太阳能辅助地源热泵系统在水产养殖中的应用

徐洪坡, 杨智园, 车晓明, 任蒙庆

(临沂大学土木工程与建筑学院，山东临沂 276005)



太阳能辅助地源热泵系统在水产养殖中的应用

徐洪坡, 杨智园, 车晓明, 任蒙庆

(临沂大学土木工程与建筑学院，山东临沂 276005)

为确保冬季寒冷地区水产养殖对水温的要求，并达到节约能源和保护环境的目的，设计了以热管式真空管太阳能集热器为主、太阳能集热器取热不足时地源热泵补充的联合提温系统，对养鱼车间的养殖水进行提温。通过两个冬季的试验，系统运行稳定，效果良好，达到了预期的设计目的，节约了80 %左右的运行费用。

水产养殖； 太阳能； 地源热泵

目前，太阳能和地源热泵技术的不断发展，利用太阳能和地源热泵产生中低温水的领域不断拓宽，既环保节能又可以为用户节约大量的运行费用。而将太阳能和地源热泵应用于水产养殖业，在国内还没有引起足够的重视[1]。

随着我国经济的发展，人民的生活水平正在逐步提高，对水产品的需求呈逐年上升趋势[2]，而水产养殖业受环境等因素的制约较大，在我国东北和西北等冬季比较寒冷的地区，一些名贵的热带水产品种，即使在室内，如果不对养殖水提温，也无法达到生长要求或生长缓慢。所以每年到了冬季，为了能够维持热带水产品种的正常生长，寒冷地区只能采用燃烧常规能源(主要是煤炭)的方式来对养殖水提温，造成人力和物力的极大浪费，而且煤炭燃烧后释放出的烟气会对环境造成极大的污染[3]。本文的研究就是为了解决这一问题，同时在冬季寒冷地区寻找到一条既经济又节能环保的水产养殖方式。

1 工程简介

1.1 太阳能集热器

作为本工程主要热源的太阳能集热器采用了热管式真空管集热系统，考虑到北方冬季特别寒冷的因素，选择了防冻液作为热管内的循环介质[4]，解决了太阳能集热系统的防冻问题，集热器面积共约40 m2。

1.2 地源热泵系统

地源热泵机组由哈尔滨市第二水泵厂设计加工，机组实际输入功率3.5 kW，名义输出功率60 kW。该地源热泵系统的循环方式为密闭式循环，机组外循环液体采用乙二醇，取热循环管为直径20 mm导热性能良好并具有一定强度的PERT管。取热管布置在生产车间旁边每天用来排水用的池塘底部，共600 m，采取平行布置，4组并联运行(图1)。

图1 地源热泵机组外取热循环管路布置

1.3 系统设计

该系统由临沂大学、哈尔滨阳光能源工程有限公司和哈尔滨市第二水泵厂联合设计，该系统采用太阳能和地源热泵联合运行的方式对蓄水池中的水进行提温，太阳能取热不足时启动地源热泵系统加以补充，要求蓄水池中20 t水的升温幅度为14 ℃(图2)。

图2 系统原理

1.4 控制系统

本工程采用了自动控制系统和自动报警系统，利用专业模块采集各控制点温度输出信号给设备(泵、电磁阀、热泵主机等)，并利用模块将信号传递给控制中心，随时控制系统的起停，也可切换到人工控制。当系统运行出现故障时，可以通过采集到的错误信息，进行自动报警。目前该控制系统运行稳定，效果良好，达到了预期的设计目的。

2 能量计算

20 t水提升14 ℃所需热量：

Q=CM△t

(1)

式中:Q为吸收的热量；C为质量热容，水的质量热容是4.2×103J/(kg·K)；M为质量；t为升高或者降低的温度。

Q=4.2×103×20×103×14=1176 MJ

如用电加热来升温，

需耗电量=1176×106/3.6×106=327 kW·h

(2)

对于太阳能集热器，

(3)

式中：Qu为集热器在规定时段内输出的有用能量，单位W；A为集热器面积，单位m2；G为太阳辐照度，单位W/m2；(τα)e为透明盖板透射率与吸热体吸收率的乘积；UL为集热器总热损系数，单位W/(m2·K)；TP为吸热体温度，单位℃；Ta为环境温度，单位℃。

根据太阳能厂家所提供的参数该系统所采用的太阳能集热器在哈尔滨地区冬季晴好天气的日均得热量为1 404MJ，太阳能集热器对水加热的转化率为85 %。

20t水的得热量为1 404×85%=1 193MJ>1 176MJ。

在绝大多数冬季晴好天气，单独运行太阳能进行集热就可满足20t水的提温要求。在冬季阴雪天气和光照不足的情况下，需要用地源热泵来进行补充。热泵采取间歇运行的方式，在太阳能完全不工作的情况下，只启动地源热泵机组，5～6h即可达到水温要求。

3 运行效果及费用分析

根据2014年、2015年冬季该系统运行时的测试情况来看，实际运行效果稍好于设计情况，在晴好天气里，即使天气比较寒冷，太阳能部分也能满足提温要求；在太阳能无法工作的天气里，热泵机组的实际运行时间要比设计时数缩短将近1h。分析原因，太阳能部分是因为太阳能的实际转化效率比设计时预计的效率要高；而热泵部分是因为养鱼车间排出的水一般温度都在15 ℃左右，和池塘中的水混合之后，池塘中的水比设计时采用的温度要高。

安装太阳能地源热泵系统后，与以前的0.3t/h锅炉的安装及运行费用比较见表1。

综上所述，笔者认为将太阳能和地源热泵结合起来应用于水产养殖业，是切实可行的，可全天候运行，可节约总运行费用近80 %。

4 结论

本工程的试验成功，将对太阳能和地源热泵的联合应用，以及水产养殖业的发展具有非常重要的意义。

(1)为今后太阳能和地源热泵系统在水产养殖业中的应用和推广提供了成功的工程实例。

表1 太阳能地源热泵机组与0.3 t/h锅炉费用 (元)

注：①在运行费用方面，地源热泵按每月运行10d、每天运行6h计算，电价0.9 元/kW，共需费用为3.5×6×10×0.9=189元。

②太阳能地源热泵系统为全自动运行，只需一名工人看管。

(2)为太阳能和地源热泵的联合应用及推广积累了经验，得到了许多宝贵的数据；为太阳能和地源热泵在更多领域的应用搭建了桥梁。

(3)在实际工程中实现了太阳能和地源热泵的有机结合，并实现了系统的自动控制和自动报警，使系统运行更加经济合理。

(4)本工程初期投资15.3万元，每年可节省运行费用8.1万元，不到两年即可收回全部设备成本。

(指导教师：刘丹)

[1] 王雁生， 王成勇， 陈文明， 等. 太阳能+地源热泵并联热水系统冬季运行特性研究[J]．暖通空调， 2009，39(9)：70-74.

[2] 赵蕾，杨子江.可持续发展水产养殖的生态系统框架构建[J]．中国海洋大学学报，2013(2)：18-20.

[3] 吕青，卢晓中，焦宏强，等. 良好水产养殖规范的发展现状和应用展望[J]．渔业现代化，2015，36(4)：62-65.

[4] 王崇杰，薛一冰，张蓓，等. 太阳能建筑设计[M]．北京：中国建筑工业出版社,2012：92-95.

[5] 杨洪兴，周伟．太阳能建筑一体化技术与应用[M]．北京：中国建筑工业出版社，2009：304-305．

2015年国家级大学生创新创业项目(项目编号: 201510452046)。

徐洪波(1993～)，男，大学本科。

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[定稿日期]2016-11-01