北方对虾养殖中太阳能加热系统的性能分析

传统的对虾养殖完全根据自然气候条件来安排养殖，由于凡纳滨对虾（Litopenaeus vannamei)生长对温度要求较高，使得对虾养殖在我国北方地区具有很大的时间局限性。例如青岛地区的南美白对虾养殖时间为6-10月份。采用半地下式塑料大棚对虾工厂化养殖模式[1]，青岛地区南美白对虾的养殖时间延长为5-11月份。为实现对虾养殖的节能、清洁，借鉴国外太阳能加热系统在水产养殖中的应用[2]，青岛市崂山区东海湾对虾养殖场采用半地下式塑料大棚和太阳能升温系统相结合的方法进行凡纳滨对虾养殖，取得了良好的效果。

1、太阳能加热的对虾养殖系统简介

凡纳滨对虾(Litopenaeus vannamei)养殖采用半地下式塑料大棚对虾工厂化养殖系统。养殖池池底铺碎石，用水泥浇灌，向中央排水口以适当坡度倾斜；池壁为砖砌后用砂浆抹面；池深2.2m，池顶设拱形梁，上覆透明塑料薄膜保温。太阳能加热系统采用的是强制循环全真空玻璃管式太阳能集热器，散热器部分采用的是防止海水腐蚀的PVC塑料管道。系统外观如图1，结构如图2。

系统所处的地理纬度为北纬36°，集热器倾斜角度为33°，集热器方位角为南偏东78.40。全真空玻璃管外径47mm，内径37mm，长度1500mm，共4200根，集热器面积为233.1㎡；蓄水箱容积10T，循环水泵功率200W，最大扬程5m，质量流量0.5Kg/s；散热管尺寸外径25mm，内径19mm，长度1460m；池塘大小为25.0m×48.0m×1.5m，池塘内水深为1.1m。

2、太阳能加热系统性能分析

太阳能加热的对虾养殖系统的性能分析，需计算倾斜地表面上安装的太阳能集热器处太阳总辐射强度，集热器实际热效率田．和池塘内散热管束的热利用效率田：等。笔者编写了VB计算程序，计算加热系统在全年所有日期中的方位角、时角、太阳高度角、穿透系数等参数[3]，在测量了集热器进出口水温参数后，在输Ⅳ出界面上可获得任何一天、任何时刻理论太阳辐射强度和集热器实际效率；由测得的池塘内散热器进出口水温以及池内水温可得到散热器的热利用效率。

集热器实际热利用效率η1。定义为实际输出功率与理论接受到的太阳辐射功率之比：

散热器实际热利用效率η2：定义为实际输出功率与理论输出功率之比：

式中：η1-以吸热体面积为参考的集热器效率；Q-集热器实际获得的有用功率，W；A-集热器吸热体面积，㎡；I-晴天倾斜面上太阳辐射强度，W/㎡；τ-真空玻璃的透射率；α-集热器吸收性涂层的太阳辐射吸收率。

散热器实际热利用效率η2定义为实际输出功率与理论输出功率之比：

①池水温度场分析

崂山区东海湾对虾养殖场自3月底启动太阳能加热系统，池水慢慢升温至4月份放苗。4月份海水自然温度为7.3-11.4℃，平均气温为9.0-16.5℃。有塑料大棚覆盖的池内全天候水温比自热海水温度高2～4℃。因此，在4月份放入虾苗时，采用水银温度计、电阻测温仪和红外测温仪参照测量，得到了池塘内的水温分布情况(图3、图4)。

从图3可知，白天随着太阳能加热系统的开启，水温逐渐升高，中午13:00左右达到最高；池水温度在午后能维持在20℃左右。因为散热器为沿池四壁在池水高度内近乎布满的并列管束，因此池水高度方向水温比较均匀。

图4中散热器附近水温稍高于池中心，但池内安装的增氧机会周期打开进行慢速搅拌增氧，可促进热量扩散，保证了池水径向水温比较均匀。另外，散热器管内进水温度较高，出口水温降低，但进出品管束均在池塘入口处，距离较近，这片水域内温度场达到稳定后相差不大。由此可知，整个水池温度场比较均匀，这利于对虾生长。

②散热器利用效率分析

图5中虽然散热功率呈上升特点，但散热量与理论放热量增长速率不一致，因此二者比值即散热器热利用效率有一定的波动，但总体在50%左右。在散热器传热系数计算过程中发现，传热热阻中， 对流传热热阻占主要份额，而热阻过大直接影响到了散热器的热扩散效率。对流传热热阻过大主要是由于散热管道内的循环水流动速度过小，使雷诺数Re小于10(4)，水的流动状态为层流所致。所以，为了进一步提高热扩散效率，应该增加循环水泵功率来提高水在散热管内的流动速度，使流动状态由层流变湍流，以强化传热。

③集热器热利用效率分析

从图6中可以看出，太阳能集热器效率上午10:00的30.23%一直升高到下午15:00的63.26%，效率最高点出现在了下午。这主要是因为太阳能集热器的安装方位角为南偏东78.4º，在中午过后，太阳照射在集热器上的面积逐渐减少，太阳辐射能收集逐渐减少，集热器实际功率也随之减少。但因为实际功率减少速率低于太阳辐射量减少速率，所以集热器效率还是增加。为了提高集热器实际功率，应该通过改变方位角，使集热器朝向为正南方向以增加午后时间太阳辐射量的吸收[4]。

3、系统经济性分析

按现有规模的对虾养殖池所需热量，比较电能、燃煤锅炉和太阳能升温3种系统的经济性（表1）。其中太阳能升温系统（含热水箱）、集热器、自动控制系统、管道系统、安装调试等）的总工程造价是按照目前市场上1200-1600元/㎡计算。按散热器系统相同配置进行比较，则表中的比较不包括散热器部分。

在自然条件下，北方地区南美对虾养殖一般从每年的6月份开始，到10月份结束。而采用太阳能升温系统后，养殖开始时间可以提前到4月份，结束时间可以延后到12月份，每年可以养殖2-3茬，从而增加了对虾产量。而且，由于第一茬养殖对虾的出池时间提前，最后一茬出池时间延后1个多月，避开了对虾集中上市高峰，对虾平均售价可以提高1倍，经济效益明显提高。因此，使用太阳能升温系统可以实现清洁无公害、高效的对虾养殖。

4、结语

青岛地区4月份使用该系统，太阳能集热器效率在40%以上，池中散热器的热利用效率在50%左右。此系统效率下可维持凡纳滨对虾养殖所需的水温，且池内水温均匀，具有比较理想的温度场分布。11月份甚至12月份里使用情况类似。与采用电能和锅炉加热方式相比，对虾工厂化养殖系统中采用太阳能升温系统具有明显的经济效益和环境效益。相对于自然养殖系统，在半地下式塑料大棚对虾工厂化养殖系统中使用了太阳能升温之后可以延长4个月的对虾养殖时间，至少增加一茬对虾养殖，同时避开了对虾集中上市高峰，对虾平均售价可以提高1倍，明显提高了对虾养殖效益。因此，将太阳能升温系统应用到半地下式塑料大棚对虾工厂化养殖系统中具有非常明显的优越性。

作者：

中国水产科学研究院黄海水产研究所：刘淇、李健

青岛大学机电工程学院：王翠苹、吉青云

青岛市崂山区东海湾对虾养殖场：董元朋

参考文献：

【1】李健、刘得月、刘淇等。北方地区对虾工厂化养殖技术研究[J]。渔业现代化，2003（1）：11-13.

【2】FULLER R J．Solar heating systems for recirculation aquaculture

[J]．Aquacultural Engineering，2007，36：250-260.

【3】张鹤飞．太阳能热利用原理与计算机模拟[M】．西安：西北工业大学出版社，2004．

【4】J．理查德·威廉斯．太阳能采暖和热水系统的设计与安装[M]．赵玉文，郑敏樟．等译．北京：新时代出版社，1990：50-52.