村镇被动式太阳能辅助集中制沼工程产气量研究

王艳艳， 张 旭， 苗瑞福

(同济大学 机械与能源工程学院, 上海 201804 )

村镇被动式太阳能辅助集中制沼工程产气量研究

王艳艳， 张 旭， 苗瑞福

(同济大学 机械与能源工程学院, 上海 201804 )

文章对徐州某被动式太阳能辅助秸秆集中制沼工程的产气量建立数学模型进行了理论计算。计算结果表明，利用太阳能可以有效改善发酵系统热环境，冬季产气速率达到0.5～0.7 m3·m-3。全年最低池温为15.2℃，能保证全年产气，全年单位池容产气量约268 m3。与现场实测的结果进行对比分析，建立的数学模型有效地模拟了全年日光温室内逐时气温及逐时发酵温度的变化规律。该工程沼气日产量及年沼气产能预测方法可应用于其它地区。

沼气工程； 日光温室； 被动式太阳能

一般来讲，沼气发酵微生物在8℃～65℃的范围内都能进行正常的生长活动，产生沼气[1]。在一定范围内(15℃～40℃)随着温度的增高，微生物的代谢加快，产气量和产气率相应增高[1]。我国北方地区由于冬季气候寒冷，露天或者埋地的沼气池需要额外的增温保温来保证其正常连续产气，加热系统需要应用电能、燃油或者生产的部分沼气作为燃料来源，经济性较差[2]。P axaopoulos[3-4]等利用数学模型模拟预测利用太阳能集热板加热沼气工程的热性能并研究了生产的沼气应用于仔猪场采暖的全年日供需关系及经济可行性。王红彦[5]等对集中供气工程的经济可行性进行了实例分析和验证。

笔者研究利用经济的日光温室、太阳能选择性吸收材料等增温保温的沼气集中工程产气量。以位于徐州市的某工程为基础建立物理模型，根据传热学理论建立数学模型预测分析日光温室的增温效果、发酵温度变化规律，并应用实地测试数据验证模型的正确性，估算全年日产沼气量。

图1 沼气工程剖面示意图

1 沼气工程物理模型

沼气工程物理模型如图1所示，沼气罐部分埋地，池容为300 m3。日光温室主要的几何参数有跨度8.5 m，长20 m，脊高4.5 m，后墙高3.4 m，围护结构构造及热工参数如表1所示[6-7]。

日光温室内的传热过程由以下几个过程组合而成：1)太阳辐射由薄膜进入温室内部，经辐射和对流换热传给室内各表面； 2)温室内空气经维护结构与外界热量交换； 3)土壤与空气进行热湿交换； 4)室内空气与发酵罐对流换热。

冬季白天，上午9：00揭开保温被到下午15：00覆盖保温被，进入温室内的太阳总辐射是温室热量的主要来源。温室散热量主要包括通过覆盖材料和围护结构的对流换热、土壤中传热以及墙体的储热。

夜间，其余时间，在没有太阳辐射的情况下．温室中的热量来源由地面和东西向山墙、后墙、发酵罐的有效辐射及其与室内空气的对流换热组成。夜间外界气温较低，温室通过围护结构散失热量，已有研究表明透过前面覆盖物的热损失占总热量损失的70%[8]。

表1 围护结构构造及热工参数

2 日光温室数学模型

由于温室内部的传热过程较为复杂，笔者将内部传热做简化处理。为方便导出热平衡方程，作如下假设： 1)温室内部的空气密度、压力、比热容、水蒸汽含量变化范围小，视为定值； 2)参与传热的地面、墙体、薄膜看作各向同性，且等同于灰体； 3)由于太阳辐射的强度远远大于长波辐射，忽略白天各维护结构外表面对天空和周围物体的长波辐射换热； 4)由于日光温室平时较为密闭，忽略通风渗透的影响； 5)假设土壤物性参数恒定； 6)温室墙体、土壤蓄热能力小，忽略墙体、土壤蓄热。因此，热平衡及传热模型适用于无通风温室。

温室内空气动态热平衡方程：

(1)

式中：ρa为室内空气密度，取为1.205kg·m-3; Va为室内空气的总体积，m3; Ca为室内空气比热容，取为1005J·kg-1K-1; Ta为温室内气温，℃； τ为时间，3600s; Qr为薄膜太阳辐射得热量，W； rr为太阳辐射比例，根据几何关系计算得到; Qd为室内空气与地面换热量，W; Qh为室内空气经后坡对外换热量,W; Qwi为室内空气经各外墙与室外换热量,W; Qm为室内空气经过薄膜与室外换热量,W;Ql为空气与发酵罐换热量，W。

2.1 温室太阳辐射得热量

薄膜太阳辐射得热量Qr：

Qr=Ht(θ)×Fr×τg

(2)

式中：Ht(θ)为斜面上日辐射量，W·m-2;Fr为该采光面的实际采光面积；τg为该采光面的透光率。该温室采光面为单层PVC膜厚0.12 mm，对可见光和红外线平均透光率取τg=0.7。

斜面上太阳辐射量Ht(θ)计算式如下：

Ht(θ)=Ht×R

(3)

式中：Ht为总辐射；R为倾斜面上和水平面上总辐射量比值，按下式计算：

(4)

式中：Hb为直接辐射；Hd为散射辐射；ρ为地面反射系数，一般取ρ=0.2；θ为屋面角即南向斜坡面与水平面的夹角；Rb为倾斜面上和水平面上太阳直接辐射量的比值，按下式计算

(5)

式中：φ为本地纬度角，徐州为34.28°；δ为太阳赤纬角；ω0为南向倾斜面上日照起止角，其值为

ω0=cos-1[-tg(φ-θ)tgδ]

(6)

赤纬角δ：地球中心和太阳中心的连线与地球赤道平面的夹角。全年赤纬角在+23.45°～-23.45°之间变化，可用以下简化公式计算：

(7)

式中，n为计算日在一年中的日期序号。

2.1.2 后坡、北墙、东山墙及西山墙太阳辐射得热量

为计算方便，采用综合温度法计算。将太阳对维护结构的短波辐射考虑进来。相当于室外气温由原来的tair增加了一个太阳辐射的等效温度值，即当量的室外温度。其表达式为[11]：

(8)

式中：Tz为室外综合温度，℃； a为围护结构外表面对太阳辐射的吸收率，取为0.1； I为太阳辐射照度，W·m-2； αout为维护结构外表面的对流换热系数，冬季取为23.3W·m-2℃，夏季为18.6W·m-2℃。

白天长波辐射可以忽略。夜间没有太阳辐射的作用，天空的背景温度远远低于空气温度，因此建筑物向天空的辐射放热量是不可以忽略的，对于水平面取(Qlw/αout)=3.5℃～4.0℃。

2.2 围护结构热负荷[12]

室内空气与地面换热量：

Qd=kfFd(Ta-Td), W

(9)

室内空气经后坡对外换热量：

Qh=khFh(Ta-Tzh), W

(10)

室内空气经外墙与室外换热量：

Qwi=αkwiFwi(Ta-Tzi), W

(11)

室内空气经过薄膜与室外换热量：

Qm=kmFm(Ta-Tzm), W

(12)

室内空气与发酵罐体换热量：

Ql=klFl(Ta-Tl), W

(13)

式中：k为各维护结构传热系数，W·m-2K-1; Td为地面温度，℃； α为温差修正系数。

将以上各式联立，得到：

(14)

3 发酵罐数学模型

为充分利用太阳能资源，发酵罐外壁面涂有太阳能选择性吸收涂料，吸收率为95%[13]。由于发酵罐半埋地，属于流-管-土耦合传热，较为复杂，目前对于半埋管道散热偶有文献提及，采用线性插值模型并不精准[14-15]。发酵罐向土壤的散热远远小于向空气的散热，为简化计算，忽略发酵罐向土壤的传热[16]。当环境流体的速度较小时，自然对流换热占主导，环境流体对管外壁的对流换热系数可近似按公式(15)[17]计算：

(15)

计划将内部传热做以下简化处理：1)将沼气池内部料液当作水处理，密度、压力、比热容视为定值，温度均匀一致； 2)忽略发酵罐向土壤传热量； 3)忽略各维护结构内表面与发酵罐外表面长波辐射换热； 4)连续进料及出料； 5)忽略罐体蓄热； 6)忽略产生的沼气带走的热量。

发酵料液能量变化量与加热进料的热量之和等于所得到的热量即太阳辐射量及与温室内空气对流换热量，则料液动态热平衡方程为：

(16)

(17)

式中：ρl为水密度，kg·m-3； Vl为发酵料液体积，m3； Cl为水比热容，J·kg-1K-1； Vj为进料体积，m3； Tj为进料温度，℃； kl为料液通过罐体与温室内空气换热传热系数，W·m-1K-1； Fl为发酵罐长度，m; Tl为料液温度, ℃。

联立公式(14)和(17)，在日光温室维护结构参数及每小时室内外温度、太阳辐射、地面温度，设定初始条件，计算出每小时日光温室内空气温度、发酵料液温度。徐州地区室外气温、各方向太阳辐射量等典型年逐时值来自中国建筑热环境分析专用气象数据集[18]。初始条件设为1月1日0时，ta=11.0℃,tl=19.2℃。

图2 池容产气速率与发酵温度变化规律图

4 产气量计算方法

单位池容沼气产气速率与发酵温度的关系如图2[19-20]所示。根据上文计算出的发酵料液逐时温度，进而计算逐时沼气产量。

5 计算结果与实测结果分析

在2014年5月21日至6月12日及2014年12月17日至2015年1月7日两段时期利用温湿度自记仪测试该沼气工程太阳能温室内外气温，利用红外测温仪测试池温。

下图3和图4为夏季与冬季日光温室内计算气温与实测气温的比较。可以看出，两者日气温变化趋势及范围具有较高的吻合度。表2所示为测试时间内测试结果与计算结果的平均、最高、最低室内外温度的对比。测试与模拟的室内温度误差均在10%以内。结果较为可信。

对全年8760个小时发酵料液温度进行计算。全年发酵料液日温度最大值为41.4℃，最小值为15.4℃，平均值为29.5℃。最冷的1月份发酵料液平均值为17.0℃，最热月为8月份，达到40.7℃。5月份发酵料液平均温度为33.8℃。由于发酵料液的比热容较大，1天内的发酵料液温度变化范围较小。图5为2014年5月与2015年1月测试与计算的发酵料液温度对比，冬季相差-2%，夏季相差1%。

图3 夏季温室实测温度与典型年预测温度对比图

图4 冬季温室实测温度与典型年预测温度对比图

图5 预测发酵温度与实测温度对比图

从图6日产沼气量图及图7累计产气量图，可以看出，夏季产气速率较高。徐州在一月中旬最冷时期产气率较低，平均为0.6 m3·m-3d-1池容。发酵池为300 m3，则日产气量≥180 m3，可以满足100户居民的炊事用气需求。夏季则会出现产气过剩现象，为最大化利用沼气，可以发展谷物干燥等产业。满负荷运行情况下，全年产气268 m3·m-3, 由于沼气的长期存储所需的设备较为贵重并且存在安全隐患，而最终沼气产气量由发酵物料决定，所以应根据用气量调节进料量。

图6 单位体积池容日产沼气量

图7 单位体积池容累计产气量

6 结论

从笔者研究的理论和实际测试结果及分析可以得到如下几个结论：

(1)应用日光温室及太阳能选择性吸收涂料为沼气工程增温保温可以达到较好的效果。温室内气温、发酵料液温度受室外气温及太阳辐射的影响较为显著。发酵罐外壁太阳能涂料增温效果显著。徐州地区温室内气温较室外可增加8℃～12℃，发酵料液温度在最寒冷的1月平均为17.0℃，在8月份则达到40.7℃，实现全年连续产气，每单位池容年平均日产气率为0.73 m3，全年大约可产沼气268 m3。

(2)与实际测试数据比较发现应用传热学方法分析沼气生产系统可以预测沼气系统热性能。预测的温室内气温、发酵料液温度与实测数据具有较好的吻合性。该方法可以推广到其它地区的预测计算。

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Biogas Production of Rural Centralized Biogas Plant Combined with Passive Solar Energy /

WANG Yan-yan, ZHANG Xu, MIAO Rui-fu /

(College of Mechanical Engineering, Tongji University, Shanghai 201804, China)

A mathematical model has been developed for calculating the biogas production of a centralized biogas plant combined with passive solar energy in Xuzhou. The results indicated that the utilization of solar energy could improve the thermal environment of the fermentation system. The biogas production rate could reach 0.5 ～ 0.7 m3· m-3in winter. The annual minimum fermentation temperature was 15.2 ℃ which could ensure the biogas being produced all year long. The cumulative biogas production per unit digester was about 268m3. Through the comparison with the field measured data, it was showed that the mathematical model could effectively predict the hourly temperature inside the solar greenhouse and the hourly manure temperature in the digester, and could also be applied to forecast the thermal behavior and biogas production for other areas.

biogas engineering; solar greenhouse; solar energy

2015-12-08

2016-01-04

项目来源： “十二五”国家科技支撑计划课题(2011BAJ08B09)

王艳艳(1990-)，女，汉族，河南省开封市人，硕士，主要从事太阳能集中制沼的气候适应性研究工作，E-mail：wangyanyan01210@126.com

张 旭，E-mail:xuzhang@tongji.edu.cn

S216.4; TK519; TK6

B

1000-1166(2016)06-0086-05