溫室沼氣池太陽能輔助加熱系統的試驗分析

穆曉路，馬彩雯，張彩虹，宋斌偉，曹新偉，王曉冬

（新疆農業科學院農業機械化研究所，新疆烏魯木齊　830091）

溫室沼氣池太陽能輔助加熱系統的試驗分析

穆曉路，馬彩雯，張彩虹，宋斌偉，曹新偉，王曉冬※

（新疆農業科學院農業機械化研究所，新疆烏魯木齊830091）

沼氣是有機物質在一定溫度、濕度、pH值和隔絕空氣條件下經微生物發酵而產生的可燃性氣體。影響發酵過程的因素很多，其中溫度尤為重要。隨著沼氣池發酵溫度的變化，沼氣產氣量也在變化。試驗表明：池溫低于10℃時，發酵菌幾乎處在休眠狀態，沼氣池基本停止產氣；池溫在15℃以上時，沼氣發酵才能較好地進行。

新疆地區冬季寒冷漫長，氣溫、地表溫度較低，沼氣池停止產氣，無法滿足農戶需求，導致冬季農村沼氣池大量閑置。極端寒冷時期，甚至出現凍裂沼氣池的現象，造成沼氣池停用。現在，新疆建有溫室百萬座，陽光資源豐富，冬季在溫室內建沼氣池，配以太陽能輔助加熱，使沼氣池冬季也能產氣、解決溫室種植戶生活的問題。在新疆探索一條種植、養殖循環生產的節能新模式。在農村沼氣應用中，傳統模式的保溫加熱方法在實際應用中存在一定的局限性和不便，如隔熱材料保溫技術，雖有一定效果但只能延緩料液降溫的速度，在冬季極端寒冷時期也不能保證正常發酵產氣。

近年來，隨著太陽能熱水器日益普及、成本下降，為沼氣池加熱技術提供了新方法。為此，本文設計了溫室太陽能輔助加熱戶用沼氣池系統，并進行了實驗，對其今后應用及推廣價值進行研究。

1　系統組成及工作原理

1.1系統組成

太陽能輔助加熱戶用沼氣池系統，主要是利用太陽能熱水器吸收太陽熱量提高水溫，通過水循環，加熱沼液，提高冬季沼氣池產氣溫度，利于產氣。系統如圖1所示，主要包括：水壓式保溫沼氣池（10 m3）（1）、位于沼氣池內的加熱盤管（2）與攪拌裝置（3）、太陽能供熱水箱（300 L）（4）、循環水泵（5）、控制柜和數據采集模塊（6）、脫硫器（7）、氣表（8）以及水管管路和溫度傳感器等。

圖1　太陽能輔助加熱戶用沼氣池系統示意1.攪拌器2.換熱盤管3.水壓式保溫沼氣池4.太陽能熱水器5.水泵6.控制柜和數據采集模塊7.脫硫器8.氣表

1.2工作原理

冬季，當太陽能儲水箱中的溫度高于35℃時啟動熱水循環水泵，使貯存在儲水箱中的太陽能熱水由三通閥流經沼氣池底部的螺旋加熱盤管，太陽能熱水在螺旋加熱盤管中與沼液通過溫差傳熱進行熱量交換，使池溫上升，提高產氣量。當發酵池內的溫度小于設定溫度時，由溫度傳感器反饋信號到溫控箱，從而開啟循環泵，促使熱水緩沖器中的熱水流經發酵池中的螺旋盤管換熱器進行循環，對料液加熱，提升池內料液溫度；當發酵池內溫度達到設定溫度時，再由溫度傳感器反饋信號到溫控箱，從而關閉循環泵，循環終止。

防凍循環控制：考慮到新疆地區冬季氣溫低，與太陽能熱水器連接的水管系統可能凍結。為防止此情況發生，在管路適當位置設置溫度傳感器，當管路水溫低于4℃時，水泵啟動循環；當水溫高于8℃時水泵停止。特殊極端天氣可人工排空集熱系統、以防集熱管凍結。

2　系統試驗與分析

2.1數據采集

為驗證該系統的實用性，我們在烏魯木齊西山農場進行了試驗，系統于2014年12月20日安裝運行，配套的數據采集系統于2015年1月1日開始工作，數據采集由電腦自動控制。系統安裝時室外日均氣溫處于0℃左右，水溫及接種物的溫度都較低，沼液溫度在10℃以下，系統初期需要輔以電加熱進行輔助加熱。一般工作1～3天后沼氣池內溫度便可升至15℃左右，此后電加熱停止，太陽能系統開啟運行。當天氣條件允許時，太陽能水箱溫度升高，溫差達到循環條件后，系統便進行熱水循環，通過熱水對沼液進行加熱。圖2、圖3分別為1月份測得的相關數據。

圖2　1月份太陽能水箱日最高溫度與沼氣池溫度及日均氣溫變化

圖3　沼氣日產氣量

2.2數據分析

（1）在太陽能熱水循環作用下，1月初沼氣池內溫度已經升高并保持在14℃左右；1月份溫室內氣溫在20℃左右，太陽能水箱溫度基本維持在30℃以上；沼氣池通過保溫層及太陽能水循環作用下基本高于日均氣溫10℃左右；整個1月份沼氣池溫度升高并維持在20℃左右，月底基本達到了25℃。太陽能熱水循環系統結合一定的保溫措施對沼氣池溫升及保溫的作用效果明顯。

（2）沼氣池日產氣量。由圖3可以看出，1月份隨著沼氣池內溫度的不斷升高，沼氣池日產氣量0.5 m3/d以上，隨著池內沼液溫度的升高，日產氣量也隨之升高，最高達到了3.49 m3，能夠滿足農戶一天的日常生活需求。其中26日～28日這3天日產氣量相比于其他時間要增加1 m3，28日達到了3.49 m3。究其原因，是因為對沼氣池進行了加料，由于沼氣池為水壓式，因此，加料過程中由于人為作用導致池內壓力發生變化，將池內氣體壓入氣包，氣表讀數增大；同時，加料后接下來幾天的沼氣池溫度都明顯高于先前溫度，達到了23℃，利于沼液發酵產氣，產氣量增加。

（3）能耗情況。1月份能耗分析，利用1月份記錄的當天設備運行時間及產氣量的數據，對能耗和產氣量進行經濟性比較。能耗主要以電能耗為主，包括水泵和攪拌機的電耗，水泵功率為100 W，攪拌機功率為200 W。所產沼氣按50%CH4和50%CO2組分計算，熱值為18.89 MJ/m3。整個1月份的循環耗電量及產氣量如下：①1月份由系統運行造成的電能消耗為10.28 kWh，日耗電量為0.33 kWh，總耗電量相當于37.01 MJ能量值；沼氣池1月份的總產氣量為26.98 m3，日產氣量為0.87 m3，總產氣量相當于509.65 MJ能量值；耗電量占產氣量比例為7.26%，電費在可承受范圍內；②每天只需消耗少量的電能就能產出日常生活所需沼氣量，解決了新疆寒冷地區冬季沼氣池不產氣問題，實現了冬季沼氣由無到有，證明了系統具有良好的實用性。

3　結論

在農村溫室內新建1座8～10 m3戶用太陽能沼氣池，集種植、畜禽養殖、人員生活設施等于一體，沼氣可供炊事、照明、禽畜糞便可形成沼液，沼肥可用于種菜，太陽能集熱器為沼氣池提供熱能，同時為人們提供生活熱水。

文中提出這種以太陽能輔助加熱戶用沼氣池的沼氣池加熱保溫方法，即將已有的太陽能熱水器和沼氣池集成一種新的裝置，對冬季沼氣池內沼液進行加熱，從而提高沼液溫度，提高產氣量，使冬季沼氣池產氣也能滿足一般農戶的家庭日常生活需求，實現沼氣池全年供氣。烏魯木齊西山農場試驗結果表明，在冬季，該系統每月只需消耗少量的電能，日均產氣量便能維持在0.8 m3左右，具有一定的實用性。

通訊作者：王曉冬

基金項目：自治區“十二五”科技重大專項（201130104）

收稿日期：2015-08-18

文章編號：1007-7782（2015）04-0043-02

中圖分類號:S232.7

文獻標識碼：A

doi:10.13620/j.cnki.issn1007-7782.2015.04.016