環渤海地區熱能資源分布及海水養殖水體調溫模式研究

2014-08-12 10:38:43張宇雷吳凡管崇武等

江蘇農業科學 2014年6期

張宇雷+吳凡+管崇武+等

摘要：根據環渤海地區（包括山東、河北、天津和遼寧4個省市）的地熱以及太陽能資源的分布情況，從海水工廠化養殖應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溫模式的優缺點，并通過理論計算，對其經濟性進行了綜合比較。結果表明，熱泵和太陽能加熱方式與常規加熱方式相比，節能和環保效果顯著。從海水養殖產業的健康和可持續發展，提出了合理規劃養殖區域，加強監管和懲罰措施，以及加強宣傳、推廣利用熱泵和太陽能加熱的發展建議。

關鍵詞：海水養殖；熱能資源；水體調溫；環渤海地區

中圖分類號： S951文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2014）06-0229-03

收稿日期：2013-09-27

基金項目：現代農業產業技術體系建設專項（編號：CARS-50）；國家科技支撐計劃（編號：2011BAD13B04）。

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

通信作者：吳凡，主要從事漁業裝備與工程技術研究。E-mail：wufan@fmiri.ac.ca。近年來，海水鲆鰈魚類的養殖在環渤海地區發展迅速，已形成一定規模。養殖模式以工廠化養殖為主，另外還有少部分采用網箱和海水池塘養殖[1]。其中，工廠化養殖是海水養殖業中附加值較高、經濟效益較好、發展較為迅速的養殖方式，2009年產量已突破10萬t。然而，由于工廠化養殖是在人工調控環境條件下進行的，需消耗大量的煤、電等能源。趙鵬[2]等對膠南地區13個海水工廠化養殖企業的能耗情況進行了調研，結果顯示，使用鍋爐的育苗場，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殖成本中所占比例最大[3-4]。由此可見，我國工廠化養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殖業發展的重要因素，須考慮采用節能措施或新能源，以降低能耗成本比例。環渤海地區有豐富的太陽能、地熱等能量資源，有效利用這些可再生資源，對于促進水產養殖的健康和可持續發展具有重要的意義。本研究調研了環渤海地區，山東、河北、天津、遼寧4個省（市）的地熱和太陽能分布情況，就國內現有的幾種常用調溫模式進行分析和比對，并對如何有效開展可再生能源的利用提出建議。

1環渤海地區熱能資源分布

1.1地熱分布情況

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

河北省境內地熱資源比較豐富，其成因既有對流型，也有傳導型。根據區域地質構造及地形地貌，冀內地熱資源可劃分為冀北山地區、冀西山地區、冀西北山間盆地、河北平原四大熱水區。冀北山地區以溫水或溫熱水為主，水溫平均在 60～82 ℃。冀西山地區地下熱水區地處太行山斷褶帶，水溫在20～59 ℃。冀西北山間盆地地下熱水區分布有四個地下熱水亞區，埋深80～470 m，水溫41～62 ℃。河北平原地下熱水區，在大地構造位置上為冀東南沉降帶，3 000 m 以內井口水溫一般為60～80 ℃，高者可達97 ℃[6]。

天津市屬中、低溫地熱資源，以傳導型為主。共有5個地熱儲層，新近系明化鎮組、館陶組為孔隙熱儲，埋深600～2 400 m，水溫40～87 ℃。巖溶裂隙熱儲有3個，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 ℃，其中霧迷山組熱儲層分布廣、厚度大、巖溶裂隙發育，為天津市主要地熱開發層位[7]。

遼寧省地熱利用歷史悠久，地熱資源利用潛力較大，有31個地熱田（點）已被不同程度地開發利用[8]。其中60 ℃以上熱水點可開采水量65 783 m3/d，所含熱能96.05 MW。根據2000年的勘探結果，遼寧省境內共有熱泉點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在2 600～ 2 800 h；魯南最少，多數在2 200～24 00 h。日照時數的季節分布特點是春季最多，夏季次之，冬季最少[10]。

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

天津市太陽能資源比較豐富，全年日照時數大于3 000 h，太陽能區劃為二類地區。根據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在6月，最小值出現在1月。endprint

遼寧省各地太陽總輻射年平均值為4 195 MJ/m2，其中最大值出現在大連，為5 232 MJ/m2；最小值出現在本溪的草河口，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太陽輻射量最大，遼北次之，東部山區為最小，即表現為西多東寡、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，12 月最弱。季節分布為夏季最大，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海水養殖常用水體調溫模式

2.1電加熱

與一般燃料加熱相比，電加熱可獲得較高溫度，易于實現溫度的自動控制和遠距離控制，產生的廢氣、殘余物和煙塵少，可保持被加熱物體的潔凈，不污染環境，因此，廣泛用于科研和試驗等領域；但是，電加熱的運行成本相對較高，能源熱值為3.6 MJ/ ℃，熱轉化效率在95%左右，因此在大型海水養殖生產系統中一般僅作為輔助加熱手段。

2.2鍋爐加熱

作為供熱之源，工業鍋爐日益廣泛地應用于現代生產和人們生活的各個領域。按燃料和能源不同，工業鍋爐可分為燃煤鍋爐、燃氣鍋爐、燃油鍋爐、原子能鍋爐、垃圾鍋爐和余熱鍋爐等[13]。其中，燃煤鍋爐投資和運行成本都相對較低，在海水養殖系統中的使用還是比較普遍的。但是，其缺點也很明顯。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，與經濟發展和人們生活消費的需求相比，能源供應的缺口很大。其次，石化能源的不完全燃燒會造成大量污染物排放，對環境造成嚴重的污染。

2.3熱泵加熱

熱泵技術是近年來在全世界倍受關注的新能源技術，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、供熱的兩用循環系統。 ASHP需要依據給定的氣候條件來設計，使其容量及效率在較寬的環境溫度范圍內達到保證。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熱源。由于水的溫度變化較小，水源熱泵的性能通常要比ASHP的性能好而且穩定。井水特別是深井水，是熱泵系統比較理想的低溫熱源，在工程中采用較多。土壤熱源熱泵（soil heat pump，SHP）以大地作為其低溫熱源。通常是將制冷盤管埋入地下，盤管與土壤進行熱量交換，熱泵系統自成封閉式系統。其缺點就是造價昂貴，施工條件苛刻[15]。

2.4太陽能加熱

太陽能熱水系統是通過集熱器吸收太陽輻射來制取人們在生活、生產中所需要熱水的節能設備，由集熱器、保溫水箱、連接管道及控制系統組成[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越性。經測算，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），但也相當于全世界目前發電總量的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、開發研究最多、應用最廣的清潔能源。目前，在海水養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偏高。

3模式比較與經濟性分析

以一棟占地面積1 500 m2的典型海水大菱鲆工廠化循環水養殖車間為例，總水面約800 m2，總水體量大約在 500 m3 左右。日補充水量以15%計，約75 m3/d。根據池水表面蒸發熱損失、管路及設備熱傳導以及補充水加熱等計算，冬季維持池系統水體溫度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調溫的運行費用理論計算值，從中可以看到，使用燃煤、天然氣鍋爐雖然燃料熱值相對較高，但是，受到燃燒效率、鍋爐效率等的影響，其實際產生的熱能相對偏低，運行費反而較高。采用電熱鍋爐，其效率雖然較高，但是燃料熱值有限，實際運行費用最高。熱泵和太陽能2種加熱方式都是以電力作為輔助動力驅動機組做功轉換熱能，從運行成本角度來說，是比較經濟的2種調溫手段。

從投資成本角度考慮，鍋爐的投資成本還是相對便宜，一臺0.2 t（供熱量約5 040 MJ）的燃煤鍋爐僅在2萬元左右，燃氣鍋爐和電鍋爐的價格類似。采用太陽能加熱方式所需要的投資成本相對來說是最高的。以目前現有的技術水平，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不同加熱方式經濟性比較

能源工作效率（%）單價每小時消耗能源量能源熱值冬季3個月能源費用（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格相對較低；地源熱泵需要埋設采暖設備，因此價格較高，一臺制熱量80 kW的地源熱泵造價成本在 20萬元左右。

4建議

為了給魚類提供一個健康、良好的快速生長環境，調溫是一個必不可少的重要環節。在調溫模式方面，加強對地熱以及太陽能等可再生資源的合理開發和利用，對于產業的健康和可持續發展是具有積極的意義的。因此，提出以下發展建議。endprint

4.1合理規劃養殖區域

國內的養殖企業以中小型散戶為主，分布較為零散。環渤海地區由于良好的資源條件，為海水鲆鰈魚類的養殖提供了優越的基礎條件，吸引了不少企業，但是，其分布還是不夠集中。合理規劃養殖區域，將中小型企業集中在一起，既便于集中供暖調溫，也方便管理。

4.2加強監管和懲罰措施

雖然，國家近幾年已經出臺了一些關于禁止使用燃煤、燃氣鍋爐以及濫用地下水資源的政策，但是，其監管力度相對薄弱，導致部分企業在利益的驅使下仍然“鋌而走險”。這方面歐美國家的監管力度要強得多，一旦發現違規，就有相應的懲罰措施。因此，建議加強這方面的監管和懲罰措施。

4.3加強宣傳和推廣

一是對于熱泵和太陽能供熱技術的宣傳。國內養殖從業人員的文化水平相對較低，只有明確地感受到技術的優良性能，他們才會愿意進行投資。二是對于補貼政策的宣傳。國內各地方都相繼出臺了一些關于使用熱泵和太陽能設備的補貼政策，以山東煙臺為例，采用地源熱泵供熱制冷的項目，按應用建筑面積20元/m2的標準給予補助。太陽能一體化與地源熱泵結合項目按應用建筑面積25元/m2標準給予補助。加強這方面的宣傳也能夠有利于新技術的推廣和應用。

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