張寧 楊毓博 張殿光

1 大連海洋大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院

2 大連海洋大學(xué)海洋與土木工程學(xué)院

0 引言

關(guān)于熱帶魚養(yǎng)殖系統(tǒng)魚池負(fù)荷計(jì)算方法的研究還沒有一套完整的計(jì)算公式。目前來講魚池水面蒸發(fā)散熱量和太陽輻射得熱量爭議較大，計(jì)算公式也較多。趙振國等人根據(jù)水面蒸發(fā)散熱和冷卻塔散熱的相似性，認(rèn) 為水面蒸發(fā)散熱系數(shù)公式不應(yīng)包含水氣溫差項(xiàng)，給出了以焓差為推動(dòng)力的散熱公式[1-2]。毛世民等人認(rèn)為水氣溫差和風(fēng)速對蒸發(fā)系數(shù)有明顯的影響，經(jīng)試驗(yàn)資料進(jìn)行多元回歸處理得出全國通用公式 B[3-4]。邢浩等人選用飽和水汽壓差、風(fēng)速、相對濕度、水汽溫差4個(gè)因子，建立一個(gè)以各因子單函數(shù)連乘積的形式為基本結(jié)構(gòu)的水面蒸發(fā)計(jì)算模型[5]。鑒于此，本文針對魚池冬季的熱負(fù)荷設(shè)計(jì)出一套計(jì)算魚池負(fù)荷的方案，確保熱帶魚安全過冬。

1 試驗(yàn)材料

設(shè)計(jì)應(yīng)用為大連地區(qū)熱帶魚養(yǎng)殖水體升溫，目標(biāo)溫度常年持續(xù)28 ℃，魚池長 2 m、寬1.5 m、高1m，魚池水體體積3m3，補(bǔ)水水量為魚池水量的2%。

大連地區(qū)地處北半球的暖濕帶，氣候溫和、四季分明、日照豐富。由于海洋的影響，大連地區(qū)冬無嚴(yán)寒，夏無酷暑，最冷月為1月，最熱月為8月。春風(fēng)較大，夏季氣溫高濕度大，氣溫日較差小，平均風(fēng)速在各季中最小。秋季氣溫下降較快，濕度較小，風(fēng)速逐漸增大。冬季是一年中風(fēng)速最大的季節(jié)。由于大連地區(qū)地理位置比較偏北，夏季時(shí)令一般比黃河流域推遲 15～20天。春季始于4月20日前后，歷史60～65天。夏季日期始于6月20～25日，由于海洋的調(diào)節(jié)作用，大連地區(qū)入夏的時(shí)間比同緯度的北京和石家莊地區(qū)晚20天左右，與哈爾濱相近。夏季歷時(shí)80～85天。9月10～15日，秋季來臨，秋季歷時(shí)43天左右。10月23日前后，大連與東北、華北北部地區(qū)同期進(jìn)入冬季。至翌年4月中旬冬季結(jié)束，歷時(shí)170天。大連地區(qū)四季持續(xù)時(shí)間可歸結(jié)為：冬季長漫漫（170天），夏季80天，春短（60天）秋更短（43 天）。為方便記述，分別用1月，4月，7月和10月代表冬、春、夏、秋 四季。

2 魚池供熱負(fù)荷計(jì)算

根據(jù)大連市國家基準(zhǔn)氣候觀測站逐月的 20 cm口徑小型蒸發(fā)皿蒸發(fā)量，氣溫日較差，地表溫度，平均風(fēng)速和相對濕度資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。本文選取資料時(shí)段為1985～2015年近30年，數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)。運(yùn)用SPSS中線性回歸、相關(guān)性分析、逐步回歸等方法進(jìn)行再分析[6]。

魚池負(fù)荷主要由得熱量和失熱量兩部分組成，其中，得熱量主要來自于太陽輻射和系統(tǒng)提供得熱量，失熱量主要來自于魚池水表面總散熱量，池壁的傳導(dǎo)失熱量，土壤的傳導(dǎo)失熱量以及補(bǔ)水所需要的熱量。熱量平衡公式如下：

式中：Q供為系統(tǒng)提供的熱量；Q輻為魚池吸收的太陽熱量；Q1為魚池水表面總散熱量；Q2為池壁的傳導(dǎo)失熱量；Q3為土壤的傳導(dǎo)失熱量；Q4為補(bǔ)水所需要熱量。

2.1 魚池水表面總散熱量計(jì)算

在蒸發(fā)悖論的觀測基礎(chǔ)上，許多學(xué)者對影響蒸發(fā)量變化的因子進(jìn)行了研究，結(jié)論各不相同[7-8]。結(jié)合文獻(xiàn)，蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的變化與多個(gè)氣象要素有關(guān)，如氣溫、風(fēng)速、濕度、太陽輻射、日照時(shí)數(shù)等，且要素之間互相影響。根據(jù)大連各月蒸發(fā)量與同期氣候要素相關(guān)系數(shù)結(jié)論：春季蒸發(fā)量的影響因子主要為日照時(shí)數(shù)、風(fēng)速、平均水汽壓和相對濕度，代表月份為4月。夏季蒸發(fā)量的影響因子主要是日照時(shí)數(shù)、平均氣溫、相對濕度和氣溫日較差，代表月份為7月。秋季蒸發(fā)量的主要影響因子為日照時(shí)數(shù)和相對濕度，代表月份為10月。冬季蒸發(fā)量的主要影響因子為平均氣溫和相對濕度，代表月份為1月。

表1列出大連各月蒸發(fā)量影響因子與時(shí)間的相關(guān)系數(shù)。其信度0.05和0.01顯著性水平的相關(guān)系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)分別為0.498和0.624。從表1中能夠看出風(fēng)速隨時(shí)間變化極顯著，主要集中秋冬季。夏季氣溫影響較顯著，其他影響因子不明顯。

表1 大連各月蒸發(fā)量影響因子與時(shí)間相關(guān)系數(shù)

通過以上分析，大連地區(qū)中蒸發(fā)量變化的主要影響因子是日照、風(fēng)速、溫度日較差、相對濕度、平均氣溫、水汽壓，而各月主要影響因子均不相同，本文利用SPSS統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行主要影響因子與蒸發(fā)量的逐步回歸分析（表2），以建立多元線性回歸模型，進(jìn)一步驗(yàn)證上述分析結(jié)論，并為以后預(yù)測蒸發(fā)趨勢提供途徑。

表2 月蒸發(fā)量與影響因子的逐步回歸方程系數(shù)及負(fù)相關(guān)系數(shù)

經(jīng)過回歸分析，且對求得的各回歸系數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，均通過0.01信度檢驗(yàn)，由于大連秋天極短的季節(jié)特點(diǎn)，本文將夏秋作為一個(gè)整體考慮。針對四季和年分別建立回歸模型。將4、5、6月份作為春季，分別以4月和六月作為代表月份。將7、8、9月份作為夏季，分別以7月和8月作為代表月份，10 月考慮為秋季，11月到來年3月份作為冬季。通過這樣的季節(jié)劃分得出四種方案，方案1為用4、7、10、11月份作為春夏秋冬代表月份。方案2為用6、7、10、11作為春夏秋冬四個(gè)季節(jié)的代表月份。方案3 為用4、8、10、11這幾個(gè)月份作為春夏秋冬的代表月份。方案 4為用6、8、10、11這四個(gè)月份作為春夏秋冬的代表月份。用這四種方案重新計(jì)算大連近30年的蒸發(fā)量，將求得的數(shù)值與實(shí)際值比較，統(tǒng)計(jì)其擬合誤差，如表3所示。

表3 模擬多方案擬合誤差統(tǒng)計(jì)

從表3能看出在年蒸發(fā)量的計(jì)算中方案1和方案4擬合誤差小，若合格率要求不嚴(yán)格的情況下可選擇方案4，相反則選擇方案1。春季估計(jì)蒸發(fā)量用6月作為代表月份誤差小，擬合效果好。夏季估計(jì)蒸發(fā)量選用8月作為代表月份誤差小，擬合效果好。多元回歸模型如下所示：

表4的蒸發(fā)量是自然水蒸發(fā)皿的預(yù)測的蒸發(fā)量，本文要計(jì)算恒溫魚池的蒸發(fā)散熱量，所 以這里引入水汽溫差這個(gè)參數(shù)。點(diǎn)繪散熱量與蒸發(fā)量的比值和水氣溫差的相關(guān)點(diǎn)群分布圖，經(jīng)計(jì)算，得水汽溫差函數(shù)為：

表4 全年各月蒸發(fā)散熱量匯總表

2.2 魚池池壁的傳導(dǎo)失熱量計(jì)算

魚池池壁熱損失的計(jì)算公式：

式中：Ab為池壁面積，m2；k1為傳熱系數(shù)，k1= 1/(1/h1+δ/λ+ 1/h2)，W/(m2·K)；th為池周圍環(huán)境溫度，℃；tw為魚池水溫度，℃ 。

2.3 魚池池底的傳導(dǎo)失熱量計(jì)算

魚池池底熱損失的計(jì)算公式：

式中：Ad為池底面積，m2；k2為池底的傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；th為池地面土壤溫度，℃ 。

2.4 魚池池水表面?zhèn)鳠釤釗p失計(jì)算

魚池池水表面?zhèn)鳠釤釗p失計(jì)算公式：

式中：aw為水面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m·K)；Tw為池水溫度，℃；F1為魚池表面面積，m2。

2.5 魚池補(bǔ)水所需要的熱量計(jì)算

補(bǔ)給水加熱負(fù)荷計(jì)算：

式中：Q5補(bǔ)給水加熱負(fù)荷，kJ/h；C為水的比熱，kJ/(kg℃)；Vb為魚池每日補(bǔ)充水量，L；G為補(bǔ)給水量，kg；ρ為水的密度，kg/L；tw為魚池水溫，28 ℃；tgw為供水溫度，℃；t為加熱時(shí)間，s。

2.6 魚池太陽輻射得熱量計(jì)算

利用1970～2012年大連國家基準(zhǔn)氣候觀測站歷年逐月太陽總輻射和日照百分率實(shí)測資料，應(yīng)用統(tǒng)計(jì)方法計(jì)算出大連地區(qū)各月太陽總輻射氣候?qū)W公式，由此計(jì)算出大連魚池太陽輻射得熱量（表5）。

表5 大連魚池太陽輻射得熱量

2.7 魚池負(fù)荷匯總表

表6為魚池負(fù)荷匯總表。

表6 魚池負(fù)荷匯總表

3 結(jié)論

試驗(yàn)結(jié)果給出了大連地區(qū)各季節(jié)和年的蒸發(fā)量計(jì)算模型，擬合誤差可達(dá) 92.75%，結(jié)合水汽溫差參數(shù)修正，最終得到魚池水表面的蒸發(fā)負(fù)荷。根據(jù)傳熱學(xué)相關(guān)知識(shí)對魚池池壁池底損失負(fù)荷及補(bǔ)水進(jìn)行計(jì)算。最后利用水表面吸收比計(jì)算魚池水表面白天輻射得熱量和夜間的輻射失熱量，最終得到魚池水表面的一年四季12個(gè)月的總負(fù)荷。