工厂化水产养殖循环水系统控温技术的探讨

姜衍礼，董信林，崔从明，杨同

（1.山东中天羲和新能源技术股份有限公司，山东威海 264200；2.上海泓循环境科技发展有限责任公司，上海 201306）

工厂化水产养殖循环水系统控温技术的探讨

姜衍礼1，董信林1，崔从明2，杨同2

（1.山东中天羲和新能源技术股份有限公司，山东威海 264200；2.上海泓循环境科技发展有限责任公司，上海 201306）

现代工厂化水产养殖的基本特点就是以保护环境为基点的封闭内循环养殖系统。它的核心技术是水质处理技术和控温技术。该模式通过循环系统的各项技术处理，将食物残饵、生物体排泄物及养殖水体本身所携带的有害物质和病菌进行有效的处理，达到优质养殖水体的水平，从而达到养殖水循环利用的目的。同时采用新能源技术进行温度的控制，达到四季恒温或根据生产需要进行温度控制的目的。由于养殖水的循环使用和温度的控制，从而确保了养殖水质良好、降低运行成本、提高养殖效率，达到零排放或最小排放。利用热泵技术为养殖水体控温，无疑具有极大的实用性和经济性，本文就热泵技术在海水育苗中的应用进行探讨，以供相关从业者参考。

1 水产养殖现状分析

自20世纪90年代以来，随着国家和地方综合实力增强、渔业科技水平的提高，海产品的工厂化养殖作为一项新的产业悄然兴起，并迅速在全国扩展，目前已成为一项新的支柱产业。但是在快速发展的同时，其负面影响也日渐显现。在水产养殖工艺方面，国内企业的工艺流程几乎全部采用了传统的开放养殖系统，这种方式的缺点是∶①成本极高，大量提水需要的电力，以及冬天升温和夏日降温的费用很高。②生产不稳定，风险极大，靠天吃饭，属于传统农业范畴，很难避免由于外界因素（如海洋污染、大的自然灾害等）引发的水源水质恶化，从而带来灾难性后果。③车间内的生产设施和设备落后，自动化程度低，工作量大且效率低，生产过程的稳定性差。④养殖用废水排放到环境中造成污染。⑤随着经济的发展，工厂和居民区逐渐占据大部分海边用地，极大地限制了我国沿海养殖业的发展。⑥水环境日益恶化，富营养化严重，重金属超标，赤潮频发，也对海水养殖业造成极大的威胁。

不同品种的水产品对水温要求是不同的，海参育苗要求水温在16～23℃，海水鱼（如大菱鲆）养殖要求水温在12～20℃，虾类、贝类养殖要求水温在22～25℃。每年11月份至来年5月是海水育苗季节，育苗地区主要集中在山东半岛和辽东半岛，而此时近海水温为2～10℃，需要给海水升温；夏季8、9月份，海水温度可达25℃，需要给海水降温。传统室内水产养殖均采用边补边排的开放式的养殖方式，有大量废水排放，因此传统室内水产养殖不但耗能大，而且能源浪费严重。

传统的加热方案主要是采用燃煤、燃油、燃电锅炉加热这些做法，其主要存在以下问题∶①采用燃煤锅炉造价和运行费用虽然较低，但会引起大气污染，随着煤炭价格的不断上涨，制热成本大幅增加的同时，每年的储运工作难度不断加大，养殖企业负担不断增加。目前我国城市为了减少空气污染，除热电外已严禁使用燃煤锅炉采暖和制热。燃煤锅炉已不符合国家节能减排的基本国策，不符合循环经济的政策，属于国家限制取缔的能源方式。②采用燃油锅炉运行费用较高。由于国际油价波动很大，在高油价的时代采用燃油锅炉加热对海水养殖成本太高，不经济。③采用直接用电加热不仅运行费用高，而且能源利用率低，造成能源的浪费。

传统给海水降温的方案是采用打井提取地下水换热的方法，在有的地区地下水资源非常宝贵，抽取地下水养殖，严重浪费了地下水资源，并且可能会引起地下水位下降、海水倒灌等。因此开采地下水养殖将会受到越来越多的限制[1]。

2 热泵技术应用于水产养殖控温的优势

热泵技术以其低投入、高产出的优越性在建筑采暖制冷中得到大力应用，而将其应用到水产养殖中更具优势。

2.1 高效节能

热泵技术是以土壤、地下水或空气为低温热源，应用逆卡诺循环原理，通过少量的电能输入，实现低位热能向高位热能转移，进行能量转换的制冷、供热、高效的节能装置。化石燃料锅炉只能将50%～90%的燃料热能转化为热量制取热水，而热泵每消耗1 kWh电能就可以从环境中吸收2～6 kWh电的热量，比燃油或燃气锅炉节省40%以上能量[2]。

2.2 清洁环保

热泵系统在运行过程中不会因为消耗油、气等化石燃料而产生大量的温室气体CO2及其他污染物，热泵运行所使用的电力，来自可再生能（如风力、太阳能等）时根本不会排放CO2。随着热泵技术的进一步改进和发电效率的进一步提高，采用热泵供暖，使CO2排放量减少16%是有可能的。

2.3 系统运行稳定、安全可靠

热泵没有锅炉燃料燃烧产生高温和废气，机组使用寿命长，热泵热源来之地下土壤或地下水的温度稳定，一年四季波动不大，因而埋管的土壤源热泵机组运行稳定，安全可靠，同时也保证系统的高效性及稳定性。

2.4 一机两用、系统简单，维护费用低

冬季空气源热泵不需要冷却塔系统，施工安装简单，机组采用全自动控制，模块间可实现联动和远程控制，节省管理人员费用。相对于空气源热泵，地源热泵不必考虑冬季温度过低效率降低和除霜的问题。

3 经济性分析及环保性比较

采用地源热泵作为水产养殖控温的冷源和热源，和工厂化循环水处理设备有机结合，充分发挥其换水量少、效率高和自动化程度高的特点，有效解决水产养殖控温环节存在的问题。现以实际工程为例，进行经济性分析和环保性比较[2]。

3.1 工程概况

实例工程为山东招远市春雨海珍品养殖基地工厂化循环水养殖车间，建筑面积12 000 m2，地上两层，养殖池水体2 000 m3。组又分4个子系统，每个系统配50个养殖池共125 m3，冬季要求水温保持13～18℃，夏季20℃，每天循环5次。

3.2 热量负荷计算

3.2.1 冬季加温加热热负荷=建筑耗热量+补充加热新水耗热量。养殖池125 m3，水温18℃，每天循环5次，平均每天循环625 m3海水，24 h循环，循环流量26 m3/h，补充新水量按1%即0.26 m3/h。

建筑耗热量为∶

式中∶S1为每个系统建筑面积，12 000 m2÷16套；q1为单位建筑面积负荷（节能建筑40 w/m2）。

代入数据计算得Q1=30 kW。

补充新水加热所需的热量为∶

式中∶Q2为补充新水加热负荷，单位为kW；C为水比热容，单位为kJ/（kg·℃）；M为加热热水的质量流量，单位为kg/s；Tr为制取海水温度，18℃；Tj为基础海水计算温度，0℃。

代入数据计算得热水负荷Qh＝5.44 kW。养殖池海水加热总负荷∶

3.2.2 夏季降温降温冷负荷=养殖池散冷负荷+补充降温新水耗冷量。养殖池125 m3，每个养殖池水面面积6 m2，每个系统配50个养殖池，水温16℃，循环流量26 m3/h，补充新水量按1%即0.26 m3/ h。

养殖池散冷负荷为∶

式中∶S2为养殖池水面面积，单位为m2；q2为单位面积冷负荷，100 W/m2。

代入数据计算得养殖池散冷负荷L1为30 kW。补充新水降温所需的冷量为∶?

式中∶L2为补充新水降温所需的冷量，单位为kW；Tr为制取海水温度，17℃；Tj为海水计算温度，30℃。

代入数据计算得热水负荷∶L2＝3.92 kW。

养殖池海水降温总负荷∶

3.3 系统原理

工厂化循环水系统原理见图1。工厂化循环水控温系统原理见图2。

土壤的持续吸热范围为20～40 W/m2，一般取25 W/m2，地源热泵系统通过地埋管换热器将土壤中的热量收集起来，然后通过循环泵输送到热泵主机。地源热泵主机通过消耗电能提高所采集的能量的品位，释放到循环水系统中加热或冷却养殖水体。

3.4 经济性分析

3.4.1 初投资费用估算锅炉系统除投资主要考虑锅炉设备费用、辅助设备费用及锅炉房的土建费用等，与之相比，地源热泵主要考虑热泵主机及相关水泵等设备之外，还需前端取热系统费用，如地源热泵打井费用和埋管费用等。

图1 工厂化循环水系统原理图

图2 工厂化循环水控温系统原理图

根据计算所得每个养殖系统冷热负荷，每个系统配置1台ZTS12RW地源热泵海水机组，共16个系统配置16台。热泵机组的主要参数见表1。

表1 热泵机组的主要参数

地源热泵土壤换热器系统换热量用公式（5）计算。

式中:Qt为土壤系统换热量，单位为kW;Qd为冬季加热负荷，单位为kW；COP为性能系数。

冬季供热系数为4时，在综合考虑建设地区地质条件基础上，该地区地层中钻孔单位管长的换热量夏季为70 W/m，冬季为50 W/m。

代入公式Qt为30 kW。

则室外换热系统钻孔长度L为600 m，埋管采用PE800聚乙烯塑料管，埋管方式采用双“U”型，埋管长度为2 400 m。

按每口井60 m布局，共每个系统需10口井，16个系统共设计160口地源井。

该项目设计4个分区，即4组热泵机组并联一套埋管，互用互备。

由于海水具有腐蚀性，海水循环水管道采用UPVC管，地源热泵循环水侧换热器采用钛管换热器，外壳采用UPVC材质。

地埋管地源热泵主要设备造价表如表2所示。

使用燃煤锅炉制热单位体积投资为400元/m3，该项目2 000 m3水体采用锅炉系统总投资约为80万元，不考虑降温设备投入，采用地源热泵比燃煤锅炉需增加投资188万元。

3.4.2 运行费用分析养殖池2 000 m3，每天循环5次，冬季基础海水平均温度按5℃计算，从5℃升高到18℃所需能耗进行比较计算。

采用传统开放式养殖方式系统每天需将10 000 m3从5℃的水升温到18℃，总共耗费的能量为∶

表2 地源热泵系统主要设备造价表

式中∶Q为该热水系统运行需要的能量，单位为kJ；Cp为水的定压热容，4.18 kJ/（kg·℃）；△T为水的温升，单位为℃；m为水的质量，单位为kg。

代入数据＝4.18 kJ/（kg·℃）×10 000 m3×103× （18－5）℃＝5.43×108kJ。

燃煤锅炉和地源热泵需要燃料、燃烧效率、热值、价格等（以招远地区为例）如表3所示。

上述热量完全由燃煤锅炉提供能源费用计算如下:

每天耗煤量为∶5.43×108kJ÷（29 260 kJ/kg× 65%）＝28 550 kg。

每天燃煤费用∶28 550 kg×0.7元/kg＝19 985元。

每年耗煤量为∶28 550 kg×210 d=5 996 t。

每年耗煤费为∶5 996 t×700元/t=419.72万元。

表3 燃煤锅炉及地源热泵相关数据

采用工厂化循环水地源热泵系统提供，地埋管地源热泵系统年运行费用Cr主要为系统制热和制冷时热泵机组和水泵的运行费用，即单位电价乘以系统年度总耗电量∶

式中∶Cε1为电价，招远地区为0.6元/kWh；为系统年度总耗电量，单位为kWh。

每天耗电量为∶13.4 kW×16套×24 h=5145.6 kWh。

每天电费为∶5 145.6 kWh×0.60元/kWh＝3087元。

每年耗电量为∶5 145.6 kWh×210 d=108万kWh。

每年电费为∶3 087元×210 d=64.83万元。

用电设备每年需耗煤费为∶

108万kWh×3 600 kJ/h÷29 260 kJ/kg÷0.80（热电效率）＝16.61 t。

采用工厂化循环水地源热泵系统每年节省费用与燃煤锅炉制热比较可节省∶419.72万元-64.83万元=354.89万元，每年节省煤为∶5 996 t－16.61 t= 5 979 t，采用工厂化循环水地源热泵系统静态投资回收期约为0.53a。

3.5 环保性比较

按统计数据，燃烧每吨标准煤会向大气排放CO22.62 t，SO28.5 kg，NOX7.4 kg。该项目采用地源热泵系统每年可节省煤炭5 979 t，每年可减排CO2高达15 665 t，SO2减排50 821.5 t，NOX减排115 921 t[3]。

可见，通过热泵来减少CO2及其他大气污染物的效果十分明显，不仅可以大大减少治污所需的费用，同时对环境的保护具有重大的意义。

4 小结

采用热泵控温技术用于工厂化水产养殖循环水系统具有重要的节能与环保及经济价值，在技术上是可行的，在工程实施上也完全具有可行性。

从环保方面看，地源热泵系统没有燃煤锅炉燃烧所产生的CO2、SO2、NOx及烟尘等各类污染物排放，更具有环保的优越性。

因此，在工厂化水产养殖循环水系统中采用地源热泵技术控温，是替代传统燃煤锅炉的较好方案，具有重要的节能、环保及经济价值，经济效益和社会效益非常显著，符合目前我国能源、环保的基本政策和国民经济可持续发展要求。

[1]曲克明，杜守恩.海水工厂化高效养殖体系构建工程技术[M].海洋出版社，2010（1）：1-23.

[2]刘国丹，刘珂珂，胡松涛，等.海参养殖热泵系统应用探讨[J].暖通空调，2014，44（9）：56-61.

[3]张吉光，史自强，杨晚生，等.热泵在海水养殖中应用探讨[J].制冷学报，2002（3）：48-51.

10.3969/j.issn.1004-2091.2017.03.003

2016-10-05）