太陽能加熱的戶用沼氣池設計

王斌斌，扈澤波，盧玉才

（江蘇海洋大學 理學院，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標準煤，是目前世界能源消費總量的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記載。國內沼氣池的發展是從農村開始的。1920年起，我國在農村推廣沼氣池，利用沼氣解決了農村家庭的炊事、照明等問題。利用生態農業模式綜合沼氣發酵，已成為農村經濟新的增長點。此外，沼氣池的利用可改善因秸稈焚燒等導致的環境問題，還有提高農作物的產量等諸多好處。由于沼氣池發酵效率主要受溫度影響，低溫條件下產氣率低且會出現凍裂現象，無法保證沼氣池的正常運行。針對該問題，本文提出了太陽能加熱的戶用沼氣池設計。

1 太陽能加熱的戶用沼氣池系統

系統主要由太陽能熱水循環系統和沼氣系統兩部分組成。在冬季，通過太陽能熱水系統加熱沼氣池，維持沼氣池正常發酵所需的溫度，確保沼氣池的高效利用。在夏季，沼氣池無需加熱，熱水系統則用來提供日常沐浴用水。

沼氣池是制造沼氣的一種設施。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20年之久。隨著科技的發展，沼氣池技術有了巨大的革新。從沼氣的利用歷史以及現狀來看，沼氣加以太陽能集熱系統體現了能源、環境建設的完美融合，具有良好的經濟、社會、生態效益。

沼氣發酵微生物的代謝活動與溫度有著密切的關系。在一定范圍內，溫度越高，沼氣微生物的代謝越旺盛，沼氣產量越多，即溫度升高有利于提高沼氣的產量。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、地源熱泵加溫和發電余熱加溫5種[1]。本文采用集熱熱水系統加溫方式。

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

2 沼氣池熱負荷設計計算

為維持沼氣池的平衡，需要計算出沼氣池的基本熱負荷，包括內部消耗的熱負荷和投料的熱負荷，從而計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熱系數、導溫系數等物性參數，以及周邊固、液、氣的綜合傳熱系數等，如表2所示。

表2 沼氣池熱負荷計算結果

2.1 沼氣池尺寸設計

本文按照普通農村家庭的土地使用條件以及當地農村地區年均沼氣使用量確定本設計中沼氣池的體積為8m3。經過查閱，引入了通用計算公式：

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。

為方便計算，選取了近幾年沼氣池的各種池型中最標準的結構——圓柱形戶用沼氣池。地下式農村沼氣池按國標池在中國南方池底深度為2m，但是考慮到后期維護，沼氣池的高取1.5m。經過計算，池底是半徑約1.3m的圓。

2.2 沼氣池熱負荷設計計算

戶用沼氣池以熱傳導、熱對流為主，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[4]。連云港當地的農村地區沼氣池一般是建在廁所等一些較為潮濕的位置，因此計算中選用建筑物下的種植土的物性參數。常規而言，沼氣池內部有一定的儲氣空間，有著空氣和四壁之間的傳熱，這與四壁換熱、空氣換熱有關，取對流傳熱系數hs=8.7W/（m2·℃）[5]。按照對流傳熱，對流傳熱系數h為：

式中，Nu為努塞爾數；λ為導熱系數；d為特征長度。努塞爾數由自然對流傳熱準則關聯式得出：

式中Gr為格拉曉夫數；Pr為普朗特數；C，n均為常數，由當地條件確定。對于四壁的計算，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。得出四壁的對流傳熱系數為hq=8.14W/（m2·℃），沼氣池池底部的對流傳熱系數為hx=7.02W/（m2·℃）。

首先，設計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計算。根據傳熱方程式：

式中：

其中，k為綜合傳熱系數；h1、h2為對流傳熱系數；ε1ε2、為厚度。

（1）沼氣池的上部消耗熱負荷計算

式中，AS為上部池蓋面積，AS=πR2≈ 5.31m2；ts為設定的溫度；t為當地地表月平均溫度；h0為地表面對流傳熱系數，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熱系數，取1.89W/（m·℃）；λ0為沼氣池池蓋建筑導熱系數，取1.84W/（m·℃）。

（2）沼氣池的下部消耗熱負荷計算

連云港地下4.5m月平均溫度應與地表溫度差不多，此處按地表溫度計算。

式中，Ax= 5.31m2為下部池蓋面積；t'——為當地地下4.5m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荷計算

沼氣池四周的壁面導熱屬于多層圓筒壁導熱：

式中Hq為沼氣池高度，取1m；d1為沼氣池的內徑，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荷計算

沼氣池的投入配料計算按投入原料比計算[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使用1～2個月，本文默認每2個月投料一次。

連云港農村地區的土地平均溫度為15.3℃，平均日太陽輻射為3.78kWh/d，平均風速為3.7m/s。當地農村地區的太陽輻射較為適宜，土地溫度較為平穩。設計采用真空集熱管的集熱熱水系統。對于沼氣池內溫度，設計選取了兩個方案，溫度設定如表1所示。

表1 沼氣池內設定溫度

方案1是為了追求沼氣池產氣量最高所設定的溫度節點；方案2考慮到實際上只需要滿足冬季前后時間點的正常沼氣產氣量即可，從而參考當地溫度所設的溫度節點。由每個月的日平均消耗熱負荷（如表2所示），按每個月30d計算，得出方案1：一年總的熱負荷為Q=Qs+Qx+Qq+Ql=190.526kW。同理得出方案2為146.716kW。

方案1為了追求最大產氣量，溫度設定具有跳躍性，可能會使沼氣池的運作不穩定。為保證沼氣池的穩定運作，設定的溫度應該隨著當地溫度緩慢遞增或遞減。夏季的當地氣溫是可以滿足沼氣池的正常發酵的，因此更傾向選擇方案2的設定溫度。當按照方案1設定溫度為25、35、55℃時，可以明顯發現冬季前后消耗的熱負荷遠小于夏季。1月、2月、3月熱負荷相差不多，但4月熱負荷明顯高出3月。隨著當地溫度的緩慢升高，設定溫度的陡然升高雖然能使沼氣的產氣量極大提升，但是追求產氣量的量大可能會使沼氣池的運作不穩定。按照方案2設定溫度隨著當地溫度緩慢遞增或遞減時，熱負荷會更平均。因此，方案2是比較理想的一種溫度設定方案，下文計算集熱器面積時選用方案2的設計。

3 太陽能集熱熱水系統設計計算

因為太陽能集熱熱水系統在冬季對沼氣池的作用明顯大于夏季，因此其傾角應當在當地緯度的基礎上加上相應度數[7]。直接式太陽能集熱熱水系統集熱器總面積的確定可以根據沼氣池的熱負荷、地理環境、熱水溫度等按下式計算：

式中，Q為每月日平均的總熱負荷；f為太陽能的保證率，根據經驗選擇70%；t為每月的日平均日照時間，本文取4.13h；Eρ為連云港當地的平均每月的日太陽輻射量；ηcd為集熱器平均的每月集熱效率，根據經驗選擇0.55；ηL為管路及儲水箱的熱損失率，根據經驗取0.2。根據每月的日平均消耗熱負荷，計算出每個月需要的集熱器集熱面積，在12個月份中選取需要集熱器最大的面積Ac≈5.709m2，選取市場上的真空管集熱器（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 結束語

采用太陽能集熱熱水系統與戶用沼氣池結合，能夠在沼氣池原料充足時保持沼氣池的溫度穩定，同時太陽能集熱熱水系統可以滿足夏季生活用熱水。經過調研，連云港的農村地區并沒有完全通入燃氣，更多的家庭用煤氣灶來生火做飯。煤氣罐一般110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3～5人家庭使用約25d，若家庭人數較多，使用時間更短。少部分家庭使用如稻草、樹枝之類的農作物生火做飯，每年秋季也經常出現焚燒秸稈的現象，造成環境污染。同時，每戶家庭使用的化糞池也需要清理維護，每次清理的成本100元左右。戶用沼氣系統的建造成本約1500元，可供使用年限都在10年以上，每年度對沼氣池的維護也不過100～200元。因此，沼氣池的選用特別符合農村地區的生活條件和生活環境，不僅滿足了每戶家庭的需求，也充分利用了能源的二次轉化，做到物盡其用，具有很好的現實意義。