沼氣集中供氣工程太陽能增溫技術(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，研究開發(fā)太陽能沼氣池供熱系統(tǒng)具有十分重要的意義。本文針對大中型沼氣池冬季發(fā)酵溫度低、控制方式不合理等問題，對太陽能沼氣池供熱系統(tǒng)進(jìn)行深入研究。對浙江省諸暨市太陽能加熱沼氣工程和浙江省開化縣太陽能-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)場連續(xù)檢測，檢測參數(shù)包括室外環(huán)境參數(shù)（環(huán)境溫度、太陽總輻射強(qiáng)度、風(fēng)速風(fēng)向）、沼氣池溫度、水箱溫度和熱流量。并利用測試數(shù)據(jù)分析兩個實(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。
　　研究結(jié)果表明，浙江諸暨地區(qū)的太陽能加熱沼氣工程，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日由于太陽能輻射強(qiáng)度小、循環(huán)溫差設(shè)定值較高導(dǎo)致無法達(dá)到當(dāng)前設(shè)定循環(huán)溫差，所以沼氣池在該期間沒有

3、得到熱量。當(dāng)前投料量遠(yuǎn)低于理論投料量，從22℃開始即使沼液溫度增加，產(chǎn)氣量也不會增加。
　　浙江開化地區(qū)的太陽能-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℃，超過這個上限值后即使發(fā)酵溫度增加產(chǎn)氣量

4、也不會增加。
　　利用能量守恒原理建立太陽能沼氣池供熱系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，并用模擬值和實(shí)測值之間的平均誤差和平均相對誤差驗(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，開化縣沼氣池和諸暨沼氣池中的料液溫度的檢測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，改變太陽能集熱器

5、與儲熱水箱、儲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，太陽能與儲熱水箱和儲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)建立的開化太陽能沼氣池供熱系統(tǒng)模型，利用與開化地區(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，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)。如果集熱器單價在700元/m2內(nèi)，投資效益凈現(xiàn)值隨太陽能集熱器面積的增加而增加。在太陽能集熱器單價為800元/m2時，投資效益凈現(xiàn)值在80 m2時達(dá)到最大值，然后開始減小。
　　最后，設(shè)計計算一個杭州地區(qū)利用太陽能和空氣源熱泵聯(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能面積。得出以下結(jié)論:
　　1.加熱系統(tǒng)中太陽能集熱器面積為184m2，空氣源熱泵機(jī)組功率7.5kW時，在20℃～30℃發(fā)酵溫度范圍內(nèi)，在沼氣定價為1.2元/m3時，在低溫季節(jié)和全年情況下，凈利潤都先增加后減小，并且都在29℃時達(dá)到最大值。所以如果以利潤最大化為目標(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格時，售價為2.27元/

9、m3，低溫季節(jié)和全年的凈利潤在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，太陽能集熱器面積變化區(qū)間是30 m2～250 m2。太陽能集熱器單價為500元/m2時，投資效益凈現(xiàn)值為正值且隨著集熱器面積增加而增加。集熱器單價為600、700和800元/m2時，投資效益凈現(xiàn)值最大時對應(yīng)的集熱器面積分別是220 m2、2