Перспективный источник тепла в рыбоводстве (Зданович В.В., МГУ) (УДК 551.563.6:536.6)

Повышение температуры воды в выростных емкостях, как правило, сопровождается затратой определенного количества электроэнергии, приводящей к повышению стоимости продукции.

В некоторых странах (США, Израиль, Австралия) в последнее время в качестве источника низкопотенциального тепла используются водоемы с градиентом солености по вертикали (Шпильрайн, Попель, 1988; Fuss, 1984). Обычно, это пруды глубиной 2-3 м, в природной части которых создается слой концентрированного раствора поваренной соли. Благодаря оптическим и теплофизическим свойствам воды при небольшой глубине пруда лишь малая часть спектра солнечного излучения поглощается ее толщиной, а основной поток - поверхностью дна и нагревает придонный слой. В природном водоеме нагретая вода поднимается вверх и отдает теплоту воздуху. Затормозить естественную циркуляцию воды в водоеме можно за счет стабилизации - разделения толщи воды с помощью прозрачных перегородок, повышения вязкости воды или изменения концентрации солевого раствора. Такой водоем с градиентом концентрации солености по вертикали, исключающим конвекцию, называют соляным солнечным прудом (ССП).

После залития водой в ССП образуется три зоны: поверхностная, градиентная и зона накопления тепла (Fuss, 1984). В результате конвекционных процессов, происходящих в поверхностном слое и зоне накопления тепла, эти слои изотермны. Например, в ССП площадью 2020 м² и глубиной 3,2 м, расположенном в штате Огайо (США), зона накопления тепла достигала 2 м от дна, а протяженность градиентной и поверхностной зон - по 0,6 м. Соленость в природном слое составляла 200‰, постепенно понижалась в градиентной и приближалась к 50‰ в поверхностной зоне. Температура в зоне накопления тепла в июле достигала 35-65 °С при температуре поверхностного слоя 20- 25 °С (Wittenberg, Harris, 1981). Известен случай достижения в придонном слое ССП температуры 109 °С (Янтовский, 1988).

С целью исследования возможности использования ССП в южных районах страны нами была испытана установка с градиентом солености по вертикали. Эксперименты, продолжительность которых составляла неделю, проведены на базе Государственного экспериментального зонального рыбопитомника УзССР в мае 1986 г. В качестве емкости использовался инкубационный аппарат ИВЛ, изготовленный из оргстекла, объемом 200 л, высотой 1 м и диаметром 0,5 м. Емкость располагали на открытом месте, куда солнечные лучи попадали на протяжении всего дня. На ее дно насыпали 10-12 кг поваренной соли и залили водой из артезианской скважины. Соль на дне в течение двух суток растворялась, в результате чего образовывался природный слой ее концентрированного раствора толщиной около 10-15 см.

Рис. 1. Динамика изменения температуры воздуха и воды в опытной установке в течение двух суток: 1 - воздух; 2 - поверхностный; 3 - придонный слои воды в опытной установке

Динамика изменения температуры воды в опытной емкости на разных ее уровнях в течение двух суток представлена на рис. 1. Температура в придонном слое резко возрастала с момента попадания солнечных лучей на емкость, достигала максимальных значений в 15-16 ч (55-57 °С) и начинала постепенно снижаться по мере уменьшения угла падения солнечных лучей после полудня. Довольно быстрое понижение температуры у дна в вечернее и ночное время объясняется отсутствием какой-либо теплоизоляции емкости и ее малым объемом.

В середине дня разница уровней температуры воды в верхней части емкости и в ее придонном слое составляла 23- 25 °С, а ночью - 2-7 °С. Разница же температуры воздуха и воды в верхней части в течение дня, как правило, была незначительна, а в ночное время воздух был прохладнее на 2-4 °С.

Распределение температуры по вертикали в опытной емкости показано на рис. 2. Резкое возрастание температуры наблюдалось на границе со слоем концентрированного раствора соли, и ее максимальные значения достигались в пределах этого слоя.

Рис. 2. Распределение температуры воды в опытной установке по вертикали (26.05.1986 г., 16 ч, температура воздуха 30,5 °С )

Главным недостатком испытанной установки с градиентом солености по вертикали явилось "цветение" воды. В наших опытах в конце эксперимента вода в емкости начинала постепенно мутнеть, в результате чего разница температур верхнего и придонного слоев в течение дня понижалась и составляла всего 15-20 °С. В данном случае небольшой объем испытываемой установки позволял нам производить замену в ней воды и соли каждую неделю опыта. Использование известных методов борьбы с "цветением" воды сделало бы в конечном итоге возможным успешную эксплуатацию опытной установки достаточно длительное время.

При наличии более крупного сооружения, позволяющего накапливать и сохранять большое количество тепловой энергии в слое концентрированного раствора соли, представляется возможным расходовать это тепло в ночное время для подогрева воды. Следует отметить, что тепловая инерция ССП очень велика. В пустынных районах (40° северной широты) температура воды в придонном слое зимой не опускается ниже 50 °С (Янтовский, 1988).

Получаемую в течение дня тепловую энергию можно использовать и для создания в выростных емкостях переменных температурных режимов. Результаты исследований, проведенных на молоди различных видов рыб, показали, что задаваемый колебательный терморежим в пределах экологической валентности изучаемых видов оказывал стимулирующее влияние на темп роста рыб, улучшал физиологическое состояние, повышал их жизнестойкость по сравнению с наблюдаемыми в постоянных температурах (Константинов, Зданович, 1985, 1986).

Представленные литературные данные и результаты собственных исследований небольшой по объему установки с градиентом солености по вертикали показывают перспективность и возможность использования ССП в южных районах нашей страны с целью получения дополнительной тепловой энергии при выращивании как молоди, так и товарной рыбы в условиях индустриальных хозяйств. По расчетам, ССП глубиной 3 м и площадью 0,5 га за 3 мес способен дать 2800 Гдж энергии, что достаточно для реализации годовой программы рыбопитомника по выращиванию смолтов атлантического лосося на северо-востоке США. При этом общие затраты на строительство такого водоема составляют 34,6 долл/м², а период эксплуатации-около 20 лет (Fuss, 1984). Дальнейшие исследования, а также использование накопленного мирового опыта в этом вопросе, несомненно, помогут успешно разрабатывать и длительно эксплуатировать ССП, тепловая энергия которых может быть использована как в рыбном хозяйстве, так и для теплоснабжения жилых помещений, теплиц, подсобных хозяйств. Следует подчеркнуть очень важную в наше время особенность отмеченного выше способа получения тепла - это экологически чистый метод, позволяющий более полно использовать энергию Солнца и не загрязнять окружающую среду.