太阳能沼气互补型热水器系统设计

虞婷婷, 周 前, 靳俊杰, 邢菲菲, 梅傲寒

(河南城建学院，河南平顶山467000)

1 概述

沼气作为一种清洁的可再生能源，对节能减排及能源结构调整意义重大[1]。在我国广大农村，沼气资源比较丰富，2000年以来，随着政策扶持力度加大，以及农民的收入不断增加，农民的环保意识逐渐增强，使得沼气成为农村的主要能源之一[2]。沼气的发酵过程受周围环境的温度影响比较大。研究表明沼气发酵存在两个产气的高峰区：一个温度为30～40 ℃，另一个温度为50～60 ℃[3]。该温度在很多地方很难一年四季得到满足，因此在一定程度上制约了沼气的发展。

近年来，太阳能和沼气互补的系统越来越多地被研究设计开发和利用。基于对热水器的研究和应用，我们考虑在原有技术的基础上将太阳能和沼气结合的系统进行改进后应用到热水器中，充分利用太阳能和沼气这两种清洁可再生能源进行优势互补，并将重力热管技术应用于沼气池发酵过程中。这样可以提高沼气反应装置的产气率和沼气使用的效率。

2 太阳能沼气互补型热水器系统

2.1 系统原理

该系统是一种充分利用废热和清洁能源的新型热水器系统。充分利用农村炊事燃烧木材、秸秆等产生的烟气中的废热，以及洗浴水中的废热，对温度较低的沼气池进行加热。此外，利用重力热管技术将外界大气环境中的热量回收利用对沼气池加热。

2.2 系统流程

该热水器系统由3部分组成：太阳能热水器系统、沼气池换热系统和沼气热水炉系统。系统流程见图1。

① 太阳能热水器系统

通过小型循环水泵，不断把水从储热水箱输送到太阳能集热器加热，然后储存在储热水箱中。当太阳辐射照度小于限值时，循环水泵停止工作。储热水箱中的热水通过管道输送到洗浴间供使用。

② 沼气池换热系统

该系统中的沼气池改变传统做法，把沼气池建在高2.5 m的钢架上，沼气池四围用保温材料保温，并在底部安装重力热管。根据重力热管的工作原理，通过外界的高温条件，把大气中的热量传递到沼气池中，尤其是夏季，效果尤为明显。因为重力热管具有方向性，只能把热量从大气传递到沼气池中而不可能反方向传热。

当洗浴间高于沼气池位置时，洗浴水在重力作用下通过管道流进沼气池中的换热器，起到对沼气池加热的作用，然后排入下水道。当洗浴间低于沼气池位置时，洗浴水先排入蓄水池，然后通过水泵输送到沼气池中的换热器进行换热(图1画出的是这种工况)。

图1 太阳能沼气互补型热水器系统流程

炊事中燃烧木材、秸秆等产生的烟气，通过烟气管进入到沼气池中的换热器中，同样起到加热沼气池的作用。

通过以上方式对沼气池加热，使得沼气池保持较高的温度，从而大大增加了沼气池的沼气产量。把产生的沼气储存在沼气袋中，需要时使用。

③ 沼气热水炉系统

在储热水箱中设置温度控制装置，当储热水箱中的水温低于设定的温度值时，说明太阳能集热器提供的热水温度不够，此时沼气热水炉开启，燃烧来自沼气袋中的沼气，加热储热水箱中的水，当水温达到设定的上限值时，通过控制系统关闭沼气热水炉。

3 供需热量计算

3.1 冬季耗热量的计算

本文只针对冬季进行经济性分析，以平顶山地区农村5口之家为例，所需要的洗浴耗热量计算公式为[4]：

(1)

式中Qr——热水供应平均小时热负荷，J/h

c——水的比热容，J/(kg·K)，取4 187 J/(kg·K)

n——用热水人数，人

ρ——热水密度，kg/m3

V——热水用量，m3/(人·d)

θr——热水温度，℃

θl——冷水温度，℃

t——每天供水时间，h/d，取24 h/d

按照GB 50015—2003《建筑给水排水设计规范》(2009年版)第5.1.1条的规定，住宅每人每日最高日用水定额为40～80 L/(人·d)，本文取60 L/(人·d)；冷水温度按照地下水10 ℃来取，热水温度按照热水器配水点水温45 ℃来取；45 ℃时的水密度为990 kg/m3；用水人数按照5人来算。根据公式(1)可计算出每小时耗热量约为1 813 kJ，则1 d的耗热量为43 524 kJ，冬季按照90 d计，则整个冬季洗浴用水耗热量为3 917 148 kJ。

3.2 太阳能集热器提供热量的计算

Q=Hηc(1-L)A

(2)

式中Q——太阳能集热器每天提供的热量，kJ/d

H——当地集热器采光面上的日均曝辐射量，kJ/(m2·d)

ηc——集热器日平均热效率，国标经验值取0.4～0.55，此处取0.5

A——集热器面积，m2

本文采用平板集热器，集热器面积为3 m2，集热器与水平面夹角为45°，按集热器位于郑州地区计算，冬季日均曝辐射量为11 078.81 kJ/(m2·d)，则根据公式(2)可计算得到太阳能集热器每天提供的热量为13 294.6 kJ/d，则整个冬季(按照90 d计)提供的热量为1 196 511 kJ。

3.3 沼气产量的计算

户用沼气池产气率一般为0.20～0.25 m3/(m3·d)，本文建立一个8 m3的露天沼气池，因该沼气池采用重力热管及余热利用技术，产气率可取0.3 m3/(m3·d)，则冬季沼气产量为216 m3。1 m3沼气燃烧产生热量约为20 930～25 120 kJ[5]，此处取23 000 kJ。

3.4 供需热量的关系

整个冬季洗浴用水所需的热量为3 917 148 kJ，太阳能集热器提供的热量 为1 196 511 kJ，沼气热水炉参照市场燃气热水器能效等级标准，其热效率取85%，可计算得到为满足洗浴用热量，还需139.2 m3的沼气,已知冬季沼气产量为216 m3，可知冬季产生的沼气量足够使用。

4 几种热水器的经济性对比分析

本文只考虑冬季洗浴用水来进行经济性分析。由于大部分农村地区尚未接通燃气，故在经济性对比分析时，只考虑与太阳能热水器、电热水器及空气能热水器的对比。

太阳能热水器系统的造价可参照太阳能平板集热器及附件造价。沼气池换热系统参照国家的相关政策补贴,并考虑支架、保温材料及重力热管费用。沼气热水炉可参照市场上较低廉的燃气热水器价格。其他末端或辅助设备如水泵、阀门及管道等造价可根据市场行情确定。

年运行费用包括燃料费用、设备维护费、电费等。电价按平顶山市收费标准0.56元/(kW·h)计算，设备维护费按系统造价的2%计算。该新型热水器系统所需的沼气燃料费用及运行时的人工成本均可不计。根据冬季需提供的热量为3 917 148 kJ进行计算，太阳能沼气互补型热水器系统中过剩的沼气根据热量折合成天然气，再根据天然气市场价格折合成收入，在运行费用中扣除。几种热水器的经济性对比分析见表1。其中，年计算费用为平均每年造价与运行费用的和。

表1 几种热水器的经济性对比分析

由表1可知，太阳能热水器的年计算费用最低，其次是太阳能沼气互补型热水器，空气能热水器最高。虽然表1中太阳能热水器的年计算费用最低，但冬季很多时候水温达不到洗浴温度，无法使用。除了太阳能热水器，太阳能沼气互补型热水器的年计算费用最低。

5 结语

太阳能沼气互补型热水器系统利用可再生能源，并充分回收生活中的废水余热及烟气余热，利用重力热管技术回收大气环境热量，提高沼气池的沼气产量。该热水器系统克服了太阳能热水器冬季供热水不足，电热水器及空气能热水器耗电量大，燃气热水器因气源问题在农村尚未普及的缺点，节能环保、经济和社会效益显著。