水体调温技术研究进展及国家鲆鲽产业报告.

2023-11-29 理论教育版权反馈

【摘要】：埋深一般在200～1500m，水温50℃～80℃。冀北山地区以温水或温热水为主，水温平均在60℃～82℃。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910～3190m，水温49℃～103℃，其中雾山组热储层分布广、厚度大、岩溶裂隙发育，为天津市主要地热开发层位。

调研整理了环渤海，山东、河北、天津、辽宁四个省、市的地热和太阳能分布情况。以典型规模海水鲆鲽类工厂化养殖系统为例，就几种不同调温模式作了经济性分析和对比。

3.1　环渤海地区温度资源分布

（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异常显示最好的地区，热储层主要为岩浆岩及变质岩断裂破碎带，水温较高，盖层较薄，水温65℃～90℃。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　500m，水温50℃～80℃。鲁北地区多为平原，为新生代盆地分布区，热储层以层状新生界孔隙热储为主，埋深在1　000～2　000m，水温40℃～110℃。

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，或是多种成因迭加复合。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、河北平原区四大热水区。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，井深80～470m，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　000m以内井口水温一般为60℃～80℃，高者可达97℃。

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　400m，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　190m，水温49℃～103℃，其中雾山组热储层分布广、厚度大、岩溶裂隙发育，为天津市主要地热开发层位。

辽宁省地热利用历史悠久，地热资源潜力较大，有31个地热田（点）已被不同程度地开发利用。其中60℃以上热水点可开采水量65　783m3/d，所含热能96.05MW，相当于10.34 ×104　t/a标准煤。根据2000年时的勘探结果，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，均属低温热水资源。

（2）太阳能分布：

山东省各地年太阳总辐射量在4　542.61～5　527.32MJ/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，全省变化范围在2　200～2　800h之间，半岛的中东部和鲁北的大部分地区在2　600～2　800h之间；鲁南最少，多数在2　200～2　400h之间。日照时数的季节分布特点是春季最多，夏季次之，冬季最少。

根据河北省气象局网上公布的资料显示，河北全省2012年平均年日照时数为2　393.2 h，各地年日照时数在1　665.9～3　127.2h之间，北部高原地区超过2　800h；中南部的局部不足2　000h；其他大部分地区在2　000～2　800h之间。与常年相比，北部大部分地区接近常年，部分地区偏多，超过100h；南部大部分地区偏少，部分地区偏少，为300～800h。冬季日照时数较短，全省平均472.7h。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710.9h。

天津市太阳能资源比较丰富，全年日照时数大于3　000h，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为最大，为14.53MJ/m2；最小值出现在1996年，为10.93MJ/m2；平均值为13.16MJ/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，最小值出现在元月。

辽宁省各地太阳总辐射年平均值为4　195MJ/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　538MJ/m2。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，与日照分布相一致。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%、33.4%、21.3%和14.1%。

3.2　工厂化循环水养殖系统热负荷计算方法研究

参考室内泳池热负荷计算，课题组总结形成一套工厂化循环水养殖系统热负荷计算方法。

工厂化循环水养殖系统池水加热所需热量从三个方面考虑：

（1）水面蒸发和传导损失的热量，按下式计算：

Qz＝α·у（0.017　4vf＋0.022　9）（Pb-Pq）A（760/B）

式中：Qz——养殖池水表面蒸发损失的热量（kJ/h）；

　α——热量换算系数，α＝4.186　8kJ/kcal；(www.chuimin.cn)

　у——与养殖池水温相等的饱和蒸汽的蒸发汽化潜热（kcal/kg）；

　vf——养殖池水面上的风速（m/s），一般为0.2～0.5m/s；

　Pb——与养殖池水温相等的饱和空气的水蒸气分压力（mmHg）；

　Pq——养殖池的环境空气的水蒸气压力（mmHg）；

　A——养殖池的水表面面积（m2）；

　B——当地的大气压力（mmHg）。

（2）养殖池的水表面、池底、池壁、管道和设备等传导所损失的热量，按养殖池水表面蒸发损失热量的20%计算确定。

（3）补充水加热需要的热量，按养殖池水表面蒸发损失热量的5%～10%计算确定。

3.3　国内常用水体调温模式对比分析

（1）电加热：电加热是电能利用的一种形式，能够将电能转变成热能以加热物体。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860kcal/（kW·h），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）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民生活的各个领域。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、原子能钥炉、垃圾锅炉和余热锅炉等。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比较普遍。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，与经济发展和人民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二氧化碳排放，对环境造成严重的污染。

（3）热泵加热：热泵技术是近年来在全世界备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。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，保证其容量及效率在较宽的环境温度范围内。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。通常是将制冷盘管理入地下，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。

（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、生产中所需要的热水的节能设备，由集热器、保温水箱、连接管道及控制系统组成。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。经测算表明，太阳每秒能够释放出391×1　021kW的能量，而辐射到地球表面的能量虽然只有它的二十二亿分之一，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仍然相对偏高。

（5）模式比较与经济性分析：以一栋占地面积1　500m2的典型海水大菱鲆工厂化循环水养殖车间为例，总水面约800m2，总水体量在500m3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、管路及设备热传导还有补充水加热等部分计算，冬季维持池系统水体温度16℃所需热量约285MJ/h（68　071kcal），折算成耗能为80kW·h。

表2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，从中可以看出，虽然使用燃煤、天然气锅炉的燃料热值相对较高，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，实际运行费用是最高的。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。

表2　不同加热方式经济性比较

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从投资成本角度考虑，锅炉的投资成本相对便宜，一台0.2t（供热量约1　200　000kcal）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。以现有的技术水平，1m2太阳能板所能提供的功率在100 ～150W之间。要提供80kW的功率，需要太阳能板将近600m2左右。仅这部分的投资就要上百万元。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。

水体调温技术研究进展及国家鲆鲽产业报告.

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