虞婷婷, 周 前, 靳俊杰, 邢菲菲, 梅傲寒

(河南城建學(xué)院，河南平頂山467000)

1 概述

沼氣作為一種清潔的可再生能源，對(duì)節(jié)能減排及能源結(jié)構(gòu)調(diào)整意義重大[1]。在我國(guó)廣大農(nóng)村，沼氣資源比較豐富，2000年以來，隨著政策扶持力度加大，以及農(nóng)民的收入不斷增加，農(nóng)民的環(huán)保意識(shí)逐漸增強(qiáng)，使得沼氣成為農(nóng)村的主要能源之一[2]。沼氣的發(fā)酵過程受周圍環(huán)境的溫度影響比較大。研究表明沼氣發(fā)酵存在兩個(gè)產(chǎn)氣的高峰區(qū)：一個(gè)溫度為30～40 ℃，另一個(gè)溫度為50～60 ℃[3]。該溫度在很多地方很難一年四季得到滿足，因此在一定程度上制約了沼氣的發(fā)展。

近年來，太陽能和沼氣互補(bǔ)的系統(tǒng)越來越多地被研究設(shè)計(jì)開發(fā)和利用。基于對(duì)熱水器的研究和應(yīng)用，我們考慮在原有技術(shù)的基礎(chǔ)上將太陽能和沼氣結(jié)合的系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)后應(yīng)用到熱水器中，充分利用太陽能和沼氣這兩種清潔可再生能源進(jìn)行優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，并將重力熱管技術(shù)應(yīng)用于沼氣池發(fā)酵過程中。這樣可以提高沼氣反應(yīng)裝置的產(chǎn)氣率和沼氣使用的效率。

2 太陽能沼氣互補(bǔ)型熱水器系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)原理

該系統(tǒng)是一種充分利用廢熱和清潔能源的新型熱水器系統(tǒng)。充分利用農(nóng)村炊事燃燒木材、秸稈等產(chǎn)生的煙氣中的廢熱，以及洗浴水中的廢熱，對(duì)溫度較低的沼氣池進(jìn)行加熱。此外，利用重力熱管技術(shù)將外界大氣環(huán)境中的熱量回收利用對(duì)沼氣池加熱。

2.2 系統(tǒng)流程

該熱水器系統(tǒng)由3部分組成：太陽能熱水器系統(tǒng)、沼氣池?fù)Q熱系統(tǒng)和沼氣熱水爐系統(tǒng)。系統(tǒng)流程見圖1。

① 太陽能熱水器系統(tǒng)

通過小型循環(huán)水泵，不斷把水從儲(chǔ)熱水箱輸送到太陽能集熱器加熱，然后儲(chǔ)存在儲(chǔ)熱水箱中。當(dāng)太陽輻射照度小于限值時(shí)，循環(huán)水泵停止工作。儲(chǔ)熱水箱中的熱水通過管道輸送到洗浴間供使用。

② 沼氣池?fù)Q熱系統(tǒng)

該系統(tǒng)中的沼氣池改變傳統(tǒng)做法，把沼氣池建在高2.5 m的鋼架上，沼氣池四圍用保溫材料保溫，并在底部安裝重力熱管。根據(jù)重力熱管的工作原理，通過外界的高溫條件，把大氣中的熱量傳遞到沼氣池中，尤其是夏季，效果尤為明顯。因?yàn)橹亓峁芫哂蟹较蛐裕荒馨褵崃繌拇髿鈧鬟f到沼氣池中而不可能反方向傳熱。

當(dāng)洗浴間高于沼氣池位置時(shí)，洗浴水在重力作用下通過管道流進(jìn)沼氣池中的換熱器，起到對(duì)沼氣池加熱的作用，然后排入下水道。當(dāng)洗浴間低于沼氣池位置時(shí)，洗浴水先排入蓄水池，然后通過水泵輸送到沼氣池中的換熱器進(jìn)行換熱(圖1畫出的是這種工況)。

圖1 太陽能沼氣互補(bǔ)型熱水器系統(tǒng)流程

炊事中燃燒木材、秸稈等產(chǎn)生的煙氣，通過煙氣管進(jìn)入到沼氣池中的換熱器中，同樣起到加熱沼氣池的作用。

通過以上方式對(duì)沼氣池加熱，使得沼氣池保持較高的溫度，從而大大增加了沼氣池的沼氣產(chǎn)量。把產(chǎn)生的沼氣儲(chǔ)存在沼氣袋中，需要時(shí)使用。

③ 沼氣熱水爐系統(tǒng)

在儲(chǔ)熱水箱中設(shè)置溫度控制裝置，當(dāng)儲(chǔ)熱水箱中的水溫低于設(shè)定的溫度值時(shí)，說明太陽能集熱器提供的熱水溫度不夠，此時(shí)沼氣熱水爐開啟，燃燒來自沼氣袋中的沼氣，加熱儲(chǔ)熱水箱中的水，當(dāng)水溫達(dá)到設(shè)定的上限值時(shí)，通過控制系統(tǒng)關(guān)閉沼氣熱水爐。

3 供需熱量計(jì)算

3.1 冬季耗熱量的計(jì)算

本文只針對(duì)冬季進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析，以平頂山地區(qū)農(nóng)村5口之家為例，所需要的洗浴耗熱量計(jì)算公式為[4]：

(1)

式中Qr——熱水供應(yīng)平均小時(shí)熱負(fù)荷，J/h

c——水的比熱容，J/(kg·K)，取4 187 J/(kg·K)

n——用熱水人數(shù)，人

ρ——熱水密度，kg/m3

V——熱水用量，m3/(人·d)

θr——熱水溫度，℃

θl——冷水溫度，℃

t——每天供水時(shí)間，h/d，取24 h/d

按照GB 50015—2003《建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范》(2009年版)第5.1.1條的規(guī)定，住宅每人每日最高日用水定額為40～80 L/(人·d)，本文取60 L/(人·d)；冷水溫度按照地下水10 ℃來取，熱水溫度按照熱水器配水點(diǎn)水溫45 ℃來?。?5 ℃時(shí)的水密度為990 kg/m3；用水人數(shù)按照5人來算。根據(jù)公式(1)可計(jì)算出每小時(shí)耗熱量約為1 813 kJ，則1 d的耗熱量為43 524 kJ，冬季按照90 d計(jì)，則整個(gè)冬季洗浴用水耗熱量為3 917 148 kJ。

3.2 太陽能集熱器提供熱量的計(jì)算

Q=Hηc(1-L)A

(2)

式中Q——太陽能集熱器每天提供的熱量，kJ/d

H——當(dāng)?shù)丶療崞鞑晒饷嫔系娜站剌椛淞?，kJ/(m2·d)

ηc——集熱器日平均熱效率，國(guó)標(biāo)經(jīng)驗(yàn)值取0.4～0.55，此處取0.5

A——集熱器面積，m2

本文采用平板集熱器，集熱器面積為3 m2，集熱器與水平面夾角為45°，按集熱器位于鄭州地區(qū)計(jì)算，冬季日均曝輻射量為11 078.81 kJ/(m2·d)，則根據(jù)公式(2)可計(jì)算得到太陽能集熱器每天提供的熱量為13 294.6 kJ/d，則整個(gè)冬季(按照90 d計(jì))提供的熱量為1 196 511 kJ。

3.3 沼氣產(chǎn)量的計(jì)算

戶用沼氣池產(chǎn)氣率一般為0.20～0.25 m3/(m3·d)，本文建立一個(gè)8 m3的露天沼氣池，因該沼氣池采用重力熱管及余熱利用技術(shù)，產(chǎn)氣率可取0.3 m3/(m3·d)，則冬季沼氣產(chǎn)量為216 m3。1 m3沼氣燃燒產(chǎn)生熱量約為20 930～25 120 kJ[5]，此處取23 000 kJ。

3.4 供需熱量的關(guān)系

整個(gè)冬季洗浴用水所需的熱量為3 917 148 kJ，太陽能集熱器提供的熱量 為1 196 511 kJ，沼氣熱水爐參照市場(chǎng)燃?xì)鉄崴髂苄У燃?jí)標(biāo)準(zhǔn)，其熱效率取85%，可計(jì)算得到為滿足洗浴用熱量，還需139.2 m3的沼氣,已知冬季沼氣產(chǎn)量為216 m3，可知冬季產(chǎn)生的沼氣量足夠使用。

4 幾種熱水器的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析

本文只考慮冬季洗浴用水來進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析。由于大部分農(nóng)村地區(qū)尚未接通燃?xì)?，故在?jīng)濟(jì)性對(duì)比分析時(shí)，只考慮與太陽能熱水器、電熱水器及空氣能熱水器的對(duì)比。

太陽能熱水器系統(tǒng)的造價(jià)可參照太陽能平板集熱器及附件造價(jià)。沼氣池?fù)Q熱系統(tǒng)參照國(guó)家的相關(guān)政策補(bǔ)貼,并考慮支架、保溫材料及重力熱管費(fèi)用。沼氣熱水爐可參照市場(chǎng)上較低廉的燃?xì)鉄崴鲀r(jià)格。其他末端或輔助設(shè)備如水泵、閥門及管道等造價(jià)可根據(jù)市場(chǎng)行情確定。

年運(yùn)行費(fèi)用包括燃料費(fèi)用、設(shè)備維護(hù)費(fèi)、電費(fèi)等。電價(jià)按平頂山市收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)0.56元/(kW·h)計(jì)算，設(shè)備維護(hù)費(fèi)按系統(tǒng)造價(jià)的2%計(jì)算。該新型熱水器系統(tǒng)所需的沼氣燃料費(fèi)用及運(yùn)行時(shí)的人工成本均可不計(jì)。根據(jù)冬季需提供的熱量為3 917 148 kJ進(jìn)行計(jì)算，太陽能沼氣互補(bǔ)型熱水器系統(tǒng)中過剩的沼氣根據(jù)熱量折合成天然氣，再根據(jù)天然氣市場(chǎng)價(jià)格折合成收入，在運(yùn)行費(fèi)用中扣除。幾種熱水器的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析見表1。其中，年計(jì)算費(fèi)用為平均每年造價(jià)與運(yùn)行費(fèi)用的和。

表1 幾種熱水器的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析

由表1可知，太陽能熱水器的年計(jì)算費(fèi)用最低，其次是太陽能沼氣互補(bǔ)型熱水器，空氣能熱水器最高。雖然表1中太陽能熱水器的年計(jì)算費(fèi)用最低，但冬季很多時(shí)候水溫達(dá)不到洗浴溫度，無法使用。除了太陽能熱水器，太陽能沼氣互補(bǔ)型熱水器的年計(jì)算費(fèi)用最低。

5 結(jié)語

太陽能沼氣互補(bǔ)型熱水器系統(tǒng)利用可再生能源，并充分回收生活中的廢水余熱及煙氣余熱，利用重力熱管技術(shù)回收大氣環(huán)境熱量，提高沼氣池的沼氣產(chǎn)量。該熱水器系統(tǒng)克服了太陽能熱水器冬季供熱水不足，電熱水器及空氣能熱水器耗電量大，燃?xì)鉄崴饕驓庠磫栴}在農(nóng)村尚未普及的缺點(diǎn)，節(jié)能環(huán)保、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益顯著。