魚池水溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計研究

王立寧，齊松平，李春生，齊會斌，李寶越

(1.遼寧省鹽堿地利用研究所，遼寧 盤錦 124010；2.盤錦北控環(huán)保有限公司，遼寧 盤錦 124200)

溫度對魚類免疫能力有重要影響，因此，在水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)中需要根據(jù)魚類生活習(xí)性，采取適當措施改善水體溫度環(huán)境，以達到提高產(chǎn)量的目的。當前，地下海水+設(shè)施大棚和冷泉水+梯級水泥池這兩大養(yǎng)殖模式均占用大量的水資源。針對冷水魚養(yǎng)殖模式占用大量水資源的問題，以遼寧省盤錦地區(qū)一個養(yǎng)殖場（360 m3）為例，利用地?zé)釗Q熱器、土壤換熱器和循環(huán)水泵組成閉式循環(huán)的換熱系統(tǒng)，實現(xiàn)養(yǎng)殖水體恒溫，為節(jié)省水資源和節(jié)能提供實用技術(shù)參考。

1 水溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

水溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用恒溫層換熱方式，由養(yǎng)殖池、地?zé)徜伖軗Q熱器、循環(huán)泵、地源換熱器和管道組成循環(huán)，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Figure 1 System structure diagram

1.2 工作原理

在循環(huán)水泵的強制循環(huán)作用下，養(yǎng)殖水體與池體地?zé)徜伖軗Q熱，通過水流將熱量帶入地下土壤換熱器并與恒溫層完成熱量交換，原理如圖2所示。根據(jù)熱力學(xué)第二定律，恒溫層常年溫度恒定且蓄能龐大，養(yǎng)殖池中的水體溫度始終接近恒溫層溫度，換熱流程如圖3所示。恒溫層的溫度與當?shù)啬昃鶜鉁刈畲蠼^對差值為1.5℃，工程上認為近似相等，可據(jù)此推斷系統(tǒng)的溫度調(diào)節(jié)范圍。

圖2 系統(tǒng)原理圖Figure 2 Schematic diagram of the system

圖3 換熱流程圖Figure 3 Flow chart of heat exchange

2 水溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計

2.1 換熱系統(tǒng)

根據(jù)衛(wèi)萬順等的恒溫層與平均氣溫研究結(jié)果，以地溫梯度理論為基礎(chǔ)，結(jié)合行業(yè)施工經(jīng)驗確定土壤換熱埋深100 m較為經(jīng)濟，其換熱出水溫度近似于年平均氣溫，誤差為2~3℃，可用來推測各地恒溫層換熱溫度調(diào)節(jié)的適用范圍。年平均氣溫反應(yīng)的是時段性氣溫變化特點，為動態(tài)參數(shù)。

2.1.1 設(shè)計參數(shù)盤錦地區(qū)年平均氣溫9.2℃，夏季平均氣溫23.1℃，最高氣溫35.2℃；冬季平均氣溫-7.6℃，最低氣溫-29.3℃。養(yǎng)殖池24個，南北兩排對稱分布，單池3 m×5 m，水深1 m，共360 m3水體。養(yǎng)殖溫室圍護為彩鋼板房，多窗，頂棚采用藍色陽光板。

2.1.2 負荷估算工況缺少熱環(huán)境數(shù)值模擬，按相似工況室內(nèi)游泳池估算負荷指標。室內(nèi)游泳池負荷指標為200～350 W/m2，則取負荷指標350 W/m2，總負荷126 kW。

2.1.3 地源換熱器估算參照地源熱泵工程技術(shù)指南，垂直式環(huán)路管道長度北方為300 m/RT（1 RT=3.517 kW）。經(jīng)計算126 kW需10 747 m換熱管道。雙U型換熱器埋深100 m需打井27口。盤錦地區(qū)為退海之地，地表以下水資源豐富，換熱能力比一般地區(qū)強，因此在保證效果的前提下可適量減少井數(shù)來降低投資，將井數(shù)定為24口。

2.1.4 水力計算根據(jù)宋英峰的研究結(jié)果，地埋管內(nèi)流速在0.4～0.6 m/s區(qū)間時，熱力半徑呈線性上升；當流速＞0.6 m/s時，熱力半徑隨流速變化的增幅有所減少，并趨于水平。經(jīng)分析確定，管內(nèi)流速0.6 m/s，管徑DE32，總流量52 m3/h。

2.1.5 材料與施工參照地源熱泵工程技術(shù)規(guī)范，地源換熱器選用DE32PE管，地?zé)釗Q熱器選用DE25、PERT管。PE管具有連接可靠、耐腐蝕、耐老化、導(dǎo)熱性較好等優(yōu)點，是一種理想的工程材料。主管使用黃夾克保溫管，減少熱量損失。選取15 m×25 m開闊地打地源井，井間距5 m，深100 m。將雙U型PE管換熱器直埋入井，回填。各換熱器采用同程并聯(lián)方式接入主管道，埋深2 m防凍防壓。養(yǎng)殖池底鋪地?zé)峁艿慕Y(jié)構(gòu)如圖4所示。為抵消4個邊角池的冷橋效應(yīng)，邊角池增加1路地?zé)峁堋Ｑh(huán)泵流量56 m3/h，揚程15 m，電機功率4 kW。

圖4 養(yǎng)殖池結(jié)構(gòu)Figure 4 Structure of aquaculture pond

2.2 溫度控制

使用溫控開關(guān)控制循環(huán)泵，防水探頭置于池水中層。夏季時，若水溫達到下臨界溫度，插座自動斷電，水泵停止運轉(zhuǎn)；當水溫達到上臨界時，插座自動通，電水泵啟動。冬季則相反。

3 水溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)應(yīng)用試驗

測試系統(tǒng)空載循環(huán)溫度時，使系統(tǒng)空載運行24 h，主管道進水側(cè)溫度為11.7℃，穩(wěn)定不變。測試系統(tǒng)滿載循環(huán)溫度時，將24個池注滿水，冬、夏兩季每隔24 h記錄養(yǎng)殖池水溫變化，如圖5所示。

圖5 水溫調(diào)節(jié)變化曲線Figure 5 Variation curve of water temperature regulation

監(jiān)測系統(tǒng)自動運行情況，記錄能耗數(shù)據(jù)。冷水魚全年的適宜生長溫度為8～18℃，故設(shè)定夏季運行的溫度上限18℃，下限14℃；冬季臨界溫度上限10℃，下限8℃。運行監(jiān)測結(jié)果如圖6所示。

圖6 運行監(jiān)測圖Figure 6 Operation monitoring chart

根據(jù)傳熱公式Q=AK△T，在相同條件下?lián)Q熱量與溫差成正比，熱交換需要介質(zhì)兩端有一定的溫差。結(jié)合生產(chǎn)需要，設(shè)計時保留3～6℃的換熱溫差。調(diào)節(jié)能力處于冷水魚適宜生長溫度的上下限邊緣，確保在冬夏兩季持續(xù)運轉(zhuǎn)。

4 結(jié)論

采用恒溫層換熱方法設(shè)計的冷水魚養(yǎng)殖池水溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)，能調(diào)節(jié)水溫致接近年平均氣溫，接近區(qū)間存在3～6℃左右的誤差。有能耗方面，由于恒溫層換熱方法可節(jié)省冬季加溫和夏季制冷，僅為水泵耗電（360 m3水體運行耗電4 kW/h），因此具有節(jié)能的效果。