工廠化養殖池中兩種材質盤管調溫效果的經濟性比較

刁劭譞　丁玲

摘 要：目前我國工廠化水產養殖模式還處于初級階段，在設施、工藝、產量、效益等方面都有待提高。本文通過對現有工廠化養殖調溫系統進行調研，總結出典型的標準的換熱器調溫系統應為盤管式系統。通過理論研究的方法，推導出盤管式換熱器的選型公式以及總投資公式。根據換熱管道與養殖水體間以及養殖水體與空氣和池壁之間的熱交換特點，建立流動與傳熱的數學模型。采用CFD（Computational Fluid Dynamics 計算流體力學）方法模擬得到養殖池內水溫的三維場分布，從而直觀地得出溫度場分布，將數值模擬數據用SPSS進行回歸分析，可得加熱時間和管徑的函數關系，可以對加熱所需時間進行精確的計算。結合微觀經濟學消費者理論，得出兩種不同盤管的預算約束式和預算線（budget line），根據不同的管徑，確定不同的材質和數量，得出不同邊界條件下的初步經濟分析，為實踐工程設計依據設備選型提供設計依據。

關鍵詞：工廠化養殖；盤管系統；溫度調節

0 引言

工廠化養殖水產品是世界水產養殖業發展的新趨勢，許多發達國家以及發展中國家都在積極發展工廠化水產養殖，以期能夠將水產養殖業推向更高層次，使其能夠適應高科技時代的發展。一般所指的工廠化養殖主要是在人工小水體中進行高密度養殖的生產模式[1]。世界發達國家水產養殖工廠以大型和特大型為主，有的已經形成了集團和跨國公司。對于這些企業而言，如何實現規模效益是大家關注的焦點[2]。

我國在工廠化水產養殖方面起步比較晚，在20世紀80年代曾經有少數發電廠利用海水發電余溫養殖過牙鲆、河鲀等魚類。90年代山東榮成和威海根據日本、韓國的經驗開始在陸地養殖池內養殖牙鲆。隨著大菱鲆的引進，工廠化養殖逐漸在山東半島和遼東半島普及，此后向河北、天津等省市推廣，并且延伸到浙江、福建沿海地區。從此，我國北方的陸地養殖和南方的網箱養殖逐步形成了工廠化養殖開端。

目前我國工廠化水產養殖模式還處于初級階段，養殖工藝簡單，養殖設備單產低、耗能大、效率低，與發達國家技術密集型的封閉式循環水養殖相比，我國在設施、工藝、產量、效益等方面還存在著相當大的差距[3]。

當前我國的工廠化養殖正面臨著一場變革，養殖池從露天型逐步向溫室型發展是發展趨向。采用溫室型養殖池利用時間差和空間差的交錯組合實行加溫養殖，可以形成多層次多功能的高效養殖系統。目前學術界對于工廠化養殖采用溫室型養殖池，有關溫度場分布及規律特點的研究還未見報道。本文研究了養殖溫室內溫度場的分布情況，以及其差異性對溫室內加熱設施、養殖池水溫、設施經濟性及養殖環境影響。

1 研究內容及技術路線

1.1 技術路線

工廠化水產養殖主要內容是建立一個水體循環的封閉養殖工廠，通過一系列的生物和物理方法對養殖水體進行監測和控制，設計出最適宜魚類生長的水體環境。實現工廠化養殖關鍵是水體循環處理和控制系統，即控制水體溫度、濁度、氨氮等具有重要意義的水質參數。

本文主要研究溫度控制參數，目前國內用于控制溫度的設備主要有熱交換器、氣體或電力加熱單元、熱泵等，工程中比較常用的是盤管型換熱器，通過調整加熱時間來控制溫度。本研究技術路線如下：首先對現有調溫系統（煤、電、油、氣鍋爐和熱泵等熱源）進行綜合調研，收集各項技術參數資料，總結分析典型的標準的盤管換熱器調溫系統的特點，為下一步分析建立標準化模型奠定基礎。

第二，根據傳熱學、工程熱力學等理論框架，推導出供熱量與養殖池需熱量之間的熱量對應關系，為進行數值模擬建立理論基礎。

第三，根據對現有典型養殖池及盤管換熱器進行廣泛調研的結果，建立養殖池及盤換熱器的幾何模型。根據換熱管道與養殖水體間以及養殖水體與空氣和池壁之間的熱交換特點，建立流動與傳熱的數學模型。

第四，采用CFD（Computational Fluid Dynamics）方法模擬得到養殖池內水溫的三維場分布，分析不同形式熱源和換熱器對養殖池溫度分布均勻度的影響。

第五，采用經濟比選的方法就盤管換熱器的不同種類所帶來的初始投資、運行費用等影響進行全面分析，并在此基礎上對盤管換熱器的類型，相關參數進行優化選擇，以求出具有符合工程實際的結論。

1.2 現有調溫系統調研結果

現有調溫系統有三種類型（見表1），調研、收集資料后，總結分析典型的標準的盤管換熱器調溫系統，為下一步進行分析建立標準化模型。

1.3 對流熱交換的算法[4]

對流換熱是指流體流經固體時流體與固體表面之間的熱量傳遞現象，既有熱對流，也有導熱。對流換熱的特點是必須有流體的宏觀運動，必須有溫差；對流換熱既有熱對流，也有熱傳導；流體與壁面必須有直接接觸。

1.4 建立模擬實驗模型

第一，設定魚池模型的邊界尺寸。根據調研收集資料的結果，總結出經典的魚池尺寸，大小： 3.2 m×2.4 m×1.2 m；池內管道管徑：20 mm；管壁距墻壁均為0.2 m，將這些尺寸作為魚池的模擬用邊界尺寸。

第二，分別對水管和魚池劃分網格。水管網格采用五面體，網格數量為258 264個。魚池網格采用四面體網格，網格數量為1 252 061個。水管進出口處網格自動加密。

第三，設定邊界條件。魚池六個面均為絕熱，水的初始溫度為15 ℃。盤管水的入口處采用速度入口邊界類型，進口水溫度60 ℃，流速2 m/s。出水口設為自由出流。盤管材質分別采用鋁管和無縫鋼管，厚度均為0.003 m。

第四，模擬設置說明。本次模擬，采用CFD（Computational Fluid Dynamics）方法模擬得到養殖池內水溫的三維場分布，將溫度圖設置為低于溫度標尺最低刻度的點的溫度不顯示，所以模擬圖中水池內各點處的溫度均不低于溫度標尺最低點的溫度，否則即為空白缺口。

第五，此次研究未考慮金屬材料的耐腐蝕因素影響。此次研究是以兩種材料的耐腐蝕程度相同為前提的，但是實際運行中耐腐蝕性能并不是相同的，所以再深入研究時應將耐腐蝕性能作為重要的影響因素加以考慮。

1.5 實驗模擬結果

通過模擬三維非穩態求解，監測各個方程的收斂殘差，形成溫度場模擬圖，模擬結果描述如表2所示。

2 研究結論

采用CFD（Computational Fluid Dynamics）方法模擬得到養殖池內水溫的三維場分布，從而直觀地得出溫度場分布圖。通過不同實驗條件下溫度場的展示，可以總結出不同材質盤管換熱器的調溫效果規律特點，如下表3所示。

根據換熱管道與養殖水體間以及養殖水體與空氣和池壁之間的熱交換特點，建立流動與傳熱的數學模型。采用CFD（Computational Fluid Dynamics 計算流體力學）方法模擬得到養殖池內水溫的三維場分布，從而直觀地得出溫度場分布，將數值模擬數據用SPSS進行回歸分析，可得加熱時間和管徑的函數關系。建立養殖池及盤換熱器的幾何模型可以對加熱所需時間進行精確的計算。以盤管材質和加熱時間為衡量標準，同等規格條件下，管徑的平衡點在150.83處，得出當管徑為150時為效果平衡點，管徑低于150，鋁管經濟性優于鋼管，管徑大于150，鋼管經濟性優于鋁管。

根據西方微觀經濟學消費者理論[6]，得出兩種不同盤管的預算約束式和預算線（budget line），相應的預算等式為以I表示消費者的既定收入（支付水平），以P1和P2分別表示商品1（鋁管）和商品2（鋼管）的價格，以X1和X2分別表示商品1（鋁管）和商品2（鋼管） 的數量關系，并且得出I、P1、P2變動后的變化結果：I=P1X1+P2X2。將管徑為150作為預算等式的邊界條件臨界點，在滿足預算約束的條件下，根據不同的管徑，確定不同的材質和數量，得出不同邊界條件下的初步經濟分析，為實踐工程設計依據設備選型提供設計依據。

參考文獻：

[1]丁永良，世界養魚工業綜述[J].現代漁業信息，1995（03）： 1-8

[2] 彭樹鋒，王云新，葉富良，張海發，國內外工廠化養殖簡述[J].漁業現代化，2007（04）：12-13

[3] 李魯晶，海水工廠化健康養殖技術[J].科技致富向導， 2010（28）：35

[4] 章熙民，傳熱學，中國建筑工業出版社[M].北京：2007：8-10

[5] 曲克明，杜守恩，海水工廠化高效養殖體系構建工程技術[M].海洋出版社：北京，2010：95-96

[6] 哈爾·R·范里安，微觀經濟學現代觀點[M].上海人民出版社：上海，2003：30-31

Abstract：At present， our factory aquaculture mode is still in its infancy， in facilities， process， output， efficiency， etc. are yet to be improved. This article through to the existing factory farming thermal control system for research， su mmed up the typical standards shall be the coil tube type heat exchanger thermal control system. Through theoretical research methods， acquired tube heat exchanger was derived formula for selection formula and the total investment. According to the heat exchange pipes and the aquaculture water aquaculture water and air and the wall between the heat transfer characteristics of flow and heat transfer mathematical model was set up. Using the CFD （Computational Fluid Dynamics） method to simulate water temperature 3 d field distribution in the breeding， the numerical simulation data using SPSS regression analysis， heating time and can be a function of pipe diameter， the time needed for heating can be accurate calculation. Combining with the microeconomic theory of consumer， draw two different coil of budget constraints and budget line. According to different pipe diameter， different material and quantity， to obtain a preliminary economic analysis of the different boundary conditions， provides the design basis for the practical engineering design based on the equipment type selection.

Key words：Factory farming； Coil system； Adjust the temperature

（收稿日期：2015-02-17）