農村沼氣和太陽能聯合供暖系統的實驗研究

李林光

摘 要 本研究設計了一種農村沼氣和太陽能聯合供暖的系統。在室外環境基本一致的條件下，將該系統和傳統農村燃煤供暖系統進行對比實驗，分析得出沼氣與太陽能聯合供暖系統的運行效果。結果表明：新研發的系統運行穩定且供暖能力強，能夠有效緩解農村地區冬季沼氣資源的緊張，具有推廣作用。

關鍵詞 沼氣 太陽能 聯合供暖 傳統燃煤供暖

中圖分類號：TU111.3 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0745（2022）06-0070-03

由于沼氣是農村地區普遍使用的生物能源，所以將其與太陽能聯合應用供暖是具有可行性的[1-2]。這樣的供暖系統不僅節約能源，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 系統簡介和測試說明

1.1 系統介紹

沼氣生物能與太陽能聯合供暖的熱水循環系統由太陽能熱水器、蓄能水箱、控制器、供水管、溫控閥、沼氣池、循環水泵、溫控閥和壁式沼氣熱水器9個部分構成[3]。本試驗場所設在河南省商丘市某農場，冬季較為寒冷，使用該系統，可以在冬季維持室溫在18℃～22℃之間。

1.2 測試方法

本試驗重點檢測環境溫度、熱力、能耗和高壓煤量，檢測裝置一般有Pt一百鉑電阻、安捷倫公司數據采集儀、計算機、TDS-100P便攜式超聲波熱量計、電度表等。

利用導體電阻隨溫度變化這一特征，Pt一百鉑電阻用于測量的時候，要求電阻溫度系數大，電阻率高，電阻與溫度之間最好有線性關系。常用鉑電阻測溫范圍在0℃～630.74℃以內，電阻Rt與溫度t之間的關系如下：Rt=R0（1+At+Bt2）。其中R0是溫度為0℃時的電阻。本實驗R0=100℃，A=3.9684*10-2℃，B=-5.847*10-7℃，鉑電阻內部應先方式有兩線制、三線制和四線制，本實驗是三線制連接。實驗數據如表1所示。

2 系統運行與分析

筆者于2020年1月17～23日測試該供暖系統的運行并將其與傳統燃煤取暖系統的運行效果進行對比，測試并分析該系統的運行參數是否合理有效。實驗時間內的商丘市正處于冬季，并已經開始供暖。本研究所提出的供暖系統屬于能夠根據室內溫度自動掌控運行時間的系統。當系統的溫控閥檢測到室內溫度超過22℃的時候，該供暖系統就會自動進入半關閉的狀態?？偟膩碚f，在測試的一周之內，該系統運行狀況總體比較良好。并于2020年1月25～31日對該測試房間采用傳統燃煤系統取暖。

室內空氣溫度隨著房間進水溫度的起伏而發生變化，總體來說，房間內的溫度較為穩定。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，以及太陽輻射能對墻壁的照射，室內的溫度逐漸得到升高，在15：00左右室內溫度達到最高，接著隨著太陽輻射能的降低，室內溫度逐漸降低，又因為土壤散熱較慢的原因，沼氣池在夜間的溫度較為穩定。沼氣池消耗總量是呈現上升趨勢的，但是在10：00～17：00之間，沼氣消耗量的增長速度較慢，這是因為白天太陽輻射能補充一部分熱量，而夜間就主要靠消耗能量加熱熱水進行供暖。

在采用普通燃煤爐加熱熱水為測試房間供暖的實驗中，室內空氣溫度從22：00～次日6：00呈現持續降低的趨勢。6：00之后開始添加燃煤，對測試房間進行供暖。室內溫度超過22℃時，則停止添加燃煤。

3 測試結果分析

3.1 能耗分析

首先，標準煤的地位發熱量是29307 kJ/kg， PE 為基礎能源消耗量，按式（1）計算：

上式中，PE——基礎能源消耗量，kg;Qt，f——供暖系統耗熱量，kJ;ηt，f——傳統供暖系統燃料轉化為熱能的效率，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——太陽能聯合沼氣生物質共同加熱熱水供暖系統消耗的電能，kWh;ηe，f——從燃料轉化成電能的轉化效率，ηe，f=ηeηnηm=39%×95%×95%=35.2%（e為發電廠效率，ηn為電網效率，ηm為電機總效率）。

在相同的試驗天數中對同一個房間分別使用太陽能聯合沼氣生物質共同加熱熱水供暖系統和以煤炭為主要燃料的傳統加熱熱水供暖系統，得出的耗電量如表2和表3中的數據所示。由表2和表3可知，聯合供暖系統一周總耗電量為24.8kWh，傳統燃煤系統一周的總耗電量為208.3kWh，分別代入式（2）和式（3）進行計算之后，可知這兩種供暖系統一周的能源消耗總量為PE1和PE2。

由計算結果可知，太陽能聯合沼氣生物質共同加熱熱水供暖系統的基礎能源消耗量為8.73kg;以煤炭為主要燃料的傳統加熱熱水供暖系統的基礎能源消耗量為36.25kg。進而可以計算出農村太陽能聯合沼氣生物質共同加熱熱水供暖系統的節能率是75.92%。

因此，我們可以得出以下結論：農村太陽能聯合沼氣生物質共同加熱熱水供暖系統可以比農村以煤炭為主要燃料的傳統加熱熱水供暖系統節約75.92%的燃料。傳統供暖系統以不可再生資源——煤炭資源為主要燃料，且每天最多供暖時間是16小時，而本文所研究設計的供暖系統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，有利于保護生態環境，符合可持續發展的理念。

3.2 經濟環境效益分析

目前，農村沼氣與城市太陽能熱聯合供暖系統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生的電能損失。[4-5]在試驗過程中所有元件均已完成保溫，而這些電能在試驗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。農村太陽能聯合沼氣生物質共同加熱熱水供暖系統每天都可以提供90.65kWh的實際熱量，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）中可得聯合系統每日基礎能源消耗總量PE總：

即農村地區傳統燃煤供熱設備每天需要耗費約15.77kg的基礎燃料，方可實現沼氣和太陽能聯合加熱系統的供熱功效，而傳統燃煤供熱設備每天實際供熱時間僅16h/d，從舒適度上分析，由于沼氣和太陽能聯合加熱系統為全日供熱，所以室內氣溫波動較小，比傳統煤源的供熱舒適度高。

4 結論

農村沼氣和太陽能聯合供暖系統的建立供熱能力強，運行穩定，具有可行性，能夠有效解決由于冬季農村沼氣池產氣量低造成的供熱不足的問題，且經濟環境效益顯著。

參考文獻：

[1] 季杰，于志，孫煒，等.多種太陽能技術與建筑一體化的應用研究[J].太陽能學報，2016，37（02）：489-493.

[2] 王純，姜曙光，程博，等.太陽能集熱墻與地下室復合系統冬季供暖試驗研究[J].太陽能學報，2016，03（03）： 678-683.

[3] 李潛葛，羅恩博，吳張華，等.太陽能熱聲發電技術研究進展[J].中國電機工程學報，2016，12（12）：3242-3250.

[4] 張甫仁，王樂祥，王建輝，等.農村沼氣和太陽能聯合供暖系統的實驗研究[J].太陽能學報，2019，40（11）：3179- 3185.

[5] 靳俊杰，虞婷婷，崔秋娜，等.一種農村家用太陽能聯合沼氣的毛細管供暖系統.CN209877075U[P].2019.