太陽能沼氣互補型熱水器系統(tǒng)設計

虞婷婷, 周 前, 靳俊杰, 邢菲菲, 梅傲寒

(河南城建學院，河南平頂山467000)

1 概述

沼氣作為一種清潔的可再生能源，對節(jié)能減排及能源結構調整意義重大[1]。在我國廣大農(nóng)村，沼氣資源比較豐富，2000年以來，隨著政策扶持力度加大，以及農(nóng)民的收入不斷增加，農(nóng)民的環(huán)保意識逐漸增強，使得沼氣成為農(nóng)村的主要能源之一[2]。沼氣的發(fā)酵過程受周圍環(huán)境的溫度影響比較大。研究表明沼氣發(fā)酵存在兩個產(chǎn)氣的高峰區(qū)：一個溫度為30～40 ℃，另一個溫度為50～60 ℃[3]。該溫度在很多地方很難一年四季得到滿足，因此在一定程度上制約了沼氣的發(fā)展。

近年來，太陽能和沼氣互補的系統(tǒng)越來越多地被研究設計開發(fā)和利用?；趯崴鞯难芯亢蛻?，我們考慮在原有技術的基礎上將太陽能和沼氣結合的系統(tǒng)進行改進后應用到熱水器中，充分利用太陽能和沼氣這兩種清潔可再生能源進行優(yōu)勢互補，并將重力熱管技術應用于沼氣池發(fā)酵過程中。這樣可以提高沼氣反應裝置的產(chǎn)氣率和沼氣使用的效率。

2 太陽能沼氣互補型熱水器系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)原理

該系統(tǒng)是一種充分利用廢熱和清潔能源的新型熱水器系統(tǒng)。充分利用農(nóng)村炊事燃燒木材、秸稈等產(chǎn)生的煙氣中的廢熱，以及洗浴水中的廢熱，對溫度較低的沼氣池進行加熱。此外，利用重力熱管技術將外界大氣環(huán)境中的熱量回收利用對沼氣池加熱。

2.2 系統(tǒng)流程

該熱水器系統(tǒng)由3部分組成：太陽能熱水器系統(tǒng)、沼氣池換熱系統(tǒng)和沼氣熱水爐系統(tǒng)。系統(tǒng)流程見圖1。

① 太陽能熱水器系統(tǒng)

通過小型循環(huán)水泵，不斷把水從儲熱水箱輸送到太陽能集熱器加熱，然后儲存在儲熱水箱中。當太陽輻射照度小于限值時，循環(huán)水泵停止工作。儲熱水箱中的熱水通過管道輸送到洗浴間供使用。

② 沼氣池換熱系統(tǒng)

該系統(tǒng)中的沼氣池改變傳統(tǒng)做法，把沼氣池建在高2.5 m的鋼架上，沼氣池四圍用保溫材料保溫，并在底部安裝重力熱管。根據(jù)重力熱管的工作原理，通過外界的高溫條件，把大氣中的熱量傳遞到沼氣池中，尤其是夏季，效果尤為明顯。因為重力熱管具有方向性，只能把熱量從大氣傳遞到沼氣池中而不可能反方向傳熱。

當洗浴間高于沼氣池位置時，洗浴水在重力作用下通過管道流進沼氣池中的換熱器，起到對沼氣池加熱的作用，然后排入下水道。當洗浴間低于沼氣池位置時，洗浴水先排入蓄水池，然后通過水泵輸送到沼氣池中的換熱器進行換熱(圖1畫出的是這種工況)。

圖1 太陽能沼氣互補型熱水器系統(tǒng)流程

炊事中燃燒木材、秸稈等產(chǎn)生的煙氣，通過煙氣管進入到沼氣池中的換熱器中，同樣起到加熱沼氣池的作用。

通過以上方式對沼氣池加熱，使得沼氣池保持較高的溫度，從而大大增加了沼氣池的沼氣產(chǎn)量。把產(chǎn)生的沼氣儲存在沼氣袋中，需要時使用。

③ 沼氣熱水爐系統(tǒng)

在儲熱水箱中設置溫度控制裝置，當儲熱水箱中的水溫低于設定的溫度值時，說明太陽能集熱器提供的熱水溫度不夠，此時沼氣熱水爐開啟，燃燒來自沼氣袋中的沼氣，加熱儲熱水箱中的水，當水溫達到設定的上限值時，通過控制系統(tǒng)關閉沼氣熱水爐。

3 供需熱量計算

3.1 冬季耗熱量的計算

本文只針對冬季進行經(jīng)濟性分析，以平頂山地區(qū)農(nóng)村5口之家為例，所需要的洗浴耗熱量計算公式為[4]：

(1)

式中Qr——熱水供應平均小時熱負荷，J/h

c——水的比熱容，J/(kg·K)，取4 187 J/(kg·K)

n——用熱水人數(shù)，人

ρ——熱水密度，kg/m3

V——熱水用量，m3/(人·d)

θr——熱水溫度，℃

θl——冷水溫度，℃

t——每天供水時間，h/d，取24 h/d

按照GB 50015—2003《建筑給水排水設計規(guī)范》(2009年版)第5.1.1條的規(guī)定，住宅每人每日最高日用水定額為40～80 L/(人·d)，本文取60 L/(人·d)；冷水溫度按照地下水10 ℃來取，熱水溫度按照熱水器配水點水溫45 ℃來??；45 ℃時的水密度為990 kg/m3；用水人數(shù)按照5人來算。根據(jù)公式(1)可計算出每小時耗熱量約為1 813 kJ，則1 d的耗熱量為43 524 kJ，冬季按照90 d計，則整個冬季洗浴用水耗熱量為3 917 148 kJ。

3.2 太陽能集熱器提供熱量的計算

Q=Hηc(1-L)A

(2)

式中Q——太陽能集熱器每天提供的熱量，kJ/d

H——當?shù)丶療崞鞑晒饷嫔系娜站剌椛淞浚琸J/(m2·d)

ηc——集熱器日平均熱效率，國標經(jīng)驗值取0.4～0.55，此處取0.5

A——集熱器面積，m2

本文采用平板集熱器，集熱器面積為3 m2，集熱器與水平面夾角為45°，按集熱器位于鄭州地區(qū)計算，冬季日均曝輻射量為11 078.81 kJ/(m2·d)，則根據(jù)公式(2)可計算得到太陽能集熱器每天提供的熱量為13 294.6 kJ/d，則整個冬季(按照90 d計)提供的熱量為1 196 511 kJ。

3.3 沼氣產(chǎn)量的計算

戶用沼氣池產(chǎn)氣率一般為0.20～0.25 m3/(m3·d)，本文建立一個8 m3的露天沼氣池，因該沼氣池采用重力熱管及余熱利用技術，產(chǎn)氣率可取0.3 m3/(m3·d)，則冬季沼氣產(chǎn)量為216 m3。1 m3沼氣燃燒產(chǎn)生熱量約為20 930～25 120 kJ[5]，此處取23 000 kJ。

3.4 供需熱量的關系

整個冬季洗浴用水所需的熱量為3 917 148 kJ，太陽能集熱器提供的熱量 為1 196 511 kJ，沼氣熱水爐參照市場燃氣熱水器能效等級標準，其熱效率取85%，可計算得到為滿足洗浴用熱量，還需139.2 m3的沼氣,已知冬季沼氣產(chǎn)量為216 m3，可知冬季產(chǎn)生的沼氣量足夠使用。

4 幾種熱水器的經(jīng)濟性對比分析

本文只考慮冬季洗浴用水來進行經(jīng)濟性分析。由于大部分農(nóng)村地區(qū)尚未接通燃氣，故在經(jīng)濟性對比分析時，只考慮與太陽能熱水器、電熱水器及空氣能熱水器的對比。

太陽能熱水器系統(tǒng)的造價可參照太陽能平板集熱器及附件造價。沼氣池換熱系統(tǒng)參照國家的相關政策補貼,并考慮支架、保溫材料及重力熱管費用。沼氣熱水爐可參照市場上較低廉的燃氣熱水器價格。其他末端或輔助設備如水泵、閥門及管道等造價可根據(jù)市場行情確定。

年運行費用包括燃料費用、設備維護費、電費等。電價按平頂山市收費標準0.56元/(kW·h)計算，設備維護費按系統(tǒng)造價的2%計算。該新型熱水器系統(tǒng)所需的沼氣燃料費用及運行時的人工成本均可不計。根據(jù)冬季需提供的熱量為3 917 148 kJ進行計算，太陽能沼氣互補型熱水器系統(tǒng)中過剩的沼氣根據(jù)熱量折合成天然氣，再根據(jù)天然氣市場價格折合成收入，在運行費用中扣除。幾種熱水器的經(jīng)濟性對比分析見表1。其中，年計算費用為平均每年造價與運行費用的和。

表1 幾種熱水器的經(jīng)濟性對比分析

由表1可知，太陽能熱水器的年計算費用最低，其次是太陽能沼氣互補型熱水器，空氣能熱水器最高。雖然表1中太陽能熱水器的年計算費用最低，但冬季很多時候水溫達不到洗浴溫度，無法使用。除了太陽能熱水器，太陽能沼氣互補型熱水器的年計算費用最低。

5 結語

太陽能沼氣互補型熱水器系統(tǒng)利用可再生能源，并充分回收生活中的廢水余熱及煙氣余熱，利用重力熱管技術回收大氣環(huán)境熱量，提高沼氣池的沼氣產(chǎn)量。該熱水器系統(tǒng)克服了太陽能熱水器冬季供熱水不足，電熱水器及空氣能熱水器耗電量大，燃氣熱水器因氣源問題在農(nóng)村尚未普及的缺點，節(jié)能環(huán)保、經(jīng)濟和社會效益顯著。