環(huán)渤海地區(qū)熱能資源分布及海水養(yǎng)殖水體調(diào)溫模式研究

張宇雷+吳凡+管崇武+等

摘要：根據(jù)環(huán)渤海地區(qū)（包括山東、河北、天津和遼寧4個(gè)省市）的地?zé)嵋约疤柲苜Y源的分布情況，從海水工廠化養(yǎng)殖應(yīng)用角度分析了采用電加熱、燃煤鍋爐、熱泵、太陽能等幾種水體調(diào)溫模式的優(yōu)缺點(diǎn)，并通過理論計(jì)算，對(duì)其經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了綜合比較。結(jié)果表明，熱泵和太陽能加熱方式與常規(guī)加熱方式相比，節(jié)能和環(huán)保效果顯著。從海水養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的健康和可持續(xù)發(fā)展，提出了合理規(guī)劃養(yǎng)殖區(qū)域，加強(qiáng)監(jiān)管和懲罰措施，以及加強(qiáng)宣傳、推廣利用熱泵和太陽能加熱的發(fā)展建議。

關(guān)鍵詞：海水養(yǎng)殖；熱能資源；水體調(diào)溫；環(huán)渤海地區(qū)

中圖分類號(hào)： S951文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2014）06-0229-03

收稿日期：2013-09-27

基金項(xiàng)目：現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)（編號(hào)：CARS-50）；國家科技支撐計(jì)劃（編號(hào)：2011BAD13B04）。

作者簡(jiǎn)介：張宇雷（1980—），男，上海人，碩士，助理研究員，主要從事漁業(yè)裝備與工程技術(shù)研究。E-mail：zhangyulei@fmiri.ac.cn。

通信作者：吳凡，主要從事漁業(yè)裝備與工程技術(shù)研究。E-mail：wufan@fmiri.ac.ca。近年來，海水鲆鰈魚類的養(yǎng)殖在環(huán)渤海地區(qū)發(fā)展迅速，已形成一定規(guī)模。養(yǎng)殖模式以工廠化養(yǎng)殖為主，另外還有少部分采用網(wǎng)箱和海水池塘養(yǎng)殖[1]。其中，工廠化養(yǎng)殖是海水養(yǎng)殖業(yè)中附加值較高、經(jīng)濟(jì)效益較好、發(fā)展較為迅速的養(yǎng)殖方式，2009年產(chǎn)量已突破10萬t。然而，由于工廠化養(yǎng)殖是在人工調(diào)控環(huán)境條件下進(jìn)行的，需消耗大量的煤、電等能源。趙鵬[2]等對(duì)膠南地區(qū)13個(gè)海水工廠化養(yǎng)殖企業(yè)的能耗情況進(jìn)行了調(diào)研，結(jié)果顯示，使用鍋爐的育苗場(chǎng)，鍋爐的能耗占了總能耗的92.78%±4.65%。鄭維中等指出，電能成本占大菱鲆養(yǎng)殖總成本比例在歐洲為11%，在我國則為35.6%，能源成本在我國大菱鲆養(yǎng)殖成本中所占比例最大[3-4]。由此可見，我國工廠化養(yǎng)殖能耗成本占總成本比例過高，能耗成本上漲已成為制約我國工廠化養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展的重要因素，須考慮采用節(jié)能措施或新能源，以降低能耗成本比例。環(huán)渤海地區(qū)有豐富的太陽能、地?zé)岬饶芰抠Y源，有效利用這些可再生資源，對(duì)于促進(jìn)水產(chǎn)養(yǎng)殖的健康和可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。本研究調(diào)研了環(huán)渤海地區(qū)，山東、河北、天津、遼寧4個(gè)?。ㄊ校┑牡?zé)岷吞柲芊植记闆r，就國內(nèi)現(xiàn)有的幾種常用調(diào)溫模式進(jìn)行分析和比對(duì)，并對(duì)如何有效開展可再生能源的利用提出建議。

1環(huán)渤海地區(qū)熱能資源分布

1.1地?zé)岱植记闆r

山東省是中低溫地?zé)豳Y源比較豐富的省份，其境內(nèi)的沂沭斷裂帶是一條多種成因類型的地?zé)釒?，以斷裂裂隙型為主，?chǔ)存了大量的地?zé)豳Y源。以沂沭斷裂帶為分界線，山東在地質(zhì)上分為魯東和魯西兩大塊。魯東地區(qū)是山東地?zé)豳Y源最好的地區(qū)，熱儲(chǔ)層主要為巖漿巖及變質(zhì)巖斷裂破碎帶，水溫較高（65～90 ℃），蓋層較薄。魯西地區(qū)主要為巖溶裂隙型，呈層狀或帶狀分布。埋深一般在200～1 500 m，水溫50～80 ℃[5]。

河北省境內(nèi)地?zé)豳Y源比較豐富，其成因既有對(duì)流型，也有傳導(dǎo)型。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造及地形地貌，冀內(nèi)地?zé)豳Y源可劃分為冀北山地區(qū)、冀西山地區(qū)、冀西北山間盆地、河北平原四大熱水區(qū)。冀北山地區(qū)以溫水或溫?zé)崴疄橹?，水溫平均?60～82 ℃。冀西山地區(qū)地下熱水區(qū)地處太行山斷褶帶，水溫在20～59 ℃。冀西北山間盆地地下熱水區(qū)分布有四個(gè)地下熱水亞區(qū)，埋深80～470 m，水溫41～62 ℃。河北平原地下熱水區(qū)，在大地構(gòu)造位置上為冀東南沉降帶，3 000 m 以內(nèi)井口水溫一般為60～80 ℃，高者可達(dá)97 ℃[6]。

天津市屬中、低溫地?zé)豳Y源，以傳導(dǎo)型為主。共有5個(gè)地?zé)醿?chǔ)層，新近系明化鎮(zhèn)組、館陶組為孔隙熱儲(chǔ)，埋深600～2 400 m，水溫40～87 ℃。巖溶裂隙熱儲(chǔ)有3個(gè)，即奧陶系、寒武系府君山組和薊縣系霧迷山組，埋深910～3 190 m，水溫49～103 ℃，其中霧迷山組熱儲(chǔ)層分布廣、厚度大、巖溶裂隙發(fā)育，為天津市主要地?zé)衢_發(fā)層位[7]。

遼寧省地?zé)崂脷v史悠久，地?zé)豳Y源利用潛力較大，有31個(gè)地?zé)崽铮c(diǎn)）已被不同程度地開發(fā)利用[8]。其中60 ℃以上熱水點(diǎn)可開采水量65 783 m3/d，所含熱能96.05 MW。根據(jù)2000年的勘探結(jié)果，遼寧省境內(nèi)共有熱泉點(diǎn)52處。其中，水溫大于80 ℃的3處，最高為98 ℃；水溫60～80 ℃的10處；水溫40～60 ℃的20處，水溫25～40 ℃的19處[9]。

1.2太陽能分布

山東省各地年太陽總輻射量在4 542.61～5 527.32 MJ/m2之間，其中，成武縣年太陽總輻射量最少，蓬萊最多。各地太陽總輻射差異較大，膠東半島南部總輻射量較小，北部蓬萊、龍口一帶較大。魯北墾利、河口一帶輻射量較大，魯西南、魯西一帶較小。從日照時(shí)間來看，全省變化范圍2 200～2 800 h，膠東半島的中東部和魯北的大部分地區(qū)在2 600～ 2 800 h；魯南最少，多數(shù)在2 200～24 00 h。日照時(shí)數(shù)的季節(jié)分布特點(diǎn)是春季最多，夏季次之，冬季最少[10]。

河北全省2012年平均年日照時(shí)數(shù)為2 393.2 h，各地年日照時(shí)數(shù)為1 665.9～3 127.2 h，北部高原地區(qū)超過 2 800 h；中南部的局部地區(qū)不足2 000 h；其他大部分地區(qū)為 2 000～2 800 h。與常年相比，北部大部分地區(qū)接近常年，部分地區(qū)偏多100 h以上；南部大部分地區(qū)偏少，部分地區(qū)偏少300～800 h。冬季日照時(shí)數(shù)較短，全省平均472.7 h。日照時(shí)數(shù)偏少時(shí)段主要集中在12月上旬、1月上旬和中旬。春季較長(zhǎng)，全省平均710.9 h。

天津市太陽能資源比較豐富，全年日照時(shí)數(shù)大于3 000 h，太陽能區(qū)劃為二類地區(qū)。根據(jù)1993—2001年9年間的天津市氣象資料，天津2001年太陽總輻射年平均值最大，為 1453 MJ/m2；最小值出現(xiàn)在1996年，為10.93 MJ/m2；平均值為13.16 MJ/m2。太陽輻射總量有明顯的年季變化，一般為夏季>春季>秋季>冬季，冬季最小，夏季最大。月輻射量最大值出現(xiàn)在6月，最小值出現(xiàn)在1月。endprint

遼寧省各地太陽總輻射年平均值為4 195 MJ/m2，其中最大值出現(xiàn)在大連，為5 232 MJ/m2；最小值出現(xiàn)在本溪的草河口，為4 538 MJ/m2[11]。太陽總輻射的分布主要受氣候和地形影響，分布形勢(shì)為由西至東減弱，與降水量分布相反。遼西和渤海灣東岸沿海地區(qū)太陽輻射量最大，遼北次之，東部山區(qū)為最小，即表現(xiàn)為西多東寡、南北高于中部的特征。分析顯示，遼寧省太陽總輻射的逐月分布特征為5 月最強(qiáng)，12 月最弱。季節(jié)分布為夏季最大，春季次之，冬季最小，春、夏、秋、冬4季太陽總輻射量分別占全年總輻射量的31.2%、334%、213% 和14.1%[12]。

2海水養(yǎng)殖常用水體調(diào)溫模式

2.1電加熱

與一般燃料加熱相比，電加熱可獲得較高溫度，易于實(shí)現(xiàn)溫度的自動(dòng)控制和遠(yuǎn)距離控制，產(chǎn)生的廢氣、殘余物和煙塵少，可保持被加熱物體的潔凈，不污染環(huán)境，因此，廣泛用于科研和試驗(yàn)等領(lǐng)域；但是，電加熱的運(yùn)行成本相對(duì)較高，能源熱值為3.6 MJ/ ℃，熱轉(zhuǎn)化效率在95%左右，因此在大型海水養(yǎng)殖生產(chǎn)系統(tǒng)中一般僅作為輔助加熱手段。

2.2鍋爐加熱

作為供熱之源，工業(yè)鍋爐日益廣泛地應(yīng)用于現(xiàn)代生產(chǎn)和人們生活的各個(gè)領(lǐng)域。按燃料和能源不同，工業(yè)鍋爐可分為燃煤鍋爐、燃?xì)忮仩t、燃油鍋爐、原子能鍋爐、垃圾鍋爐和余熱鍋爐等[13]。其中，燃煤鍋爐投資和運(yùn)行成本都相對(duì)較低，在海水養(yǎng)殖系統(tǒng)中的使用還是比較普遍的。但是，其缺點(diǎn)也很明顯。首先，以煤炭、石油、天然氣等為主的這些石化能源，資源是有限的，不可再生，終究要枯竭。我國人口眾多，人均資源占有量低于世界平均水平，與經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人們生活消費(fèi)的需求相比，能源供應(yīng)的缺口很大。其次，石化能源的不完全燃燒會(huì)造成大量污染物排放，對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染。

2.3熱泵加熱

熱泵技術(shù)是近年來在全世界倍受關(guān)注的新能源技術(shù)，利用少許的電力做功，就能夠從自然界的空氣、水或土壤中獲取低品位熱能，提供可被人們所用的高品位熱能[14]。以空氣作為熱源的熱泵稱為空氣源熱泵或氣源熱泵（air source heat pump，ASHP）。通常制作成能夠供冷、供熱的兩用循環(huán)系統(tǒng)。 ASHP需要依據(jù)給定的氣候條件來設(shè)計(jì)，使其容量及效率在較寬的環(huán)境溫度范圍內(nèi)達(dá)到保證。水源熱泵（water source heat pump，WSHP）。通常以海水、河水、湖水及井水作為低溫?zé)嵩?。由于水的溫度變化較小，水源熱泵的性能通常要比ASHP的性能好而且穩(wěn)定。井水特別是深井水，是熱泵系統(tǒng)比較理想的低溫?zé)嵩矗诠こ讨胁捎幂^多。土壤熱源熱泵（soil heat pump，SHP）以大地作為其低溫?zé)嵩?。通常是將制冷盤管埋入地下，盤管與土壤進(jìn)行熱量交換，熱泵系統(tǒng)自成封閉式系統(tǒng)。其缺點(diǎn)就是造價(jià)昂貴，施工條件苛刻[15]。

2.4太陽能加熱

太陽能熱水系統(tǒng)是通過集熱器吸收太陽輻射來制取人們?cè)谏睢⑸a(chǎn)中所需要熱水的節(jié)能設(shè)備，由集熱器、保溫水箱、連接管道及控制系統(tǒng)組成[16]。作為一種潔凈的能源，太陽能既是一次能源，又是可再生能源，有著礦物能源不可比擬的優(yōu)越性。經(jīng)測(cè)算，太陽每秒能夠釋放出391×1023 kW的能量，而輻射到地球表面的能量雖然只有它1/（22億），但也相當(dāng)于全世界目前發(fā)電總量的8萬倍。因此，太陽能資源十分豐富，是可再生能源中最引人注目、開發(fā)研究最多、應(yīng)用最廣的清潔能源。目前，在海水養(yǎng)殖中使用太陽能加熱的案例不多，主要是由于投資和管理成本相對(duì)偏高。

3模式比較與經(jīng)濟(jì)性分析

以一棟占地面積1 500 m2的典型海水大菱鲆工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖車間為例，總水面約800 m2，總水體量大約在 500 m3 左右。日補(bǔ)充水量以15%計(jì)，約75 m3/d。根據(jù)池水表面蒸發(fā)熱損失、管路及設(shè)備熱傳導(dǎo)以及補(bǔ)充水加熱等計(jì)算，冬季維持池系統(tǒng)水體溫度16 ℃所需熱量約285 MJ/h，折算成耗能約為80 kW·h/h。

表1給出了幾種不同加熱方式給該系統(tǒng)調(diào)溫的運(yùn)行費(fèi)用理論計(jì)算值，從中可以看到，使用燃煤、天然氣鍋爐雖然燃料熱值相對(duì)較高，但是，受到燃燒效率、鍋爐效率等的影響，其實(shí)際產(chǎn)生的熱能相對(duì)偏低，運(yùn)行費(fèi)反而較高。采用電熱鍋爐，其效率雖然較高，但是燃料熱值有限，實(shí)際運(yùn)行費(fèi)用最高。熱泵和太陽能2種加熱方式都是以電力作為輔助動(dòng)力驅(qū)動(dòng)機(jī)組做功轉(zhuǎn)換熱能，從運(yùn)行成本角度來說，是比較經(jīng)濟(jì)的2種調(diào)溫手段。

從投資成本角度考慮，鍋爐的投資成本還是相對(duì)便宜，一臺(tái)0.2 t（供熱量約5 040 MJ）的燃煤鍋爐僅在2萬元左右，燃?xì)忮仩t和電鍋爐的價(jià)格類似。采用太陽能加熱方式所需要的投資成本相對(duì)來說是最高的。以目前現(xiàn)有的技術(shù)水平，1 m2太陽能板所能提供的功率大約為100～150 W。要提供 80 kW 的功率， 需要太陽能板將近600 m2。光這部分的投資表1不同加熱方式經(jīng)濟(jì)性比較

能源工作效率（%）單價(jià)每小時(shí)消耗能源量能源熱值冬季3個(gè)月能源費(fèi)用（元）煤540.9 元/kg22.93 kg 0.023 MJ/kg44 576天然氣923.24 元/m38.32 m3 0.037 MJ/m358 227電950.5 元/（kW·h）83.32 kW·h3.595 MJ/（kW·h）89 986熱泵4500.5 元/（kW·h）18.52 kW·h3.595 MJ/（kW·h）19 997太陽能2830.5 元/（kW·h）29.443.595 MJ/（kW·h）31 797

就要100萬元。熱泵方面，差別較大，空氣源和水源熱泵的價(jià)格相對(duì)較低；地源熱泵需要埋設(shè)采暖設(shè)備，因此價(jià)格較高，一臺(tái)制熱量80 kW的地源熱泵造價(jià)成本在 20萬元左右。

4建議

為了給魚類提供一個(gè)健康、良好的快速生長(zhǎng)環(huán)境，調(diào)溫是一個(gè)必不可少的重要環(huán)節(jié)。在調(diào)溫模式方面，加強(qiáng)對(duì)地?zé)嵋约疤柲艿瓤稍偕Y源的合理開發(fā)和利用，對(duì)于產(chǎn)業(yè)的健康和可持續(xù)發(fā)展是具有積極的意義的。因此，提出以下發(fā)展建議。endprint

4.1合理規(guī)劃養(yǎng)殖區(qū)域

國內(nèi)的養(yǎng)殖企業(yè)以中小型散戶為主，分布較為零散。環(huán)渤海地區(qū)由于良好的資源條件，為海水鲆鰈魚類的養(yǎng)殖提供了優(yōu)越的基礎(chǔ)條件，吸引了不少企業(yè)，但是，其分布還是不夠集中。合理規(guī)劃養(yǎng)殖區(qū)域，將中小型企業(yè)集中在一起，既便于集中供暖調(diào)溫，也方便管理。

4.2加強(qiáng)監(jiān)管和懲罰措施

雖然，國家近幾年已經(jīng)出臺(tái)了一些關(guān)于禁止使用燃煤、燃?xì)忮仩t以及濫用地下水資源的政策，但是，其監(jiān)管力度相對(duì)薄弱，導(dǎo)致部分企業(yè)在利益的驅(qū)使下仍然“鋌而走險(xiǎn)”。這方面歐美國家的監(jiān)管力度要強(qiáng)得多，一旦發(fā)現(xiàn)違規(guī)，就有相應(yīng)的懲罰措施。因此，建議加強(qiáng)這方面的監(jiān)管和懲罰措施。

4.3加強(qiáng)宣傳和推廣

一是對(duì)于熱泵和太陽能供熱技術(shù)的宣傳。國內(nèi)養(yǎng)殖從業(yè)人員的文化水平相對(duì)較低，只有明確地感受到技術(shù)的優(yōu)良性能，他們才會(huì)愿意進(jìn)行投資。二是對(duì)于補(bǔ)貼政策的宣傳。國內(nèi)各地方都相繼出臺(tái)了一些關(guān)于使用熱泵和太陽能設(shè)備的補(bǔ)貼政策，以山東煙臺(tái)為例，采用地源熱泵供熱制冷的項(xiàng)目，按應(yīng)用建筑面積20元/m2的標(biāo)準(zhǔn)給予補(bǔ)助。太陽能一體化與地源熱泵結(jié)合項(xiàng)目按應(yīng)用建筑面積25元/m2標(biāo)準(zhǔn)給予補(bǔ)助。加強(qiáng)這方面的宣傳也能夠有利于新技術(shù)的推廣和應(yīng)用。

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