王斌斌，扈澤波，盧玉才

（江蘇海洋大學(xué) 理學(xué)院，江蘇連云港 222005）

太陽能是最重要的能源，每年地球表面接收到的太陽輻射能約27萬億t標(biāo)準(zhǔn)煤，是目前世界能源消費(fèi)總量的2000多倍。人類歷史中利用最久的能源就是沼氣，戶用沼氣池在上百年前就有相關(guān)記載。國內(nèi)沼氣池的發(fā)展是從農(nóng)村開始的。1920年起，我國在農(nóng)村推廣沼氣池，利用沼氣解決了農(nóng)村家庭的炊事、照明等問題。利用生態(tài)農(nóng)業(yè)模式綜合沼氣發(fā)酵，已成為農(nóng)村經(jīng)濟(jì)新的增長點(diǎn)。此外，沼氣池的利用可改善因秸稈焚燒等導(dǎo)致的環(huán)境問題，還有提高農(nóng)作物的產(chǎn)量等諸多好處。由于沼氣池發(fā)酵效率主要受溫度影響，低溫條件下產(chǎn)氣率低且會(huì)出現(xiàn)凍裂現(xiàn)象，無法保證沼氣池的正常運(yùn)行。針對(duì)該問題，本文提出了太陽能加熱的戶用沼氣池設(shè)計(jì)。

1 太陽能加熱的戶用沼氣池系統(tǒng)

系統(tǒng)主要由太陽能熱水循環(huán)系統(tǒng)和沼氣系統(tǒng)兩部分組成。在冬季，通過太陽能熱水系統(tǒng)加熱沼氣池，維持沼氣池正常發(fā)酵所需的溫度，確保沼氣池的高效利用。在夏季，沼氣池?zé)o需加熱，熱水系統(tǒng)則用來提供日常沐浴用水。

沼氣池是制造沼氣的一種設(shè)施。沼氣池的使用年限隨各地的土壤、氣候、選材等情況而有所不同。在農(nóng)村一般來說沼氣池的使用壽命都在10年以上，一些新型的沼氣池或者沼氣罐使用壽命可長達(dá)20年之久。隨著科技的發(fā)展，沼氣池技術(shù)有了巨大的革新。從沼氣的利用歷史以及現(xiàn)狀來看，沼氣加以太陽能集熱系統(tǒng)體現(xiàn)了能源、環(huán)境建設(shè)的完美融合，具有良好的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生態(tài)效益。

沼氣發(fā)酵微生物的代謝活動(dòng)與溫度有著密切的關(guān)系。在一定范圍內(nèi)，溫度越高，沼氣微生物的代謝越旺盛，沼氣產(chǎn)量越多，即溫度升高有利于提高沼氣的產(chǎn)量。常見的加溫方式有電熱膜加溫、化石能源熱水鍋爐加溫、太陽能加溫、地源熱泵加溫和發(fā)電余熱加溫5種[1]。本文采用集熱熱水系統(tǒng)加溫方式。

太陽能熱水強(qiáng)制循環(huán)系統(tǒng)由集熱器、換熱器、控制系統(tǒng)、循環(huán)水泵及輔助部件五個(gè)部分組成[2]。其中，太陽能集熱器為主要部件，吸收太陽輻射能轉(zhuǎn)化為水的熱能。熱水由管道流到沼氣池內(nèi)的換熱器中，將熱量輸送到沼氣池，沼氣池的溫度就得以增高。

2 沼氣池?zé)嶝?fù)荷設(shè)計(jì)計(jì)算

為維持沼氣池的平衡，需要計(jì)算出沼氣池的基本熱負(fù)荷，包括內(nèi)部消耗的熱負(fù)荷和投料的熱負(fù)荷，從而計(jì)算出集熱器的集熱面積。沼氣池的熱損失受土壤的熱物性影響[3]，需要考慮周邊泥土的導(dǎo)熱系數(shù)、導(dǎo)溫系數(shù)等物性參數(shù)，以及周邊固、液、氣的綜合傳熱系數(shù)等，如表2所示。

表2 沼氣池?zé)嶝?fù)荷計(jì)算結(jié)果

2.1 沼氣池尺寸設(shè)計(jì)

本文按照普通農(nóng)村家庭的土地使用條件以及當(dāng)?shù)剞r(nóng)村地區(qū)年均沼氣使用量確定本設(shè)計(jì)中沼氣池的體積為8m3。經(jīng)過查閱，引入了通用計(jì)算公式：

式中，H為沼氣池的高度；Ss沼氣池上部截面面積；Sx沼氣池下部截面面積；Sq沼氣池四周截面面積。

為方便計(jì)算，選取了近幾年沼氣池的各種池型中最標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)——圓柱形戶用沼氣池。地下式農(nóng)村沼氣池按國標(biāo)池在中國南方池底深度為2m，但是考慮到后期維護(hù)，沼氣池的高取1.5m。經(jīng)過計(jì)算，池底是半徑約1.3m的圓。

2.2 沼氣池?zé)嶝?fù)荷設(shè)計(jì)計(jì)算

戶用沼氣池以熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流為主，忽略輻射傳熱。查閱資料可得沼氣池周邊泥土的熱物性參數(shù)[4]。連云港當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)村地區(qū)沼氣池一般是建在廁所等一些較為潮濕的位置，因此計(jì)算中選用建筑物下的種植土的物性參數(shù)。常規(guī)而言，沼氣池內(nèi)部有一定的儲(chǔ)氣空間，有著空氣和四壁之間的傳熱，這與四壁換熱、空氣換熱有關(guān)，取對(duì)流傳熱系數(shù)hs=8.7W/（m2·℃）[5]。按照對(duì)流傳熱，對(duì)流傳熱系數(shù)h為：

式中，Nu為努塞爾數(shù)；λ為導(dǎo)熱系數(shù)；d為特征長度。努塞爾數(shù)由自然對(duì)流傳熱準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式得出：

式中Gr為格拉曉夫數(shù)；Pr為普朗特?cái)?shù)；C，n均為常數(shù)，由當(dāng)?shù)貤l件確定。對(duì)于四壁的計(jì)算，C和n取0.59和0.25；沼氣池底部取C和n分別為0.54和0.25。得出四壁的對(duì)流傳熱系數(shù)為hq=8.14W/（m2·℃），沼氣池池底部的對(duì)流傳熱系數(shù)為hx=7.02W/（m2·℃）。

首先，設(shè)計(jì)沼氣池的四壁壁厚均為0.1m；周邊的保溫層以及覆蓋的泥土厚度按上部蓋為0.5m、下部池底為3.5m、四壁周邊為10m計(jì)算。根據(jù)傳熱方程式：

式中：

其中，k為綜合傳熱系數(shù)；h1、h2為對(duì)流傳熱系數(shù)；ε1ε2、為厚度。

（1）沼氣池的上部消耗熱負(fù)荷計(jì)算

式中，AS為上部池蓋面積，AS=πR2≈ 5.31m2；ts為設(shè)定的溫度；t為當(dāng)?shù)氐乇碓缕骄鶞囟?；h0為地表面對(duì)流傳熱系數(shù)，取23W/（m2·℃）；ε0為沼氣池池蓋周邊泥土厚度，取0.5m；ε1為沼氣池池蓋厚度，取0.1m；λ0為沼氣池周邊泥土導(dǎo)熱系數(shù)，取1.89W/（m·℃）；λ0為沼氣池池蓋建筑導(dǎo)熱系數(shù)，取1.84W/（m·℃）。

（2）沼氣池的下部消耗熱負(fù)荷計(jì)算

連云港地下4.5m月平均溫度應(yīng)與地表溫度差不多，此處按地表溫度計(jì)算。

式中，Ax= 5.31m2為下部池蓋面積；t'——為當(dāng)?shù)氐叵?.5m月平均溫度；ε0′為沼氣池池底周邊泥土厚度，取3.5m；ε1′為沼氣池池底部厚度，取0.1m。

（3）沼氣池的四壁消耗熱負(fù)荷計(jì)算

沼氣池四周的壁面導(dǎo)熱屬于多層圓筒壁導(dǎo)熱：

式中Hq為沼氣池高度，取1m；d1為沼氣池的內(nèi)徑，取1.4m；d2為沼氣池的外徑，取1.5m；d3為四周泥土的外徑，取11.5m。

（4）沼氣池的投入配料消耗熱負(fù)荷計(jì)算

沼氣池的投入配料計(jì)算按投入原料比計(jì)算[6]：

式中，m為初始投入量，取m≈68kg/d；Cl為投入配料的比熱。這里的進(jìn)料比熱取3.741kJ/（kg·℃）[3]。通過查閱資料，一次投料過后一般能夠連續(xù)使用1～2個(gè)月，本文默認(rèn)每2個(gè)月投料一次。

連云港農(nóng)村地區(qū)的土地平均溫度為15.3℃，平均日太陽輻射為3.78kWh/d，平均風(fēng)速為3.7m/s。當(dāng)?shù)剞r(nóng)村地區(qū)的太陽輻射較為適宜，土地溫度較為平穩(wěn)。設(shè)計(jì)采用真空集熱管的集熱熱水系統(tǒng)。對(duì)于沼氣池內(nèi)溫度，設(shè)計(jì)選取了兩個(gè)方案，溫度設(shè)定如表1所示。

表1 沼氣池內(nèi)設(shè)定溫度

方案1是為了追求沼氣池產(chǎn)氣量最高所設(shè)定的溫度節(jié)點(diǎn)；方案2考慮到實(shí)際上只需要滿足冬季前后時(shí)間點(diǎn)的正常沼氣產(chǎn)氣量即可，從而參考當(dāng)?shù)販囟人O(shè)的溫度節(jié)點(diǎn)。由每個(gè)月的日平均消耗熱負(fù)荷（如表2所示），按每個(gè)月30d計(jì)算，得出方案1：一年總的熱負(fù)荷為Q=Qs+Qx+Qq+Ql=190.526kW。同理得出方案2為146.716kW。

方案1為了追求最大產(chǎn)氣量，溫度設(shè)定具有跳躍性，可能會(huì)使沼氣池的運(yùn)作不穩(wěn)定。為保證沼氣池的穩(wěn)定運(yùn)作，設(shè)定的溫度應(yīng)該隨著當(dāng)?shù)販囟染徛f增或遞減。夏季的當(dāng)?shù)貧鉁厥强梢詽M足沼氣池的正常發(fā)酵的，因此更傾向選擇方案2的設(shè)定溫度。當(dāng)按照方案1設(shè)定溫度為25、35、55℃時(shí)，可以明顯發(fā)現(xiàn)冬季前后消耗的熱負(fù)荷遠(yuǎn)小于夏季。1月、2月、3月熱負(fù)荷相差不多，但4月熱負(fù)荷明顯高出3月。隨著當(dāng)?shù)販囟鹊木徛撸O(shè)定溫度的陡然升高雖然能使沼氣的產(chǎn)氣量極大提升，但是追求產(chǎn)氣量的量大可能會(huì)使沼氣池的運(yùn)作不穩(wěn)定。按照方案2設(shè)定溫度隨著當(dāng)?shù)販囟染徛f增或遞減時(shí)，熱負(fù)荷會(huì)更平均。因此，方案2是比較理想的一種溫度設(shè)定方案，下文計(jì)算集熱器面積時(shí)選用方案2的設(shè)計(jì)。

3 太陽能集熱熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算

因?yàn)樘柲芗療釤崴到y(tǒng)在冬季對(duì)沼氣池的作用明顯大于夏季，因此其傾角應(yīng)當(dāng)在當(dāng)?shù)鼐暥鹊幕A(chǔ)上加上相應(yīng)度數(shù)[7]。直接式太陽能集熱熱水系統(tǒng)集熱器總面積的確定可以根據(jù)沼氣池的熱負(fù)荷、地理環(huán)境、熱水溫度等按下式計(jì)算：

式中，Q為每月日平均的總熱負(fù)荷；f為太陽能的保證率，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇70%；t為每月的日平均日照時(shí)間，本文取4.13h；Eρ為連云港當(dāng)?shù)氐钠骄吭碌娜仗栞椛淞?；ηcd為集熱器平均的每月集熱效率，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇0.55；ηL為管路及儲(chǔ)水箱的熱損失率，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取0.2。根據(jù)每月的日平均消耗熱負(fù)荷，計(jì)算出每個(gè)月需要的集熱器集熱面積，在12個(gè)月份中選取需要集熱器最大的面積Ac≈5.709m2，選取市場(chǎng)上的真空管集熱器（一塊7.4m2），剩余的生成的熱量可以另作他用，比如可以提供給地板輻射采暖管。

4 結(jié)束語

采用太陽能集熱熱水系統(tǒng)與戶用沼氣池結(jié)合，能夠在沼氣池原料充足時(shí)保持沼氣池的溫度穩(wěn)定，同時(shí)太陽能集熱熱水系統(tǒng)可以滿足夏季生活用熱水。經(jīng)過調(diào)研，連云港的農(nóng)村地區(qū)并沒有完全通入燃?xì)?，更多的家庭用煤氣灶來生火做飯。煤氣罐一?10元一瓶，每次裝入煤氣成本也在100元左右，而一罐煤氣一般可供一個(gè)3～5人家庭使用約25d，若家庭人數(shù)較多，使用時(shí)間更短。少部分家庭使用如稻草、樹枝之類的農(nóng)作物生火做飯，每年秋季也經(jīng)常出現(xiàn)焚燒秸稈的現(xiàn)象，造成環(huán)境污染。同時(shí)，每戶家庭使用的化糞池也需要清理維護(hù)，每次清理的成本100元左右。戶用沼氣系統(tǒng)的建造成本約1500元，可供使用年限都在10年以上，每年度對(duì)沼氣池的維護(hù)也不過100～200元。因此，沼氣池的選用特別符合農(nóng)村地區(qū)的生活條件和生活環(huán)境，不僅滿足了每戶家庭的需求，也充分利用了能源的二次轉(zhuǎn)化，做到物盡其用，具有很好的現(xiàn)實(shí)意義。