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    粪源热泵技术在猪场中的应用

    时间：2023-04-18 08:50:03 来源：东东创业网 本文已影响人 东东创业网手机站

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    庞建建，张利斌，刘文权，宋咏梅

    （北京京鹏环宇畜牧科技股份有限公司，北京 100094）

    随着社会的发展，石油、煤炭、天然气等不可再生资源被过量开采和使用，能源短缺问题越来越严重[1]。2020年9月我国在联合国大会上提出二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。碳达峰和碳中和的实现，不仅要使用节约能源，而且需要转变能源结构，开发新型的可再生能源替代化石能源[2]。热泵是从自然界的空气、土壤或水中获取低品位热能，通过电力做功，转化为高品位热能的一种装置。它的工作原理是从周围环境中吸取热量，并把它传递给需要加热的对象，既可节约能量，又可利用余热，是备受关注的新能源技术，按照热能来源划分为空气源热泵、水源热泵、地源热泵、双源热泵（水源热泵和空气源热泵结合）等[3]。本文对粪源热泵技术在猪场中的应用效果进行探索，旨在为绿色养猪产业发展提供参考。

    1.1 工作原理

    低温低压液态制冷剂的形成：首先在蒸发器里从高温热源中吸热并气化成低压蒸气，然后在压缩机内压缩成高温高压蒸气，该高温高压气体在冷凝器内被低温热源冷却凝结成高压液体，再经节流元件节流成低温低压液态制冷剂。通过在猪舍粪池底部铺设热量收集管路，利用热量传递原理收集猪粪尿中的热量，再通过热泵技术将收集到的热量转化为场区供暖所需热量，满足场区供暖需求，实现对能量的有效利用（图1）。

    图1 粪源热泵工作原理

    1.2 组成部分

    粪源热泵系统主要由以下几个部分组成：能量收集系统、热泵机组系统、自动控制系统和供暖终端系统。能量收集系统：通过铺设在粪池底部的塑料管（PVC或PE管道），利用水循环把猪舍粪尿余热进行回收的系统。热泵机组系统：把热回收系统中20～25 ℃的温水通过压缩机（制冷和放热）提高到60 ℃。自动控制系统：根据猪热量需求，自动控制热泵机组工作，控制猪舍热量的释放，满足猪所需要的舒适温度。供暖终端系统：将粪源热泵加热后的热水（55 ℃）通过供暖管路输送到猪舍及其他区域的供暖终端实现供暖。详见图2。

    图2 粪源热泵工作示意图

    2.1 改善猪舍环境，提高肥料效益

    粪源热泵技术是以猪舍漏粪地板下部粪池内的粪尿为能量来源，通过降低粪尿温度来提取能量。粪尿温度降低后，猪舍内氨气、硫化氢等有害气体大大减少[4]，能显著改善猪舍环境，降低猪呼吸道疾病发病率，提高猪采食量和日增重。同时，大量氨气保留在粪尿中，粪尿养分含量进一步提高，为制作粪肥有机肥提供了更好的基础，生产出的粪肥肥效更高。

    2.2 优化猪舍温度，提高生产效益

    猪舍温度对猪的生长和生产具有重要影响，关系着猪场经济效益。应用粪源热泵技术可以自动控制供暖设备，显著提高供暖设备效率。同时，可以进行局部供暖或降温。采用半漏缝地板的分娩舍，夏季可实现对母猪区域降温和对仔猪区域供暖，在保障仔猪健康生长的同时，有效提高母猪的体感舒适度，提高母猪采食量和产奶量，进而提高仔猪存活率。此外，采暖区清洗消毒后，供暖管道通过供暖的形式对此区域进行烘干，可避免细菌滋生，为下一批次猪营造安全的生长环境。总之，应用粪源热泵技术可满足同猪舍或者同猪栏不同猪群的温度需求，为猪的生长和生产提供更好的保障。

    2.3 减少环境污染，降低生产成本

    粪源热泵技术通过转移猪舍粪尿的热能实现能源利用，相对于煤炭、天然气，是一种可持续的清洁能源，减少了环境污染，能够满足现行及未来的环保政策要求，不会因环保政策的改变而影响猪场生产，且可节约成本，对养猪业的可持续发展具有重要意义。

    3.1 北京某猪场对粪源热泵技术的应用

    选取存栏30 000头育肥场进行粪源热泵利用设计，场区共6栋育肥舍，每栋设计6个单元，各单元设计参数见表1。项目所在地为北京市延庆区，通过对该地多年来的气温进行统计分析，发现该地区最低温度-21 ℃，因此项目设计时必须保证室外-21 ℃时猪舍内温度适宜，不影响生产（后续的运行耗能数据设计以90%的温度统计-15 ℃进行）。

    表1 育肥舍各单元设计参数

    3.1.1 猪场供暖需求设计 依据现有猪舍设计、通风量、预期温度值及宿舍办公区面积等数据进行计算，育肥舍的期望温度为20 ℃、需求热量为2 360 kW，宿舍和办公室所需热量为85 kW，合计所需热量2 445 kW。热量由粪源热泵系统供给，工作参数见表2。

    表2 粪源热泵系统工作参数

    3.1.2 粪源热泵及燃气设备运行费用 整个猪场供暖需要配备热泵房（表3）和热量回收系统（表4），总需费用如表5所示。猪场若采用燃气供暖，需要配备燃气管道及燃气站等，所需燃气直燃机共计108台，总需费用如表5所示。

    表3 热泵房设备清单

    表4 热量回收系统设备清单

    表5 粪源热泵及燃气设备投资费用

    粪源热泵运行费用基价：电费0.49元/kWh，燃气2.98元/m3，供暖周期按照130 d计算。粪源热泵+空气源热泵全年耗电量（表6）为1 971 786.15 kWh，运行费用约96.6万元。

    表6 粪源热泵所需热负荷及运行功率

    燃气设备运行费用：根据燃气直燃机性能参数（表7），每台直燃机天然气消耗量为6.2 m3/h，则运行费用约174.7万元。

    表7 燃气设备所需热负荷及运行功率

    回资周期：存栏30 000头育肥场配置粪源热泵系统需要投资1 014万元，燃气设备需要投气温-25 ℃。

    3 000头母猪区（表8）：分娩舍3栋，面积共6 321.0 m2；
    妊娠舍2栋，面积共4 845.0 m2；
    配种舍2栋，面积共3 187.8 m2。

    400头母猪区（表8）：配种妊娠舍1栋1 074.0 m2，育肥舍1栋1 563.5 m2，分娩舍1栋资620万元。每年的总运行费用，粪源热泵约96.6万元，燃气设备约174.7万元，整个项目约5年可以回收成本。

    表8 山西某猪场粪源热泵项目猪舍情况

    3.2 山西某猪场对粪源热泵技术的应用

    该项目位于山西，设3 000头母猪区和400头母猪区，合计采暖面积19 081.3 m2，当地最低1 144.0m2，保育舍1栋946.0 m2。

    从表9可以看出，山西某猪场应用粪源热泵供热，前期投资高，但是运营成本降低，每年应用粪源热泵供热比燃煤供热节省供暖费用20万～23万元。

    表9 供暖设计参数

    粪源热泵技术是一种新型可再生能源利用技术，粪能回收系统和热泵技术相结合，通过舍内风机盘管散热系统的配合可充分利用粪能资源，节省成本。采用粪源热泵技术，所有设备的运行状态均由控制程序实现自动控制，且对猪舍内小气候不会产生较大影响，安装便捷，可根据客户需求进行个性化、优质化设计，能够保证猪生长环境的良好性。

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