一种基于可再生能源的水产分期养殖低碳环控系统集群

本发明涉及热泵技术与可再生能源利用，尤其是涉及一种基于可再生能源的水产分期养殖低碳环控系统集群。

背景技术：

1、自21世纪初，百姓消费模式不断转变及渔业科技水平显著提升，水产养殖已然成为全国尤其是沿海地区大力发展的产业形式。水产养殖，是通过人为控制下繁殖、培育和收获水生动植物的生产活动，一般包括在人工饲养管理下从苗种养成水产品的全过程。然而，水产品一般属于变温动物，仅有在适宜的温度与含氧量范围内才可正常生长繁殖，否则将会出现生长停止甚至死亡现象。因此，控温与增氧技术对于水产养殖业的发展弥足关键。

2、就控温技术而言，传统制冷/供暖方式均采用高污染物排放的燃煤锅炉与燃气锅炉等。空气源热泵以其节能、环保与安全特性，同时具备供暖及制冷效果理想、初投资适中与智能控制等优点，受到了政府的高度重视。然而，单独利用热泵进行控温仍存在耗电量大与运行成本高等问题。太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的可再生清洁能源，在发电、供暖与储能等领域有着广阔的应用场景。因此，将光伏光热技术、热泵技术与储能技术进行有机结合已然成为当前最具发展前景的温控方式之一。

3、就增氧技术而言，传统水产养殖供氧普遍采用大型鼓风装置，通过连接风管并伸入不同水塘底部以进行长距离集中传输。然而，选用该种方式需要风机具备较高的压头，同时管道输送过程存在大量能量损失，已难以满足水产养殖中的实际需求。

4、专利cn 11086211 a公开了一种水产养殖用供热增氧一体式热泵机组，通过将空气源热泵替代传统锅炉供能，同时在热泵机组内部配备多台小型鼓风机进行增氧，一定程度上解决了能源利用效率低的问题。然而，随水塘数目的增加，鼓风机数目增加的同时伴随着电能需求的增大。若仅将电网作为唯一的电能来源，系统运行成本及其电能供应造成的二氧化碳与污染物排放将会大幅度提升。

5、专利cn 104351119 a公开了一种水产养殖供热供氧机构，通过在养殖池内排布带有微孔的管道，而后与池外设置的空压机和太阳能热水装置相连通。该水产养殖供热供氧机构采用直接在养殖水内进行供热供氧的方式，一定程度上解决了水产养殖的热量与氧气供应问题。然而，其实际上只是太阳能热水装置和制氧机的简单组合、集成度较低，同时太阳能热水装置具有区域局限性与时段局限性，较难实现水产养殖中温控与供氧实时调节的功能。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于可再生能源的水产分期养殖低碳环控系统集群，通过高效结合热泵的能源品位高质量提升特性、太阳能光伏光热特性、储能罐能源存取特性与水产周期养殖特性，在满足安全可靠、节能环保的同时大幅提升水产养殖全年温控与增氧技术的能效与经济性。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、本发明提供了一种基于可再生能源的水产分期养殖低碳环控系统集群，用以实现水产分期养殖中的低碳温控与增氧过程。因鱼虾类大多为变温动物，生长繁殖环境需维持稳定，本发明可依据养殖地以往10年的气候数据及不同养殖品种的生长特性，确定养殖全年各时段的制冷/供暖需求。根据制冷与供暖需求占比将全年时间区段划分为多个供暖用水塘使用期(即供暖需求远大于制冷需求)与制冷用水塘使用期(即制冷需求远大于供暖需求)，最终保证全年水塘内温度、含氧量等参数随环境变化波动较小。

4、本发明提供一种基于可再生能源的水产分期养殖低碳环控系统集群，用于水产分期养殖中的低碳温控与增氧过程，所述水产分期养殖低碳环控系统集群包括制冷剂循环系统、太阳能存取系统、增氧系统；

5、所述制冷剂循环系统包括制冷剂循环回路、空气循环回路、第一载冷剂供暖循环回路、载冷剂制冷循环回路；

6、所述空气循环回路与所述制冷剂循环回路换热式连接；

7、所述制冷剂循环回路分别与所述第一载冷剂供暖循环回路、载冷剂制冷循环回路换热式连接；

8、所述第一载冷剂供暖循环回路与供暖用水塘换热；

9、所述载冷剂制冷循环回路与制冷用水塘换热；

10、所述太阳能存取系统用于光伏发电，并将光伏发电过程的产热进行存储并能够向供暖用水塘补充供暖；

11、所述增氧系统用于供暖用水塘与制冷用水塘的增氧。

12、进一步地，所述制冷剂循环回路包括依次连接的水源换热器第一换热通道、电子膨胀阀、空气源换热器制冷剂通道、四通换向阀与压缩机；

13、所述压缩机的进气端和排气端分别与四通换向阀的两个接口连通，四通换向阀的其余两个接口分别与水源换热器制冷剂换热通道的一端及空气源换热器制冷剂换热通道的一端连通；

14、所述压缩机运行状态下通过四通换向阀与水源换热器和空气源换热器的实际连通方式与热泵运行模式有关，供暖模式下四通换向阀中与压缩机排气端相连的接口和与水源换热器的第一换热通道相连的接口相互连通，四通换向阀中与压缩机吸气端相连的接口和与空气源换热器相连的接口相互连通；

15、制冷模式下四通换向阀中与压缩机排气端相连的接口和空气源换热器的制冷剂通道相连的接口相互连通，四通换向阀中与压缩机吸气端相连的接口和与水源换热器的第一换热通道相连的接口相互连通，构成制冷剂流动闭环。

16、进一步地，所述空气循环回路包括空气源换热器外壁与轴流风机，环境空气与空气源换热器外壁进行换热后直接由轴流风机输送返回至环境当中，以此构成循环回路；

17、所述第一载冷剂供暖循环回路包括依次连接的水源换热器第二换热通道、缓冲水箱、第一供暖截止阀、第一换热水管、第二供暖截止阀、第一水泵，所述第一水泵出口与水源换热器第二换热通道入口相连以构成载冷剂流动闭环；

18、所述第一换热水管深入供暖用水塘底部，以进行充分换热；

19、所述载冷剂制冷循环回路包括依次连接的水源换热器第二换热通道、第一水泵、第一制冷截止阀、第三换热水管、第二制冷截止阀与缓冲水箱；

20、所述缓冲水箱出口与水源换热器第二通道相连入口以构成载冷剂流动闭环；

21、所述第三换热水管深入制冷用水塘底部以进行充分换热。

22、进一步地，所述太阳能存取系统包括集热器储热子系统和光伏发电子系统；

23、所述光伏发电子系统包括使用电线依次连接的光伏组件、逆变控制一体机、光伏计量表与储电设备；

24、所述光伏组件主要由半导体搭建而成，在正常状态下半导体原子核和电子紧密结合(处于非导体状态)，但经光照后其原子核和电子的结合力降低，原子核失去对电子的约束，电子变为自由电子，从而实现光电转换；

25、所述逆变控制一体机能够完成将来自光伏组件的直流电流变换为符合设备要求的交流电流的电力变换，同时完成对光伏组件发电过程的逆变调控；

26、所述光伏计量表与储电设备的联合使用，能够计量电能的存储量，实现用户所需电量的输出与控制。

27、进一步地，所述集热器储热子系统包括集热介质循环回路、第二载冷剂供暖回路与补充水供暖回路；

28、所述集热介质循环回路包括使用集热介质管道依次连接的集热器、溶液泵、第一集热截止阀、盘管换热器与第二集热截止阀，所述第二集热截止阀出口与集热器入口相连以构成集热介质流动闭环；

29、所述第二载冷剂供暖回路包括依次连接的第二水泵、第三集热截止阀、蓄热水箱、第四集热截止阀与第二换热水管，所述第二换热水管出口与第二水泵入口相连以构成载冷剂流动闭环，所述第二换热水管深入供暖用水塘底部以进行充分换热；

30、所述补充水供暖回路包括依次连接的第三水泵、补充水入口截止阀、蓄热水箱与补充水出口截止阀；

31、所述集热介质循环回路与第二载冷剂供暖回路通过蓄热水箱换热式连接，高温集热介质从集热器出口流出进入蓄热水箱内部的盘管换热器与流自于第二水泵的低温载冷剂水进行换热，从而实现供暖用水塘的供暖；

32、所述集热介质循环回路与补充水供暖回路通过蓄热水箱换热式连接，高温集热介质从集热器出口流出进入蓄热水箱内部的盘管换热器与流自于第三水泵的低温补充水进行换热，从而实现补充水其余场合的供暖。

33、进一步地，所述增氧系统包括依次连接的鼓风机、第一增氧截止阀/第二增氧截止阀和风管，所述风管深入低温用水塘/制冷用水塘底部以进行充分增氧。

34、进一步地，所述水产分期养殖低碳环控系统集群还包括监测控制系统，所述监测控制系统包括控制箱、第一水温监测探头、第二水温监测探头、第一水质监测探头与第二水质监测探头；

35、所述水温监测探头和水质监测探头一端放置在水塘内部，另一端与控制箱相连接；

36、所述控制箱还与压缩机、轴流风机、鼓风机、第一水泵、第二水泵、第三水泵、溶液泵以及逆变控制一体机电连接，所述控制箱接收水温监测探头和水质监测探头的数据，从而控制压缩机、轴流风机、鼓风机、第一水泵、第二水泵、第三水泵、溶液泵以及逆变控制一体机的启闭动作；

37、所述控制箱中设有控制器，控制器为单片机或x86架构、arm架构、risc-v架构处理器中的一种。

38、进一步地，所述供暖用水塘或制冷用水塘若需设置多余1个，各水塘只需铺设对应的换热水管、风管、水温监测探头与水质监测探头；

39、若所述供暖用水塘增加一个，水塘内则需通过使用分水器自第一供暖截止阀出口与第四集热截止阀出口分别引入两条换热水管深入池底以进行供暖；若所述制冷用水塘增加一个，水塘内则需通过使用分水器自第一制冷截止阀出口引入一条换热水管深入池底以进行制冷；所述风管只需满足每一水塘自鼓风机出口通过截止阀于池底铺设一根的要求即可；所述监测探头只需满足每一水塘内自控制箱接入一根水温监测探头和一根水质监测探头的要求即可。

40、进一步地，所述水塘上均设有塑料大棚以提升水塘内温度等参数的稳定性；所述供暖用水塘需在大棚上设置可伸缩的草垫以削弱低温环境下水塘内部热量向外界环境的扩散；制冷用水塘需在大棚上通过安装角度自动调节架设置角度可调节的太阳能pvt板，pvt板的工作角度会随着太阳光的照射角度不断变化，以确保水塘均处于未被太阳光直射的阴影区内；该装置既可用于高温环境下减少太阳直射水塘而造成的水体温升，又能够在减少pvt板占用地面积的前提下完成基于光伏光热特性的太阳能高效利用；

41、所述太阳能pvt板由光伏组件与集热器组成，集热器安装在光伏组件背部以回收光电转换过程中光伏组件产生的热能，从而降低表面温度以提高光伏组件的光电转换效率；

42、本发明通过控制箱与四通换向阀可实现水产的分期养殖；因鱼虾类大多为变温动物，生长繁殖环境需维持稳定，本发明可依据养殖地以往10年的气候数据及不同养殖品种的生长特性，定制化确定全年供暖用水塘与制冷用水塘的使用情况，将全年时间区段划分为多个供暖用水塘使用期与制冷用水塘使用期，最终保证全年水塘内温度、含氧量等参数随环境变化波动较小。

43、进一步地，由于水产养殖中水塘全年均存在增氧需求，故所述增氧系统全年维持工作状态，当水质监测探头监测所得含氧量数据低于标准值时，控制箱将开启鼓风机电源，空气通过风管被输送至水塘底部进行增氧，直至含氧量达到设定值停机；

44、进一步地，除阴雨天气外，水产养殖所在地均会存在太阳能的补给，故所述太阳能存取系统全年除阴雨天气外均持续保持工作状态；

45、所述光伏发电子系统中，光伏组件基于半导体光电效应完成太阳能与电能的转换，转换后所得直流电首先流经逆变控制一体机以转换为电器设备所需的交流电，光伏计量表计量光伏组件产生的电量并存储至储电设备当中；其中，光伏组件的发电量优先应用于系统中电器设备，当光伏组件发电量大于设备总耗电量时，电器设备所需电量全部由光伏组件提供，且剩余电量全部上网；当光伏组件发电量小于电器设备总耗电量时，光伏组件发电量全部应用于系统电器设备，不足部分由电网供应。

46、进一步地，所述集热器储热子系统中，集热器安装在光伏组件的光伏板背部，以回收利用光伏发电过程中产生的热量；

47、通过打开第一集热截止阀和第二集热截止阀，集热器中的集热介质经吸收热量升温后，通过溶液泵泵送流经第一集热截止阀并进入蓄热水箱中的盘管换热器，与蓄热水箱中的低温载冷剂水进行换热使得热能存储在水箱当中，而后，被冷却后的集热介质通过第二集热截止阀返回集热器，完成集热介质循环。

48、进一步地，当处于所述供暖用水塘使用期时，打开第三集热截止阀与第四集热截止阀，蓄热水箱中被加热的载冷剂水通过第二水泵泵送经第四集热截止阀，而后流入供暖用水塘中的第二换热水管，为水塘中的水加热以维持低温环境下水塘中水温的舒适性，被冷却后的载冷剂水被第二水泵泵送流经第三集热截止阀并送回蓄热水箱，完成第二载冷剂供暖循环；

49、当处于所述制冷用水塘使用期时，因制冷用水塘无供暖需求，故太阳能所产生的热，输送至水产养殖地附近其余需要供暖的场合，打开补充水入口截止阀与补充水出口截止阀，蓄热水箱中被加热的载冷剂水通过第三水泵泵送流出补充水出口截止阀，用以为其余场合供暖，低温补充水被第三水泵泵送经补充水入口截止阀流入蓄热水箱被加热，完成补充水供暖循环。

50、进一步地，当处于所述供暖用水塘使用期时，需将四通换向阀切换为供暖模式，所述制冷剂循环系统中制冷剂循环回路、空气循环回路与第一载冷剂供暖循环回路正常工作；

51、打开所述第一供暖截止阀和第二供暖截止阀，从压缩机排出的高温高压制冷剂气体流经水源换热器第一换热通道，被由第一水泵泵送至水源换热器第二换热通道的低温载冷剂水冷却降温；而后，低温高压制冷剂流入电子膨胀阀进行节流降压，紧接着进入空气源换热器与轴流风机输送的环境空气进行换热；最后，从空气源换热器流出的低温低压制冷剂气体经过四通换向阀进入压缩机，经压缩后的高温高压制冷剂气体再次流入水源换热器第一换热通道，完成制冷剂循环与空气循环；

52、所述水源换热器第二换热通道中被加热的载冷剂水依次经过缓冲水箱与第一供暖截止阀，流入供暖用水塘内的第一换热水管，为水塘中的水加热以维持低温环境下水塘中水温的舒适性；而后，被冷却后的载冷剂水流经第二供暖截止阀，被第一水泵泵回至水源换热器的第二换热通道，完成第一载冷剂供暖循环。

53、当处于所述制冷用水塘使用期时，需将四通换向阀切换为制冷模式，所述制冷剂循环系统中制冷剂循环回路、空气循环回路与载冷剂制冷循环回路正常工作。

54、打开所述第一制冷截止阀和第二制冷截止阀，从压缩机排出的高温高压制冷剂气体进入空气源换热器制冷剂通道，与轴流风机输送的环境空气进行换热；而后，被冷却的低温高压制冷剂流入电子膨胀阀进行节流降压，紧接着进入水源换热器第一换热通道，吸收由第一水泵泵送至水源换热器第二换热通道内载冷剂水中的热量；最后，从水源换热器第一换热通道流出的低温低压制冷剂气体经过四通换向阀进入压缩机，经压缩后的高温高压制冷剂气体再次流入空气源换热器制冷剂通道，完成制冷剂循环与空气循环；

55、所述水源换热器第二换热通道中被冷却的载冷剂水被第一水泵泵送至第一制冷截止阀，流入制冷用水塘内的第三换热水管，为水塘中的水降温以维持高温环境下水塘中水温的舒适性；而后，吸收热量后的载冷剂水依次进入第二制冷截止阀与缓冲水箱，最终被第一水泵泵回至水源换热器的第二换热通道，完成载冷剂制冷循环；

56、进一步地，因水产养殖全过程均需进行水塘内参数的监测与控制，故所述监测控制系统需全年维持工作状态；就水温监测调控而言，当处于所述供暖用水塘使用期时，若第一水温监测探头检测到水温低于设定值，控制箱将开启压缩机、第一水泵与第二水泵以进行水塘供暖，直至温度上升至设定值后即可关闭；当处于所述制冷用水塘使用期时，若第二水温监测探头检测到水温高于设定值，控制箱将开启压缩机与第一水泵以进行水塘制冷，直至温度下降至设定值后即可关闭；就水质监测调控而言，当水质监测探头检测到水中含氧量较低时，控制箱开启鼓风机，空气通过鼓风机经过风管进入水塘底部以进行增氧，直至含氧量达到设定值时即可关闭鼓风机。

57、本发明中基于可再生能源的水产分期养殖低碳环控系统集群，采用空气源热泵替代传统锅炉/燃气燃烧供能，巧妙利用可再生清洁能源太阳能的光伏光热效应，高效结合二者优势以实现水产养殖过程中能量的自给自足，且极大程度上降低二氧化碳及污染物排放。

58、与现有技术相比，本发明具有以下技术优势：

59、1.本系统通过以水产养殖所在地前10年气候特性及不同水产养殖品种的生长特性为依据，根据全年不同时段内制冷需求与供暖需求占比，对全年供暖用水塘使用时段与制冷用水塘使用时段进行精准划分，实现水产的分期高质量养殖；

60、2.本系统针对不同使用时期的水塘配置进行了定制化设计，供暖用水塘塑料大棚上铺设有可伸缩的草垫，用以增强低温气候下夜间水塘的保温性能，削弱水塘内部热量向外界扩散情况以减小系统供暖负荷、降低系统运行成本；

61、3.本系统于制冷用水塘塑料大棚上设置有角度可调节的太阳能pvt板，发电供热的同时还另具备遮阳、防雨、防雹、防风等能力，能够降低日间水塘因被太阳直射所带来的热量以减小系统制冷负荷、降低系统运行成本，同时还可增强系统运行稳固性；此外，通过将pvt板直接安置在大棚上，直接节约了pvt板的占地铺设面积，大幅降低系统安装成本；

62、4.本系统采用空气源热泵机组替代传统锅炉/燃气燃烧。采用传统化石燃料燃烧势必会造成大量污染物及二氧化碳排放，严重危害全球气候环境；空气源热泵机组因其能量主要源于外界空气，具备节能环保、低碳高效且另具制冷功效的特点，能够实现水产养殖的全年温度调控；

63、5.本系统巧妙利用可再生清洁能源太阳能的光伏光热效应及其取之不尽、用之不竭的优良特性，与空气源热泵机组进行高效结合；太阳能pvt板所产生的电能存储在储电设备之中，实时为系统中电器设备供电或并网；太阳能pvt板所产生的热能通过集热介质存储在蓄热水箱之中，为供暖用水塘供暖的同时还可为养殖地附近其余供暖场合提供所需热量；据此，本系统最终不仅可实现水产养殖过程中大部分热能与电能的自给自足，还可为其余供暖场合提供热量，节约系统运行成本的同时极大程度上降低二氧化碳排放，助力当地政府进行环境调控；

64、6.本系统于热泵机组内设置有增氧用小型鼓风机，大大削弱了传统大型鼓风机集中供氧远距离输送所产生的压力损失，显著改善系统运行性能；同时，热泵机组与鼓风机均为可自动化操作机电设备，通过一体化设计可将其集成于一个机壳内部并共用一套控制系统，大幅降低系统安装成本与人工操控成本。