地源热泵技术在海水工厂化养殖系统中的应用

工厂化养殖依托一定的养殖工程和水处理设施与设备, 对水质、水温、水流、溶氧、光照及饲料等各方面实行全人工控制, 为养殖动物提供适宜生长的环境条件, 实现高产、高效养殖的目的。

 

  我国的工厂化养殖起步较晚, 20世纪70 年代才引进此技术, 90年代初进入产业化发展阶段。

 

  由于淡水养殖高价值品种较少, 工厂化养殖的经济性难以体现。因此, 工厂化养殖主要用在名贵海水鱼类的养殖中。2009年底, 全国共有海水工厂化养殖面积1 367 万m2多, 养殖产量8.7 万t。海水工厂化养殖作为一种效益稳定、环境友好的水产养殖生产模式, 对我国水产养殖业的可持续发展具有重要的现实意义。

 

  1 工厂化养殖模式与能耗

 

  按照养殖水的利用率, 工厂化养殖大体可分为流水养殖、半封闭循环水养殖和全封闭循环水养殖等3种。流水养殖全过程均为开放式流水,用过的水不回收处理;半封闭循环水养殖方式用水不完全开放, 部分养殖水经过沉淀、过滤、消毒等简单处理后重复利用;全封闭循环水养殖方式用水经沉淀、过滤、去除水溶性有害物及消毒后,进行调温、增氧和补充适量新鲜水, 重新输送到养殖池中, 反复利用, 整个装置除水处理系统外, 还附有水质监测、自动或半自动控制仪器等。在海水工厂化养殖发展初期, 流水养殖模式, 特别是“深井海水+室内大棚”模式具有投资少、见效快等特点, 在我国北方地区得到大力推广, 为我国海水鱼养殖生产的发展做出重要贡献。但是随着养殖规模的逐步扩大, 该模式的弊端很快凸显出来:(1)大量消耗电力等能源, 加大养殖成本,造成能源浪费。据统计, 流水养殖单位面积电耗1 614 340 kWh/hm2 , 单位产量电耗8.66 kWh/kg, 而循环水养殖单位面积电耗939 136 kWh/hm2 , 单位产量电耗5.07 kWh/kg。(2)大量消耗地下海水, 引起海水倒灌和良田盐渍化, 同时水量不足又导致生产能力下降。(3)水处理设施设备严重缺乏, 携带残饵、粪便的养殖废水直接排放入海, 加剧了近海海洋环境的有机污染。

 

  由于养殖模式不完整、不规范, 导致养殖动物体质虚弱, 病害频发, 不得不大量使用药物, 影响了水产品的质量安全。循环水养殖系统(RAS)可提供可控的环境, 不受环境条件限制, 可以控制养殖水产品的生长速度, 甚至可以预计产量。因此, 由开放式向循环水养殖过渡是今后工厂化养殖的必然趋势。

 

  2 地热资源及开发利用

 

  2.1 地热资源

 

  地热(geotherm)是来自地球内部的一种能量资源, 是地球熔岩向外的自然热流。这种热量渗出地表, 就形成了地热。地热资源是指能够为人类经济开发和利用的地热能、地热流体及其有用组分。地热资源为重要的可再生能源, 是一种取之不尽、用之不竭的清洁能源。目前地热资源评价的依据是国家标准《地热资源地质勘查规范》

 

  (GB11615— 1989)。根据该规范, 估算全国主要沉积盆地储存的地热能量为73.61 ×1020 J, 相当于标准煤2 500亿t, 全国地热水可开采资源量为每年68亿m3 , 所含热能量为9.63 ×1017 J, 折合每年3 284万t标准煤的发热量。由于浅层地热能总量目前尚无评价标准, 2 000 m以下的地热资源和地温梯度非异常区的地热资源均没有进行计算, 以上估算的地下热水资源量仅为我国地热资源的一部分。

 

  2.2 地源热泵技术原理、特点及利用现状

 

  我国浅层地温的开发利用起步较晚, 20世纪90年代开始推广, 到2000年以后, 以热泵技术为代表的浅层地热能开发利用技术已在全国普遍推广。地源热泵(geothermalheatpump)是一种利用地球表面浅层水源(如地下水、河流和湖泊)和土壤源中吸收的太阳能和地热能, 并采用热泵原理, 既可供热又可制冷的高效节能空调系统。

 

  地源热泵通过输入少量的高品位能源(电能), 即可实现能量从低温热源向高温热源的转移。地热在冬季作为热泵供暖的热源和夏季空调的冷源,即在冬季, 把地能中的热量“取”出来, 提高温度后, 供给室内采暖;夏季, 把室内的热量取出来, 释放到地下去[ 15-16] 。地源热泵技术作为一种有益于环境保护和可持续发展的冷热源形式, 在欧美已有几十年应用历史, 应用范围涉及空调、采暖、生活热水供应及一些工业和工程上冷热源提供。

 

  根据地源热泵取热来源不同, 可分为埋管式

 

  土壤源热泵系统、地下水源热泵系统和地表水源热泵系统。它们之间的区别在于取热源来自土壤还是水源。土壤是热泵良好的地温热源, 在太阳辐射热的作用下, 土壤的表层贮存了大量的热能,且温度变化不大, 热泵可以从土壤表层吸收热量。

 

  土壤的持续吸热率为20 ～ 40 W/m2 , 一般在25W/m2左右。地表水水源热泵是一种典型的从水井、湖泊或河流中抽取热量的热泵系统, 一般来说, 利用地表水作为热泵的低温热源, 要附设取水和水处理设施, 而且应考虑设备和管路系统的腐蚀问题。地下水热泵系统使用的多为深50 m以内的浅井作为热源。

 

  地源热泵技术具有以下特点:(1)节能减排:

 

  地源热泵利用的是清洁可再生的太阳能, 制热时不需锅炉, 无燃料燃烧时产生的污染物, 制冷时不需要冷却塔, 避免了冷却塔运行时的噪声、功耗和水的损耗。与土壤和水源之间只有热量交换, 不消耗水资源, 不污染地下土质。通常地源热泵消耗1 kW的能量, 用户可以得到4 kW以上的热量或冷量。(2)一机三用:冬季供暖、夏季制冷以及全年提供生活热水。(3)运行稳定可靠, 使用寿命长:由于土壤或水体温度较为稳定, 无论是寒冬还是酷暑, 机组都在较为稳定的情况下运行。

 

  (4)系统简单, 维护费用低:地源热泵性中央空调系统组成简单, 地下或室外部分几乎不需要维护,室内部分维护只需普通的制冷空调工即可胜任。

 

  目前, 我国以地下水为热源的热泵应用最多,主要采用“异井抽灌”和“单井抽灌”技术。地源热泵作为一种新型能源技术, 最近几年在国内呈现出“政府热市场冷”的现象, 造成这种现象的一个原因是政府推广力度不够, 大家对于这种新型技术存在误解;另一原因是地源热泵的初期投资较高, 限制了其推广应用。

 

  3 地源热泵技术在工厂化循环水养殖中的应用水产养殖受水温的限制很大, 冬季需升温, 夏季需制冷, 为了实现生产的连续性, 必需在循环水养殖系统中设计添加温控系统。常用的温度调控系统有锅炉管道加热(使用热水锅炉为主)、电加热(棒、管、线形式)、组合式热泵冷热水机组等。

 

  其中锅炉加热需要燃烧大量的煤, 产生大量的二氧化碳、二氧化硫、一氧化碳等气体, 污染环境;电热棒加热需要消耗大量的电能, 造成能源浪费, 而且这两种方式均不能对养殖水进行降温处理;组合式热泵既可以对养殖水进行加热又可以进行降温, 但是需要消耗大量的电能, 如LSQFR系列, 每个单元用1台全封闭往复压缩机, 功率18 kW, 制冷、热量分别达到64.5 kW和65.6 kW[ 17] 。

 

  地热是清洁的能源, 利用地源热泵技术进行工厂化循环养殖系统的温度调控是一项全新的课题, 一方面可以降低养殖的成本, 另一方面达到了节能减排的目的。目前, 我国水产养殖耗水量约占地热水总用水量的5.7%左右, 主要养殖罗非鱼、鳗鱼、甲鱼、青虾、牛蛙、观赏鱼等以及鱼苗越冬。但是, 利用地热资源进行海水工厂化养殖系统的温度调控还未见研究报道, 因此, 利用地源热泵技术在我国沿海中低温地热地区进行海水工厂化养殖系统的研究对新能源的开发利用和节能减排具有重大意义。

 

  近年来, 山东省海洋水产研究所针对海水工厂化养殖中存在的养殖废水大排大放、养殖耗能高的现象, 在海水工厂化养殖节能减排的技术上了做了大量的工作。研究了采用地热等清洁能源对循环水系统的温度调控技术, 并研制了造价低、运行成本小、可利用地温的地下生物包和简易的残饵、代谢废物分离装置进行水处理的装置, 并根据研究成果设计了一套以地源热泵作为温度调控装置的循环水养殖系统。

 

  该系统使用地埋管式地源热泵调控养殖用水温度, 维持水温在养殖鱼类的最适温度, 使用固体废弃物分离装置, 去除养殖水中大部分的残饵粪便, 并通过地埋式生物包实现生物脱氮脱磷的目标, 养殖回收水整体达到了可循环再利用的标准,回收利用率可达90%以上。使用地源热泵技术及地埋式生物包完全可以达到连续生产的目的,而且节约了能源, 减少了向环境中氮、磷以及残饵粪便的排放, 由于生产过程中没有使用煤炭, 减少了二氧化碳的排放, 达到了节能减排的效果。

 

  采用地源热泵调控循环水养殖系统的温度,初投资较常规系统要高一些, 但是由于后期不需要燃烧锅炉, 而且可以实现养殖的连续化, 这样可以降低养殖成本, 而且不排放燃烧尾气, 符合国家节能减排的政策, 在我国中低温地热地区, 特别是北方地区具有良好的发展前景。