王艷艷， 張 旭， 苗瑞福

(同濟大學 機械與能源工程學院, 上海 201804 )

村鎮(zhèn)被動式太陽能輔助集中制沼工程產(chǎn)氣量研究

王艷艷， 張 旭， 苗瑞福

(同濟大學 機械與能源工程學院, 上海 201804 )

文章對徐州某被動式太陽能輔助秸稈集中制沼工程的產(chǎn)氣量建立數(shù)學模型進行了理論計算。計算結果表明，利用太陽能可以有效改善發(fā)酵系統(tǒng)熱環(huán)境，冬季產(chǎn)氣速率達到0.5～0.7 m3·m-3。全年最低池溫為15.2℃，能保證全年產(chǎn)氣，全年單位池容產(chǎn)氣量約268 m3。與現(xiàn)場實測的結果進行對比分析，建立的數(shù)學模型有效地模擬了全年日光溫室內(nèi)逐時氣溫及逐時發(fā)酵溫度的變化規(guī)律。該工程沼氣日產(chǎn)量及年沼氣產(chǎn)能預測方法可應用于其它地區(qū)。

沼氣工程； 日光溫室； 被動式太陽能

一般來講，沼氣發(fā)酵微生物在8℃～65℃的范圍內(nèi)都能進行正常的生長活動，產(chǎn)生沼氣[1]。在一定范圍內(nèi)(15℃～40℃)隨著溫度的增高，微生物的代謝加快，產(chǎn)氣量和產(chǎn)氣率相應增高[1]。我國北方地區(qū)由于冬季氣候寒冷，露天或者埋地的沼氣池需要額外的增溫保溫來保證其正常連續(xù)產(chǎn)氣，加熱系統(tǒng)需要應用電能、燃油或者生產(chǎn)的部分沼氣作為燃料來源，經(jīng)濟性較差[2]。P axaopoulos[3-4]等利用數(shù)學模型模擬預測利用太陽能集熱板加熱沼氣工程的熱性能并研究了生產(chǎn)的沼氣應用于仔豬場采暖的全年日供需關系及經(jīng)濟可行性。王紅彥[5]等對集中供氣工程的經(jīng)濟可行性進行了實例分析和驗證。

筆者研究利用經(jīng)濟的日光溫室、太陽能選擇性吸收材料等增溫保溫的沼氣集中工程產(chǎn)氣量。以位于徐州市的某工程為基礎建立物理模型，根據(jù)傳熱學理論建立數(shù)學模型預測分析日光溫室的增溫效果、發(fā)酵溫度變化規(guī)律，并應用實地測試數(shù)據(jù)驗證模型的正確性，估算全年日產(chǎn)沼氣量。

圖1 沼氣工程剖面示意圖

1 沼氣工程物理模型

沼氣工程物理模型如圖1所示，沼氣罐部分埋地，池容為300 m3。日光溫室主要的幾何參數(shù)有跨度8.5 m，長20 m，脊高4.5 m，后墻高3.4 m，圍護結構構造及熱工參數(shù)如表1所示[6-7]。

日光溫室內(nèi)的傳熱過程由以下幾個過程組合而成：1)太陽輻射由薄膜進入溫室內(nèi)部，經(jīng)輻射和對流換熱傳給室內(nèi)各表面； 2)溫室內(nèi)空氣經(jīng)維護結構與外界熱量交換； 3)土壤與空氣進行熱濕交換； 4)室內(nèi)空氣與發(fā)酵罐對流換熱。

冬季白天，上午9：00揭開保溫被到下午15：00覆蓋保溫被，進入溫室內(nèi)的太陽總輻射是溫室熱量的主要來源。溫室散熱量主要包括通過覆蓋材料和圍護結構的對流換熱、土壤中傳熱以及墻體的儲熱。

夜間，其余時間，在沒有太陽輻射的情況下．溫室中的熱量來源由地面和東西向山墻、后墻、發(fā)酵罐的有效輻射及其與室內(nèi)空氣的對流換熱組成。夜間外界氣溫較低，溫室通過圍護結構散失熱量，已有研究表明透過前面覆蓋物的熱損失占總熱量損失的70%[8]。

表1 圍護結構構造及熱工參數(shù)

2 日光溫室數(shù)學模型

由于溫室內(nèi)部的傳熱過程較為復雜，筆者將內(nèi)部傳熱做簡化處理。為方便導出熱平衡方程，作如下假設： 1)溫室內(nèi)部的空氣密度、壓力、比熱容、水蒸汽含量變化范圍小，視為定值； 2)參與傳熱的地面、墻體、薄膜看作各向同性，且等同于灰體； 3)由于太陽輻射的強度遠遠大于長波輻射，忽略白天各維護結構外表面對天空和周圍物體的長波輻射換熱； 4)由于日光溫室平時較為密閉，忽略通風滲透的影響； 5)假設土壤物性參數(shù)恒定； 6)溫室墻體、土壤蓄熱能力小，忽略墻體、土壤蓄熱。因此，熱平衡及傳熱模型適用于無通風溫室。

溫室內(nèi)空氣動態(tài)熱平衡方程：

(1)

式中：ρa為室內(nèi)空氣密度，取為1.205kg·m-3; Va為室內(nèi)空氣的總體積，m3; Ca為室內(nèi)空氣比熱容，取為1005J·kg-1K-1; Ta為溫室內(nèi)氣溫，℃； τ為時間，3600s; Qr為薄膜太陽輻射得熱量，W； rr為太陽輻射比例，根據(jù)幾何關系計算得到; Qd為室內(nèi)空氣與地面換熱量，W; Qh為室內(nèi)空氣經(jīng)后坡對外換熱量,W; Qwi為室內(nèi)空氣經(jīng)各外墻與室外換熱量,W; Qm為室內(nèi)空氣經(jīng)過薄膜與室外換熱量,W;Ql為空氣與發(fā)酵罐換熱量，W。

2.1 溫室太陽輻射得熱量

薄膜太陽輻射得熱量Qr：

Qr=Ht(θ)×Fr×τg

(2)

式中：Ht(θ)為斜面上日輻射量，W·m-2;Fr為該采光面的實際采光面積；τg為該采光面的透光率。該溫室采光面為單層PVC膜厚0.12 mm，對可見光和紅外線平均透光率取τg=0.7。

斜面上太陽輻射量Ht(θ)計算式如下：

Ht(θ)=Ht×R

(3)

式中：Ht為總輻射；R為傾斜面上和水平面上總輻射量比值，按下式計算：

(4)

式中：Hb為直接輻射；Hd為散射輻射；ρ為地面反射系數(shù)，一般取ρ=0.2；θ為屋面角即南向斜坡面與水平面的夾角；Rb為傾斜面上和水平面上太陽直接輻射量的比值，按下式計算

(5)

式中：φ為本地緯度角，徐州為34.28°；δ為太陽赤緯角；ω0為南向傾斜面上日照起止角，其值為

ω0=cos-1[-tg(φ-θ)tgδ]

(6)

赤緯角δ：地球中心和太陽中心的連線與地球赤道平面的夾角。全年赤緯角在+23.45°～-23.45°之間變化，可用以下簡化公式計算：

(7)

式中，n為計算日在一年中的日期序號。

2.1.2 后坡、北墻、東山墻及西山墻太陽輻射得熱量

為計算方便，采用綜合溫度法計算。將太陽對維護結構的短波輻射考慮進來。相當于室外氣溫由原來的tair增加了一個太陽輻射的等效溫度值，即當量的室外溫度。其表達式為[11]：

(8)

式中：Tz為室外綜合溫度，℃； a為圍護結構外表面對太陽輻射的吸收率，取為0.1； I為太陽輻射照度，W·m-2； αout為維護結構外表面的對流換熱系數(shù)，冬季取為23.3W·m-2℃，夏季為18.6W·m-2℃。

白天長波輻射可以忽略。夜間沒有太陽輻射的作用，天空的背景溫度遠遠低于空氣溫度，因此建筑物向天空的輻射放熱量是不可以忽略的，對于水平面取(Qlw/αout)=3.5℃～4.0℃。

2.2 圍護結構熱負荷[12]

室內(nèi)空氣與地面換熱量：

Qd=kfFd(Ta-Td), W

(9)

室內(nèi)空氣經(jīng)后坡對外換熱量：

Qh=khFh(Ta-Tzh), W

(10)

室內(nèi)空氣經(jīng)外墻與室外換熱量：

Qwi=αkwiFwi(Ta-Tzi), W

(11)

室內(nèi)空氣經(jīng)過薄膜與室外換熱量：

Qm=kmFm(Ta-Tzm), W

(12)

室內(nèi)空氣與發(fā)酵罐體換熱量：

Ql=klFl(Ta-Tl), W

(13)

式中：k為各維護結構傳熱系數(shù)，W·m-2K-1; Td為地面溫度，℃； α為溫差修正系數(shù)。

將以上各式聯(lián)立，得到：

(14)

3 發(fā)酵罐數(shù)學模型

為充分利用太陽能資源，發(fā)酵罐外壁面涂有太陽能選擇性吸收涂料，吸收率為95%[13]。由于發(fā)酵罐半埋地，屬于流-管-土耦合傳熱，較為復雜，目前對于半埋管道散熱偶有文獻提及，采用線性插值模型并不精準[14-15]。發(fā)酵罐向土壤的散熱遠遠小于向空氣的散熱，為簡化計算，忽略發(fā)酵罐向土壤的傳熱[16]。當環(huán)境流體的速度較小時，自然對流換熱占主導，環(huán)境流體對管外壁的對流換熱系數(shù)可近似按公式(15)[17]計算：

(15)

計劃將內(nèi)部傳熱做以下簡化處理：1)將沼氣池內(nèi)部料液當作水處理，密度、壓力、比熱容視為定值，溫度均勻一致； 2)忽略發(fā)酵罐向土壤傳熱量； 3)忽略各維護結構內(nèi)表面與發(fā)酵罐外表面長波輻射換熱； 4)連續(xù)進料及出料； 5)忽略罐體蓄熱； 6)忽略產(chǎn)生的沼氣帶走的熱量。

發(fā)酵料液能量變化量與加熱進料的熱量之和等于所得到的熱量即太陽輻射量及與溫室內(nèi)空氣對流換熱量，則料液動態(tài)熱平衡方程為：

(16)

(17)

式中：ρl為水密度，kg·m-3； Vl為發(fā)酵料液體積，m3； Cl為水比熱容，J·kg-1K-1； Vj為進料體積，m3； Tj為進料溫度，℃； kl為料液通過罐體與溫室內(nèi)空氣換熱傳熱系數(shù)，W·m-1K-1； Fl為發(fā)酵罐長度，m; Tl為料液溫度, ℃。

聯(lián)立公式(14)和(17)，在日光溫室維護結構參數(shù)及每小時室內(nèi)外溫度、太陽輻射、地面溫度，設定初始條件，計算出每小時日光溫室內(nèi)空氣溫度、發(fā)酵料液溫度。徐州地區(qū)室外氣溫、各方向太陽輻射量等典型年逐時值來自中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集[18]。初始條件設為1月1日0時，ta=11.0℃,tl=19.2℃。

圖2 池容產(chǎn)氣速率與發(fā)酵溫度變化規(guī)律圖

4 產(chǎn)氣量計算方法

單位池容沼氣產(chǎn)氣速率與發(fā)酵溫度的關系如圖2[19-20]所示。根據(jù)上文計算出的發(fā)酵料液逐時溫度，進而計算逐時沼氣產(chǎn)量。

5 計算結果與實測結果分析

在2014年5月21日至6月12日及2014年12月17日至2015年1月7日兩段時期利用溫濕度自記儀測試該沼氣工程太陽能溫室內(nèi)外氣溫，利用紅外測溫儀測試池溫。

下圖3和圖4為夏季與冬季日光溫室內(nèi)計算氣溫與實測氣溫的比較?？梢钥闯?，兩者日氣溫變化趨勢及范圍具有較高的吻合度。表2所示為測試時間內(nèi)測試結果與計算結果的平均、最高、最低室內(nèi)外溫度的對比。測試與模擬的室內(nèi)溫度誤差均在10%以內(nèi)。結果較為可信。

對全年8760個小時發(fā)酵料液溫度進行計算。全年發(fā)酵料液日溫度最大值為41.4℃，最小值為15.4℃，平均值為29.5℃。最冷的1月份發(fā)酵料液平均值為17.0℃，最熱月為8月份，達到40.7℃。5月份發(fā)酵料液平均溫度為33.8℃。由于發(fā)酵料液的比熱容較大，1天內(nèi)的發(fā)酵料液溫度變化范圍較小。圖5為2014年5月與2015年1月測試與計算的發(fā)酵料液溫度對比，冬季相差-2%，夏季相差1%。

圖3 夏季溫室實測溫度與典型年預測溫度對比圖

圖4 冬季溫室實測溫度與典型年預測溫度對比圖

圖5 預測發(fā)酵溫度與實測溫度對比圖

從圖6日產(chǎn)沼氣量圖及圖7累計產(chǎn)氣量圖，可以看出，夏季產(chǎn)氣速率較高。徐州在一月中旬最冷時期產(chǎn)氣率較低，平均為0.6 m3·m-3d-1池容。發(fā)酵池為300 m3，則日產(chǎn)氣量≥180 m3，可以滿足100戶居民的炊事用氣需求。夏季則會出現(xiàn)產(chǎn)氣過?，F(xiàn)象，為最大化利用沼氣，可以發(fā)展谷物干燥等產(chǎn)業(yè)。滿負荷運行情況下，全年產(chǎn)氣268 m3·m-3, 由于沼氣的長期存儲所需的設備較為貴重并且存在安全隱患，而最終沼氣產(chǎn)氣量由發(fā)酵物料決定，所以應根據(jù)用氣量調(diào)節(jié)進料量。

圖6 單位體積池容日產(chǎn)沼氣量

圖7 單位體積池容累計產(chǎn)氣量

6 結論

從筆者研究的理論和實際測試結果及分析可以得到如下幾個結論：

(1)應用日光溫室及太陽能選擇性吸收涂料為沼氣工程增溫保溫可以達到較好的效果。溫室內(nèi)氣溫、發(fā)酵料液溫度受室外氣溫及太陽輻射的影響較為顯著。發(fā)酵罐外壁太陽能涂料增溫效果顯著。徐州地區(qū)溫室內(nèi)氣溫較室外可增加8℃～12℃，發(fā)酵料液溫度在最寒冷的1月平均為17.0℃，在8月份則達到40.7℃，實現(xiàn)全年連續(xù)產(chǎn)氣，每單位池容年平均日產(chǎn)氣率為0.73 m3，全年大約可產(chǎn)沼氣268 m3。

(2)與實際測試數(shù)據(jù)比較發(fā)現(xiàn)應用傳熱學方法分析沼氣生產(chǎn)系統(tǒng)可以預測沼氣系統(tǒng)熱性能。預測的溫室內(nèi)氣溫、發(fā)酵料液溫度與實測數(shù)據(jù)具有較好的吻合性。該方法可以推廣到其它地區(qū)的預測計算。

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Biogas Production of Rural Centralized Biogas Plant Combined with Passive Solar Energy /

WANG Yan-yan, ZHANG Xu, MIAO Rui-fu /

(College of Mechanical Engineering, Tongji University, Shanghai 201804, China)

A mathematical model has been developed for calculating the biogas production of a centralized biogas plant combined with passive solar energy in Xuzhou. The results indicated that the utilization of solar energy could improve the thermal environment of the fermentation system. The biogas production rate could reach 0.5 ～ 0.7 m3· m-3in winter. The annual minimum fermentation temperature was 15.2 ℃ which could ensure the biogas being produced all year long. The cumulative biogas production per unit digester was about 268m3. Through the comparison with the field measured data, it was showed that the mathematical model could effectively predict the hourly temperature inside the solar greenhouse and the hourly manure temperature in the digester, and could also be applied to forecast the thermal behavior and biogas production for other areas.

biogas engineering; solar greenhouse; solar energy

2015-12-08

2016-01-04

項目來源： “十二五”國家科技支撐計劃課題(2011BAJ08B09)

王艷艷(1990-)，女，漢族，河南省開封市人，碩士，主要從事太陽能集中制沼的氣候適應性研究工作，E-mail：wangyanyan01210@126.com

張 旭，E-mail:xuzhang@#edu.cn

S216.4; TK519; TK6

B

1000-1166(2016)06-0086-05