环渤海地区热能资源分布及海水养殖水体调温模式研究

2014-08-12张宇雷吴凡管崇武等

江苏农业科学 2014年6期

张宇雷+吴凡+管崇武+等

摘要：根据环渤海地区（包括山东、河北、天津和辽宁4个省市）的地热以及太阳能资源的分布情况，从海水工厂化养殖应用角度分析了采用电加热、燃煤锅炉、热泵、太阳能等几种水体调温模式的优缺点，并通过理论计算，对其经济性进行了综合比较。结果表明，热泵和太阳能加热方式与常规加热方式相比，节能和环保效果显著。从海水养殖产业的健康和可持续发展，提出了合理规划养殖区域，加强监管和惩罚措施，以及加强宣传、推广利用热泵和太阳能加热的发展建议。

关键词：海水养殖；热能资源；水体调温；环渤海地区

中图分类号： S951文献标志码： A文章编号：1002-1302（2014）06-0229-03

收稿日期：2013-09-27

基金项目：现代农业产业技术体系建设专项（编号：CARS-50）；国家科技支撑计划（编号：2011BAD13B04）。

作者简介：张宇雷（1980—），男，上海人，硕士，助理研究员，主要从事渔业装备与工程技术研究。E-mail：zhangyulei@fmiri.ac.cn。

通信作者：吴凡，主要从事渔业装备与工程技术研究。E-mail：wufan@fmiri.ac.ca。近年来，海水鲆鲽鱼类的养殖在环渤海地区发展迅速，已形成一定规模。养殖模式以工厂化养殖为主，另外还有少部分采用网箱和海水池塘养殖[1]。其中，工厂化养殖是海水养殖业中附加值较高、经济效益较好、发展较为迅速的养殖方式，2009年产量已突破10万t。然而，由于工厂化养殖是在人工调控环境条件下进行的，需消耗大量的煤、电等能源。赵鹏[2]等对胶南地区13个海水工厂化养殖企业的能耗情况进行了调研，结果显示，使用锅炉的育苗场，锅炉的能耗占了总能耗的92.78%±4.65%。郑维中等指出，电能成本占大菱鲆养殖总成本比例在欧洲为11%，在我国则为35.6%，能源成本在我国大菱鲆养殖成本中所占比例最大[3-4]。由此可见，我国工厂化养殖能耗成本占总成本比例过高，能耗成本上涨已成为制约我国工厂化养殖业发展的重要因素，须考虑采用节能措施或新能源，以降低能耗成本比例。环渤海地区有丰富的太阳能、地热等能量资源，有效利用这些可再生资源，对于促进水产养殖的健康和可持续发展具有重要的意义。本研究调研了环渤海地区，山东、河北、天津、辽宁4个省（市）的地热和太阳能分布情况，就国内现有的几种常用调温模式进行分析和比对，并对如何有效开展可再生能源的利用提出建议。

1环渤海地区热能资源分布

1.1地热分布情况

山东省是中低温地热资源比较丰富的省份，其境内的沂沭断裂带是一条多种成因类型的地热带，以断裂裂隙型为主，储存了大量的地热资源。以沂沭断裂带为分界线，山东在地质上分为鲁东和鲁西两大块。鲁东地区是山东地热资源最好的地区，热储层主要为岩浆岩及变质岩断裂破碎带，水温较高（65～90 ℃），盖层较薄。鲁西地区主要为岩溶裂隙型，呈层状或带状分布。埋深一般在200～1 500 m，水温50～80 ℃[5]。

河北省境内地热资源比较丰富，其成因既有对流型，也有传导型。根据区域地质构造及地形地貌，冀内地热资源可划分为冀北山地区、冀西山地区、冀西北山间盆地、河北平原四大热水区。冀北山地区以温水或温热水为主，水温平均在 60～82 ℃。冀西山地区地下热水区地处太行山断褶带，水温在20～59 ℃。冀西北山间盆地地下热水区分布有四个地下热水亚区，埋深80～470 m，水温41～62 ℃。河北平原地下热水区，在大地构造位置上为冀东南沉降带，3 000 m 以内井口水温一般为60～80 ℃，高者可达97 ℃[6]。

天津市属中、低温地热资源，以传导型为主。共有5个地热储层，新近系明化镇组、馆陶组为孔隙热储，埋深600～2 400 m，水温40～87 ℃。岩溶裂隙热储有3个，即奥陶系、寒武系府君山组和蓟县系雾迷山组，埋深910～3 190 m，水温49～103 ℃，其中雾迷山组热储层分布广、厚度大、岩溶裂隙发育，为天津市主要地热开发层位[7]。

辽宁省地热利用历史悠久，地热资源利用潜力较大，有31个地热田（点）已被不同程度地开发利用[8]。其中60 ℃以上热水点可开采水量65 783 m3/d，所含热能96.05 MW。根据2000年的勘探结果，辽宁省境内共有热泉点52处。其中，水温大于80 ℃的3处，最高为98 ℃；水温60～80 ℃的10处；水温40～60 ℃的20处，水温25～40 ℃的19处[9]。

1.2太阳能分布

山东省各地年太阳总辐射量在4 542.61～5 527.32 MJ/m2之间，其中，成武县年太阳总辐射量最少，蓬莱最多。各地太阳总辐射差异较大，胶东半岛南部总辐射量较小，北部蓬莱、龙口一带较大。鲁北垦利、河口一带辐射量较大，鲁西南、鲁西一带较小。从日照时间来看，全省变化范围2 200～2 800 h，胶东半岛的中东部和鲁北的大部分地区在2 600～ 2 800 h；鲁南最少，多数在2 200～24 00 h。日照时数的季节分布特点是春季最多，夏季次之，冬季最少[10]。

河北全省2012年平均年日照时数为2 393.2 h，各地年日照时数为1 665.9～3 127.2 h，北部高原地区超过 2 800 h；中南部的局部地区不足2 000 h；其他大部分地区为 2 000～2 800 h。与常年相比，北部大部分地区接近常年，部分地区偏多100 h以上；南部大部分地区偏少，部分地区偏少300～800 h。冬季日照时数较短，全省平均472.7 h。日照时数偏少时段主要集中在12月上旬、1月上旬和中旬。春季较长，全省平均710.9 h。

天津市太阳能资源比较丰富，全年日照时数大于3 000 h，太阳能区划为二类地区。根据1993—2001年9年间的天津市气象资料，天津2001年太阳总辐射年平均值最大，为 1453 MJ/m2；最小值出现在1996年，为10.93 MJ/m2；平均值为13.16 MJ/m2。太阳辐射总量有明显的年季变化，一般为夏季>春季>秋季>冬季，冬季最小，夏季最大。月辐射量最大值出现在6月，最小值出现在1月。endprint

辽宁省各地太阳总辐射年平均值为4 195 MJ/m2，其中最大值出现在大连，为5 232 MJ/m2；最小值出现在本溪的草河口，为4 538 MJ/m2[11]。太阳总辐射的分布主要受气候和地形影响，分布形势为由西至东减弱，与降水量分布相反。辽西和渤海湾东岸沿海地区太阳辐射量最大，辽北次之，东部山区为最小，即表现为西多东寡、南北高于中部的特征。分析显示，辽宁省太阳总辐射的逐月分布特征为5 月最强，12 月最弱。季节分布为夏季最大，春季次之，冬季最小，春、夏、秋、冬4季太阳总辐射量分别占全年总辐射量的31.2%、334%、213% 和14.1%[12]。

2海水养殖常用水体调温模式

2.1电加热

与一般燃料加热相比，电加热可获得较高温度，易于实现温度的自动控制和远距离控制，产生的废气、残余物和烟尘少，可保持被加热物体的洁净，不污染环境，因此，广泛用于科研和试验等领域；但是，电加热的运行成本相对较高，能源热值为3.6 MJ/ ℃，热转化效率在95%左右，因此在大型海水养殖生产系统中一般仅作为辅助加热手段。

2.2锅炉加热

作为供热之源，工业锅炉日益广泛地应用于现代生产和人们生活的各个领域。按燃料和能源不同，工业锅炉可分为燃煤锅炉、燃气锅炉、燃油锅炉、原子能锅炉、垃圾锅炉和余热锅炉等[13]。其中，燃煤锅炉投资和运行成本都相对较低，在海水养殖系统中的使用还是比较普遍的。但是，其缺点也很明显。首先，以煤炭、石油、天然气等为主的这些石化能源，资源是有限的，不可再生，终究要枯竭。我国人口众多，人均资源占有量低于世界平均水平，与经济发展和人们生活消费的需求相比，能源供应的缺口很大。其次，石化能源的不完全燃烧会造成大量污染物排放，对环境造成严重的污染。

2.3热泵加热

热泵技术是近年来在全世界倍受关注的新能源技术，利用少许的电力做功，就能够从自然界的空气、水或土壤中获取低品位热能，提供可被人们所用的高品位热能[14]。以空气作为热源的热泵称为空气源热泵或气源热泵（air source heat pump，ASHP）。通常制作成能够供冷、供热的两用循环系统。 ASHP需要依据给定的气候条件来设计，使其容量及效率在较宽的环境温度范围内达到保证。水源热泵（water source heat pump，WSHP）。通常以海水、河水、湖水及井水作为低温热源。由于水的温度变化较小，水源热泵的性能通常要比ASHP的性能好而且稳定。井水特别是深井水，是热泵系统比较理想的低温热源，在工程中采用较多。土壤热源热泵（soil heat pump，SHP）以大地作为其低温热源。通常是将制冷盘管埋入地下，盘管与土壤进行热量交换，热泵系统自成封闭式系统。其缺点就是造价昂贵，施工条件苛刻[15]。

2.4太阳能加热

太阳能热水系统是通过集热器吸收太阳辐射来制取人们在生活、生产中所需要热水的节能设备，由集热器、保温水箱、连接管道及控制系统组成[16]。作为一种洁净的能源，太阳能既是一次能源，又是可再生能源，有着矿物能源不可比拟的优越性。经测算，太阳每秒能够释放出391×1023 kW的能量，而辐射到地球表面的能量虽然只有它1/（22亿），但也相当于全世界目前发电总量的8万倍。因此，太阳能资源十分丰富，是可再生能源中最引人注目、开发研究最多、应用最广的清洁能源。目前，在海水养殖中使用太阳能加热的案例不多，主要是由于投资和管理成本相对偏高。

3模式比较与经济性分析

以一栋占地面积1 500 m2的典型海水大菱鲆工厂化循环水养殖车间为例，总水面约800 m2，总水体量大约在 500 m3 左右。日补充水量以15%计，约75 m3/d。根据池水表面蒸发热损失、管路及设备热传导以及补充水加热等计算，冬季维持池系统水体温度16 ℃所需热量约285 MJ/h，折算成耗能约为80 kW·h/h。

表1给出了几种不同加热方式给该系统调温的运行费用理论计算值，从中可以看到，使用燃煤、天然气锅炉虽然燃料热值相对较高，但是，受到燃烧效率、锅炉效率等的影响，其实际产生的热能相对偏低，运行费反而较高。采用电热锅炉，其效率虽然较高，但是燃料热值有限，实际运行费用最高。热泵和太阳能2种加热方式都是以电力作为辅助动力驱动机组做功转换热能，从运行成本角度来说，是比较经济的2种调温手段。

从投资成本角度考虑，锅炉的投资成本还是相对便宜，一台0.2 t（供热量约5 040 MJ）的燃煤锅炉仅在2万元左右，燃气锅炉和电锅炉的价格类似。采用太阳能加热方式所需要的投资成本相对来说是最高的。以目前现有的技术水平，1 m2太阳能板所能提供的功率大约为100～150 W。要提供 80 kW 的功率，需要太阳能板将近600 m2。光这部分的投资表1不同加热方式经济性比较

能源工作效率（%）单价每小时消耗能源量能源热值冬季3个月能源费用（元）煤540.9 元/kg22.93 kg 0.023 MJ/kg44 576天然气923.24 元/m38.32 m3 0.037 MJ/m358 227电950.5 元/（kW·h）83.32 kW·h3.595 MJ/（kW·h）89 986热泵4500.5 元/（kW·h）18.52 kW·h3.595 MJ/（kW·h）19 997太阳能2830.5 元/（kW·h）29.443.595 MJ/（kW·h）31 797

就要100万元。热泵方面，差别较大，空气源和水源热泵的价格相对较低；地源热泵需要埋设采暖设备，因此价格较高，一台制热量80 kW的地源热泵造价成本在 20万元左右。

4建议

为了给鱼类提供一个健康、良好的快速生长环境，调温是一个必不可少的重要环节。在调温模式方面，加强对地热以及太阳能等可再生资源的合理开发和利用，对于产业的健康和可持续发展是具有积极的意义的。因此，提出以下发展建议。endprint

4.1合理规划养殖区域

国内的养殖企业以中小型散户为主，分布较为零散。环渤海地区由于良好的资源条件，为海水鲆鲽鱼类的养殖提供了优越的基础条件，吸引了不少企业，但是，其分布还是不够集中。合理规划养殖区域，将中小型企业集中在一起，既便于集中供暖调温，也方便管理。

4.2加强监管和惩罚措施

虽然，国家近几年已经出台了一些关于禁止使用燃煤、燃气锅炉以及滥用地下水资源的政策，但是，其监管力度相对薄弱，导致部分企业在利益的驱使下仍然“铤而走险”。这方面欧美国家的监管力度要强得多，一旦发现违规，就有相应的惩罚措施。因此，建议加强这方面的监管和惩罚措施。

4.3加强宣传和推广

一是对于热泵和太阳能供热技术的宣传。国内养殖从业人员的文化水平相对较低，只有明确地感受到技术的优良性能，他们才会愿意进行投资。二是对于补贴政策的宣传。国内各地方都相继出台了一些关于使用热泵和太阳能设备的补贴政策，以山东烟台为例，采用地源热泵供热制冷的项目，按应用建筑面积20元/m2的标准给予补助。太阳能一体化与地源热泵结合项目按应用建筑面积25元/m2标准给予补助。加强这方面的宣传也能够有利于新技术的推广和应用。

参考文献：

[1]倪琦，宋奔奔，吴凡. 鲆鲽类工厂化养殖模式发展现状[J]. 海洋与渔业：上半月，2012（6）：55-59.

[2]赵鹏，李贤，周兴，等. 海水工厂化养殖能耗及新能源应用调研分析[J]. 渔业现代化，2011，38（2）：21-26.

[3]郑维中，康梅，刘思涛. 从大菱鲆商品鱼市场价格的变化反思我国鱼类养殖业的发展[J]. 中国水产，2005（7）：81-84.

[4]田喆，张延青，刘鹰，等. 不同水循环率对大菱鲆生长和水质的影响研究[J]. 渔业现代化，2010，37（6）：1-5.

[5]郑锡泉，徐雪球，陈汉永. 京津鲁地热资源勘查利用对江苏的实践指导意义[J]. 江苏地质，2007，31（3）：288-292.

[6]张国斌. 河北省地热资源分布特征、开发利用现状、存在问题与建议[J]. 中国煤田地质，2006（S1）：25-27.

[7]马凤如，林黎，王颖萍，等. 天津地热资源现状与可持续性开发利用问题[J]. 地质调查与研究，2006，29（3）：222-228.

[8]张戈，姜玉成，邵景力，等. 辽宁地热资源与开采潜力研究[J]. 地质与资源，2004，13（1）：22-25，42.

[9]于华深，蔺娜，于杨. 辽宁省太阳能资源分布及区划初探[J]. 气象与环境学报，2008，24（2）：18-22.

[10]董旭光. 山东省太阳能资源评估[D]. 兰州：兰州大学，2009.

[11]龚强，于华深，蔺娜，等. 辽宁省风能、太阳能资源时空分布特征及其初步区划[J]. 资源科学，2008，30（5）：654-661.