不同水溫調節系統在重慶市工廠化循環水養魚中的應用

關鍵詞：工廠化循環水養殖系統；水溫調節；空氣源熱泵；水源熱泵

0引言

循環水養殖技術是現代漁業發展的主要趨勢之一，也是我國水產養殖的重要發展方向[1]。盡管循環水養殖具有節能、減排、節水、節地、可控性強、低風險集約化及產品質量安全可靠等優點，但是現代工廠化循環水養殖能耗高，占總養殖成本的38.85%以上，嚴重制約了循環水養殖的可持續發展[2-6]。在工廠化循環水養殖過程中水溫的恒定是水產養殖生產效率的重要保障之一，其重要性主要體現在兩個方面：一是水溫作為重要的水質參數，可直接影響魚類的生理行為和其他水質參數，從而影響水產養殖的產量和品質；二是水溫調控能耗較大，是造成循環水養殖運行成本高的重要原因之一，占全年能耗的40%以上[7-10]。因此循環水養殖系統水溫調節方式的選用是降低能耗的關鍵環節之一，目前學術界對循環水養殖應采用哪一種水溫調節方式的研究并未見相關報道。本研究主要從設備投資、運營費用、維護成本、維護難度及環境影響程度等方面綜合分析水源熱泵、空氣源熱泵、螺桿機組+鍋爐和空氣源熱泵+鍋爐4種水溫調節方式在重慶市循環水養殖系統中的適用性，以期為魚菜共生系統的建設提供科學的參考依據。

1循環水養殖單元基本信息

1.1工藝流程

養殖單元工藝流程如圖1所示，系統共有4個獨立養殖單元，每個養殖單元包括6個魚池、1個流化床、微濾機池及集水池等。

魚池水通過管道進入集水池、微濾機池過濾后輸送至流化床，在流化床內進行熱交換，換熱后的水體再通過管道系統回流至魚池。

1.2外部環境信息

（1）魚池。玻璃鋼材質，直徑8.0m、高2.0m（其中地面以上部分高1.0m）和有效水深1.7m。

（2）流化床。鋼混結構，壁厚200mm，有敞開式和地上式，長16.8m、寬8.8m、高2.8m和有效水深2.5m，無保溫。

（3）微濾機池、集水池等。鋼混結構，壁厚200mm，有敞開式和地下式，長6.6m、寬3.5m、深度1.5m和有效水深1.3m，無保溫。

整套系統處于玻璃溫室內部，夏季最熱的時候可以通過溫室環境調控系統將環境溫度控制在33～35℃，冬季溫室內環境溫度比室外高3～4℃，空調系統與魚菜共生溫控系統相互獨立。每套系統每天還有25m3的換水量，換水是固定時間段換水，換水時間2h。

1.3技術需求

（1）冬季增溫。冬季不開啟增溫系統時，養殖水體最低水溫為11～12℃，要求通過增溫系統將養殖水體恒溫在20～21℃。冬季增溫時間段為12月一次年2月，年均增溫天數60～70d。

（2）夏季降溫。夏季不開啟降溫系統時，養殖水體最高水溫為31～32℃，要求通過降溫系統將養殖水體恒溫在26～27℃。夏季降溫時間段為7-9月，年均降溫天數60～70d。

2魚菜共生系統冷熱負荷計算

根據前期的研究和技術需求，分析認為魚菜共生系統可以參照恒溫游泳池的設計方式對所需的冷熱負荷進行計算，以滿足相關的技術需求。魚菜共生系統建筑構建圍護結構參數如表1所示，相關設計參數來自于建筑能耗模擬軟件Dest，其中供冷、供熱負荷計算所需的室外干球溫度數據由Dest能耗模擬軟件中氣象數據導出。如圖2所示，夏季室外溫度22～38℃，冬季室外溫度3～14℃。從供熱／供冷時間均勻性角度，預計冬季加熱峰值時間段將會出現在6：00-9：00，夏季供冷峰值時間段將會出現在13：00-18：00。

2.1室外計算參數

重慶市冬季和夏季空調室外設計參數如表2所示，相關設計參數參考GB 50736-2012[11]。

2.2冷熱負荷計算

魚菜共生系統冷熱負荷相關計算公式如下[12-14]。如圖3所示，由模擬軟件導出相應時期太陽輻射累加得到系統總負荷Q。

2.3冷熱負荷計算結果

2.3.1魚菜共生系統4個養殖單元冬季單日得失熱量

魚菜共生系統冬季各項失熱及得熱統計如圖4所示，冬季得失熱量中負值表示魚菜共生系統冬季失熱量，正值表示魚菜共生系統冬季得熱量。

由圖4可知，魚菜共生系統冬季失熱量明顯高于得熱量，并且失熱量中占比最高的是蒸發耗熱量，單日失熱量為14623kW·h，池水表面散熱失熱量為5867kW·h，池壁圍護結構失熱量為1940kW·h，補水失熱量約為700kW·h。由于魚菜共生系統為敞開式系統，并且水面面積較大，單個單元的敞開水面面積為470m2左右，導致冬季該系統的蒸發熱負荷和池水表面散熱量較高。

2.3.2魚菜共生系統4個養殖單元夏季單日得失熱量

魚菜共生系統夏季各項失熱及得熱統計如圖5所示。夏季失熱與冬季失熱相同，蒸發失熱量最高，為3891kW·h，50%以上的失熱量均來自于蒸發。除了蒸發之外，圍護結構失熱量為1163kW·h和換水帶來得失熱量為700kW·h。

夏季該魚菜共生系統的得熱量明顯高于失熱量，夏季得熱量來自于兩個方面，分別是池水表面換熱得熱和太陽輻射得熱，分別為3799和6677kW·h。

根據對該魚菜共生系統的冷熱負荷計算可知，4個養殖單元夏季最大冷負荷為197kW，冬季最大熱負荷為907kW，按照全天24h運行，冬季和夏季各自運行70d進行計算。同時參考供冷／供熱期間室外基本氣象參數及玻璃房圍護結構的影響選取冷負荷修正系數為0.7，熱負荷修正系數取0.85，計算得到給4個養殖單元供冷的總冷負荷為231369kW·h，冬季供熱的總熱負荷為1294677kW·h，如表3所示。

3魚菜共生冷暖系統設計與經濟性對比

3.1方案設計

根據計算得到的4個養殖單元的總冷負荷和總熱負荷，提出4個可以滿足該魚菜共生系統冬季和夏季技術需求的冷暖設計方案：設計方案1，冷水機組系統（螺桿機）+鍋爐（燃氣）；設計方案2，水源熱泵系統；設計方案3，空氣源熱泵系統；設計方案4，空氣源熱泵+鍋爐系統（熱泵冬夏兩用冬季輔助鍋爐）。

3.2初投資對比分析

冷暖設備價格如表4所示，不同設計方案的設備初投資如圖6所示。設計方案2初投資最高，其次是設計方案3，設計方案4初投資最低。設計方案4相比設計方案2初投資低20多萬元。因此，從初投資角度來看，設計方案4（空氣源熱泵+鍋爐系統）是較好的投資方案。

3.3運行費用對比分析

不同設計方案的年運行費用如圖7所示。設計方案1運行費用最高，主要原因可能與當地的能源價格具有顯著相關性；設計方案4運行費用次之。與設計方案2初投資最高不同的是，在運行費用方面設計方案2運行費用最低，其次是設計方案3。

3.4各方案投融資現金流量

如圖8所示，在融資成本為12%時，相較于設計方案1，其他方案均能在1～2年時間回收增量成本。從長期運行角度分析，設計方案2長期投資費用最低，經濟性在4種方案中最好；但由于其維護成本高且維護難度較大，適應性較差。設計方案4采用空氣源熱泵能夠降低一部分使用成本，同時維護成本較低，但與設計方案1類似存在鍋爐的碳排放較大的問題。設計方案3雖然投資成本較高，但維護較為簡便，運行成本適中，能夠模塊化運行，適應性較好。

3.5不同方案對比

各方案的實際制冷／熱能耗、運行費用及初投資等指標如表5所示。從運行費用來看，設計方案2是最為經濟的，但考慮到占地、維護成本、環境影響程度和維護難度的因素，設計方案3是適用性較好的。

4結束語

根據魚菜共生系統的冬季和夏季技術需求，本研究分別針對滿足該技術需求情況下的冬季和夏季的魚菜共生系統的得失熱量進行了計算，最終得到該系統的冷熱負荷，并根據計算結果分析滿足技術需求的冷熱系統設計方案，針對各種設計方案的經濟性進行對比分析，探究滿足魚菜共生系統技術需求又兼顧經濟性的系統方案，為魚菜共生系統的建設提供參考。

（1）由于魚菜共生系統具有較大面積的敞開式水面，因此導致蒸發產生的失熱量均有70%的失熱量占比，同時水面與環境空氣散熱失熱量所占比例也較高。因此，如果未來在考慮降低能耗節能的情況下，可以考慮對流化床和集水過濾池采取加蓋或覆膜的措施，以減少熱量損耗，降低負荷，實現節能。

（2）目前，該魚菜共生系統的流化床和集水過濾池均為采取保溫措施，分析發現冬季圍護結構失熱量約占g%，夏季失熱量約占20%。因此為降低能耗，可以考慮對水池外壁采取保溫等措施，來減少圍護結構部分的熱量損失。同時夏季由于進水溫度較穩定溫度低，可以考慮加大換水頻率或適當使用地下水直供進行降溫。同時為了降低運行成本，可以適當考慮光伏／光熱的利用

（3）不同冷暖設計方案的選擇要結合當地的資源情況和能源價格，合理利用資源，實現系統運行的經濟和運行效果最優化。

（4）從設備初投資和長期運行的角度分析，空氣源熱泵和水源熱泵具有較好的長期使用價值。但由于水源熱泵在廉價水資源難以獲取的地區運行費用較高且維護成本及難度較高，故對于本研究而言，空氣源熱泵投資及運行費用較低，整體適應性較好。