海水育苗采用海水源热泵加热海水的可行性分析

姜衍礼，董信林，崔从明

（威海中天羲和新能源技术有限公司，山东 威海 264200）

海水育苗采用海水源热泵加热海水的可行性分析

姜衍礼，董信林，崔从明

（威海中天羲和新能源技术有限公司，山东 威海 264200）

随着国家对海水养殖业的重视，近几年海水育苗得到大力发展，尤其是海参、对虾、鲍鱼、扇贝、大菱鲆、河豚等珍贵的水产品种的育苗越来越多，不同品种的育苗对水温要求不同，海参育苗要求水温在16～23℃，海水鱼（如大菱鲆）育苗要求水温在12～20℃，虾类、贝类育苗要求水温在22～25℃。每年11月份至翌年5月是海水育苗集中季节，山东育苗地区主要集中在山东半岛，而此时山东半岛的近海水温为2～10℃，温度较低，需要给海水升温；夏季8、9月份，海水温度可达25℃，需要给海水降温。目前海水育苗均采用边补边排的活水养殖方式，有大量废水排放，因此海水育苗不但耗能大，而且能源浪费严重。

目前海水育苗加热海水的方式，主要采用燃煤锅炉，采用燃煤锅炉造价和运行费用虽然较低，但会引起大气污染。煤炭价格也随开采量的减少而逐渐增加，燃煤锅炉已不符合国家节能减排的基本国策。威海地区目前拥有近百家育苗企业，育苗水体60万m3，到2015年水产育苗能力超过300万m3，这些育苗企业海水育苗加热海水的方式均采用燃煤锅炉，按加热每立方水体每年需要消耗煤炭400 kg，目前威海地区每年需消耗煤炭20多万t，排放CO2高达50万t、SO21 600 t、NOX1 400 t，形势严峻，现在急需一种节能环保的海水加热的方式来替代燃煤锅炉。目前，水源热泵技术以其低投入、高产出的优越性在建筑采暖制冷中已经得到大力应用，本文将对将其应用到海水育苗中的可行性进行分析，供所在地区育苗条件与威海地区相类似的相关从业者以参考。

1 海水育苗海水源热泵技术简介

海水源热泵采用耐海水腐蚀换热器，海水可以直接进入到海水源热泵蒸发器，吸收海水中的低温热能，通过压缩机做功，在热泵冷凝器放热到需要加热的海水中，实现加热的目的。夏天可转换热泵冷凝器和蒸发器的管路，同样实现制冷的目的。

2 海水源热泵在不同工况下的性能

制热海水温度和吸收海水温度对海水源热泵的制热系数（COP）影响很大，制热海水温度越低，吸收海水温度越高，海水源热泵的制热系数越大。如LSBLR-1090S海水源热泵机组，在采暖空调工况下，热源海水温度6/1℃，制热水温度40/45℃，制热性能系数COP是3.80；热源海水温度10/5℃，制热水温度40/45℃，制热性能系数COP是4.09。

在海水育苗工况下，热源海水温度6/1℃，制热水温度13/18℃，制热性能系数COP是6.91；在热源海水温度6/1℃，制热水温度22/27℃，制热性能系数COP是6.21；在热源海水温度10/5℃，制热水温度13/18℃，制热性能系数COP是7.54；在热源海水温度10/5℃，制热水温度22/27℃，制热性能系数COP是6.78。

由图1可见，在海水育苗工况下，热泵机组的制热性能系数COP大于6.0，而在采暖空调工况下，热泵机组的制热性能系数COP为4.0左右。所以热水机组在海水育苗工况下优势大于采暖空调工况，更加节能，更具有优势。

我们采用梯级加热方式，通过钛板换热器先回收废水中的一部分热量，在经过海水源热泵进一步加热，系统制热性能系数可进一步提高。这种方式可充分回收废水中的余热，降低海水源热泵的功率和机组的造价。

图1 海水源热泵在不同海水温度下的制热性能系数

3 节能环保效益分析

以3 000 m3水体海参育苗为例就其技术经济性进行分析。

3.1 海参育苗海水源热泵系统工艺流程

海参育苗池3 000 m3，水温要求18℃，每天换水1/3，3 d清洗池1次，平均每天需1 500 m3新鲜海水补充，按海水最低温度2℃计算，排水温度17℃，育苗加热时间210 d。

系统工艺流程图如图2所示，2℃新鲜海水先通过钛合金换热器和排出的17℃废海水换热，然后6℃废海水进入海水源热泵蒸发器，预热后的13℃新海水进入海水源热泵冷凝器加热到需要的温度18℃。

图2 海水育苗海水源热泵系统运行原理图

3.2 海参育苗池热水耗热量确定

海参育苗池每天热水耗热量Q用下公式计算:

式中：Cp为水的定压热容，4.19 kJ/（kg·℃）；△T为水的温升（即热水温度18℃与基础水温2℃之差）；M为海水的质量，1 500 m3×1.03×103kg/m3。

代入数据计算得Q＝1.04×108kJ。

3.3 海水源热泵热负荷确定

设计小时耗热量Q1用下式计算:

式中：CP为水的定压热容，4.19 kJ/（kg·℃）；△T为水的温升（即热水温度18℃与基础水温13℃之差）；M为海水的质量，1500 m3×1.03×103kg/m3。

代入数据计算得Q1＝8991.04 kW。

采用12小时工作，海水源热泵热负荷为：8991.04 kW/12=749.25 kW。

3.4 海水源热泵节能效益

海水源热泵在热源海水温度6/1℃，制热水温度13/18℃，制热性能系数COP是6.91，海水源热泵耗电量为749.25 kW/6.91=108.43 kW，输送能耗占系统能耗的比例为20%，系统制热总耗电量130.12 kW，系统总制热量为：

3.4 .1海水源热泵系统制热性能系数COP

海水源热泵系统制热性能系数COP用下式计算:

式中：Qr为海水源热泵系统总制热量，2407.41 kW；Wr为海水源热泵系统制热总耗电量，130.12 kW。

代入数据计算得COP＝18.50。

3.4 .2海水育苗海水源热泵系统耗电量计算

海水源热泵系统平均热负荷Qrp用下式计算：

式中：Qr为海水源热泵系统总制热量，2407.41 kW；Tr为制取海水温度，18℃；Tp为海水平均温度，6.37℃；Tj为海水计算温度，2℃，代入数据计算得：

海水育苗系统耗热量Qhr用下式计算：

式中：N加热天数，按210计算。

代入数据计算得Qhr=1.59×1010kJ。

该海水源热泵系统制热性能系数COP为18.50，则系统制热理论耗电量为23.89万kWh。

根据国家标准GB/T2589-81，标准煤发热量为29 271 kJ/kg，每kWh电能消耗标准煤为0.347 kg，折算出海水源热泵系统制热年耗煤量为82.91 t。

3.5 海水育苗采用燃煤锅炉热水系统

若海水加热完全由燃煤锅炉提供，燃煤锅炉热效率按60%计算，则每年耗煤量为：

采用海水海水源热泵机组比燃煤锅炉热水系统每年节省煤炭量：905.36 t-82.91 t=822.45 t。

3.6 经济效益

3 000 m3水体海参育苗海水源热泵系统的总投资为150万元，单位体积投资为500元/m3，使用燃煤锅炉制热总投资为36万元，单位体积投资为120元/m3，采用海水源热泵比燃煤锅炉需增加投资114万元。见表1。

表1 项目的节能效益

采用海水育苗海水源热泵系统每年耗电量为23.89万kWh，按电价0.75元/kWh，则海水源热泵系统每年运行费用17.92万元；采用燃煤锅炉每年耗煤量为905.36 t，标准煤价格按1 000元/t计算，每年运行费用为90.54万元；采用海水育苗海水源热泵系统比燃煤锅炉系统每年节省费用为72.62万元。静态投资回收期约为1.57年。

3.7 环保效益

按统计数据，燃烧每吨标准煤的燃烧会向大气排放CO22.62 t，SO28.5 kg，NOX7.4 kg。项目采用海水源热泵机组每年可节省煤炭822.45 t，减排CO2高达2 155 t，SO2减排7 t，NOX减排6 t。

4 小结

采用海水源热泵技术用于海水育苗海水加热具有重要的节能与环保及经济价值，在技术上是可行的，在工程实施上也完全具有可行性。

海水育苗采用海水源热泵比燃煤锅炉具有明显的优势,能充分回收利用海水育苗的排水中的能量、占地少、无污染、运行费用低，并能促进集约化水产养殖的发展、减少地下水开采、保护地下水资源和防止海水回灌，是替代燃煤锅炉的较好方案，其经济效益和社会效益显著，符合目前我国能源、环保的基本政策和国民经济可持续发展要求。

10.3969/j.issn.1004-2091.2017.02.007

2016-08-15）