農(nóng)村沼氣和太陽能聯(lián)合供暖系統(tǒng)的實驗研究

李林光

（南城縣上唐鎮(zhèn)綜合便民服務(wù)中心，江西 南城 344300）

由于沼氣是農(nóng)村地區(qū)普遍使用的生物能源，所以將其與太陽能聯(lián)合應(yīng)用供暖是具有可行性的[1-2]。這樣的供暖系統(tǒng)不僅節(jié)約能源，還能有效降低污染物的排放量，使得太陽能和沼氣得到最大程度的利用，解決了單一能源供暖效果不好的問題。

1 系統(tǒng)簡介和測試說明

1.1 系統(tǒng)介紹

沼氣生物能與太陽能聯(lián)合供暖的熱水循環(huán)系統(tǒng)由太陽能熱水器、蓄能水箱、控制器、供水管、溫控閥、沼氣池、循環(huán)水泵、溫控閥和壁式沼氣熱水器9 個部分構(gòu)成[3]。本試驗場所設(shè)在河南省商丘市某農(nóng)場，冬季較為寒冷，使用該系統(tǒng)，可以在冬季維持室溫在18℃～22℃之間。

1.2 測試方法

本試驗重點檢測環(huán)境溫度、熱力、能耗和高壓煤量，檢測裝置一般有Pt 一百鉑電阻、安捷倫公司數(shù)據(jù)采集儀、計算機、TDS-100P 便攜式超聲波熱量計、電度表等。

利用導(dǎo)體電阻隨溫度變化這一特征，Pt 一百鉑電阻用于測量的時候，要求電阻溫度系數(shù)大，電阻率高，電阻與溫度之間最好有線性關(guān)系。常用鉑電阻測溫范圍在0℃～630.74℃以內(nèi)，電阻Rt 與溫度t 之間的關(guān)系如下：Rt=R0(1+At+Bt2)。其中R0 是溫度為0℃時的電阻。本實驗R0=100℃，A=3.9684*10-2℃，B=-5.847*10-7℃，鉑電阻內(nèi)部應(yīng)先方式有兩線制、三線制和四線制，本實驗是三線制連接。實驗數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 Pt 一百鉑電阻測溫實驗報告

2 系統(tǒng)運行與分析

筆者于2020 年1 月17～23 日測試該供暖系統(tǒng)的運行并將其與傳統(tǒng)燃煤取暖系統(tǒng)的運行效果進行對比，測試并分析該系統(tǒng)的運行參數(shù)是否合理有效。實驗時間內(nèi)的商丘市正處于冬季，并已經(jīng)開始供暖。本研究所提出的供暖系統(tǒng)屬于能夠根據(jù)室內(nèi)溫度自動掌控運行時間的系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)的溫控閥檢測到室內(nèi)溫度超過22℃的時候，該供暖系統(tǒng)就會自動進入半關(guān)閉的狀態(tài)?？偟膩碚f，在測試的一周之內(nèi)，該系統(tǒng)運行狀況總體比較良好。并于2020 年1 月25～31 日對該測試房間采用傳統(tǒng)燃煤系統(tǒng)取暖。

室內(nèi)空氣溫度隨著房間進水溫度的起伏而發(fā)生變化，總體來說，房間內(nèi)的溫度較為穩(wěn)定。太陽輻射能在10:00～17:00 之間比較充足，隨著太陽能熱水的流入，以及太陽輻射能對墻壁的照射，室內(nèi)的溫度逐漸得到升高，在15:00 左右室內(nèi)溫度達到最高，接著隨著太陽輻射能的降低，室內(nèi)溫度逐漸降低，又因為土壤散熱較慢的原因，沼氣池在夜間的溫度較為穩(wěn)定。沼氣池消耗總量是呈現(xiàn)上升趨勢的，但是在10:00～17:00 之間，沼氣消耗量的增長速度較慢，這是因為白天太陽輻射能補充一部分熱量，而夜間就主要靠消耗能量加熱熱水進行供暖。

在采用普通燃煤爐加熱熱水為測試房間供暖的實驗中，室內(nèi)空氣溫度從22:00～次日6:00 呈現(xiàn)持續(xù)降低的趨勢。6:00 之后開始添加燃煤，對測試房間進行供暖。室內(nèi)溫度超過22℃時，則停止添加燃煤。

3 測試結(jié)果分析

3.1 能耗分析

首先，標(biāo)準(zhǔn)煤的地位發(fā)熱量是29307 kJ/kg，PE 為基礎(chǔ)能源消耗量，按式（1）計算：

上式中，PE——基礎(chǔ)能源消耗量，kg；Qt,f——供暖系統(tǒng)耗熱量，kJ；ηt,f——傳統(tǒng)供暖系統(tǒng)燃料轉(zhuǎn)化為熱能的效率，ηt,f=ηbηp=75%×95%=71.25%（其中ηb為燃煤鍋爐效率，ηp為供暖水管輸送效率）；Ee——太陽能聯(lián)合沼氣生物質(zhì)共同加熱熱水供暖系統(tǒng)消耗的電能，kWh；ηe,f——從燃料轉(zhuǎn)化成電能的轉(zhuǎn)化效率，ηe,f=ηeηnηm=39%×95%×95%=35.2%（e 為發(fā)電廠效率，ηn為電網(wǎng)效率，ηm為電機總效率）。

在相同的試驗天數(shù)中對同一個房間分別使用太陽能聯(lián)合沼氣生物質(zhì)共同加熱熱水供暖系統(tǒng)和以煤炭為主要燃料的傳統(tǒng)加熱熱水供暖系統(tǒng)，得出的耗電量如表2 和表3 中的數(shù)據(jù)所示。由表2 和表3 可知，聯(lián)合供暖系統(tǒng)一周總耗電量為24.8kWh，傳統(tǒng)燃煤系統(tǒng)一周的總耗電量為208.3kWh，分別代入式（2）和式（3）進行計算之后，可知這兩種供暖系統(tǒng)一周的能源消耗總量為PE1和PE2。

表2 農(nóng)村太陽能聯(lián)合沼氣生物質(zhì)共同加熱熱水供暖系統(tǒng)耗電量

表3 傳統(tǒng)供暖系統(tǒng)房間供熱量

表4 農(nóng)村沼氣和太陽能聯(lián)合供暖系統(tǒng)熱量統(tǒng)計

由計算結(jié)果可知，太陽能聯(lián)合沼氣生物質(zhì)共同加熱熱水供暖系統(tǒng)的基礎(chǔ)能源消耗量為8.73kg；以煤炭為主要燃料的傳統(tǒng)加熱熱水供暖系統(tǒng)的基礎(chǔ)能源消耗量為36.25kg。進而可以計算出農(nóng)村太陽能聯(lián)合沼氣生物質(zhì)共同加熱熱水供暖系統(tǒng)的節(jié)能率是75.92%。

因此，我們可以得出以下結(jié)論：農(nóng)村太陽能聯(lián)合沼氣生物質(zhì)共同加熱熱水供暖系統(tǒng)可以比農(nóng)村以煤炭為主要燃料的傳統(tǒng)加熱熱水供暖系統(tǒng)節(jié)約75.92%的燃料。傳統(tǒng)供暖系統(tǒng)以不可再生資源——煤炭資源為主要燃料，且每天最多供暖時間是16 小時，而本文所研究設(shè)計的供暖系統(tǒng)的能量則是以可再生能源——太陽能和沼氣生物能為主要能源，有利于保護生態(tài)環(huán)境，符合可持續(xù)發(fā)展的理念。

3.2 經(jīng)濟環(huán)境效益分析

目前，農(nóng)村沼氣與城市太陽能熱聯(lián)合供暖系統(tǒng)的平均每天電能消耗為2.03MJ，這是由于在供熱過程中管道散熱，蓄能水箱等部分散熱所產(chǎn)生的電能損失。[4-5]在試驗過程中所有元件均已完成保溫，而這些電能在試驗過程中所有元件均已完成保溫，因此這些電能損失在目前條件下已降到了最低點。農(nóng)村太陽能聯(lián)合沼氣生物質(zhì)共同加熱熱水供暖系統(tǒng)每天都可以提供90.65kWh 的實際熱量，其中，提供給房間的熱量有63.08kWh，提供給沼氣池的熱量有26.85kWh，代入下方式（4）中可得聯(lián)合系統(tǒng)每日基礎(chǔ)能源消耗總量PE總：

即農(nóng)村地區(qū)傳統(tǒng)燃煤供熱設(shè)備每天需要耗費約15.77kg 的基礎(chǔ)燃料，方可實現(xiàn)沼氣和太陽能聯(lián)合加熱系統(tǒng)的供熱功效，而傳統(tǒng)燃煤供熱設(shè)備每天實際供熱時間僅16h/d，從舒適度上分析，由于沼氣和太陽能聯(lián)合加熱系統(tǒng)為全日供熱，所以室內(nèi)氣溫波動較小，比傳統(tǒng)煤源的供熱舒適度高。

4 結(jié)論

農(nóng)村沼氣和太陽能聯(lián)合供暖系統(tǒng)的建立供熱能力強，運行穩(wěn)定，具有可行性，能夠有效解決由于冬季農(nóng)村沼氣池產(chǎn)氣量低造成的供熱不足的問題，且經(jīng)濟環(huán)境效益顯著。