陶瓷板和真空管太阳能集热器对养殖水体升温效果的对比研究

在工厂化水产养殖中，每一种生物在不同生长阶段对水体温度要求各异[1]。传统的锅炉(燃煤、燃油)升温方式不仅运行成本高、一次能源利用率低，而且严重污染环境，已经受到国家政策的严格控制[2-4]。因此，寻找一种高效、节能、环保的养殖水体升温方法，是工厂化水产养殖节能减排的重要任务。

近年来，已有一些利用热泵技术对养殖水体升温的研究报道[5-7]，但由于养殖水体用水量大，所需升温幅度高，单纯利用热泵升温存在电耗大、成本高等问题。从20世纪80年代开始，国内外利用太阳能集热技术对水体进行升温的应用得到了迅速发展，广泛使用的集热器形式包括平板管式、真空管式、槽式等[8-11]，而造价更为低廉的陶瓷板太阳能集热器也得到了越来越多的关注[12]。目前太阳能集热技术的应用主要集中在民用和公共建筑中，关于利用太阳能集热技术对养殖水体升温的应用并不多见[13]。本研究中，进行了陶瓷板和真空管两种太阳能集热器对养殖水体升温效果及其对水质的影响试验，探讨两种太阳能集热器对养殖水体升温的可行性和实用性，以期为太阳能-热泵集成升温技术的研究与应用提供设计依据。

1 材料与方法

1.1 材料

试验用海水取自大连市黑石礁海域，沙滤后储于蓄水池中。

太阳能集热系统主要由蓄水池、水泵、太阳能集热器组成(图1)。陶瓷板集热器面积为6.5 m2，真空管集热器面积为5.88 m2。试验时，海水由蓄水池经水泵注入陶瓷板太阳能集热器，经升温后返回蓄水池反复循环。真空管集热器水体升温过程同陶瓷板集热器。

其他试验仪器包括转子流量计(TA288，工作范围为0～1500 L/h)，电子温度计(LZB/LZJ-15，工作范围为0～50 ℃，精确到0.1 ℃)，太阳辐照度表(TES-1333，误差为±10 W/m2)，紫外可见分光光度计(752)，原子吸收分光光度计(PE-AA800)，pH计(PB-10)等。

1.2 方法

1.2.1 两种太阳能集热器升温效果试验 试验在大连海洋大学进行，试验设置200、300、400 L/h 3个水体流量组，其中200、300 L/h水体流量组试验时间分别为2016年10月8日、9日(室外气温为13～21 ℃)，400 L/h水体流量组试验时间为2016年8月26日(室外气温为21～27 ℃)，各组水温及辐照度测定时间均为每天8:00、12:00和16:00，定时记录两种太阳能集热器进出口水体的温度和太阳辐照度，重复测定3次，计算集热器出水口水体理论升温值、单位面积平均升温幅度和日有用得热量(q17)[14]。理论升温计算公式：

图1 太阳能集热器
Fig.1 Solar collectors

ΔTt=S·H/(ρwcpwF)。

(1)

其中：ΔTt为日间(8:00—16:00)水体理论升温幅度(℃)；S为集热器面积(m2)；H为日间累积辐照度(MJ/m2)；ρw为水的密度(kg/m3)，取1.025×103 kg/m3；cpw为水的比热容[J/(kg·℃)]，取4.2×103 J/(kg·℃)；F为水体流量(L/h)。

日有用得热量计算公式：

q17=ρwVscpwΔTHs/(S·H)。

(2)

其中：Vs为蓄水池水体积(L)，取500 L；ΔT为日间(8:00—16:00)水体实际升温幅度(℃)；Hs为标准累积辐照度(MJ/m2)，取17 MJ/m2。

1.2.2 陶瓷板集热器对养殖水体水质的影响试验

由于真空管为玻璃材质，不会对养殖水体水质造成影响，因此，本试验中只考察陶瓷板对水质的影响。将试验海水注入3块洁净的陶瓷板中浸泡6 d作为试验组，将相同海水注入锥形瓶作为空白对照组，试验期间每天对试验水质进行测定。测定的水质指标包括pH值、硫化物(S2-)、锌(Zn2+)、硒(Se2 +)、铅(Pb2 +)、镉(Cd2+)、硝酸盐总氨氮(TAN)和活性磷酸盐。采用亚甲基蓝分光光度法、无火焰原子吸收分光光度法、锌-镉还原法、次溴酸钠氧化法、抗坏血酸还原磷钼兰法，分别测定硫化物、重金属、硝酸盐、总氨氮和活性磷酸盐的含量[15]。

1.3 数据处理

采用双因素方差分析法(Two-way ANOVA)进行储水时间(1～6 d)和储水方式(陶瓷板试验组和对照组)对水质的显著性影响分析，用Tukey法进行组间多重比较，显著性水平设为0.05。

2 结果与分析

2.1 两种太阳能集热器升温幅度比较

不同时间、不同流量条件下，太阳能集热器升温效果如图2～图4所示。

从图2可见：当室外温度为13～21 ℃且流量为200 L/h时，两种集热器中养殖水体日间温度变化趋势与太阳辐照度的变化趋势一致；8:00时太阳辐照度为420 W/m2，两种集热器的实际升温幅度约为3 ℃，而且实际升温幅度明显低于理论值；12:00时，太阳辐照度增强了40%，陶瓷板集热器和真空管集热器实际升温幅度分别达到4.3 ℃和3.9 ℃，升温幅度相近；16:00时，太阳辐照度明显下降，陶瓷板和真空管集热器的实际升温幅度分别较12:00时下降了51%和37%，此时陶瓷板集热器实际升温幅度比真空管集热器高0.35 ℃。从两种集热器的单位面积平均升温幅度可以看出，两种集热器的日间单位面积平均升温幅度相近，仅相差0.1 ℃。

从图3可见：当室外温度为13～21 ℃且水体流量为300 L/h时，随着太阳辐照度的变化，两种集热器的升温幅度同样呈现先升高再降低的趋势，各时间点陶瓷板集热器中水体的实际升温幅度与真空管集热器差别均小于0.3 ℃，升温效果相差不大；陶瓷板和真空管两种集热器单位面积平均升温幅度相近,分别为0.48 ℃和0.44 ℃。

从图4可见：当室外温度为21～27 ℃且水体流量为400 L/h，辐照度达到1100 W/m2左右时，陶瓷板集热器在8:00对养殖水体的升温幅度为4.1 ℃，而真空管集热器升温幅度为3.4 ℃，在该条件下陶瓷板集热器效果比真空管集热器略好；12:00和16:00时，太阳辐照度均处于1000 W/m2以上，这时虽然辐照度存在一定差异，但是两个时刻两种集热器的升温幅度变化不大。

相同辐照度(230～500 W/m2)范围内，随着流量从200 h/L增加至300 h/L，陶瓷板和真空管集热器中养殖水体的升温幅度总体上均呈下降趋势，真空管集热器单位面积平均升温幅度降低了4.38%，而陶瓷板集热器则下降了10.8%；在12:00时，流量为300 h/L、辐照度为500 W/m2的陶瓷板和真空管集热器单位面积平均升温幅度分别较流量为200 h/L、辐照度为500 W/m2时下降了1.12 ℃和0.7 ℃(图2和图3)，陶瓷板集热器中水体降温幅度相对明显。

图2 流量为200 L/h时两种集热器水体升温幅度与辐照度的关系
Fig.2 Relationship between water temprature increment and irradiance in two collectors at water flow of 200 L/h

图3 流量为300 L/h时两种集热器水体升温幅度和辐照度的关系
Fig.3 Relationship between water temprature increment and irradiance in two collectors at water flow of 300 L/h

图4 流量为400 L/h时两种集热器水体升温幅度和辐照度的关系
Fig.4 Relationship between water temprature increment and irradiance in two collectors at water flow of 400 L/h

不同辐照度(500、1100 W/m2)条件下，随着水体流量从300 h/L增加到400 h/L时，陶瓷板和真空管集热器中水体的升温幅度均呈上升趋势，在12:00时，流量为400 h/L、辐照度为1100 W/m2条件下，陶瓷板和真空管集热器中养殖水体的升温幅度分别较流量为300 h/L、辐照度为500 W/m2时升高了1.1 ℃和0.6 ℃(图3和图4)，陶瓷板集热器中水体升温幅度提升更为明显。

2.2 两种太阳能集热器得热量比较

不同流量条件下两种集热量的日有用得热量结果如图5所示，随着水体流量由200 L/h增加至400 L/h，两种太阳能集热器的q17均显著增加(P<0.05)，陶瓷板和真空管集热器分别增加了0.98和1.62。在平均辐照度较低(398、419 W/m2)条件下，流量为200、300 L/h时两种集热器的q17比较接近，而当平均辐照度从419 W/m2大幅增加到1047 W/m2时，两种集热器的q17均显著增大(P<0.05)，并且此时真空管集热器的q17显著大于陶瓷板集热器(P<0.05)。可以看出，两种太阳能集热器在较低辐照度下,日有用得热量受流量变化的影响较小，而当辐照度较大时，辐照度对q17的影响较流量变化对其产生的影响更为明显，且真空管集热器的q17受辐照度影响更为明显。

2.3 陶瓷板集热器对养殖水质的影响

不同储水时间条件下陶瓷板集热器中水质的变化情况如表1所示，对比试验第1天和第6天时的水质指标可知，9个水化学指标大多数都发生了变化，但各项指标的测定值均在国家要求的海水水质标准(GB3097—1997)[16]范围内。如试验组中水体pH值、硒、铅、铬、总氨氮、活性磷酸盐含量都随试验时间的延长而逐渐下降，仅硫化物、锌、硝酸盐的含量出现小幅增加。

注：标有不同字母者表示组间有显著性差异(P<0.05)，标有相同字母者表示组间无显著性差异(P>0.05)
Note:The means with different letters are significantly different between the groups at the 0.05 probability level, and the means with the same letters are not significant differences
图5 不同海水流量下两种集热器日有用得热量(q17)
Fig.5 Daily useful energy (q17) of two collectors at different flows

对储水时间及储水方式进行双因素方差分析(表2)，结果表明：储水时间对锌、硒、镉、铅含量有显著性影响(P<0.05)，对其他指标则无显著性影响(P>0.05)；储水方式对镉、硝酸盐、总氨氮含量有显著性影响(P<0.05)，对其他指标则无显著性影响(P>0.05)，其中陶瓷板集热器中镉和总氨氮浓度的变化趋势为降低，而硝酸盐虽有小幅增加,但含量远小于国家标准(GB3097—1997)[16]。

表1 陶瓷板升温海水各类化学指标的变化
Tab.1 Changes in chemical indices in seawater warmed by a ceramic plate collector

表2 陶瓷板集热器中海水各化学指标的显著性分析
Tab.2 Significant analysis of seawater chemical indices in ceramic plate collectors

注： *表示自变量对测试指标有显著性影响(P<0.05)

Note: * means significant difference compared with the test indices(P<0.05)

3 讨论

3.1 两种太阳能集热器的升温效果对比

陶瓷板和真空管太阳能集热器对养殖水体的升温效果比较接近，系统中水体的流量和辐照度变化对升温效果存在直接影响。当辐照度在230～1100 W/m2、水体流量在200～400 L/h范围内，陶瓷板集热器的单位面积水体平均升温最大值为0.71 ℃，略高于真空管集热器的0.65 ℃，各时间点两种集热器日间单位面积平均升温幅度差均小于0.1 ℃，这说明在本试验条件下，陶瓷板集热器集热效果与真空管集热器较为接近。相同辐照度范围内(图2、图3)，当流量增大时水体升温幅度随之减小，这主要是由于流量增加导致水体在集热器中的滞留时间缩短，水体升温幅度减小。这种现象在陶瓷板集热器升温过程中更为明显，水体流量的变化对陶瓷板集热器集热效率的影响较大，但是对真空管集热器集热效率的影响较小，这与陈林等[17]的研究结果一致。当辐照度发生较大变化时(图3、图4)，陶瓷板集热器中水体温度变化幅度同样比真空管集热器大，即陶瓷板集热器更适宜在强辐照度下对养殖水体进行升温。然而当流量为400 L/h、太阳辐照度上升到较高水平(1100 W/m2)及以上时，即使辐照度出现波动，两种集热器中水体升温幅度变化并不大。可能此时两种集热器对养殖水体升温效率均已达到了稳定状态，这种情况下即使继续增强辐照度也未必会提高其实际集热量。

日有用得热量是衡量太阳能集热器集热性能的重要参数，本研究中在平均辐照度接近时，陶瓷板集热器的有用得热量q17基本接近于真空管集热器，但是当平均辐照度从500 W/m2上升到1000 W/m2时，真空管集热器的q17明显大于陶瓷板集热器。可能是真空管集热器的真空层减少了热量的流失[18]，当全天得热效率均稳定在较高水平时，即使早晚环境温度降低也不会出现明显散热；而陶瓷板集热器由于缺乏保温隔热能力，且表面热量流失大，在早晚时尽管辐照度较强但环境温度较低，造成了陶瓷板集热器热量的大量流失，因此，在昼夜温差较大条件下会出现q17明显降低的现象。

通过对比两种集热器的升温性能，在相同工况条件下陶瓷板集热器水体升温效果与真空管集热器比较接近，而且陶瓷板集热器更易受到环境温度和流量的影响。因此，使用陶瓷板集热器时需采用有效保温隔热措施，提升其有用得热量，满足养殖生产需求。表明成本较低的陶瓷板集热器具有替代真空管集热器对养殖水体进行辅助升温的潜力。

3.2 陶瓷板集热器对养殖水质的安全性分析

通过对陶瓷板集热器中水体的pH、硫化物、锌等9个水化学指标进行检测，可以看出，试验储水时间和储水方式对养殖水体水质的影响均较小，因此，陶瓷板集热器对海水水质不存在不良影响。高林朝等[19]曾对太阳热水器水质中硫酸盐、硝酸盐等阴离子进行检测，发现各项指标均符合国家标准。本试验在证明其结论的基础上，同时对试验水体pH和部分重金属进行了检测，其中储水时间对锌、硒、铅、镉含量的影响较为显著，但仅锌的含量变化呈上升趋势，而储水方式虽然增加了锌含量，但储水时间的延长可能是导致这一变化的主要原因；储水方式主要对镉、硝酸盐和总氨氮含量影响较为显著，其中仅硝酸盐含量呈上升趋势。总之，试验过程中即使有部分指标的变化趋势接近国家标准，但所有测试指标含量均未超过国家标准要求。而从时间因素来看，实际养殖水体升温时，水体在集热器内部的滞留时间远小于试验储水时间，并且在循环过程中会对水质进行净化处理[20]，因此，陶瓷板引起的水质变化并不会对养殖水体造成影响。从水质安全的角度来看，利用陶瓷板太阳能集热器对养殖水体进行升温是安全的。

3.3 陶瓷板集热器在水产养殖领域的应用前景

从集热效果和水质影响的角度考虑，利用陶瓷板集热器代替真空管集热器对养殖水体进行升温具有可行性。从经济学角度考虑，真空管集热器的制造和安装成本相对较高，串联安装方法较为复杂且在北方寒冷条件下存在冻裂隐患，而陶瓷板的应用成本和技术难度均较低，更适合用于寒冷环境下对养殖水体进行升温。此外，可以尝试将陶瓷板集热器与热泵系统集成应用，利用陶瓷板集热器辅助升温，减少因辐照度变化引起的升温稳定性差的问题，切实解决工业化水产养殖中水体升温问题。