工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖循環(huán)水系統(tǒng)控溫技術(shù)的探討

姜衍禮，董信林，崔從明，楊同

（1.山東中天羲和新能源技術(shù)股份有限公司，山東威海 264200；2.上海泓循環(huán)境科技發(fā)展有限責(zé)任公司，上海 201306）

工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖循環(huán)水系統(tǒng)控溫技術(shù)的探討

姜衍禮1，董信林1，崔從明2，楊同2

（1.山東中天羲和新能源技術(shù)股份有限公司，山東威海 264200；2.上海泓循環(huán)境科技發(fā)展有限責(zé)任公司，上海 201306）

現(xiàn)代工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖的基本特點(diǎn)就是以保護(hù)環(huán)境為基點(diǎn)的封閉內(nèi)循環(huán)養(yǎng)殖系統(tǒng)。它的核心技術(shù)是水質(zhì)處理技術(shù)和控溫技術(shù)。該模式通過循環(huán)系統(tǒng)的各項(xiàng)技術(shù)處理，將食物殘餌、生物體排泄物及養(yǎng)殖水體本身所攜帶的有害物質(zhì)和病菌進(jìn)行有效的處理，達(dá)到優(yōu)質(zhì)養(yǎng)殖水體的水平，從而達(dá)到養(yǎng)殖水循環(huán)利用的目的。同時(shí)采用新能源技術(shù)進(jìn)行溫度的控制，達(dá)到四季恒溫或根據(jù)生產(chǎn)需要進(jìn)行溫度控制的目的。由于養(yǎng)殖水的循環(huán)使用和溫度的控制，從而確保了養(yǎng)殖水質(zhì)良好、降低運(yùn)行成本、提高養(yǎng)殖效率，達(dá)到零排放或最小排放。利用熱泵技術(shù)為養(yǎng)殖水體控溫，無疑具有極大的實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性，本文就熱泵技術(shù)在海水育苗中的應(yīng)用進(jìn)行探討，以供相關(guān)從業(yè)者參考。

1 水產(chǎn)養(yǎng)殖現(xiàn)狀分析

自20世紀(jì)90年代以來，隨著國家和地方綜合實(shí)力增強(qiáng)、漁業(yè)科技水平的提高，海產(chǎn)品的工廠化養(yǎng)殖作為一項(xiàng)新的產(chǎn)業(yè)悄然興起，并迅速在全國擴(kuò)展，目前已成為一項(xiàng)新的支柱產(chǎn)業(yè)。但是在快速發(fā)展的同時(shí)，其負(fù)面影響也日漸顯現(xiàn)。在水產(chǎn)養(yǎng)殖工藝方面，國內(nèi)企業(yè)的工藝流程幾乎全部采用了傳統(tǒng)的開放養(yǎng)殖系統(tǒng)，這種方式的缺點(diǎn)是∶①成本極高，大量提水需要的電力，以及冬天升溫和夏日降溫的費(fèi)用很高。②生產(chǎn)不穩(wěn)定，風(fēng)險(xiǎn)極大，靠天吃飯，屬于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)范疇，很難避免由于外界因素（如海洋污染、大的自然災(zāi)害等）引發(fā)的水源水質(zhì)惡化，從而帶來災(zāi)難性后果。③車間內(nèi)的生產(chǎn)設(shè)施和設(shè)備落后，自動(dòng)化程度低，工作量大且效率低，生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性差。④養(yǎng)殖用廢水排放到環(huán)境中造成污染。⑤隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，工廠和居民區(qū)逐漸占據(jù)大部分海邊用地，極大地限制了我國沿海養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展。⑥水環(huán)境日益惡化，富營養(yǎng)化嚴(yán)重，重金屬超標(biāo)，赤潮頻發(fā)，也對海水養(yǎng)殖業(yè)造成極大的威脅。

不同品種的水產(chǎn)品對水溫要求是不同的，海參育苗要求水溫在16～23℃，海水魚（如大菱鲆）養(yǎng)殖要求水溫在12～20℃，蝦類、貝類養(yǎng)殖要求水溫在22～25℃。每年11月份至來年5月是海水育苗季節(jié)，育苗地區(qū)主要集中在山東半島和遼東半島，而此時(shí)近海水溫為2～10℃，需要給海水升溫；夏季8、9月份，海水溫度可達(dá)25℃，需要給海水降溫。傳統(tǒng)室內(nèi)水產(chǎn)養(yǎng)殖均采用邊補(bǔ)邊排的開放式的養(yǎng)殖方式，有大量廢水排放，因此傳統(tǒng)室內(nèi)水產(chǎn)養(yǎng)殖不但耗能大，而且能源浪費(fèi)嚴(yán)重。

傳統(tǒng)的加熱方案主要是采用燃煤、燃油、燃電鍋爐加熱這些做法，其主要存在以下問題∶①采用燃煤鍋爐造價(jià)和運(yùn)行費(fèi)用雖然較低，但會(huì)引起大氣污染，隨著煤炭價(jià)格的不斷上漲，制熱成本大幅增加的同時(shí)，每年的儲(chǔ)運(yùn)工作難度不斷加大，養(yǎng)殖企業(yè)負(fù)擔(dān)不斷增加。目前我國城市為了減少空氣污染，除熱電外已嚴(yán)禁使用燃煤鍋爐采暖和制熱。燃煤鍋爐已不符合國家節(jié)能減排的基本國策，不符合循環(huán)經(jīng)濟(jì)的政策，屬于國家限制取締的能源方式。②采用燃油鍋爐運(yùn)行費(fèi)用較高。由于國際油價(jià)波動(dòng)很大，在高油價(jià)的時(shí)代采用燃油鍋爐加熱對海水養(yǎng)殖成本太高，不經(jīng)濟(jì)。③采用直接用電加熱不僅運(yùn)行費(fèi)用高，而且能源利用率低，造成能源的浪費(fèi)。

傳統(tǒng)給海水降溫的方案是采用打井提取地下水換熱的方法，在有的地區(qū)地下水資源非常寶貴，抽取地下水養(yǎng)殖，嚴(yán)重浪費(fèi)了地下水資源，并且可能會(huì)引起地下水位下降、海水倒灌等。因此開采地下水養(yǎng)殖將會(huì)受到越來越多的限制[1]。

2 熱泵技術(shù)應(yīng)用于水產(chǎn)養(yǎng)殖控溫的優(yōu)勢

熱泵技術(shù)以其低投入、高產(chǎn)出的優(yōu)越性在建筑采暖制冷中得到大力應(yīng)用，而將其應(yīng)用到水產(chǎn)養(yǎng)殖中更具優(yōu)勢。

2.1 高效節(jié)能

熱泵技術(shù)是以土壤、地下水或空氣為低溫?zé)嵩矗瑧?yīng)用逆卡諾循環(huán)原理，通過少量的電能輸入，實(shí)現(xiàn)低位熱能向高位熱能轉(zhuǎn)移，進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的制冷、供熱、高效的節(jié)能裝置?；剂襄仩t只能將50%～90%的燃料熱能轉(zhuǎn)化為熱量制取熱水，而熱泵每消耗1 kWh電能就可以從環(huán)境中吸收2～6 kWh電的熱量，比燃油或燃?xì)忮仩t節(jié)省40%以上能量[2]。

2.2 清潔環(huán)保

熱泵系統(tǒng)在運(yùn)行過程中不會(huì)因?yàn)橄挠?、氣等化石燃料而產(chǎn)生大量的溫室氣體CO2及其他污染物，熱泵運(yùn)行所使用的電力，來自可再生能（如風(fēng)力、太陽能等）時(shí)根本不會(huì)排放CO2。隨著熱泵技術(shù)的進(jìn)一步改進(jìn)和發(fā)電效率的進(jìn)一步提高，采用熱泵供暖，使CO2排放量減少16%是有可能的。

2.3 系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、安全可靠

熱泵沒有鍋爐燃料燃燒產(chǎn)生高溫和廢氣，機(jī)組使用壽命長，熱泵熱源來之地下土壤或地下水的溫度穩(wěn)定，一年四季波動(dòng)不大，因而埋管的土壤源熱泵機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定，安全可靠，同時(shí)也保證系統(tǒng)的高效性及穩(wěn)定性。

2.4 一機(jī)兩用、系統(tǒng)簡單，維護(hù)費(fèi)用低

冬季空氣源熱泵不需要冷卻塔系統(tǒng)，施工安裝簡單，機(jī)組采用全自動(dòng)控制，模塊間可實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)和遠(yuǎn)程控制，節(jié)省管理人員費(fèi)用。相對于空氣源熱泵，地源熱泵不必考慮冬季溫度過低效率降低和除霜的問題。

3 經(jīng)濟(jì)性分析及環(huán)保性比較

采用地源熱泵作為水產(chǎn)養(yǎng)殖控溫的冷源和熱源，和工廠化循環(huán)水處理設(shè)備有機(jī)結(jié)合，充分發(fā)揮其換水量少、效率高和自動(dòng)化程度高的特點(diǎn)，有效解決水產(chǎn)養(yǎng)殖控溫環(huán)節(jié)存在的問題?，F(xiàn)以實(shí)際工程為例，進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析和環(huán)保性比較[2]。

3.1 工程概況

實(shí)例工程為山東招遠(yuǎn)市春雨海珍品養(yǎng)殖基地工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖車間，建筑面積12 000 m2，地上兩層，養(yǎng)殖池水體2 000 m3。組又分4個(gè)子系統(tǒng)，每個(gè)系統(tǒng)配50個(gè)養(yǎng)殖池共125 m3，冬季要求水溫保持13～18℃，夏季20℃，每天循環(huán)5次。

3.2 熱量負(fù)荷計(jì)算

3.2.1 冬季加溫加熱熱負(fù)荷=建筑耗熱量+補(bǔ)充加熱新水耗熱量。養(yǎng)殖池125 m3，水溫18℃，每天循環(huán)5次，平均每天循環(huán)625 m3海水，24 h循環(huán)，循環(huán)流量26 m3/h，補(bǔ)充新水量按1%即0.26 m3/h。

建筑耗熱量為∶

式中∶S1為每個(gè)系統(tǒng)建筑面積，12 000 m2÷16套；q1為單位建筑面積負(fù)荷（節(jié)能建筑40 w/m2）。

代入數(shù)據(jù)計(jì)算得Q1=30 kW。

補(bǔ)充新水加熱所需的熱量為∶

式中∶Q2為補(bǔ)充新水加熱負(fù)荷，單位為kW；C為水比熱容，單位為kJ/（kg·℃）；M為加熱熱水的質(zhì)量流量，單位為kg/s；Tr為制取海水溫度，18℃；Tj為基礎(chǔ)海水計(jì)算溫度，0℃。

代入數(shù)據(jù)計(jì)算得熱水負(fù)荷Qh＝5.44 kW。養(yǎng)殖池海水加熱總負(fù)荷∶

3.2.2 夏季降溫降溫冷負(fù)荷=養(yǎng)殖池散冷負(fù)荷+補(bǔ)充降溫新水耗冷量。養(yǎng)殖池125 m3，每個(gè)養(yǎng)殖池水面面積6 m2，每個(gè)系統(tǒng)配50個(gè)養(yǎng)殖池，水溫16℃，循環(huán)流量26 m3/h，補(bǔ)充新水量按1%即0.26 m3/ h。

養(yǎng)殖池散冷負(fù)荷為∶

式中∶S2為養(yǎng)殖池水面面積，單位為m2；q2為單位面積冷負(fù)荷，100 W/m2。

代入數(shù)據(jù)計(jì)算得養(yǎng)殖池散冷負(fù)荷L1為30 kW。補(bǔ)充新水降溫所需的冷量為∶?

式中∶L2為補(bǔ)充新水降溫所需的冷量，單位為kW；Tr為制取海水溫度，17℃；Tj為海水計(jì)算溫度，30℃。

代入數(shù)據(jù)計(jì)算得熱水負(fù)荷∶L2＝3.92 kW。

養(yǎng)殖池海水降溫總負(fù)荷∶

3.3 系統(tǒng)原理

工廠化循環(huán)水系統(tǒng)原理見圖1。工廠化循環(huán)水控溫系統(tǒng)原理見圖2。

土壤的持續(xù)吸熱范圍為20～40 W/m2，一般取25 W/m2，地源熱泵系統(tǒng)通過地埋管換熱器將土壤中的熱量收集起來，然后通過循環(huán)泵輸送到熱泵主機(jī)。地源熱泵主機(jī)通過消耗電能提高所采集的能量的品位，釋放到循環(huán)水系統(tǒng)中加熱或冷卻養(yǎng)殖水體。

3.4 經(jīng)濟(jì)性分析

3.4.1 初投資費(fèi)用估算鍋爐系統(tǒng)除投資主要考慮鍋爐設(shè)備費(fèi)用、輔助設(shè)備費(fèi)用及鍋爐房的土建費(fèi)用等，與之相比，地源熱泵主要考慮熱泵主機(jī)及相關(guān)水泵等設(shè)備之外，還需前端取熱系統(tǒng)費(fèi)用，如地源熱泵打井費(fèi)用和埋管費(fèi)用等。

圖1 工廠化循環(huán)水系統(tǒng)原理圖

圖2 工廠化循環(huán)水控溫系統(tǒng)原理圖

根據(jù)計(jì)算所得每個(gè)養(yǎng)殖系統(tǒng)冷熱負(fù)荷，每個(gè)系統(tǒng)配置1臺(tái)ZTS12RW地源熱泵海水機(jī)組，共16個(gè)系統(tǒng)配置16臺(tái)。熱泵機(jī)組的主要參數(shù)見表1。

表1 熱泵機(jī)組的主要參數(shù)

地源熱泵土壤換熱器系統(tǒng)換熱量用公式（5）計(jì)算。

式中:Qt為土壤系統(tǒng)換熱量，單位為kW;Qd為冬季加熱負(fù)荷，單位為kW；COP為性能系數(shù)。

冬季供熱系數(shù)為4時(shí)，在綜合考慮建設(shè)地區(qū)地質(zhì)條件基礎(chǔ)上，該地區(qū)地層中鉆孔單位管長的換熱量夏季為70 W/m，冬季為50 W/m。

代入公式Qt為30 kW。

則室外換熱系統(tǒng)鉆孔長度L為600 m，埋管采用PE800聚乙烯塑料管，埋管方式采用雙“U”型，埋管長度為2 400 m。

按每口井60 m布局，共每個(gè)系統(tǒng)需10口井，16個(gè)系統(tǒng)共設(shè)計(jì)160口地源井。

該項(xiàng)目設(shè)計(jì)4個(gè)分區(qū)，即4組熱泵機(jī)組并聯(lián)一套埋管，互用互備。

由于海水具有腐蝕性，海水循環(huán)水管道采用UPVC管，地源熱泵循環(huán)水側(cè)換熱器采用鈦管換熱器，外殼采用UPVC材質(zhì)。

地埋管地源熱泵主要設(shè)備造價(jià)表如表2所示。

使用燃煤鍋爐制熱單位體積投資為400元/m3，該項(xiàng)目2 000 m3水體采用鍋爐系統(tǒng)總投資約為80萬元，不考慮降溫設(shè)備投入，采用地源熱泵比燃煤鍋爐需增加投資188萬元。

3.4.2 運(yùn)行費(fèi)用分析養(yǎng)殖池2 000 m3，每天循環(huán)5次，冬季基礎(chǔ)海水平均溫度按5℃計(jì)算，從5℃升高到18℃所需能耗進(jìn)行比較計(jì)算。

采用傳統(tǒng)開放式養(yǎng)殖方式系統(tǒng)每天需將10 000 m3從5℃的水升溫到18℃，總共耗費(fèi)的能量為∶

表2 地源熱泵系統(tǒng)主要設(shè)備造價(jià)表

式中∶Q為該熱水系統(tǒng)運(yùn)行需要的能量，單位為kJ；Cp為水的定壓熱容，4.18 kJ/（kg·℃）；△T為水的溫升，單位為℃；m為水的質(zhì)量，單位為kg。

代入數(shù)據(jù)＝4.18 kJ/（kg·℃）×10 000 m3×103× （18－5）℃＝5.43×108kJ。

燃煤鍋爐和地源熱泵需要燃料、燃燒效率、熱值、價(jià)格等（以招遠(yuǎn)地區(qū)為例）如表3所示。

上述熱量完全由燃煤鍋爐提供能源費(fèi)用計(jì)算如下:

每天耗煤量為∶5.43×108kJ÷（29 260 kJ/kg× 65%）＝28 550 kg。

每天燃煤費(fèi)用∶28 550 kg×0.7元/kg＝19 985元。

每年耗煤量為∶28 550 kg×210 d=5 996 t。

每年耗煤費(fèi)為∶5 996 t×700元/t=419.72萬元。

表3 燃煤鍋爐及地源熱泵相關(guān)數(shù)據(jù)

采用工廠化循環(huán)水地源熱泵系統(tǒng)提供，地埋管地源熱泵系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)用Cr主要為系統(tǒng)制熱和制冷時(shí)熱泵機(jī)組和水泵的運(yùn)行費(fèi)用，即單位電價(jià)乘以系統(tǒng)年度總耗電量∶

式中∶Cε1為電價(jià)，招遠(yuǎn)地區(qū)為0.6元/kWh；為系統(tǒng)年度總耗電量，單位為kWh。

每天耗電量為∶13.4 kW×16套×24 h=5145.6 kWh。

每天電費(fèi)為∶5 145.6 kWh×0.60元/kWh＝3087元。

每年耗電量為∶5 145.6 kWh×210 d=108萬kWh。

每年電費(fèi)為∶3 087元×210 d=64.83萬元。

用電設(shè)備每年需耗煤費(fèi)為∶

108萬kWh×3 600 kJ/h÷29 260 kJ/kg÷0.80（熱電效率）＝16.61 t。

采用工廠化循環(huán)水地源熱泵系統(tǒng)每年節(jié)省費(fèi)用與燃煤鍋爐制熱比較可節(jié)省∶419.72萬元-64.83萬元=354.89萬元，每年節(jié)省煤為∶5 996 t－16.61 t= 5 979 t，采用工廠化循環(huán)水地源熱泵系統(tǒng)靜態(tài)投資回收期約為0.53a。

3.5 環(huán)保性比較

按統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，燃燒每噸標(biāo)準(zhǔn)煤會(huì)向大氣排放CO22.62 t，SO28.5 kg，NOX7.4 kg。該項(xiàng)目采用地源熱泵系統(tǒng)每年可節(jié)省煤炭5 979 t，每年可減排CO2高達(dá)15 665 t，SO2減排50 821.5 t，NOX減排115 921 t[3]。

可見，通過熱泵來減少CO2及其他大氣污染物的效果十分明顯，不僅可以大大減少治污所需的費(fèi)用，同時(shí)對環(huán)境的保護(hù)具有重大的意義。

4 小結(jié)

采用熱泵控溫技術(shù)用于工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖循環(huán)水系統(tǒng)具有重要的節(jié)能與環(huán)保及經(jīng)濟(jì)價(jià)值，在技術(shù)上是可行的，在工程實(shí)施上也完全具有可行性。

從環(huán)保方面看，地源熱泵系統(tǒng)沒有燃煤鍋爐燃燒所產(chǎn)生的CO2、SO2、NOx及煙塵等各類污染物排放，更具有環(huán)保的優(yōu)越性。

因此，在工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖循環(huán)水系統(tǒng)中采用地源熱泵技術(shù)控溫，是替代傳統(tǒng)燃煤鍋爐的較好方案，具有重要的節(jié)能、環(huán)保及經(jīng)濟(jì)價(jià)值，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益非常顯著，符合目前我國能源、環(huán)保的基本政策和國民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展要求。

[1]曲克明，杜守恩.海水工廠化高效養(yǎng)殖體系構(gòu)建工程技術(shù)[M].海洋出版社，2010（1）：1-23.

[2]劉國丹，劉珂珂，胡松濤，等.海參養(yǎng)殖熱泵系統(tǒng)應(yīng)用探討[J].暖通空調(diào)，2014，44（9）：56-61.

[3]張吉光，史自強(qiáng)，楊晚生，等.熱泵在海水養(yǎng)殖中應(yīng)用探討[J].制冷學(xué)報(bào)，2002（3）：48-51.

10.3969/j.issn.1004-2091.2017.03.003

2016-10-05）