工廠化水產養殖LED燈具選擇的分析與建議

宋昌斌，高霄龍，仇登高，劉 鷹，王朝夕，謝海忠，楊 華，姚 然，王軍喜

(1.中國科學院半導體研究所，北京 100083；2.中國科學院海洋研究所，山東 青島 266071；3.福建省水產研究所，福建 廈門 361012)

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工廠化水產養殖LED燈具選擇的分析與建議

宋昌斌1，高霄龍2，仇登高3，劉 鷹2，王朝夕2，謝海忠1，楊 華1，姚 然1，王軍喜1

(1.中國科學院半導體研究所，北京 100083；2.中國科學院海洋研究所，山東 青島 266071；3.福建省水產研究所，福建 廈門 361012)

闡述了LED光源對循環水養殖系統的重要性，介紹了養殖車間光照的現狀，并根據魚類對光環境三要素一般的適應需求規律、針對燈具在特定使用環境下的要求進行了分析與建議，對水產養殖車間如何正確選擇LED燈具具有指導意義。

LED光源；光環境；燈具選擇；工廠化養殖系統

引言

我國是世界水產養殖第一大國。2012年，中國漁業經濟總產值17321.88億元，同比增長15.44%；水產品總產量5907.68萬噸，比上年增長5.43%；水產養殖面積808.84萬公頃，比上年增長3.23%[1]，食用魚類養殖產量占世界總產量的69.8%[2]。目前，水產養殖對高技術支撐的工業化養殖模式的需求日增，其中包括營造科學的人工光環境等。光照是魚類代謝系統的主導因子，光作為能量進入水域生態系統，不僅為水生動植物注入必需的能量，而且可以獨立地對魚類的攝食、生殖、內分泌起著直接或間接地影響[3]。現代工廠化水產養殖光照是指按照魚類光環境需求規律和水產養殖的生產目標，利用人工光照創造適宜光環境或彌補自然光照的不足，調控魚類的生長發育和繁殖，以實現水產養殖業“優質、高產、生態、安全”生產目標的一種農藝物理措施。

目前，有關光照對魚生長與生殖影響的研究比較少，水產養殖車間光源的使用簡單粗放，絕大多數養殖工廠建成時沒有二次光照設計。隨著半導體技術的發展，人們逐漸認識到LED人工光照作為一種物理手段，不僅可以增加水產養殖生長效率，而且可以促進魚類生長、控制魚類性腺發育，獲得綠色高品質的食品。LED是安全、健康的“綠色光源”，廢棄后無污染，環保節能。當今，LED光源已經規模化的應用在植物工廠、家禽養殖業中，水產養殖業也必將越來越多的應用LED人工光源，通過人工光環境來實現水產養殖按需生產的功能，顯著提高生產效率和效益。

1 水產養殖生產車間光源的現狀

長期以來，在水產養殖車間使用的人工光源絕大多數是民用建筑室內常用的直管熒光燈或緊湊型熒光燈。熒光燈是利用低氣壓的汞蒸氣在放電過程中輻射紫外線，從而使熒光粉發出可見光的原理發光的。這種光源目前優勢是購買方便、安裝簡捷。然而，在水產養殖行業使用這種光源引起的問題很多，甚至是不能克服的問題。首先這種產品平均壽命在1萬個小時左右，但在潮濕環境下壽命往往只有幾千個小時。其次是這種氣體放電燈不能調光，不能滿足魚類個體在不同生長時期的光需求。而且，熒光燈的廢棄會嚴重污染水源。有研究表明，水環境汞污染愈重，水生動物含汞量愈高。汞容易被動物體吸收和富集，不易被動物體排除，更不能被動物體分解。它經食物鏈進行傳遞，會對人的身體造成傷害[4]。一個節能燈的燈管平均含有2～3mg的汞[5-6]，1mg的汞能使360噸水受到污染[7]，若燈管在養殖池破碎會立刻污染整個車間的養殖水體。因此，傳統氣體放電光源已經不適應綠色環保、節能減排以及優化光環境參數的要求。

2 生產車間燈具選擇

根據公開出版的相關文獻或通過實驗獲得魚類的生理節律、攝食行為、生長發育和繁殖性能的最佳光環境參數，可以確定LED燈具的芯片波長、功率及電子控制系統。同時，根據芯片封裝形式、透鏡配光、燈具外型、防護等級就可以設計整體燈具，并生產出科學適用的LED燈具，應用在水產養殖業的光照環境中。

燈具已有國家、行業或地方標準的，應符合相應的標準要求；對沒有國家、行業或地方標準的，針對水產養殖應用的特殊場合，LED燈具至少應滿足下列要求。

2.1 光色、光強和光周期的選擇

褪黑激素對魚類下丘腦-腦垂體-性腺軸具有一定調節作用。魚類褪黑激素合成與分泌的節律主要受到光照和溫度的影響，魚類褪黑激素參與生殖、發育和生長方面的調節。光照尤其是光周期明顯抑制魚類松果體合成與分泌褪黑激素[8]。人工營造光照環境的三個重要因子是光色、光強和光周期。只有給出這3個主要參數，燈具廠家才能生產出符合要求的燈具。

目前工廠化水產養殖的主要品種有石斑魚、鯛類、鮭鱒魚、鲆鰈類、鱸魚、鰤魚、黑鮶條紋鱸、河豚、美國紅魚等幾十種[9]。每種魚在獨特的地理環境條件下生長發育，包括鹽度、溫度、水深、海流、含氧量、營養鹽、海拔、地形地質、食物資源量與食物鏈結構，以及歷史上的海陸變遷等。在上億年的野生環境生活進化中，魚類形成了獨特的生理、行為、感覺適應等，種群在長期的進化適應過程中，與自然環境相互作用，使個體選擇適合度達到最大的生存光環境。如海水中層魚類的視色素適于接受藍色的短光譜波段，視覺細胞大部分由視桿細胞組成[10]。春夏季節產卵的魚是長光照型魚，秋冬季節產卵的魚是短光照型魚。已有實驗證明，通過人工調節光環境，對長光照的魚提前把日照時間比自然狀態延長一些，對短光照型的魚提前把日照時間比自然狀態縮短一些，通常能使魚類提前成熟和產卵。許多研究證明秋季產卵的鮭鱒魚類就是這種情況，即光周期對魚性腺等的影響最為明顯[8-11]。其次光色、光強的因素也不可忽視，比如歐洲鱸與鰨目幼魚在符合其野生環境的藍光條件下，達到最佳發育速率[12]。250 lx光照時中華鱘可獲得最佳孵化率(83.9%)[13]。配置光色時，要考慮魚類視覺色素中視紫紅質與視紫質的比例，即產卵場是在淡水還是在海水[8]。

養殖廠家需要根據養殖魚類品種，查閱相關文獻及開展前期的光環境實驗，根據不同種類的在自然環境魚洄游的水深或棲息特點，可以大致推算出需要的光環值，再選擇合適的燈具。最后現場反復比較實驗數據，篩選出最優的光環境參數。

2.2 燈具二次配光設計

水產養殖魚池有育苗池、成魚池、親魚池等，多為水泥池、塑膠池或玻璃鋼池，形狀有圓形、長方形、長圓形、環道型等。方形魚池邊長一般為6～7m，養殖鮃鰈魚類池深0.8～1.0m，養殖游泳類，如真鯛、石斑魚、美國紅魚等，水深1.8～2.0m[14]。

傳統燈具的透鏡與反光罩配光方式基本不適合水產車間養魚池光照覆蓋要求，循環水養魚池形狀特點大都是規則幾何形狀，所以LED的透鏡與反光罩要配合一起設計，采用高折射率的透鏡材料，既要水面光斑均勻，又要恰好覆蓋整個魚池，以節約電能。其次根據魚池水深淺程度不同，應考慮光源發光強度并科學地采用公式準確計算[15]。

2.3 防護等級安全要求

防護等級應滿足設計要求，并符合 GB 7000.5—2007。水產養殖車間濕度大都在90%以上，所以對燈具防水要求比較高，防護等級標準要達到IP65，如果為節能考慮將燈具安裝到養殖魚池水下，IP等級至少達到IP67以上。養殖車間燈具的安裝位置容易與人接觸，如果緊固螺釘觸及帶電電路板等情況漏電，在車間潮濕環境下，極易使人觸電，造成危險。所以選擇燈具時，一要注意防護等級IP是否達到IP65以上；二是要用隔離式恒流電源，留有最小爬電距離，并且最好使用集中式外置電源，集中式外置電源是指采用一個大功率的AC/DC開關電源，統一供電。

2.4 色溫與顯色指數

建筑照明設計必須有色溫(Tc)與顯色指數(Ra)的要求。色溫用Tc表示，單位為K。光源的輻射在可見區和絕對黑體的輻射完全相同時，此時黑體的溫度就稱為此光源的色溫。低色溫光源的紅輻射相對說要多些，色溫提高后藍輻射的比例增加。顯色指數用Ra表示，顯色指數是表現物質本來的顏色指標。顯色指數越高，越接近物質本來的顏色，其數值接近100，顯色性最好。在水產養殖生產中，一般不要求這兩個光源指標。但是需要長波長的光譜能量分布時，可以增加CIE定義CRI中的R9飽和紅色比例，即增加封裝中的氮化物紅色熒光粉[16]；需要短波長的光譜能量分布時，可以用色溫較高的白色光源。因此，某些場合的長波長單色光可以用色溫低、顯色指數高的白光代替，短波長的可以用色溫較高的白光代替。這樣設計優點有：一是白光非常有益于車間操作人員的視覺健康；二是白光大量用于功能性照明，養殖業一次設備采購成本可以大大降低。

2.5 燈具的開關

瞬間開、關照明燈具對大西洋鮭、河豚、石斑等魚類，以及對蝦會產生應激反應。當魚、蝦處于應急反應狀態時，會釋放應激激素，血液與組織成分發生變化，呼吸頻率與心率發生改變，免疫水平降低，導致易染病和寄生蟲，不但繁殖生長受到影響，嚴重增加死亡率[17]。所以開關時要逐漸亮、逐漸滅，才能消除光對魚的脅迫。解決這個問題需要LED智能控制，現在考慮的其中一個方案是采用微處理器MCU控制實時時鐘RTC與PWM波形輸出的方式實現。其中RTC可精確到秒為單位，用戶可自行設置漸變間隔；LED的亮度調節則通過調節PWM波形占空比來實現。占空比可采用分級方式，一般可分為0～100級。這種漸變方式會有效地避免LED光源的瞬間開與關對魚蝦類產生應激反應。

3 結論

工廠化養殖車間不同于自然環境，需要采用人工光照方式。一般來說，全光照與全黑暗對魚生長發育都不利[12-18]。光環境只是一個影響魚類行為的重要因子，還要與溫度、水質、餌料等因子共同配置。目前在國內，關于光環境因子對水產養殖的研究較少，養殖車間的光照與燈具安裝更是粗放式的隨意布置。隨著半導體技術的發展，人們逐漸認識到LED光源作為一種物理手段，可以更好地增加水產養殖生產效率，獲得規模化、綠色、高品質魚類產品。若能確定影響某種魚類的生理節律、攝食行為和繁殖性能的光照參數，就可以采用適宜的LED光源，按照國家相關標準，根據燈具的效率、壽命和價格做綜合性的技術經濟分析比較，正確地營造出適合水產養殖要求的光環境，以促使LED光源在工廠化高效水產養殖產業中發揮更大的作用。

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第8屆中日韓照明大會征文通知

中國照明學會、日本照明學會及韓國照明電氣設備學會共同組織，由日本照明學會主辦的“第8屆中日韓照明大會”(The 8th Lighting Conference of China, Japan and Korea)將于2015年8月20-21日在日本京都市京都女子大學舉行。此次會議將以“創造舒適的照明環境”(Creating Comfortable Lighting Environment)為主題，就照明科技的發展現狀和未來、光照環境人體工學、照明環境的設計等議題廣泛展開交流和研討。衷心希望各位理事、專家及廣大科技人員積極為本次會議提交論文和專題報告，并積極參加這一地區性的國際交流活動。提交論文的具體要求如下：

1) 論文應以英語撰寫并以A4紙2～4頁為限。

2) 論文摘要的申請截止日期：2015年5月7日，字數500字以內(5月29日通知作者本人是否錄用)。

3) 論文手稿提交的截止日期：2015年6月30日。

4) 摘要及全文均應按照附件中模板的格式提交，并請選擇主觀意愿發表的方式供組織者決定。

5) 請將論文摘要和全文發到會議專設郵箱：cjk_2015@126.com。經審核后，統一發給會議主辦方。

聯系人：關靖齡 聯系人：崔哲

電 話： 010-65815905 電 話：021-65982929

郵 箱： cjk_2015@126.com 郵 箱： cuizhe@tongji.edu.cn

The Analysis and Suggestion of LED Lamp Selection in Industial Aquaculture Systems

Song Changbin1, Gao Xiaolong2, Qiu Denggao3, Liu Ying2, Wang Zhaoxi2,Xie Haizhong1, Yang Hua1, Yao Ran1, Wang Junxi1

(1.InstituteofSemiconductors,ChineseAcademyofSciences,Beijing100083,China;2.InstituteofOceanology,ChineseAcademyofSciences,Qingdao266071,China;3.FisheriesResearchInstituteofFujian,Xiamen361012,China)

This paper illustrates the importance of the LED light source in the recirculating aquaculture systems, introducing the current status of lighting in aquaculture workshop, and providing some useful analysis and suggestions in accordance with the required principle of three light environment parameters in fish and the requirements of lamps in specific contexts, which would be instructive and meaningful to how to choose the suitable LED lamps in aquaculture workshop.

LED light source; light environment; lamps selection; industrial aquaculture systems

中國科學院科技創新交叉與合作團隊項目(編號：32509101)，國家863項目“植物工廠LED節能光源及光環境智能控制技術” (編號：2013AA103001)

宋昌斌，E-mail:chbsong@semi.ac.cn

TM923

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10.3969/j.issn.1004-440X.2015.01.021