太阳能加热的户用沼气池设计

王斌斌，扈泽波，卢玉才

（江苏海洋大学 理学院，江苏连云港 222005）

太阳能是最重要的能源，每年地球表面接收到的太阳辐射能约27万亿t标准煤，是目前世界能源消费总量的2000多倍。人类历史中利用最久的能源就是沼气，户用沼气池在上百年前就有相关记载。国内沼气池的发展是从农村开始的。1920年起，我国在农村推广沼气池，利用沼气解决了农村家庭的炊事、照明等问题。利用生态农业模式综合沼气发酵，已成为农村经济新的增长点。此外，沼气池的利用可改善因秸秆焚烧等导致的环境问题，还有提高农作物的产量等诸多好处。由于沼气池发酵效率主要受温度影响，低温条件下产气率低且会出现冻裂现象，无法保证沼气池的正常运行。针对该问题，本文提出了太阳能加热的户用沼气池设计。

1 太阳能加热的户用沼气池系统

系统主要由太阳能热水循环系统和沼气系统两部分组成。在冬季，通过太阳能热水系统加热沼气池，维持沼气池正常发酵所需的温度，确保沼气池的高效利用。在夏季，沼气池无需加热，热水系统则用来提供日常沐浴用水。

沼气池是制造沼气的一种设施。沼气池的使用年限随各地的土壤、气候、选材等情况而有所不同。在农村一般来说沼气池的使用寿命都在10年以上，一些新型的沼气池或者沼气罐使用寿命可长达20年之久。随着科技的发展，沼气池技术有了巨大的革新。从沼气的利用历史以及现状来看，沼气加以太阳能集热系统体现了能源、环境建设的完美融合，具有良好的经济、社会、生态效益。

沼气发酵微生物的代谢活动与温度有着密切的关系。在一定范围内，温度越高，沼气微生物的代谢越旺盛，沼气产量越多，即温度升高有利于提高沼气的产量。常见的加温方式有电热膜加温、化石能源热水锅炉加温、太阳能加温、地源热泵加温和发电余热加温5种[1]。本文采用集热热水系统加温方式。

太阳能热水强制循环系统由集热器、换热器、控制系统、循环水泵及辅助部件五个部分组成[2]。其中，太阳能集热器为主要部件，吸收太阳辐射能转化为水的热能。热水由管道流到沼气池内的换热器中，将热量输送到沼气池，沼气池的温度就得以增高。

2 沼气池热负荷设计计算

为维持沼气池的平衡，需要计算出沼气池的基本热负荷，包括内部消耗的热负荷和投料的热负荷，从而计算出集热器的集热面积。沼气池的热损失受土壤的热物性影响[3]，需要考虑周边泥土的导热系数、导温系数等物性参数，以及周边固、液、气的综合传热系数等，如表2所示。

表2 沼气池热负荷计算结果

2.1 沼气池尺寸设计

本文按照普通农村家庭的土地使用条件以及当地农村地区年均沼气使用量确定本设计中沼气池的体积为8m3。经过查阅，引入了通用计算公式：

式中，H为沼气池的高度；Ss沼气池上部截面面积；Sx沼气池下部截面面积；Sq沼气池四周截面面积。

为方便计算，选取了近几年沼气池的各种池型中最标准的结构——圆柱形户用沼气池。地下式农村沼气池按国标池在中国南方池底深度为2m，但是考虑到后期维护，沼气池的高取1.5m。经过计算，池底是半径约1.3m的圆。

2.2 沼气池热负荷设计计算

户用沼气池以热传导、热对流为主，忽略辐射传热。查阅资料可得沼气池周边泥土的热物性参数[4]。连云港当地的农村地区沼气池一般是建在厕所等一些较为潮湿的位置，因此计算中选用建筑物下的种植土的物性参数。常规而言，沼气池内部有一定的储气空间，有着空气和四壁之间的传热，这与四壁换热、空气换热有关，取对流传热系数hs=8.7W/（m2·℃）[5]。按照对流传热，对流传热系数h为：

式中，Nu为努塞尔数；λ为导热系数；d为特征长度。努塞尔数由自然对流传热准则关联式得出：

式中Gr为格拉晓夫数；Pr为普朗特数；C，n均为常数，由当地条件确定。对于四壁的计算，C和n取0.59和0.25；沼气池底部取C和n分别为0.54和0.25。得出四壁的对流传热系数为hq=8.14W/（m2·℃），沼气池池底部的对流传热系数为hx=7.02W/（m2·℃）。

首先，设计沼气池的四壁壁厚均为0.1m；周边的保温层以及覆盖的泥土厚度按上部盖为0.5m、下部池底为3.5m、四壁周边为10m计算。根据传热方程式：

式中：

其中，k为综合传热系数；h1、h2为对流传热系数；ε1ε2、为厚度。

（1）沼气池的上部消耗热负荷计算

式中，AS为上部池盖面积，AS=πR2≈ 5.31m2；ts为设定的温度；t为当地地表月平均温度；h0为地表面对流传热系数，取23W/（m2·℃）；ε0为沼气池池盖周边泥土厚度，取0.5m；ε1为沼气池池盖厚度，取0.1m；λ0为沼气池周边泥土导热系数，取1.89W/（m·℃）；λ0为沼气池池盖建筑导热系数，取1.84W/（m·℃）。

（2）沼气池的下部消耗热负荷计算

连云港地下4.5m月平均温度应与地表温度差不多，此处按地表温度计算。

式中，Ax= 5.31m2为下部池盖面积；t'——为当地地下4.5m月平均温度；ε0′为沼气池池底周边泥土厚度，取3.5m；ε1′为沼气池池底部厚度，取0.1m。

（3）沼气池的四壁消耗热负荷计算

沼气池四周的壁面导热属于多层圆筒壁导热：

式中Hq为沼气池高度，取1m；d1为沼气池的内径，取1.4m；d2为沼气池的外径，取1.5m；d3为四周泥土的外径，取11.5m。

（4）沼气池的投入配料消耗热负荷计算

沼气池的投入配料计算按投入原料比计算[6]：

式中，m为初始投入量，取m≈68kg/d；Cl为投入配料的比热。这里的进料比热取3.741kJ/（kg·℃）[3]。通过查阅资料，一次投料过后一般能够连续使用1～2个月，本文默认每2个月投料一次。

连云港农村地区的土地平均温度为15.3℃，平均日太阳辐射为3.78kWh/d，平均风速为3.7m/s。当地农村地区的太阳辐射较为适宜，土地温度较为平稳。设计采用真空集热管的集热热水系统。对于沼气池内温度，设计选取了两个方案，温度设定如表1所示。

表1 沼气池内设定温度

方案1是为了追求沼气池产气量最高所设定的温度节点；方案2考虑到实际上只需要满足冬季前后时间点的正常沼气产气量即可，从而参考当地温度所设的温度节点。由每个月的日平均消耗热负荷（如表2所示），按每个月30d计算，得出方案1：一年总的热负荷为Q=Qs+Qx+Qq+Ql=190.526kW。同理得出方案2为146.716kW。

方案1为了追求最大产气量，温度设定具有跳跃性，可能会使沼气池的运作不稳定。为保证沼气池的稳定运作，设定的温度应该随着当地温度缓慢递增或递减。夏季的当地气温是可以满足沼气池的正常发酵的，因此更倾向选择方案2的设定温度。当按照方案1设定温度为25、35、55℃时，可以明显发现冬季前后消耗的热负荷远小于夏季。1月、2月、3月热负荷相差不多，但4月热负荷明显高出3月。随着当地温度的缓慢升高，设定温度的陡然升高虽然能使沼气的产气量极大提升，但是追求产气量的量大可能会使沼气池的运作不稳定。按照方案2设定温度随着当地温度缓慢递增或递减时，热负荷会更平均。因此，方案2是比较理想的一种温度设定方案，下文计算集热器面积时选用方案2的设计。

3 太阳能集热热水系统设计计算

因为太阳能集热热水系统在冬季对沼气池的作用明显大于夏季，因此其倾角应当在当地纬度的基础上加上相应度数[7]。直接式太阳能集热热水系统集热器总面积的确定可以根据沼气池的热负荷、地理环境、热水温度等按下式计算：

式中，Q为每月日平均的总热负荷；f为太阳能的保证率，根据经验选择70%；t为每月的日平均日照时间，本文取4.13h；Eρ为连云港当地的平均每月的日太阳辐射量；ηcd为集热器平均的每月集热效率，根据经验选择0.55；ηL为管路及储水箱的热损失率，根据经验取0.2。根据每月的日平均消耗热负荷，计算出每个月需要的集热器集热面积，在12个月份中选取需要集热器最大的面积Ac≈5.709m2，选取市场上的真空管集热器（一块7.4m2），剩余的生成的热量可以另作他用，比如可以提供给地板辐射采暖管。

4 结束语

采用太阳能集热热水系统与户用沼气池结合，能够在沼气池原料充足时保持沼气池的温度稳定，同时太阳能集热热水系统可以满足夏季生活用热水。经过调研，连云港的农村地区并没有完全通入燃气，更多的家庭用煤气灶来生火做饭。煤气罐一般110元一瓶，每次装入煤气成本也在100元左右，而一罐煤气一般可供一个3～5人家庭使用约25d，若家庭人数较多，使用时间更短。少部分家庭使用如稻草、树枝之类的农作物生火做饭，每年秋季也经常出现焚烧秸秆的现象，造成环境污染。同时，每户家庭使用的化粪池也需要清理维护，每次清理的成本100元左右。户用沼气系统的建造成本约1500元，可供使用年限都在10年以上，每年度对沼气池的维护也不过100～200元。因此，沼气池的选用特别符合农村地区的生活条件和生活环境，不仅满足了每户家庭的需求，也充分利用了能源的二次转化，做到物尽其用，具有很好的现实意义。