温室沼气池太阳能辅助加热系统的试验分析

穆晓路，马彩雯，张彩虹，宋斌伟，曹新伟，王晓冬

（新疆农业科学院农业机械化研究所，新疆乌鲁木齐　830091）

温室沼气池太阳能辅助加热系统的试验分析

穆晓路，马彩雯，张彩虹，宋斌伟，曹新伟，王晓冬※

（新疆农业科学院农业机械化研究所，新疆乌鲁木齐830091）

沼气是有机物质在一定温度、湿度、pH值和隔绝空气条件下经微生物发酵而产生的可燃性气体。影响发酵过程的因素很多，其中温度尤为重要。随着沼气池发酵温度的变化，沼气产气量也在变化。试验表明：池温低于10℃时，发酵菌几乎处在休眠状态，沼气池基本停止产气；池温在15℃以上时，沼气发酵才能较好地进行。

新疆地区冬季寒冷漫长，气温、地表温度较低，沼气池停止产气，无法满足农户需求，导致冬季农村沼气池大量闲置。极端寒冷时期，甚至出现冻裂沼气池的现象，造成沼气池停用。现在，新疆建有温室百万座，阳光资源丰富，冬季在温室内建沼气池，配以太阳能辅助加热，使沼气池冬季也能产气、解决温室种植户生活的问题。在新疆探索一条种植、养殖循环生产的节能新模式。在农村沼气应用中，传统模式的保温加热方法在实际应用中存在一定的局限性和不便，如隔热材料保温技术，虽有一定效果但只能延缓料液降温的速度，在冬季极端寒冷时期也不能保证正常发酵产气。

近年来，随着太阳能热水器日益普及、成本下降，为沼气池加热技术提供了新方法。为此，本文设计了温室太阳能辅助加热户用沼气池系统，并进行了实验，对其今后应用及推广价值进行研究。

1　系统组成及工作原理

1.1系统组成

太阳能辅助加热户用沼气池系统，主要是利用太阳能热水器吸收太阳热量提高水温，通过水循环，加热沼液，提高冬季沼气池产气温度，利于产气。系统如图1所示，主要包括：水压式保温沼气池（10 m3）（1）、位于沼气池内的加热盘管（2）与搅拌装置（3）、太阳能供热水箱（300 L）（4）、循环水泵（5）、控制柜和数据采集模块（6）、脱硫器（7）、气表（8）以及水管管路和温度传感器等。

图1　太阳能辅助加热户用沼气池系统示意1.搅拌器2.换热盘管3.水压式保温沼气池4.太阳能热水器5.水泵6.控制柜和数据采集模块7.脱硫器8.气表

1.2工作原理

冬季，当太阳能储水箱中的温度高于35℃时启动热水循环水泵，使贮存在储水箱中的太阳能热水由三通阀流经沼气池底部的螺旋加热盘管，太阳能热水在螺旋加热盘管中与沼液通过温差传热进行热量交换，使池温上升，提高产气量。当发酵池内的温度小于设定温度时，由温度传感器反馈信号到温控箱，从而开启循环泵，促使热水缓冲器中的热水流经发酵池中的螺旋盘管换热器进行循环，对料液加热，提升池内料液温度；当发酵池内温度达到设定温度时，再由温度传感器反馈信号到温控箱，从而关闭循环泵，循环终止。

防冻循环控制：考虑到新疆地区冬季气温低，与太阳能热水器连接的水管系统可能冻结。为防止此情况发生，在管路适当位置设置温度传感器，当管路水温低于4℃时，水泵启动循环；当水温高于8℃时水泵停止。特殊极端天气可人工排空集热系统、以防集热管冻结。

2　系统试验与分析

2.1数据采集

为验证该系统的实用性，我们在乌鲁木齐西山农场进行了试验，系统于2014年12月20日安装运行，配套的数据采集系统于2015年1月1日开始工作，数据采集由电脑自动控制。系统安装时室外日均气温处于0℃左右，水温及接种物的温度都较低，沼液温度在10℃以下，系统初期需要辅以电加热进行辅助加热。一般工作1～3天后沼气池内温度便可升至15℃左右，此后电加热停止，太阳能系统开启运行。当天气条件允许时，太阳能水箱温度升高，温差达到循环条件后，系统便进行热水循环，通过热水对沼液进行加热。图2、图3分别为1月份测得的相关数据。

图2　1月份太阳能水箱日最高温度与沼气池温度及日均气温变化

图3　沼气日产气量

2.2数据分析

（1）在太阳能热水循环作用下，1月初沼气池内温度已经升高并保持在14℃左右；1月份温室内气温在20℃左右，太阳能水箱温度基本维持在30℃以上；沼气池通过保温层及太阳能水循环作用下基本高于日均气温10℃左右；整个1月份沼气池温度升高并维持在20℃左右，月底基本达到了25℃。太阳能热水循环系统结合一定的保温措施对沼气池温升及保温的作用效果明显。

（2）沼气池日产气量。由图3可以看出，1月份随着沼气池内温度的不断升高，沼气池日产气量0.5 m3/d以上，随着池内沼液温度的升高，日产气量也随之升高，最高达到了3.49 m3，能够满足农户一天的日常生活需求。其中26日～28日这3天日产气量相比于其他时间要增加1 m3，28日达到了3.49 m3。究其原因，是因为对沼气池进行了加料，由于沼气池为水压式，因此，加料过程中由于人为作用导致池内压力发生变化，将池内气体压入气包，气表读数增大；同时，加料后接下来几天的沼气池温度都明显高于先前温度，达到了23℃，利于沼液发酵产气，产气量增加。

（3）能耗情况。1月份能耗分析，利用1月份记录的当天设备运行时间及产气量的数据，对能耗和产气量进行经济性比较。能耗主要以电能耗为主，包括水泵和搅拌机的电耗，水泵功率为100 W，搅拌机功率为200 W。所产沼气按50%CH4和50%CO2组分计算，热值为18.89 MJ/m3。整个1月份的循环耗电量及产气量如下：①1月份由系统运行造成的电能消耗为10.28 kWh，日耗电量为0.33 kWh，总耗电量相当于37.01 MJ能量值；沼气池1月份的总产气量为26.98 m3，日产气量为0.87 m3，总产气量相当于509.65 MJ能量值；耗电量占产气量比例为7.26%，电费在可承受范围内；②每天只需消耗少量的电能就能产出日常生活所需沼气量，解决了新疆寒冷地区冬季沼气池不产气问题，实现了冬季沼气由无到有，证明了系统具有良好的实用性。

3　结论

在农村温室内新建1座8～10 m3户用太阳能沼气池，集种植、畜禽养殖、人员生活设施等于一体，沼气可供炊事、照明、禽畜粪便可形成沼液，沼肥可用于种菜，太阳能集热器为沼气池提供热能，同时为人们提供生活热水。

文中提出这种以太阳能辅助加热户用沼气池的沼气池加热保温方法，即将已有的太阳能热水器和沼气池集成一种新的装置，对冬季沼气池内沼液进行加热，从而提高沼液温度，提高产气量，使冬季沼气池产气也能满足一般农户的家庭日常生活需求，实现沼气池全年供气。乌鲁木齐西山农场试验结果表明，在冬季，该系统每月只需消耗少量的电能，日均产气量便能维持在0.8 m3左右，具有一定的实用性。

通讯作者：王晓冬

基金项目：自治区“十二五”科技重大专项（201130104）

收稿日期：2015-08-18

文章编号：1007-7782（2015）04-0043-02

中图分类号:S232.7

文献标识码：A

doi:10.13620/j.cnki.issn1007-7782.2015.04.016