沼氣集中供氣工程太陽(yáng)能增溫技術(shù)研究.pdf

1、戶用沼氣正在向整村沼氣集中供氣轉(zhuǎn)變，大中型沼氣池具有廣闊的發(fā)展前景，研究開(kāi)發(fā)太陽(yáng)能沼氣池供熱系統(tǒng)具有十分重要的意義。本文針對(duì)大中型沼氣池冬季發(fā)酵溫度低、控制方式不合理等問(wèn)題，對(duì)太陽(yáng)能沼氣池供熱系統(tǒng)進(jìn)行深入研究。對(duì)浙江省諸暨市太陽(yáng)能加熱沼氣工程和浙江省開(kāi)化縣太陽(yáng)能-空氣源熱泵加熱沼氣工程的池內(nèi)外熱環(huán)境進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)連續(xù)檢測(cè)，檢測(cè)參數(shù)包括室外環(huán)境參數(shù)（環(huán)境溫度、太陽(yáng)總輻射強(qiáng)度、風(fēng)速風(fēng)向）、沼氣池溫度、水箱溫度和熱流量。并利用測(cè)試數(shù)據(jù)分析兩個(gè)實(shí)驗(yàn)沼

2、氣池的加熱系統(tǒng)性能，找出系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)提出改進(jìn)意見(jiàn)。
　　研究結(jié)果表明，浙江諸暨地區(qū)的太陽(yáng)能加熱沼氣工程，在2015年12月8日至2016年3月31日期間，總熱負(fù)荷中占比最大的是池體散熱，其中頂部散熱量占總熱負(fù)荷的29.39％～29.74％，底部散熱量占18.09％～18.39％，側(cè)壁散熱量占38.41％～39.03％。12月8日～1月27日由于太陽(yáng)能輻射強(qiáng)度小、循環(huán)溫差設(shè)定值較高導(dǎo)致無(wú)法達(dá)到當(dāng)前設(shè)定循環(huán)溫差，所以沼氣池在該期間沒(méi)有

3、得到熱量。當(dāng)前投料量遠(yuǎn)低于理論投料量，從22℃開(kāi)始即使沼液溫度增加，產(chǎn)氣量也不會(huì)增加。
　　浙江開(kāi)化地區(qū)的太陽(yáng)能-空氣源熱泵加熱沼氣工程，在2015年12月9日至2016年3月31日測(cè)試期間，總的熱損失中沼氣池最主要的能量散失途徑是池體散熱量，頂部散熱量占36.33％～41.98％，底部散熱量占19.70％～27.55％，側(cè)壁散熱量占14.94％～15.80％。沼氣池的發(fā)酵溫度上限值是23℃，超過(guò)這個(gè)上限值后即使發(fā)酵溫度增加產(chǎn)氣量

4、也不會(huì)增加。
　　利用能量守恒原理建立太陽(yáng)能沼氣池供熱系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，并用模擬值和實(shí)測(cè)值之間的平均誤差和平均相對(duì)誤差驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。結(jié)果表明，在典型的晴天、多云和陰天，開(kāi)化縣沼氣池和諸暨沼氣池中的料液溫度的檢測(cè)值和模擬值的最大平均誤差分別是0.159℃和0.285℃，其最大相對(duì)誤差分別為0.73％和1.47％，模型準(zhǔn)確度良好。
　　根據(jù)諸暨太陽(yáng)能沼氣池供熱系統(tǒng)模型，利用與諸暨地區(qū)相近的杭州典型年數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬，改變太陽(yáng)能集熱器

5、與儲(chǔ)熱水箱、儲(chǔ)熱水箱與沼氣池之間的循環(huán)溫差。結(jié)果發(fā)現(xiàn):在12月～3月，太陽(yáng)能與儲(chǔ)熱水箱和儲(chǔ)熱水箱與沼氣池沼液的循環(huán)溫差為(15℃,10℃)、(15℃,5℃)、(10℃,10℃)、(10℃,5℃)和(5℃,5℃)時(shí)的平均溫度比當(dāng)前的循環(huán)溫差(15℃，15℃)下分別高2.49℃、3.48℃、3.57℃、4.64℃和5.41℃。在當(dāng)前投料量下循環(huán)溫差為(5℃，5℃)的時(shí)候，12月份～3月份發(fā)酵溫度都高于22℃，日產(chǎn)氣量保持68m3左右。所以循

6、環(huán)溫差如果繼續(xù)減小，發(fā)酵溫度會(huì)增加，但是在投料量不變的情況下，產(chǎn)氣量不變，因此建議循環(huán)溫差設(shè)置為(5℃，5℃)。
　　根據(jù)建立的開(kāi)化太陽(yáng)能沼氣池供熱系統(tǒng)模型，利用與開(kāi)化地區(qū)相近的衢州典型年數(shù)據(jù)模擬分析發(fā)酵溫度23℃時(shí)的系統(tǒng)運(yùn)行情況。得出以下結(jié)論:(1)在系統(tǒng)總耗電量中熱泵機(jī)組耗電量占據(jù)的份額最大，達(dá)到60％以上;(2)低溫季節(jié)的系統(tǒng)總耗電量占全年系統(tǒng)總耗電量的80.29％;(3)集熱器面積在50m2～100m2時(shí)，聯(lián)合加熱系統(tǒng)的經(jīng)

7、濟(jì)性優(yōu)于單獨(dú)的空氣源熱泵加熱系統(tǒng)。如果集熱器單價(jià)在700元/m2內(nèi)，投資效益凈現(xiàn)值隨太陽(yáng)能集熱器面積的增加而增加。在太陽(yáng)能集熱器單價(jià)為800元/m2時(shí)，投資效益凈現(xiàn)值在80 m2時(shí)達(dá)到最大值，然后開(kāi)始減小。
　　最后，設(shè)計(jì)計(jì)算一個(gè)杭州地區(qū)利用太陽(yáng)能和空氣源熱泵聯(lián)合加熱的500 m3標(biāo)準(zhǔn)鋼筋混凝土沼氣池，然后建立相應(yīng)的太陽(yáng)能沼氣池供熱系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，模擬分析了杭州地區(qū)典型年利用太陽(yáng)能和空氣源熱泵聯(lián)合加熱的500m3標(biāo)準(zhǔn)鋼筋混凝土沼氣池

8、的兩種情況:(1)給定加熱系統(tǒng)改變發(fā)酵溫度設(shè)定值;(2)給定發(fā)酵溫度和空氣源熱泵功率改變太陽(yáng)能面積。得出以下結(jié)論:
　　1.加熱系統(tǒng)中太陽(yáng)能集熱器面積為184m2，空氣源熱泵機(jī)組功率7.5kW時(shí)，在20℃～30℃發(fā)酵溫度范圍內(nèi)，在沼氣定價(jià)為1.2元/m3時(shí)，在低溫季節(jié)和全年情況下，凈利潤(rùn)都先增加后減小，并且都在29℃時(shí)達(dá)到最大值。所以如果以利潤(rùn)最大化為目標(biāo)，建議全年發(fā)酵溫度設(shè)定在29℃。將沼氣換算為天然氣價(jià)格時(shí)，售價(jià)為2.27元/

9、m3，低溫季節(jié)和全年的凈利潤(rùn)在20℃～30℃內(nèi)都隨著發(fā)酵溫度增加而增加，所以發(fā)酵溫度設(shè)定值越高經(jīng)濟(jì)性越好。
　　2.給定發(fā)酵溫度25℃，對(duì)應(yīng)的加熱系統(tǒng)中加熱系統(tǒng)中空氣源熱泵機(jī)組功率為7.5kW，太陽(yáng)能集熱器面積變化區(qū)間是30 m2～250 m2。太陽(yáng)能集熱器單價(jià)為500元/m2時(shí)，投資效益凈現(xiàn)值為正值且隨著集熱器面積增加而增加。集熱器單價(jià)為600、700和800元/m2時(shí)，投資效益凈現(xiàn)值最大時(shí)對(duì)應(yīng)的集熱器面積分別是220 m2、2