Возобновляемые источники энергии в гидротехнических системах культивирования морских гидробионтов

Технологии

Вестник ДВО РАН. 2008. № 3

УДК 504.062; 697.7

В.Е.МОЛОТКОВ, А.В.ВОЛКОВ

Возобновляемые источники энергии в гидротехнических системах культивирования морских гидробионтов

Рассматриваются вопросы использования возобновляемых источников энергии в обеспечении тепловой энергией гидротехнических систем культивирования морских гидробионтов марикультуры в климатических условиях Дальневосточного региона.

Ключевые слова: ветровая энергия, гидробионты, гидротехническая система, марикультура, нетрадиционная энергетика, солнечнaя энергия, терморегуляция.

Renewable energy sources in hydraulic technical systems for cultivation of sea hydrobionts. V.E.MOLOTKOV,

A.V.VOLKOV (Institute of Marine Technology Problems, FEB RAS, Vladivostok).

The proposed system of circular water supply includes: reserve vessel containing sea water and supplied with automated means for diversion capacity and evacuation of water, water conditioning system (warming and cooling), which also includes accumulator register tank, solar warming system supplied with solar commutators, wind power system supplied with electrical generator, heat pump system, systems for cultivation of biological forms (pools).

Key words: aquiculture, hydrobionts, hydraulic technical system, renewable energy, solar warming system, wind power system, temperature.

Культивирование морских гидробионтов в промышленных масштабах в России находится на стадии становления. Такое производство возможно только в районах, удаленных от источников антропогенного загрязнения. Кроме того, оно требует больших энергозатрат, и при этом само не должно наносить ущерб окружающей среде. Важнейшей проблемой развития марикультуры в Дальневосточном регионе является энергообеспечение. Значительную помощь в этом могут оказать возобновляемые источники энергии (ВИЭ) [2, 5-7, 13]. Ресурсы солнечной энергии в прибрежных районах можно оценить по средним многолетним данным о продолжительности солнечного сияния. Наиболее благоприятны в этом отношении акватории бухт Восток, Находка, побережья от м. Поворотный до м. Островной, зал. Посьета, острова Русский, Попова, Рейнеке и районы Амурского и Уссурийского заливов в пригородной зоне Владивостока. Число солнечных дней в году в среднем по краю составляет 310, а продолжительность солнечного сияния в указанных районах - до 2 300-2 400 ч/год [5]. К возобновляемым источникам относят и энергию ветра. Среднемесячное значение скорости ветра составляет в прибрежных районах Приморского края 5,1-7,8 м/с, а на островах зал. Петра Великого 4,8-12,4 м/с, среднегодовые значения - 5,7 и 7,1 м/с соответственно [16]. Следовательно, есть возможность обеспечить электроэнергией хозяйства марикультуры, расположенные вдали от традиционных энергокоммуникаций.

МОЛОТКОВ Виталий Евгеньевич - кандидат биологических наук, старший научный сотрудник, ВОЛКОВ Александр Владимирович - ведущий конструктор (Институт проблем морских технологий ДВО РАН, Владивосток). E-mail: mol@marine.febras.ru

В мировой практике уже накоплен опыт использования солнечной энергии для отопления и горячего водоснабжения бытовых, производственных и сельскохозяйственных объектов в странах с различными климатическими условиями (Великобритания, Канада, Израиль, США, Швеция) [20]. В ФРГ эксплуатируются открытые плавательные бассейны емкостью 2 100 и 3 500 м3 с солнечными нагревателями, установленными на крыше раздевалок, в США таким образом обогревается более 60% бассейнов, в Израиле, на Кипре и в других странах более 80% домов в обязательном порядке используют солнечные водонагреватели [18]. По данным Глобального совета по ветровой энергии, на конец 2006 г. установленная мощность ветроэнергетических станций в мире составила более 74 223 МВт против 59 091 МВт в 2005 г. В пятерку лидеров по потреблению этого вида энергии входят Германия (20,622 тыс. МВт), Испания (11,615), США (11,603), Индия (6,270), Дания (3,136) (вЖЕС http://www.gwec.net, 2007).

Для Приморского края разработаны различные типы солнечных водонагревательных установок (СВНУ), преобразующих солнечную энергию в тепловую, которые применяются для круглогодичного теплоснабжения индивидуальных домов и административных зданий [5-8]. Научные и конструкторские разработки по практическому использованию ветроэнергетических установок (ВЭУ) в Приморье для обеспечения электроэнергией социальных объектов и производственных предприятий только начинаются [9, 10].

Индустриализация морской аквакультуры определяет развитие новых инженернотехнических решений для создания заводов, цехов, подводных технических систем, искусственных рифов и модульных установок для культивирования биообъектов на берегу и акваториях. При этом гидротехнические системы должны иметь широкий спектр автоматизированного контроля и управления по заданным биотехнологией экологическим параметрам водного технологического потока (температура, соленость, рН, содержание О2 и др.) [14]. Температура - важнейший фактор, в значительной степени определяющий

эффективность каждой стадии инкубирования или выращивания морских гидробионтов в искусственных гидротехнических системах [1, 11, 14, 15, 19].

В наиболее простом варианте солнечная и ветровая энергии могут использоваться для круглогодичного культивирования морских организмов на берегу. В Институте проблем морских технологий ДВО РАН разработана гидротехническая схема цеха марикультуры, в которую входят модульные системы тепло- и электрообеспечения, использующие ВИЭ (рис. 1).

Во внешний контур циркуляции воды включена система подогрева на СВНУ и ветродизельной энергетической установке (ВДЭУ). ВДЭУ помимо нагрева воды в баке-аккумуляторе может обеспечивать электроснабжение оборудования электротехнических систем и исполнительных механизмов гидротехнической установки цеха.

Цех с гидротехнической системой инкубации и выращивания морских гидробионтов (объект) представляет

Рис. 1. Упрощенная схема гидротехнической системы для культивирования морских гидробионтов с модулями нетрадиционного энергообеспечения: 1 - станция управления (СУ); 2 - солнечная водонагревательная установка (СВНУ); 3 - ветродизельная энергоустановка (ВДЭУ); 4 -бак-аккумулятор; 5 - теплообменники нагрева воды; 6 -теплообменник; 7 - емкость тепловодоподготовки воды; 8 - устройство забора холодной воды из водоема; 9 - запорный клапан; 10 - насос забора воды; 11 - резервная емкость холодной воды; 12 - насос подачи нагретой воды в бассейны; 13 - бассейны; 14 - модуль фильтрационной очистки; 15 - циркуляционный насос; штриховая линия -каналы управления

собой одноэтажное здание размером 12 х 24 м по наружному периметру, высота стены 6 м без учета высоты крыши. Ограждающие конструкции (стены и крыша) выполнены из сэндвич-панелей толщиной 0,125 м, обеспечивающих хорошую теплоизоляцию здания, пол неутепленый, в виде бетонной стяжки на грунте, толщиной 0,1 м. В здании расположены резервная емкость и шесть бассейнов объемом по 6 м3, связанных трубопроводами с емкостью тепловодоподготовки и модулями фильтрационной очистки.

Скорость водообмена (замены морской воды) в бассейнах зависит от биотехники культивирования отдельных видов гидробионтов и степени экологической коррекции параметров воды с помощью модулей фильтрационной очистки. Вакуумированные коллекторы СВНУ размещаются на южной стене или крыше. ВДЭУ расположена вне здания цеха.

Для оценки мощности источника, необходимого для теплоснабжения объекта, следует оценить его суммарные тепловые потери, которые складываются из потерь через ограждающие конструкции, затрат энергии на нагрев вентиляционного воздуха и подогрев воды в бассейнах. Так как исследуются возможности использования ВИЭ для теплоснабжения объекта, для простоты моделирования в расчетах не учитывалось теплопоступление от механизмов внутри объекта, которые могут снижать общие затраты теплоэнергии.

Показатели удельных тепловых потерь ограждающих конструкций объекта рассчитываются по уравнениям [3, 17]:

Ч = -1 ,

Я0

где ч - количество теплоты, проходящей через 1 м2 поверхности ограждения, Дt = t -I -нормативный температурный перепад между расчетными температурами внутреннего воздуха и наружного воздуха, °С; К - общее сопротивление теплопередаче, м2 °С/Вт;

я0 = я. + я, + я, =—+У^~+—

0 а е г л

а К а/

где Я , Я - сопротивления теплообмену на внутренней и наружной поверхностях ограждения, м2-°С/Вт; Я - термическое сопротивление материальных слоев ограждающей конструкции, м2-°С/Вт; а, ан - коэффициенты теплообмена на внутренней и наружной поверхностях ограждения, Вт/м2-°С; д. - толщина слоя материала в ограждении, м; X. - коэффициент теплопроводности слоя материала, Вт/м-°С.

Теплотехническая характеристика обследуемого здания объекта, суммарная площадь ограждающих конструкций, их термическое сопротивление и расчетные тепловые потери через данные ограждения представлены в табл. 1.

Суммарные тепловые потери объекта через ограждающие конструкции составят

до!р = Q • Дt = 0,330 • М, кВт/°С.

Расход тепловой энергии на нагрев вентиляционного воздуха определяется

Q = п • с • р

вен в ' вк вн н'Л7 7 ч/

где t - температура воздуха в помещении, принятая равной температуре воды в бассейнах, °С; t - среднемесячная температура наружного воздуха, °С; п - кратность воздухообмена на 1 м2 отапливаемого помещения, м3/(ч-м2); р - плотность воздуха, кг/м3; с - удельная теплоемкость воздуха, кДж/(кг °С); ¥П - площадь отапливаемого помещения, м3.

Были рассчитаны тепловые затраты на подогрев воды в бассейнах, расположенных в здании цеха культивирования морских гидробионтов, с учетом круглогодичных климатических условий района расположения объекта (бухта Находка) и термического режима морской воды на глубине 10 м. Полную замену морской воды в бассейнах предполагалось проводить 1 раз в месяц.

Теплотехнические характеристики наружных ограждений здания объекта

Тип ограждения Площадь, м2 Термическое сопротивление, м2-°С/Вт Тепловые потери, Вт/°С

Вертикальные стены 306 3,13 93,1

Окна, двери 40 0,6 52,8

Крыша (угол наклона 15°) 298 3,13 90,6

Пол*: 298

зона I 128 2,1 57,8

зона II 96 4,3 21,7

зона III 64 8,6 7,3

* При расчете тепловых потерь через основание здания пол разбивался на зоны (полоса шириной 2 м) [3].

Среднемесячная температура морской воды (по [12]) и необходимый температурный режим бассейнов с морской водой по месяцам (температурные условия воспроизводства и выращивания морских беспозвоночных приняты по [11]), а также расчетные данные среднемесячных затрат тепловой энергии на подогрев морской воды, поступающей в бассейны в течение года, приведены в табл. 2.

Таблица 2

Температурный режим в бассейнах и море (глубина 10 м) и затраты тепловой энергии на подогрев морской воды

Месяц

I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII

Температура воды, °С: в бассейнах 11 11 12 15 17 20 23 23 18 14 13 11

в море -1,2 -1,2 -0,3 2,3 5,0 8,3 13,2 16,8 14,2 10,0 4,6 2,3

Расчетная тепловая энергия для подогрева морской воды, кВт-ч 528 477 533 532 520 490 424 268 159 173 352 377

Температура воздуха внутри помещения принята равной температуре воды в бассейнах, воздухообмен в помещении - 0,5 м3/(м2ч). В модельном варианте расчетная мощность тепловых потерь объекта оценивалась при -24°С (при средней температуре наиболее холодной пятидневки обеспеченностью 0,92 [17]) и с учетом подогрева морской воды в бассейнах составила 14,5 кВт. Мощность источника теплоты с коэффициентом запаса 1,5 составит 20 кВт.

Так как окна закрыты фильтрами, при расчете принято, что поступлений прямой солнечной радиации и теплоты в здание через оконные проемы нет.

В СВНУ применены солнечные коллекторы вакуумированного типа суммарной площадью 32 м2. У данного вида коллекторов среднемесячная тепловая производительность выше, чем у коллекторов плоского типа [4], и в зависимости от сезона она изменяется от 770 кВт-ч/мес в июне-июле до 1900 в январе (рис. 2).

Из диаграммы видно, что солнечная водонагревательная установка полностью обеспечивает подогрев морской воды, поступающей в рабочие бассейны, из расчета замены воды 200 л/сут в каждом. Избыток тепловой энергии, вырабатываемой СВНУ, может быть использован, например, для горячего водоснабжения и отопления здания объекта.

Рис. 2. Количество тепловых потерь объекта (а), затраты теплоты для подогрева воды в бассейнах (б) и доля солнечной энергии в теплоснабжении объекта (в) по месяцам

Расчеты показали, что суммарный вклад СВНУ с вакуумированными коллекторами в теплоснабжение объекта с учетом подогрева морской воды в бассейнах составляет от 26% в отопительный сезон до 45% в теплый, а в среднем за год ~35%. В случае применения системы вентиляции с регенерацией теплоты уходящего воздуха затраты теплоэнергии на вентиляцию можно снизить на 50-70%.

Согласно расчетам, для теплоснабжения данного объекта возможно применение СВНУ с вакуумными солнечными коллекторами. Незамерзающий теплоноситель в коллекторах, нагреваясь, по соединительному трубопроводу через теплообменники передает тепловую энергию в бак-аккумулятор и далее в емкость тепловодоподготовки, затем нагретая морская вода поступает в бассейны. При увеличении суточной проточности морской воды в бассейнах (замена более 400 л/сут) и в отопительный период используется дополнительная энергия от ВДЭУ. Для повышения доли солнечной энергии в отопительной нагрузке объекта возможно последовательное увеличение площади солнечных коллекторов.

Расширение вышеуказанной схемы энергоснабжения от ВИЭ возможно при включении наряду с перечисленными источниками теплонасосной установки. В качестве источника тепловой энергии служат грунтовый теплообменник или сбросовые подогретые воды из бассейнов. При работе всех модульных энергосистем ВИЭ часть теплоэнергии можно использовать для отопления объекта.

Модельные расчеты рассмотренной схемы теплоснабжения здания цеха с круглогодичным обогревом бассейнов в гидротехнической системе культивирования морских гидро-бионтов на примере прибрежья южной части Приморского края показали, что ВИЭ могут быть использованы для автономного обеспечения энергетических потребностей промышленного объекта марикультуры в климатических условиях региона.

ЛИТЕРАТУРА

1. Бардач Дж., Ритер Дж., Макларин У. Аквакульура. М.: Пищ. пром-сть, 1978. 295 с.

2. Безруких П.П. Зачем России возобновляемые источники энергии? // Энергия: экономика, техника, экология. 2002. № 10. С. 2-8.

3. Богословский В.Н., Сканави А.Н. Справочник проектировщика. Внутренние санитарно-технические устройства. Ч. 1. Отопление. М.: Стройиздат, 1990. 344 с.

4. Волков А.В., Ковалев О.П. Сравнение характеристик солнечных коллекторов различных типов // Материалы междунар. науч. чтений «Приморские зори-2005». Вып. 2. Владивосток, 14-17 апр. 2005 г. Владивосток: Изд-во ТАНЭБ, 2005. С. 29-32.

5. Ильин А.К., Ковалев О.П. Возможности использования солнечной энергии в Приморском крае // Вестн. ДВО РАН. 1992. № 5/6. С. 63-72.

6. Ильин А.К., Ковалев О.П. Нетрадиционная энергетика в Приморском крае: Ресурсы и технические возможности. Владивосток: ДВО РАН, 1994. 41 с.

7. Ковалев О.П. Возобновляемые источники энергии и энергообеспечение автономных потребителей // Тр. ДВГТУ. Вып. 134. Теплотехника. Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 2003. С. 16-20.

8. Ковалев О.П., Волков А.В., Лощенков В.В. Использование солнечной энергии в Приморском крае // Вестн. ДВО РАН. 2001. № 5. С. 92-98.

9. Ковалев О.П. О возможности использования ветровой энергии на мысах г. Владивостока // Тр. ДВГТУ Вып. 134. Теплотехника. Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 2003. С. 92-94.

10. Ковалев О.П., Волков А. В., Лощенков В.В., Фунтусов В.В. Энергия ветра в энергосбережении островных территорий Приморского края (на примере о. Попова) // Материалы междунар. науч. чтений «Приморские зори-2007». Вып. 1. Владивосток, 12-14 апр. 2007 г. Владивосток: Изд-во ТАНЭБ, 2007. С. 249-253.

11. Левин В.А. Дальневосточный трепанг. Биология, промысел, воспроизводство. СПб.: Голанд, 2000. 199 с.

12. Лучин В.А., Тихомирова Е.А., Круц А. А. Океанографический режим вод залива Петра Великого (Японское море) // Изв. ТИНРО. 2005. Т. 140. С. 130-169.

13. Марченко О.В., Соломин С.В. Оценка экономической эффективности солнечного теплоснабжения в России // Теплоэнергетика. 2001. № 11. С. 46-49.

14. Моисеев П. А., Карпевич А.Ф., Романычева О. Д. и др. Морская аквакультура / под ред. П.А.Моисеева. М.: Агромпромиздат, 1985. 253 с.

15. Молотков В.Е. Модели оценок выживаемости морских беспозвоночных в гидротехнических системах марикультуры // Материалы междунар. конф. «Технические проблемы освоения мирового океана», Владивосток, 14—17 сентября 2005 г. Владивосток: ИПМТ ДВО РАН, 2005. С. 280-282.

16. Научно-прикладной справочник по климату СССР. Сер. 3, ч. 1—6, вып. 26. Приморский край. Приморское территориальное управление по гидрометеорологии, 1988. 417 с.

17. СНиП II-3-79*. М.: Строит. теплотехника, 1998. 49 с.

18. Твайдел Дж., Уэйр А.В. Возобновляемые источники энергии / пер. с англ. М.: Энергоатомиздат, 1990. 392 с.

19. Чепрунов А.В., Битюкова Ю.Е., Тимошенко И.К. Выращивание личинок морских рыб в установках с замкнутой циркуляцией воды // Биологические основы аквакультуры в морях европейской части СССР. М.: Наука, 1985. С. 97-109.

20. Solar thermal technologies for buildings / The state of the art. L.: James & James (Science Publishers Ltd), 2003. 240 p.

Бугаев В. Ф. Рыбы бассейна реки Камчатки (численность, промысел, проблемы).

Bugaev V.F. The Fish of the Kamchatka River Watershed (Abundance. Utilization. Issues).

Петропавловск-Камчатский: Камчатпресс, 2007. - 192 с.: ил. 316, табл. 13, библ. 151 назв.

Камчатский филиал Тихоокеанского института географии ДВО РАН

683000, Петропавловск-Камчатский, ул. Партизанская, 6. Fax: (4152) 112464.

E-mail: terra@kamchatka.ru

Представлены научно-популярные и научные данные о видовом составе рыб бассейна р. Камчатка. С учетом изученности приводятся сведения о распределении, биологии, популяционной организации, состоянии запасов и хозяйственном использовании основных промысловых видов. Рассмотрены вопросы рыболовства и рациональной эксплуатации запасов лососей в условиях многовидового промысла. Обсуждаются проблемы сохранения биологического разнообразия рыб и охраны бассейна р. Камчатка.

Предназначена для широкой общественности: жителей полуострова Камчатка, школьников, студентов, ученых-биологов, административных работников и руководителей рыбохозяйственных предприятий, сотрудников рыбоохраны и других природоохранных ведомств.

This book presents popular-scientific and scientific information on the species composition of the ichthyofauna in the Kamchatka River watershed. Information is provided on the distribution, biology, population organization, and stock conditions, as well as on the practical use of the river's commercial fish species. Questions relating to the harvest and the rational use of salmon stocks in a multiple use context are examined. Issues relating to the biodiversity conservation of the fish of the Kamchatka River watershed are discussed and the contemporary commercial use of fish stocks is forecast.

This book is intended for a wide range of readers: residents of the Kamchatka peninsula, public school students, biologists, government personnel and fisheries managers, fisheries inspection and enforcement staff and other environmental protection agencies.