石斑鱼循环水养殖系统及水源热泵应用研究

2017-08-30辛乃宏朋礼全于学权杨永海张树森

渔业现代化 2017年4期

关键词：石斑鱼滤池源热泵

辛乃宏，朋礼全，于学权，杨永海，张树森

(1 中盐工程技术研究院有限公司，天津 300450；2 天津市海发珍品实业发展有限公司，天津 300452)

石斑鱼循环水养殖系统及水源热泵应用研究

辛乃宏1，朋礼全2，于学权2，杨永海2，张树森2

(1 中盐工程技术研究院有限公司，天津 300450；2 天津市海发珍品实业发展有限公司，天津 300452)

通过构建石斑鱼的循环水养殖系统及水源热泵加温系统，达到在北方大规模养殖石斑鱼的目的。养殖系统由养殖池、弧型筛、循环泵、蛋白分离器、浸没式生物滤池、脱气池、溶氧池、紫外线灭菌器、液氧站组成。采用养殖废水收集及过滤装置处理后的养殖废水作为水源热泵的水源，通过2个冬季的运行，其冬季制热的平均制热能效比(COP)为2.66。在系统中养殖的第1批青斑鱼11个月内由24.41 g生长到480.66 g，存活率超过97%。养殖的第2批青斑12个月内由23.36 g生长到400.46 g，存活率达到84.5%。养殖的珍珠龙胆石斑7个月内由48.46 g生长到511.36 g，存活率达到71.24%。养殖的东星斑12个月内由41.13 g生长到223.56 g，存活率达到65.52%。本系统可实现青斑、珍珠龙胆石斑、东星斑等品种的常年均衡生长，并可降低石斑鱼的养殖成本。

石斑鱼;循环水养殖;水源热泵;养殖废水;制热能效比

石斑鱼类养殖是中国主要的海水鱼养殖品种[1]。近年来由于海洋生态环境不断恶化，养殖水域环境污染不断加剧，病害频发，致使石斑鱼养殖效益下降，传统的网箱和池塘养殖方式已难以大幅度提高单位面积产量，这也促使了工厂化石斑鱼养殖的迅速发展[2-4]。石斑鱼属热带品种，最适生长温度在25 ℃～28 ℃ ，而我国北方地区主要是温带大陆性气候，冬季寒冷，夏季温热，气温年较差大，气温日较差亦大。最冷出现在1月，最热在7月，春温高于秋温。从本文所述石斑鱼试验养殖基地所处的天津地区的月平均气温来看，每年只有6、7、8月及9月上旬平均气温在25 ℃以上，养殖石斑鱼每年需要加温的时间长达8个月。控制养殖过程中的加热成本是北方工厂化石斑鱼养殖的关键因素之一。传统的长流水养殖需要大量换水，因此会明显增加石斑鱼养殖的加热成本。因此，构建节能型循环水养殖系统成为北方工厂化养殖石斑鱼的关键[5]。

能耗是鱼类陆基设施化养殖成本的主要构成之一。据报道，我国北方流水式和循环水养殖的能耗分别达到8.66(kW·h)/kg和5. 07(kW·h)/kg[6]；流水式工厂化养殖过程中加热的能源消耗更是占到90%[7]。利用可再生能源是解决设施化养殖温度控制的一个途径[8]。热泵作为一种高效节能装置，具有巨大的节能潜力[9]。把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[10]。水源热泵是热泵的一种，在制热时能从自然界的水中获取低品位热，经过电力做功，输出高品位热能，水源热泵具有既可制热又可制冷的优势。但水源热泵需要稳定的水源保障，水温和水量是影响水源热泵系统工作效果的关键因素。应用试验表明，养殖废水可以作为一个温度稳定的热泵水源[11-13]。

天津市海发珍品实业发展有限公司的循环水养殖系统，目前的日换水量为养殖水体的20%，按16 000 m3水体的净养殖水体计算，每天需要向外界排放养殖废水3 200 m3，同时需要补充等量新水。冬季时外源水的温度最低可至0 ℃。为了维持水温，冬季时补充新水需要加热到30 ℃以上。按传统的加热方式，需要消耗大量能源。海发公司石斑鱼循环水养殖系统每天排出的3 200 m3养殖废水，常年温度大约在25 ℃左右，是水源热泵可利用的最好水源。基于此，建设了一套用于石斑鱼养殖的水源热泵调温系统，可以维持冬季水温在25 ℃以上，实现石斑鱼冬季养殖。

1 材料与方法

1.1 石斑鱼循环水养殖系统构建

根据天津的地域特点，经过多年探索并借鉴国外先进的循环水养殖工艺，通过对原养殖系统不断改进和完善，最终形成针对石斑鱼的养殖工艺流程(图1)。

图1 养殖系统工艺流程

养殖系统由养殖池、弧型筛、离心泵、蛋白分离器、3级浸没式生物滤池、溶氧池、紫外线灭菌器、液氧站等组成。针对石斑鱼的生活习性，充分考虑生物滤池中不同种类微生物对水质的净化作用，在1、2级生物滤池填充弹性毛刷填料，有利于颗粒物的拦截和生物滤池的清污。在3级生物滤池中选择比表面积大的新型生物填料PE丝状滤料，以增加生物滤池的处理能力；在3级滤池底部安装曝气盘，以增加生物滤池的脱气功能，减少养殖系统的日换水量。在有机颗粒物去除方面，用弧型筛和蛋白分离器替代传统的滚筒过滤装置，以增加对系统中有机质的去除效率，降低能耗。用液氧代替空气充气，以增加溶氧。使用紫外线灭菌，以减少鱼的发病率。

1.2 石斑鱼养殖水源热泵调温系统

1.2.1 养殖废水收集及过滤处理

养殖废水携带大量的粪便、残饵等，这些有机物会沉积到管道或水源热泵换热管的管壁，造成管道堵塞，影响换热效率。因此，养殖废水需要预先处理。在控温系统中建立了一套养殖废水收集及过滤系统，以满足水源热泵对水质的要求。本处理系统利用循环水养殖车间现有的排水沟，在每条排水沟的出口位置安装PE绕丝滤料，排水沟的出口与1条Φ500的PVC管道相连，管道与直径2 m深2 m的圆形水泥集水井相连(图2)，养殖废水通过中心排水管和排水口排入排水沟。

图2 养殖废水过滤及收集系统

排水沟出口安装PE绕丝滤料，一方面可截留大颗粒有机物，另一方面滤料上附着的异氧菌可分解养殖废水中的有机物。经过处理后的养殖废水经过收集管道汇到集水井，用于热泵的连续水源。

1.2.2 水源热泵机组选型

本试验选用贝莱特空调有限公司生产的LSBLG860Z水源热泵热水机1台，技术参数为：额定制热量800 kW，产水量165 m3/h，输入功率161 kW，最高出水温度60 ℃，制冷剂类型R134a。配置数量2台，温控养殖面积16 000 m2，冬季养殖温度极限>25 ℃。

1.2.3 水源热泵系统调温工艺流程

水源热泵系统调温工艺流程见图3。

图3 冬季水温调控图

24 ℃～26 ℃的养殖废水，通过废水收集泵向热泵机组供水，热泵机组通过出口处的循环泵与板式换热器相连。需要补充的外源水经过地热水预调温至23 ℃～25 ℃ ，再与热泵机组的出水进行热交换，将补充的外源水的水温提升到31 ℃～33 ℃，以维持冬季石斑鱼的养殖水温在24 ℃～26 ℃。

1.2.4 调温系统能耗

整个石斑鱼热泵调温系统由1台热泵机组(161 kW)、1台废水收集泵(11 kW)、1台循环泵(18.5 kW)、1台外源水供水泵(15 kW)组成，额定功率为205.5 kW。

1.2.5 石斑鱼养殖条件及投喂策略

试验期间的水质指标控制：水温25 ℃～28 ℃、盐度28～30、溶氧5～8 mg/L、氨氮0.2 mg/L以下、亚硝酸盐氮0.02 mg/L以下、pH 7.8～8.5。投喂膨化颗粒饲料和冰鲜小杂鱼，鱼的体重100 g以下每天投喂颗粒饲料 3～4次，体重100 g以上每天投喂2次，上午投喂小杂鱼，下午投颗粒饲料。试验期间，石斑鱼根据生长情况，人工分级2～3次，每天统计每批试验养殖石斑鱼的死亡数，每月抽样测石斑鱼体重，以此统计每批石斑鱼的月累计成活率和月平均体重。

2 结果

2.1 水源热泵温控系统运行效果评价

2.2 水源热泵调温系统实际制热能效比评价

制热能效比(COP)是制热循环中产生的制热量与制热所耗电功率之比，COP越高越节能。按公式(1)计算整个石斑鱼养殖温控系统的制热能效比。

NCOP=Q/W

(1)

式中：NCOP—制热能效比；W—输入能耗，焦耳(J)；Q—输出的热能，焦耳(J)。

输出的热能Q按公式(2)计算

Q=qm×cp×△T

(2)

式中：qm—介质的流量；cp—介质的定压比热，本试验介质海水cp为4.2×103J/(kg·℃)；△T—换热温差。

本试验中，外源补充水的流量为67 m3/h，qm约为67 000 kg/h。水温从25 ℃提升到32 ℃，△T为7 ℃。

将以上数值代入公式(2)，计算出本系统输出的热能为1.969 8×109J/h。

将整个温控系统输入功率205.5 kW/h换算为以J为单位的输入能耗(1 kW相当于3.6×106J)：W=205.5 kW/h×3.6×106J/kW=7.398×108J/h

将输出的热能Q(1.969 8×109J/h)，输入能耗W(7.398×108J/h)代入公式(1)，计算整个石斑鱼养殖温控系统制热能效比(COP)为2.66。

2.3 几种石斑鱼在系统中的生长状况

在系统中大规模养殖青斑、珍珠龙胆石斑、东星斑等品种。第1批青斑鱼11个月内由24.41g生长到480.66 g，存活率超过97%(图4)；第2批青斑12个月内由23.36 g生长到400.46 g，存活率达到84.5%(图5)；养殖的珍珠龙胆石斑7个月内由48.46 g生长到511.36 g，成活率达到71.24%(图6)；养殖的东星斑12个月内由41.13 g生长到223.56 g，存活率达到65.52%(图7)。

图4 青斑(1批)在循环水养殖系统中的生长状况和存活率

图5 青斑(2批)在循环水养殖系统中的生长情况和存活率

图6 珍珠龙胆石斑在循环水养殖系统中的生长情况和存活率

图7 东星斑在循环水养殖系统中的生长情况和存活率

3 讨论

3.1 养殖系统和温控系统的构建及运行

本试验使用的循环水养殖系统，由于采用弧形筛结合蛋白分离的低成本物理过滤，以及较大水处理单元养殖单元体积比(1∶2)的生物滤池设计，使系统的石斑鱼养殖承载量超过了30 kg/m3，单位能耗降低到7.54 kW/kg石斑鱼，日换水量降低20%，且水质维持在一个较好的水平[14]。水源热泵温控系统，通过养殖废水收集和处理系统，使水源水质达到水源热泵的要求，养殖废水回收率达到80%以上。通过水源热泵将外源水的水温提高了7 ℃，达到31 ℃～33 ℃，满足了冬季最冷时石斑鱼的养殖水温在25 ℃以上的要求。在必要的保养条件下该系统已稳定运行了2年。

水源热泵温控系统冬季制热时的热效率(COP)为2.66(266%)，符合吴丽娜等[11]对应用养殖废水作为水源热泵水源时热效率的推算，远高于燃煤锅炉(COP约为64%)、燃油锅炉(COP约为85%)、燃气锅炉(COP约为75%)的热效率。通过测算，通过水源热泵的应用，年节约地热水约15万m3。

3.2 石斑鱼养殖结果

养殖系统中养殖的青斑、龙胆石斑、东星斑、老虎斑、老鼠斑、赤点石斑均获得了成功。包括热水井和水源热泵在内的石斑鱼养殖温控系统有效地将水温维持在最适温度范围内(24 ℃～28 ℃)。从几种石斑鱼的生长曲线来看，冬季和夏季石斑鱼的生长未出现明显差异。两批次的青斑生长和成活率的差异，主要取决于苗种的来源和养殖过程中病害的防控。在养殖系统中，预防石斑鱼神经坏死病病和腐皮症是提高养殖成活率的关键。在第2批青斑、龙胆石斑、东星斑养殖中，养殖前期都遇到了这两种病症，后期随着石斑鱼对这两种病害免疫力的提高，养殖成活率趋于稳定。

4 结论

石斑鱼循环水养殖系统的构建，将石斑鱼养殖的日换水量降低到20%以下；系统中养殖用水的循环利用显著降低了北方工厂化养殖冬季时的加温费用；系统较少的热源在冬季可以维持养殖温度在25 ℃以上，石斑鱼实现了全年均衡生长。采用养殖废水作为水源的水源热泵加温系统，可有效提取养殖废水中的热量；冬季制热时水源热泵的热效率(COP)为2.66(266%)，可显著降低用于系统加温的地下热水的用量，既降低了养殖成本，又节省了自然资源。本研究为北方石斑鱼工厂化养殖以及养殖废水的综合利用开创了一条新的途径。

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[1] 林浩然.石斑鱼类养殖技术体系的创建和石斑鱼养殖产业持续发展的思考[J].福建水产,2012 (1):1-10.

[2] 杨超,孙建明,徐哲,等.循环水高密度养殖珍珠龙胆石斑鱼效果研究[J].渔业现代化, 2016(3):18-22.

[3] 梁友,雷霁霖,倪琦,等.云纹石斑鱼工厂化循环水养殖技术[J].渔业现代化, 2014(4):26-28,39.

[4] 马腾.一种杂交石班鱼循环水养殖系统工艺优化与试验研究[D].青岛:中国海洋大学,2014.

[5] 李林春,陈方平,阎希柱,等.节能型循环水养殖系统的构建与生产成本分析[J].渔业现代化,2012(5):11-15.

[6] 车轩,刘晃,吴娟,等.我国主要水产养殖模式能耗调查研究[J].渔业现代化,2010,37(1):9-13.

[7] JEAN P B. Developments in recirculation systems for Mediterranean fish species[J].Aquacultural Engineering, 2000, 22(1/2):17-31.

[8] 郑荣进,孙文君.基于可再生能源供热的设施水产养殖试验温室设计[J].农业工程学报,2011, 27(10):218-221.

[9] 彭金梅,罗会龙,崔国民,等.热泵技术应用现状及发展动向[J].昆明理工大学学报(自然科学版),2012(5):54-59.

[10] 姜衍礼,董信林,崔从明,等.工厂化水产养殖循环水系统控温技术的探讨[J].水产养殖, 2017(3):8-12.

[11] 吴丽娜,李秀辰,韩丽娟,等.水源热泵用于海水养殖废水热回收的方案研究[J].节能, 2009, 28(1):51-53.

[12] 李秀辰,吴丽娜,张国琛,等.以育苗废水作热源的海水热泵制热性能研究[J].大连海洋大学学报,2012(3):279-283.

[13] 王际英,李宝山,宋志东,等.地源热泵技术在海水工厂化养殖系统中的应用[J].渔业现代化,2011(1):12-14,18.

[14] 辛乃宏,于学权,吕志敏,等.石斑鱼和半滑舌鳎封闭循环水养殖系统的构建与运用[J].渔业现代化, 2009, 36(3):21-25.

Research on application of recirculating aquaculture system and water source heat pump for grouper

XIN Naihong1, PENG Liquan2, YU Xuequan2, YANG Yonghai2, ZHANG Shusen2

(1 Engineering Technology Institute Co., LTD. of CNSIC, Tianjin 300450, China;2 Tianjin Haifa Zhenpin Industrial Development Co., Ltd., Tianjin 300452, China )