一个水产养殖场LED光照工程应用效果分析

杜建军，熊 巍，雷堡乐，陈 涛，李 荣，苏 鹏，宋昌斌

(1.深圳市超频三科技股份有限公司，广东 深圳 518116；2.大连富谷食品有限公司，辽宁 大连 116400；3.中国科学院半导体研究所，北京 100083)

引言

目前国内大部分水产养殖车间使用的光照灯具仍然是传统的日光灯等。如何选择适合特定养殖水产动物的繁殖、生长发育、品质调控所需要的光环境参数，一直是困扰养殖户的问题。由于LED具有节能环保、寿命长、智能可调控等优点，其在设施水产养殖行业中的应用优势日益凸显。

1 设计指导原则

水产动物的光照在很多方面与植物光照相比有明显的区别。植物光照光谱主要是红蓝二色[1]，而水产截然不同，以鱼类为例，光照通过鱼视觉器官、脑中枢神经系统，影响内分泌脑垂体活动，进而影响鱼行为与代谢生长系统。光作为能量进入水域可以独立的对鱼类的摄食、生殖、内分泌起着直接或间接地重要的影响[2]。即，水产动物特有生理结构决定了它们特有的感光敏感度和趋光特性。因为水产动物种类2万种以上[3]，每一物种在上亿年进化的环境栖息地，如海水、淡水、深层、浅层、河口、溪流光环境迥然不同，进化出视觉神经器官对光谱色的反应与偏好都大相径庭，并且不同种类和处于不同发育阶段的水产动物对光谱色的喜好和趋光性表现不同。比如大菱鲆(Scophthalmusmaximus)受精卵发育、孵化期间，选择橙光和全光谱作为光源，显著提高苗种成活率。在大菱鲆开始变态及变态完成后，采用蓝光作为光源，有助于提高特定生长率[4]。因此在现代水产养殖业中，对LED光照光谱提出了更高的集约、操作便利及智能控制要求。为调节水产动物的生理节律、摄食行为、性腺发育，在水产养殖LED光源设计时，需要实验得出个体种类的光谱喜好需求参数，然后根据不同生长阶段的水产个体需要的光谱色，运用智能控制系统进行有序调节实现。从而，增加水产养殖生长效率，提高商品鱼的产量。

2 工程概况

2.1 LED灯具车间布置

表1 养殖车间灯具数量分布表

电源为LED提供恒定电流。节点控制器(SG200)接收Zigbee信号，通过0～10V调光线控制执行电源电流输出。网关(SG600)将Wifi信号传为Zigbee信号，并通过Zigbee协议与节点控制器实现通讯。设计灯具有控制要求，平板电脑将指令通过路由器传递给网关。

苗种培育区选用LED全光谱灯，100～300 lx可调光强，渐开渐灭防止应激反应，防水防潮。采用加三防罩可调光的T8灯管及防水泛光灯，光强接近100 lx。采用悬挂方式安装，防水达到IP65，防腐达到WF2。具有Zigbee协议自组网功能，实现通过移动终端实时传输信号(图3)。

图1 黄条养殖车间布灯控制示意图

图2 红鳍东方鲀养殖车间布灯控制示意图

图3 Zigbee协议无线控制流程图

2.2 管理模式

2.3 运营维护

项目通过对水产养殖照明系统日常维护工作，使整个照明系统始终处于良好的工作状态。将灯具规格与使用说明书、车间组网示意图及灯具分布图、车间SG600网关IP列表、软件操作说明文件交付使用方，定期对智能照明控制系统进行检查，及时处理端子连接掉线等问题。对运行维护人员进行系统的技术培训，重点培训输入及读取Zigbee自组网技术管理信息系统参数，使其能熟悉设备、系统和运行状况，熟悉操作和故障处理，正确地进行操作和判断LED灯具运行状况，掌握一般的LED灯具维修技能。

3 应用效果分析

3.1 LED光环境养殖的比较效益

水产科研研究表明[5，6]：黄光对红鳍东方鲀仔稚鱼生长、发育具有促进作用；黄光和红光组欧洲舌齿鲈的消化酶活力高，有利于欧洲舌齿鲈幼鱼消化吸收饲料中的蛋白质和淀粉，所以用色温2 500 K、T8三防灯管适应红鳍东方鲀仔稚鱼、欧洲舌齿鲈幼鱼光照生理生长要求。同时Zigbee协议自组网功能实现渐亮渐灭，消除水产动物应激反应，提高其免疫力，减少病害发生。

表2 LED与白炽灯光环境下3种鱼类2种生长指标比较表

按富谷公司年产量1 000吨水产品计算，与传统灯具相比，项目实施1年后实际统计，水产品产量年增量超5%，即每年增加水产品超50吨。按照其珍品鱼类平均80元/kg来计算：每年能增加经济效益400万元，效益显著。

3.3 节能效果

项目初始计划采用882盏传统节能灯，考虑到LED光源光谱可变、耗能低等因素，且可智能控制，因此改为LED灯具。采用18 W T8三防灯管211盏，40 W LED防水泛光灯337盏、60 W 280盏、24 W LED工矿灯35盏工程实施用灯可满足要求。平均按照每天20 h、一个月30 d、电费1元/度来计算(表3)。

表3 LED灯具代替传统灯具节能表

由表3可知，每月能节约2万余度电，年节电预计超20万度，节能效果明显。

3.4 模式推广

继本工程项目后，超频三公司为杭州恒泽生态农业公司完成了基于LED光照调控的养殖加州鲈示范场总计7 237 m2，其中循环水车间3 040 m2、鱼跑道2 900 m2、工厂化循环水育苗基地1 297 m2，并运用采用Zigbee 自组网控制技术。经相关专家现场验收鉴定，室内循环水养殖配套LED光环境调控较普通光照对照组的特定生长率(SGR)提高9.6%；池塘循环流水养殖的特定生长率(SGR)提高6.6%，达到设计与使用要求，情况良好。黄山鼎新生态农业公司养殖的光唇鱼、山东圣航水产公司养殖的大菱鲆等养殖场也有小规模使用LED光照，结果表明仔鱼的成活率及特殊生长率都有不同程度的提高。

3.5 小结

由于工程时间限制，LED光源选择是在参考现有理论与文献基础上设计的，而对养殖水产动物光谱敏感性、辐射光强及光周期的实验是在后期进行的，因此光源设计没有达到精准地步。因为一些海水鱼类在仔稚期对光敏感性有可塑性，所以在条件允许下，应该事先实验取得关键光要素参数[8]。在工程应用中，光照强度概念不容易被科学地使用。水产动物光度系统用描述光辐射能的辐射度量学或光量子通量密度为宜，但建筑照明按人的视觉效应进行度量，光强评价采用lx(勒克斯)标准，所以在工程设计中我们采用的是lx照度单位，以使水产使用者对辐射强度有直观感受。

4 结语

据统计，2016年我国工厂化水产养殖面积是6554.83万m2，若20 m2一盏灯，需330万盏。养殖车间所用灯功率视不同养殖品种在20～80 W。若取平均价格500元/盏，则LED灯具加上智能控制系统的潜在市场规模至少16.5亿元[9]，LED光照应用在水产养殖这一细分领域很有前景。目前，在水产养殖业中绝大多数使用的是传统光源，即便是使用LED光源，有些养殖户也是按照人眼的舒适性布置养殖车间光环境。所以，传统光照观念已经落后于养殖业精准工业集约化发展要求。本光照工程的实施，为水产养殖与照明业跨界融合、科学地实施LED光照工程提供了有益的实践经验。