工廠化水產養殖循環水系統控溫技術的探討

姜衍禮，董信林，崔從明，楊同

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

工廠化水產養殖循環水系統控溫技術的探討

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股份有限公司，山東威海 264200；2.上海泓循環境科技發展有限責任公司，上海 201306）

現代工廠化水產養殖的基本特點就是以保護環境為基點的封閉內循環養殖系統。它的核心技術是水質處理技術和控溫技術。該模式通過循環系統的各項技術處理，將食物殘餌、生物體排泄物及養殖水體本身所攜帶的有害物質和病菌進行有效的處理，達到優質養殖水體的水平，從而達到養殖水循環利用的目的。同時采用新能源技術進行溫度的控制，達到四季恒溫或根據生產需要進行溫度控制的目的。由于養殖水的循環使用和溫度的控制，從而確保了養殖水質良好、降低運行成本、提高養殖效率，達到零排放或最小排放。利用熱泵技術為養殖水體控溫，無疑具有極大的實用性和經濟性，本文就熱泵技術在海水育苗中的應用進行探討，以供相關從業者參考。

1 水產養殖現狀分析

自20世紀90年代以來，隨著國家和地方綜合實力增強、漁業科技水平的提高，海產品的工廠化養殖作為一項新的產業悄然興起，并迅速在全國擴展，目前已成為一項新的支柱產業。但是在快速發展的同時，其負面影響也日漸顯現。在水產養殖工藝方面，國內企業的工藝流程幾乎全部采用了傳統的開放養殖系統，這種方式的缺點是∶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用很高。②生產不穩定，風險極大，靠天吃飯，屬于傳統農業范疇，很難避免由于外界因素（如海洋污染、大的自然災害等）引發的水源水質惡化，從而帶來災難性后果。③車間內的生產設施和設備落后，自動化程度低，工作量大且效率低，生產過程的穩定性差。④養殖用廢水排放到環境中造成污染。⑤隨著經濟的發展，工廠和居民區逐漸占據大部分海邊用地，極大地限制了我國沿海養殖業的發展。⑥水環境日益惡化，富營養化嚴重，重金屬超標，赤潮頻發，也對海水養殖業造成極大的威脅。

不同品種的水產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）養殖要求水溫在12～20℃，蝦類、貝類養殖要求水溫在22～25℃。每年11月份至來年5月是海水育苗季節，育苗地區主要集中在山東半島和遼東半島，而此時近海水溫為2～10℃，需要給海水升溫；夏季8、9月份，海水溫度可達25℃，需要給海水降溫。傳統室內水產養殖均采用邊補邊排的開放式的養殖方式，有大量廢水排放，因此傳統室內水產養殖不但耗能大，而且能源浪費嚴重。

傳統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采用燃煤鍋爐造價和運行費用雖然較低，但會引起大氣污染，隨著煤炭價格的不斷上漲，制熱成本大幅增加的同時，每年的儲運工作難度不斷加大，養殖企業負擔不斷增加。目前我國城市為了減少空氣污染，除熱電外已嚴禁使用燃煤鍋爐采暖和制熱。燃煤鍋爐已不符合國家節能減排的基本國策，不符合循環經濟的政策，屬于國家限制取締的能源方式。②采用燃油鍋爐運行費用較高。由于國際油價波動很大，在高油價的時代采用燃油鍋爐加熱對海水養殖成本太高，不經濟。③采用直接用電加熱不僅運行費用高，而且能源利用率低，造成能源的浪費。

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

2 熱泵技術應用于水產養殖控溫的優勢

熱泵技術以其低投入、高產出的優越性在建筑采暖制冷中得到大力應用，而將其應用到水產養殖中更具優勢。

2.1 高效節能

熱泵技術是以土壤、地下水或空氣為低溫熱源，應用逆卡諾循環原理，通過少量的電能輸入，實現低位熱能向高位熱能轉移，進行能量轉換的制冷、供熱、高效的節能裝置。化石燃料鍋爐只能將50%～90%的燃料熱能轉化為熱量制取熱水，而熱泵每消耗1 kWh電能就可以從環境中吸收2～6 kWh電的熱量，比燃油或燃氣鍋爐節省40%以上能量[2]。

2.2 清潔環保

熱泵系統在運行過程中不會因為消耗油、氣等化石燃料而產生大量的溫室氣體CO2及其他污染物，熱泵運行所使用的電力，來自可再生能（如風力、太陽能等）時根本不會排放CO2。隨著熱泵技術的進一步改進和發電效率的進一步提高，采用熱泵供暖，使CO2排放量減少16%是有可能的。

2.3 系統運行穩定、安全可靠

熱泵沒有鍋爐燃料燃燒產生高溫和廢氣，機組使用壽命長，熱泵熱源來之地下土壤或地下水的溫度穩定，一年四季波動不大，因而埋管的土壤源熱泵機組運行穩定，安全可靠，同時也保證系統的高效性及穩定性。

2.4 一機兩用、系統簡單，維護費用低

冬季空氣源熱泵不需要冷卻塔系統，施工安裝簡單，機組采用全自動控制，模塊間可實現聯動和遠程控制，節省管理人員費用。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 經濟性分析及環保性比較

采用地源熱泵作為水產養殖控溫的冷源和熱源，和工廠化循環水處理設備有機結合，充分發揮其換水量少、效率高和自動化程度高的特點，有效解決水產養殖控溫環節存在的問題。現以實際工程為例，進行經濟性分析和環保性比較[2]。

3.1 工程概況

實例工程為山東招遠市春雨海珍品養殖基地工廠化循環水養殖車間，建筑面積12 000 m2，地上兩層，養殖池水體2 000 m3。組又分4個子系統，每個系統配50個養殖池共125 m3，冬季要求水溫保持13～18℃，夏季20℃，每天循環5次。

3.2 熱量負荷計算

3.2.1 冬季加溫加熱熱負荷=建筑耗熱量+補充加熱新水耗熱量。養殖池125 m3，水溫18℃，每天循環5次，平均每天循環625 m3海水，24 h循環，循環流量26 m3/h，補充新水量按1%即0.26 m3/h。

建筑耗熱量為∶

式中∶S1為每個系統建筑面積，12 000 m2÷16套；q1為單位建筑面積負荷（節能建筑40 w/m2）。

代入數據計算得Q1=30 kW。

補充新水加熱所需的熱量為∶

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

代入數據計算得熱水負荷Qh＝5.44 kW。養殖池海水加熱總負荷∶

3.2.2 夏季降溫降溫冷負荷=養殖池散冷負荷+補充降溫新水耗冷量。養殖池125 m3，每個養殖池水面面積6 m2，每個系統配50個養殖池，水溫16℃，循環流量26 m3/h，補充新水量按1%即0.26 m3/ h。

養殖池散冷負荷為∶

式中∶S2為養殖池水面面積，單位為m2；q2為單位面積冷負荷，100 W/m2。

代入數據計算得養殖池散冷負荷L1為30 kW。補充新水降溫所需的冷量為∶?

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

代入數據計算得熱水負荷∶L2＝3.92 kW。

養殖池海水降溫總負荷∶

3.3 系統原理

工廠化循環水系統原理見圖1。工廠化循環水控溫系統原理見圖2。

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

3.4 經濟性分析

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

圖1 工廠化循環水系統原理圖

圖2 工廠化循環水控溫系統原理圖

根據計算所得每個養殖系統冷熱負荷，每個系統配置1臺ZTS12RW地源熱泵海水機組，共16個系統配置16臺。熱泵機組的主要參數見表1。

表1 熱泵機組的主要參數

地源熱泵土壤換熱器系統換熱量用公式（5）計算。

式中:Qt為土壤系統換熱量，單位為kW;Qd為冬季加熱負荷，單位為kW；COP為性能系數。

冬季供熱系數為4時，在綜合考慮建設地區地質條件基礎上，該地區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，共每個系統需10口井，16個系統共設計160口地源井。

該項目設計4個分區，即4組熱泵機組并聯一套埋管，互用互備。

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

地埋管地源熱泵主要設備造價表如表2所示。

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

3.4.2 運行費用分析養殖池2 000 m3，每天循環5次，冬季基礎海水平均溫度按5℃計算，從5℃升高到18℃所需能耗進行比較計算。

采用傳統開放式養殖方式系統每天需將10 000 m3從5℃的水升溫到18℃，總共耗費的能量為∶

表2 地源熱泵系統主要設備造價表

式中∶Q為該熱水系統運行需要的能量，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為水的質量，單位為kg。

代入數據＝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、價格等（以招遠地區為例）如表3所示。

上述熱量完全由燃煤鍋爐提供能源費用計算如下:

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。

每年耗煤費為∶5 996 t×700元/t=419.72萬元。

表3 燃煤鍋爐及地源熱泵相關數據

采用工廠化循環水地源熱泵系統提供，地埋管地源熱泵系統年運行費用Cr主要為系統制熱和制冷時熱泵機組和水泵的運行費用，即單位電價乘以系統年度總耗電量∶

式中∶Cε1為電價，招遠地區為0.6元/kWh；為系統年度總耗電量，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。

每年電費為∶3 087元×210 d=64.83萬元。

用電設備每年需耗煤費為∶

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

采用工廠化循環水地源熱泵系統每年節省費用與燃煤鍋爐制熱比較可節省∶419.72萬元-64.83萬元=354.89萬元，每年節省煤為∶5 996 t－16.61 t= 5 979 t，采用工廠化循環水地源熱泵系統靜態投資回收期約為0.53a。

3.5 環保性比較

按統計數據，燃燒每噸標準煤會向大氣排放CO22.62 t，SO28.5 kg，NOX7.4 kg。該項目采用地源熱泵系統每年可節省煤炭5 979 t，每年可減排CO2高達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用，同時對環境的保護具有重大的意義。

4 小結

采用熱泵控溫技術用于工廠化水產養殖循環水系統具有重要的節能與環保及經濟價值，在技術上是可行的，在工程實施上也完全具有可行性。

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

因此，在工廠化水產養殖循環水系統中采用地源熱泵技術控溫，是替代傳統燃煤鍋爐的較好方案，具有重要的節能、環保及經濟價值，經濟效益和社會效益非常顯著，符合目前我國能源、環保的基本政策和國民經濟可持續發展要求。

[1]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，2010（1）：1-23.

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

[3]張吉光，史自強，楊晚生，等.熱泵在海水養殖中應用探討[J].制冷學報，2002（3）：48-51.

10.3969/j.issn.1004-2091.2017.03.003

2016-10-05）