農(nóng)村沼氣和太陽能聯(lián)合供暖系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究

李林光

摘 要 本研究設(shè)計(jì)了一種農(nóng)村沼氣和太陽能聯(lián)合供暖的系統(tǒng)。在室外環(huán)境基本一致的條件下，將該系統(tǒng)和傳統(tǒng)農(nóng)村燃煤供暖系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，分析得出沼氣與太陽能聯(lián)合供暖系統(tǒng)的運(yùn)行效果。結(jié)果表明：新研發(fā)的系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定且供暖能力強(qiáng)，能夠有效緩解農(nóng)村地區(qū)冬季沼氣資源的緊張，具有推廣作用。

關(guān)鍵詞 沼氣 太陽能 聯(lián)合供暖 傳統(tǒng)燃煤供暖

中圖分類號(hào)：TU111.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0745（2022）06-0070-03

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(jiǎn)介和測(cè)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(gè)部分構(gòu)成[3]。本試驗(yàn)場(chǎng)所設(shè)在河南省商丘市某農(nóng)場(chǎng)，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(cè)試方法

本試驗(yàn)重點(diǎn)檢測(cè)環(huán)境溫度、熱力、能耗和高壓煤量，檢測(cè)裝置一般有Pt一百鉑電阻、安捷倫公司數(shù)據(jù)采集儀、計(jì)算機(jī)、TDS-100P便攜式超聲波熱量計(jì)、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(cè)量的時(shí)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(cè)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(shí)的電阻。本實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)是三線制連接。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

2 系統(tǒng)運(yùn)行與分析

筆者于2020年1月17～23日測(cè)試該供暖系統(tǒng)的運(yùn)行并將其與傳統(tǒng)燃煤取暖系統(tǒng)的運(yùn)行效果進(jìn)行對(duì)比，測(cè)試并分析該系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)是否合理有效。實(shí)驗(yàn)時(shí)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(dòng)掌控運(yùn)行時(shí)間的系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)的溫控閥檢測(cè)到室內(nèi)溫度超過22℃的時(shí)候，該供暖系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)進(jìn)入半關(guān)閉的狀態(tài)?？偟膩碚f，在測(cè)試的一周之內(nèi)，該系統(tǒng)運(yùn)行狀況總體比較良好。并于2020年1月25～31日對(duì)該測(cè)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(jìn)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(duì)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(dá)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?yàn)橥寥郎彷^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(shì)的，但是在10：00～17：00之間，沼氣消耗量的增長(zhǎng)速度較慢，這是因?yàn)榘滋焯栞椛淠苎a(bǔ)充一部分熱量，而夜間就主要靠消耗能量加熱熱水進(jìn)行供暖。

在采用普通燃煤爐加熱熱水為測(cè)試房間供暖的實(shí)驗(yàn)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(shì)。6：00之后開始添加燃煤，對(duì)測(cè)試房間進(jìn)行供暖。室內(nèi)溫度超過22℃時(shí)，則停止添加燃煤。

3 測(cè)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(jì)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(jī)總效率）。

在相同的試驗(yàn)天數(shù)中對(duì)同一個(gè)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(jìn)行計(jì)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。

由計(jì)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(jìn)而可以計(jì)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(shí)間是16小時(shí)，而本文所研究設(shè)計(jì)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(hù)生態(tài)環(huán)境，符合可持續(xù)發(fā)展的理念。

3.2 經(jīng)濟(jì)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(yàn)過程中所有元件均已完成保溫，而這些電能在試驗(yàn)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(diǎn)。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(shí)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(fèi)約15.77kg的基礎(chǔ)燃料，方可實(shí)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(shí)際供熱時(shí)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(dòng)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(qiáng)，運(yùn)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(jì)環(huán)境效益顯著。

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