Pump In Constant Temperature System Of Aquaculture

    Manning TICA Central Air-Conditioning Co.,Ltd   YingBinLuo   LuJunLiang

    JiangSu  Research  Institute Of Building Science Co.,Ltd    LiuJinJi  

    SouthEast University  Manning     LvLinJiang

    Abstract: The article unifies the actual situation of aquaculture, creative introduce the ground source heat pump technology, through intellectualized control and realization the true sense green cultivation. At the same time, in the base of the hot theory, carry on the analysis of useing the ground source heat pump system, the average COP can achieve above 4, has the giant market introduction value; Completes the transformation from traditional cultivation technology to the modern green cultivation technology, speeds up the aquaculture technology, the practical application and the commercialization advancement.

    Key Word: Ground Source Heat Pump    Aquaculture    Constant Temperature

     

    0前言

            现代工厂化养殖起源于内陆海洋水族馆技术、自动化水族箱技术和流水高密度养殖技术,是工程科学与生命科学的有机结合;工厂化养殖是集生物、物理、化学和电子等多门学科为一体的技术,它将生物技术、信息技术和现代养殖方式集于一身,所以工厂化养殖是水产养殖高科技的最集中的代表,是世界水产养殖业的发展方向。当前,我国的水产养殖业正处于历史的转折点,根据农业部的水产养殖发展“九五”规划和2010年远景目标,水产养殖业已经正式纳入了我国“可持续发展”总体战略之中。

    1 地源热泵系统简介[1]-[3]

            作为自然界的现象,正如水由高处流向低处那样,热量也总是从高温流向低温。但人们可以创造机器,如同把水从低处提升到高处而采用水泵,采用热泵可以把热量从低温抽吸到高温。所以热泵实质上是一种热量提升装置,它本身消耗一部分能量,把环境介质中贮存的能量加以挖掘,提高温位进行利用,而整个热泵装置所消耗的功仅为供热量的三分之一或更低,这也是热泵的节能特点。

            地源热泵系统,由于土壤热源温度全年较为稳定,一般为10~20℃(图1为江苏南京地区地下土壤季节波动曲线),通过埋入地下的地藕系统中的传热交换介质的强制循环,从而采取土壤中10米以下恒温层中的能量,提升温位后进入热泵主机,进而达到供热温度,一般为45-55℃。在此过程中,热泵主机消耗一份能量单元,能够得到三到五份的能量单元,其能耗比系数可达3.5~5.0。与锅炉(电、燃料)供热系统相比,达到同样的供热温度所需要的能量,锅炉供热只能将90%以上的电能或70~90%的燃料内能化为热量,因此地源热泵系统要比电锅炉节省三分之二以上的能耗,比燃料锅炉节省二分之一以上的能耗。

    图1江苏南京地区地下土壤季节波动曲线

    2 地源热泵水产养殖系统运行原理

              顾名思义,地源热泵水产养殖恒温系统就是利用地源热泵系统,给养殖池提供恒定温度的一套新型技术系统。其详细运行原理如图2。

        (1)地源热泵系统,通过地藕埋管换热系统⑥,将土壤中的热量收集起来并通过地埋管管循环泵⑦输送到地源热泵主机①,完成能量的采集过程。

        (2)通过地源热泵主机内部的压缩机做功,提高能量的品位,消耗1单元的能量,获得3-4单元的能量;进而由保温循环泵②将获得能量输送到养殖池恒温散热系统③。

        (3)由水产养殖池中的热敏水温探头来判断,当温度低于养殖适宜温度时,开启保温循环泵②以及地源热泵主机①,完成池水的加热保温;当池水达到适宜温度时,则关闭保温循环泵②以及地源热泵主机①,停止供热。

        (4)整个系统通过膨胀补水箱④以及软化水处理设备⑤,完成水路的不断循环与补充。



    图2  地源热泵水产养殖系统原理图

            说明:①满液式水源螺杆热泵机组;②保温循环泵;③养殖池恒温散热系统;④膨胀补水箱;⑤软化水处理设备;⑥地藕埋管换热系统水源管路循环泵;⑦地埋管循环泵;

    3 地源热泵水产养殖系统案例分析

      3.1 养殖池相关热物理设计[4] [5]

            南京江宁罗氏沼虾养殖场建在大棚室内,养殖水域面积约2000平方米(100米×20米)。罗氏沼虾的生长最适温度为25~30℃;18℃时活动减弱,16~17℃时反应迟钝,最低水温下限14℃(冻死),最高水温上限35℃.水温控制在25℃左右时可常年产卵,孵化温度25~32℃,最适宜温度26~28℃.因此,水产养殖相关设计标准数据为:水深约3.5米,水温必须控制在26±1℃;冬季室外计算温度-3℃,冬季室内平均温度不低于21℃;夏季室外计算温度35℃,室内温度不高于29℃;养殖池需全年恒温供热。

            由于夏季池水温度比环境温度低,不存在或者少量存在蒸发热损失;而冬季池水温度比环境温度高,具有比较大的蒸发热损失,因此,在系统仅用于冬季及过渡季节的池水保温。

            水产养殖池的热损失主要是水面蒸发热损及与环境间的热传导。热损失计算公式如下[2]

    单位时间水面蒸发热损Q1

    其中:

           γ表示与池水温度相同,水的蒸发汽化潜热;

           vf表示养殖池水面风速;

           Pb表示与池水温度相同,饱和空气水蒸气分压力;

           Pq表示养殖池室内环境空气水蒸气分压力;

           F表示养殖池的水面面积;

           b表示当地的大气压力。

    单位时间传导热损Q2                                 

    其中:

           α表示水传导系数;

           F表示养殖池与环境的接触面积;

           ts表示养殖池水温度;

           tq表示环境接触温度,包括空气、池壁土壤等

            以冬季环境参数工况作为设计依据,计算得出:;;

            为确保恒定水温,养殖区域保温加热功率为:;考虑到管路系统热损,设计保温功率800KW;即地源热泵系统的制热量必须达到800KW,才能够满足提供恒定温度养殖环境的条件。

    3.2 地源热泵系统设备选型

            地源热泵系统主要分为地藕埋管换热系统、地下水换热系统以及地表水换热系统;相应的,由于三种系统的运行工况均与机组的型式相对应,因此,该项目决定采用地埋管换热系统(地埋管工况)作为地源热泵系统的热源。

            根据最不利季节冬季设计保温功率,选择天加TWSF0265.1BG2型满液式水源螺杆热泵机组;在标准设计工况下(埋管侧进/出水温度10/5℃,负荷侧进/出水温度40/45℃),制热功率853KW,输入功率187KW;机组制热能效比COP值约4.56。

    3.3 成井及土壤热物性测试

            地质结构分析试验中,现场总共布置1~4#四口试验井,井口尺寸¢130MM,深度为82米,其中75米以下均为风化岩层,因此,成井报告以75.5米以上地质结构为主。从南京地质勘察设计院提供的1~4#四孔位成井实验报告(图3)中可以看出,南京地区地下层土壤结构75米以内以黏土层及沙砾层为主,从经济性和换热效果看,比较适合地源热泵系统的应用。

    图3 南京土壤1~4#孔位地质结构图

             同时,在项目地区进行了热响应实验。由于地源热泵系统仅用于水产养殖池的加热保温,因此,热物性试验通过单工况换热实验即可进行系统设计。现场土壤热响应试验设备示意图见图。

    图4 土壤换热热响应实验装置

            说明:①中央处理CPU;②水温探头;③流量计;④循环水泵;⑤储热水箱;⑥辅助电加热器;⑦垂直单U型地埋管

            实验依据,在相对较长的运行周期内,通过辅助电加热设备,保持储热水箱中的恒温状态;在保持输入温度和循环流量基本不变的情况下,获取地埋管出口水温,从而计算出该地区的土壤换热指标。下表为稳定运行72小时,通过热响应测试,地埋管系统的平均单位换热指标参数值:

    时间

    进口温度

    流量L/S

    出口温度

    换热指标

    24h

    30.20℃

    0.318

    25.43℃

    32.55W/m

    48h

    30.15℃

    0.318

    25.24℃

    33.51W/m

    72h

    30.12℃

    0.318

    25.19℃

    33.65W/m

     

     

            因此,垂直单U型地埋管换热指标参数按照33.5W/m进行计算。根据热负荷,计算出现场地埋换热管总长度为:

      根据地质结构报告,地下75.5米处以风化岩石层为主,因此,设计地埋管深度75米,则地源井数量为:

    3.4、项目运行数据实测分析

            该系统于2007年竣工,并于通过10~2月正式开始运行,通过为期4个月的实测跟踪,对该期间养殖池的各项数据数据进行了统计分析。

            在养殖池初次加温过程中,池水温度较低,仅为18℃,因此,整个加热过程进行了将近82小时,达到恒定温度26℃。随后,地源热泵系统每天仅用于保温热损的补偿工作。

            养殖池每天24小时需要保持恒温,应用峰谷电价,江苏峰时电价0.55元/KWH,时间段为7:00~21:00;谷时电价0.35元/KWH,时间段为21:00~7:00。

            按照公式:

            其中:M表示运行费用,Q表示热负荷,Φ表示燃烧值,μ表示燃烧效率,c表示单价。

            ①采用地源热泵养殖池恒温系统,按照峰电14小时,谷电10小时计算,冬季每天运作费用为1960元;

            ②采用电锅炉加热系统,按照峰电14小时,谷电10小时计算,冬季每天运作费用为8960元;

            ③采用燃油锅炉加热系统,燃油燃烧值9000Kcal/L,燃烧效率85%,单价4.5元/L,则冬季每天运作费用为9680元;

            ④采用燃气锅炉加热系统,天然气燃烧值8500Kcal/L,燃烧效率80%,单价2.8元/L,则冬季每天运作费用为6776元;

    图5 各种系统运行费用分析

    4 结论:

           1.从理论和实际工程案例上,地源热泵技术在水产养殖恒温系统中完全具有可行性;

           2.采用地源热泵水产养殖技术,比传统的供热技术节能50%以上;经济性价值巨大。

           3.地源热泵技术属于绿色生态环保技术,符合我国能源可持续发展的战略,值得推广。


     

     

     

    参考文献:

           [1]徐伟.地源热泵工程技术指南[M].北京:中国建筑工业出版社,2001

           [2]俞昌铭.热传导[M].北京:高等教育出版社,1983

           [3]李新国等.地源热泵-暖通空调节能技术[J].节能与环保,2001(2):19-21

           [4]方圣琼,胡雪峰,水产养殖废水处理技术及应用.环境污染治理技术与设备,2004,5(9):51-55

           [5]郑耀通、胡开辉.固定化光合细菌净化养鱼水质试验.中国水产科学,1999,6(4):56-58

     

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