CN108870805A - 空气源热泵耦合超导管太阳能模块化海水温控系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了空气源热泵耦合超导管太阳能模块化海水温控系统及方法，涉及海水养殖设备领域，包括控温水箱、供热源、电控阀、导管和多个换热器，控温水箱通过导管和电控阀分别与供热源和换热器形成热循环管路和冷循环管路，控温水箱包括热水箱和冷水箱，供热源包括空气源热泵和太阳能集热器，导管包括导热管、导冷管和换热管；本发明通过控制电控阀的启闭，实现冷热循环实时转换和无缝衔接，保证了同时期鱼类、贝类以及甲壳类等养殖场繁育对冷水、温水和热水的不同需求。

Description

空气源热泵耦合超导管太阳能模块化海水温控系统及方法

技术领域

本发明涉及海水养殖设备领域，具体涉及空气源热泵耦合超导管太阳能模块化海水温控系统。

背景技术

温度的控制是海水工厂化养殖与苗种繁育过程中最关键的一个环节。由于冬季温度较低，工厂化养殖尤其是苗种繁育一般会采用海水锅炉与加温装置相结合的方式，获得高温培育用水，使其保持在适宜温度范围内。目前现有技术广泛采用锅炉连接铁质加热管的方式加温。这种方式采用的能源主要为煤，容易造成环境污染与能源浪费。另外，该方法温度由锅炉控制，温度控制滞后。传导用铁管易被海水腐蚀、生锈；同时，夏季设备闲置，基本没有降温功能。到2017年，地级及以上城市建成区基本淘汰10吨/时及以下的燃煤锅炉。海水工厂化养殖用控温设施的升级势在必行。

空气源热泵是目前开拓利用新能源的设备之一。但单一空气源热泵的应用易受气候条件的制约。在冬季，随着室外空气热源温度的降低，蒸发温度随之降低，导致热泵制热量和能效比均明显下降，甚至严重结霜造成设备无法正常运行。针对传统单一空气源热泵以上缺陷，国内外专家学者所提出解决方案包括:带中间冷却器或经济器的二级压缩热泵系统，带经济器的准二级压缩热泵系统，采用变频技术、辅助加热器、复叠式蒸汽压缩的热泵系统以及双级耦合热泵系统等(柴沁虎等，2002；田长青等，2004；田长青等，2005；王怀彬等，2007)。但这些方案不可避免引起热泵系统结构复杂，压缩机功耗增加，安装费用增高等缺点，且难以大幅度提高空气源热泵的冬季低温供热工况制热量和能效比。

海水因其本身是一种强的腐蚀介质，控温系统的相关研究报道较少，在与其他能源设备联合时往往容易发生管道泄漏而导致无法实施。并且，对于多温带多池域鱼种的工厂化养殖，无法在同一套温控设备中实现，难于对能源统筹管理，能耗大，铺设成本过高。同时，对于多类鱼种所需温度差异较大，常规加热方式温控范围小，无法满足低温制冷或高温快速供热需求。

发明内容

针对上述现有技术存在的常规热源及传热介质加热效率低，能耗大的问题，本发明的目的在于提供一种空气源热泵耦合超导管太阳能模块化海水温控系统，本发明通过控制电控阀的启闭，实现冷热循环实时转换和无缝衔接，保证了同时期内鱼类、贝类以及甲壳类等养殖场繁育对冷水、温水和热水的不同需求。

空气源热泵耦合超导管太阳能模块化海水温控系统，包括控温水箱、供热源、电控阀、导管和多套换热器，控温水箱通过导管和电控阀分别与供热源和换热器形成热循环管路和冷循环管路，控温水箱包括热水箱和冷水箱，供热源包括空气源热泵和太阳能集热器，导管包括导热管、导冷管和换热管；

在热循环管路中，所述热水箱通过电控阀和导热管分别与空气源热泵和太阳能集热器相连通，使空气源热泵与太阳能集热器的管路串联或并联；在冷循环管路中，所述冷水箱通过电控阀和导冷管与空气源热泵相连通；多个所述换热器通过各自的电控阀和换热管分别与所述热水箱和冷水箱相连通。

优选的，空气源热泵、太阳能集热器和换热器进水的导管和换热器出水的导管处均设置有循环泵。

优选的，各所述换热管的换热器端、热水箱端和冷水箱端均设置有电控阀。

优选的，所述换热器为多套分别铺设于不同养殖池底的散热管，每个养殖池底的散热管对应设置有相应的进水电控阀和出水电控阀。所述散热管优选为散热铝管。

进一步，所述空气源热泵包括高温热泵和冷暖双效泵。

优选的，在热循环管路中，所述热水箱通过电控阀和导热管依次与冷暖双效泵和高温热泵相连通，使高温热泵和冷暖双效泵与热水箱串联；在冷循环管路中，所述冷水箱通过电控阀和导冷管与冷暖双效泵相连通。

优选的，冷暖双效泵和高温热泵的进水的导管处均设置有循环泵。

优选的，各导热管的热水箱端和冷水箱端，以及与冷暖双效泵相连的导热管的高温热泵端设置有电控阀。

进一步，所述热水箱设置有用于出水的电控阀和导热管，与高温热泵的进水处相连通。

本发明同时提供一种采用上述海水温控系统的温控方法。

具体地，在热循环管路供热源对供热的换热器供热至设定温度后，关闭换热管热水箱端用于进出水的电控阀，打开换热管冷水箱用于进出水的电控阀，空气源热泵制冷为冷水箱循环输送冷水，并通过冷循环管路为供冷的换热器降温。制冷降温至设定温度后，反之亦然：关闭换热管冷水箱端用于进出水的电控阀，打开换热管热水箱用于进出水的电控阀，太阳能集热器和空气源热泵制热为热水箱循环输送热水，并通过热循环管路为制热的换热器升温。本发明系统在为制冷换热器降温的过程中，能够同时保持热水箱内温度，并利用太阳能集热器继续集热储能。

进一步，供热的换热器升温过程：①打开与太阳能集热器相连的导热管热水箱端用于进出水的电控阀，将水预热；②打开与冷暖双效泵相连的导热管热水箱端用于出水的电控阀，将预热水二次预热；③打开与冷暖双效泵相连的高温热泵端用于进水的电控阀，打开与冷暖双效泵相连的导热管高温热泵端用于进水的电控阀，将二次预热水高温加热；④打开与供热的换热器相连的换热管热水箱端和换热器端用于进出水的电控阀，将高温热水输入供热的换热器循环加热。

优选的，供热的换热器升温后向供冷的换热器降温转换过程：①关闭与供热的换热器相连的换热管热水箱端和换热器端用于进出水的电控阀；②关闭与冷暖暖双效泵相连的导热管热水箱端用于出水的电控阀，关闭与冷暖暖双效泵相连的导热管高温热泵端用于进水的电控阀；③打开与冷暖双效泵相连的导冷管冷水箱端用于进出水的电控阀，将水降温；④打开与供冷的换热器相连的换热管冷水箱端和换热器端用于进出水的电控阀，将冷水输入供冷的换热器循环降温。

更优选的，在供热的换热器升温后向供冷的换热器降温转换后，高温热泵和太阳能集热器持续工作，维持热水箱内热水温度。

本发明所带来的综合效果包括：

①本发明采用多级供热耦合，显著降低了每级供热的启动能耗，节约了运行成本，增加了调温范围，并显著提高供热效率；②通过电控模块化的双热泵机组和太阳能集热器调节，实现冷暖管路的分时串、并联及单路运行，运行方式灵活，冷暖供应无缝衔接，且充分存储并利用闲时热/冷量，提高能效等级；③采用高温热泵和冷暖双效泵与双水箱相结合的双压缩机双管路泵送系统，充分发挥高低温热泵优点，克服低温热泵升温难，高温热泵启动难，无法制冷的缺点，提高冷热转化率并提高控温精度，进一步适应同时期的多温域海水养殖需求；④铝管式换热器于养殖池底直接换热，进一步提高了能效和换热效率并降低系统启动和冷暖转换延时，静音、维修简便、投入维护成本低。

附图说明

图1是本发明实施例空气源热泵耦合超导管太阳能模块化海水温控系统结构示意图。

其中，在附图中相同的部件用相同的附图标记；附图并未按照实际的比例绘制。

具体实施方式

本发明的以下实施例仅用来说明实现本发明的具体实施方式，这些实施方式不能理解为是对本发明的限制。其它的任何在未背离本发明的精神实质与原理下所做的改变、修饰、替代、组合、简化，均视为等效的置换方式，落在本发明的保护范围之内。

实施例

空气源热泵耦合超导管太阳能模块化海水温控系统，如图1所示，包括控温水箱1、供热源、电控阀8、导管和多套换热器7，控温水箱1通过导管和电控阀8分别与供热源和换热器7形成热循环管路和冷循环管路，控温水箱1包括热水箱11和冷水箱12，供热源包括空气源热泵2和太阳能集热器3，导管包括导热管4、导冷管5和换热管6；

在热循环管路中，所述热水箱11通过电控阀8和导热管4分别与空气源热泵2和太阳能集热器3相连通，使空气源热泵2与太阳能集热器3的管路并联；在冷循环管路中，所述冷水箱12通过电控阀8和导冷管5与空气源热泵2相连通；多个所述换热器7通过各自的电控阀8和换热管6分别与所述热水箱11和冷水箱12相连通。

空气源热泵2、太阳能集热器3和换热器7进水的导管和换热器7出水的导管处均设置有循环泵9。

各所述换热管6的换热器端、热水箱端和冷水箱端均设置有电控阀8。

所述换热器7为多套分别铺设于不同养殖池底的散热管，每个养殖池底的散热管对应设置有相应的进水的电控阀8和出水的电控阀8。所述散热管为散热铝管。

所述空气源热泵2包括高温热泵22和冷暖双效泵21。

在热循环管路中，所述热水箱11通过电控阀8和导热管4依次与冷暖双效泵21和高温热泵22相连通，使高温热泵22和冷暖双效泵21与热水箱11串联；在冷循环管路中，所述冷水箱12通过电控阀8和导冷管5与冷暖双效泵21相连通。

冷暖双效泵21和高温热泵22的进水的导管处均设置有循环泵9。

各导热管4的热水箱端和冷水箱端，以及与冷暖双效泵21相连的导热管4的高温热泵端设置有电控阀8。

所述热水箱11设置有用于出水的电控阀8和导热管4，与高温热泵22的进水处相连通。

本实施例采用上述空气源热泵耦合超导管太阳能模块化海水温控系统的温控方法，具体包括如下步骤：

在热循环管路供热源对供热的换热器供热至设定温度后，关闭换热管热水箱端用于进出水的电控阀，打开换热管冷水箱用于进出水的电控阀，空气源热泵制冷为冷水箱循环输送冷水，并通过冷循环管路为供冷的换热器降温。制冷降温至设定温度后，反之亦然：关闭换热管冷水箱端用于进出水的电控阀，打开换热管热水箱用于进出水的电控阀，太阳能集热器和空气源热泵制热为热水箱循环输送热水，并通过热循环管路为制热的换热器升温。本发明系统在为制冷换热器降温的过程中，能够同时保持热水箱内温度，并利用太阳能集热器继续集热储能。

供热的换热器升温过程：①打开与太阳能集热器相连的导热管热水箱端用于进出水的电控阀，将水预热；②打开与冷暖双效泵相连的导热管热水箱端用于出水的电控阀，将预热水二次预热；③打开与冷暖双效泵相连的高温热泵端用于进水的电控阀，打开与冷暖双效泵相连的导热管高温热泵端用于进水的电控阀，将二次预热水高温加热；④打开与供热的换热器相连的换热管热水箱端和换热器端用于进出水的电控阀，将高温热水输入供热的换热器循环加热。

供热的换热器升温后向供冷的换热器降温转换过程：①关闭与供热的换热器相连的换热管热水箱端和换热器端用于进出水的电控阀；②关闭与冷暖暖双效泵相连的导热管热水箱端用于出水的电控阀，关闭与冷暖暖双效泵相连的导热管高温热泵端用于进水的电控阀；③打开与冷暖双效泵相连的导冷管冷水箱端用于进出水的电控阀，将水降温；④打开与供冷的换热器相连的换热管冷水箱端和换热器端用于进出水的电控阀，将冷水输入供冷的换热器循环降温。

在供热的换热器升温后向供冷的换热器降温转换后，高温热泵和太阳能集热器持续工作，维持热水箱内热水温度。

验证试验

将实施例温控系统及方法用于多季节多温域海水养殖：

冬季实际运行情况测试：

运行工况：天气晴天，气温2℃～7℃，基础水温5℃。系统运行设置：保温水箱出水量为2.1吨。太阳能设为出水口温度高于进水口温度8℃自动启动运行。循环系统设定在55℃开始为养殖池循环加热。

自早晨8：00开启太阳能和两台空气能泵为保温水箱内水开始加热，9:35保温水箱内水温达到55℃，开始循环。

制冷时，制冷不锈钢保温水箱2中的水，利用循环泵9经由冷暖双效空气源热泵冷却后，获得的冷水返回制冷不锈钢保温的冷水箱，再利用主进水的循环泵经由车间育苗池内的导冷管循环后，利用回水的循环泵辅助返回继续制冷。

夏季实际运行情况测试：

运行工况：天气晴天，气温25℃～33℃，基础水温31℃。系统运行设置：保温水箱出水量为2.1吨，循环系统设定在8℃开始为养殖池循环降温。

自早晨8：00开启冷暖双效空气源热泵为保温的冷水箱内水开始降温，10:00保温的冷水箱内水温达到8℃，开始循环。

结果表明本发明采用空气能、电能和太阳能作为热源，对养殖与育苗用海水进行温度控制，提高了供热供冷效率，能效比达到3.5W/W以上，控温误差精度＜1℃。

虽然本发明已作了详细描述，但对本领域技术人员来说，在本发明精神和范围内的修改将是显而易见的。此外，应当理解的是，本发明记载的各方面、不同具体实施方式的各部分、和列举的各种特征可被组合或全部或部分互换。在上述的各个具体实施方式中，那些参考另一个具体实施方式的实施方式可适当地与其它实施方式组合，这是将由本领域技术人员所能理解的。此外，本领域技术人员将会理解，前面的描述仅是示例的方式，并不旨在限制本发明。

Claims (10)

1.空气源热泵耦合超导管太阳能模块化海水温控系统，其特征在于，包括控温水箱、供热源、电控阀、导管和至少两套换热器，控温水箱通过导管和电控阀分别与供热源和换热器形成热循环管路和冷循环管路，控温水箱包括热水箱和冷水箱，供热源包括空气源热泵和太阳能集热器，导管包括导热管、导冷管和换热管；

在热循环管路中，所述热水箱通过电控阀和导热管分别与空气源热泵和太阳能集热器相连通，使空气源热泵与太阳能集热器的管路串联或并联；在冷循环管路中，所述冷水箱通过电控阀和导冷管与空气源热泵相连通；多个所述换热器通过各自的电控阀和换热管分别与所述热水箱和冷水箱相连通。

2.根据权利要求1所述的温控系统，其特征在于，空气源热泵、太阳能集热器和换热器进水的导管和换热器出水的导管处均设置有循环泵，和/或各所述换热管的换热器端、热水箱端和冷水箱端均设置有电控阀。

3.根据权利要求2所述的温控系统，其特征在于，所述换热器为多套分别铺设于不同养殖池底的散热管，每个养殖池底的散热管对应设置有相应的进水电控阀和出水电控阀。

4.根据权利要求1所述的温控系统，其特征在于，所述空气源热泵包括高温热泵和冷暖双效泵。

5.根据权利要求4所述的温控系统，其特征在于，在热循环管路中，所述热水箱通过电控阀和导热管依次与冷暖双效泵和高温热泵相连通，使高温热泵和冷暖双效泵与热水箱串联；在冷循环管路中，所述冷水箱通过电控阀和导冷管与冷暖双效泵相连通。

6.根据权利要求5所述的温控系统，其特征在于，冷暖双效泵和高温热泵的进水的导管处均设置有循环泵，和/或各导热管的热水箱端和冷水箱端，以及与冷暖双效泵相连的导热管的高温热泵端设置有电控阀。

7.根据权利要求6所述的温控系统，其特征在于，所述热水箱设置有用于出水的电控阀和导热管，与高温热泵的进水处相连通。

8.一种采用如权利要求4-7中任一项所述温控系统的空气源热泵耦合超导管太阳能模块化海水温控方法，其特征在于，

在热循环管路供热源对供热的换热器供热至设定温度后，关闭换热管热水箱端用于进出水的电控阀，打开换热管冷水箱用于进出水的电控阀，空气源热泵制冷为冷水箱循环输送冷水，并通过冷循环管路为供冷的换热器降温；

制冷降温至设定温度后，关闭换热管冷水箱端用于进出水的电控阀，打开换热管热水箱用于进出水的电控阀，太阳能集热器和空气源热泵制热为热水箱循环输送热水，并通过热循环管路为制热的换热器升温；

在为制冷换热器降温的过程中，同时保持热水箱内温度，并利用太阳能集热器继续集热储能。

9.根据权利要求8所述的温控方法，其特征在于，供热的换热器升温过程：

①打开与太阳能集热器相连的导热管热水箱端用于进出水的电控阀，将水预热；②打开与冷暖双效泵相连的导热管热水箱端用于出水的电控阀，将预热水二次预热；③打开与冷暖双效泵相连的高温热泵端用于进水的电控阀，打开与冷暖双效泵相连的导热管高温热泵端用于进水的电控阀，将二次预热水高温加热；④打开与供热的换热器相连的换热管热水箱端和换热器端用于进出水的电控阀，将高温热水输入供热的换热器循环加热。

10.根据权利要求9所述的温控方法，其特征在于，供热的换热器升温后向供冷的换热器降温转换过程：

①关闭与供热的换热器相连的换热管热水箱端和换热器端用于进出水的电控阀；②关闭与冷暖暖双效泵相连的导热管热水箱端用于出水的电控阀，关闭与冷暖暖双效泵相连的导热管高温热泵端用于进水的电控阀；③打开与冷暖双效泵相连的导冷管冷水箱端用于进出水的电控阀，将水降温；④打开与供冷的换热器相连的换热管冷水箱端和换热器端用于进出水的电控阀，将冷水输入供冷的换热器循环降温；

优选的，在供热的换热器升温后向供冷的换热器降温转换后，高温热泵和太阳能集热器持续工作，维持热水箱内热水温度。