基于“雙碳目標”下養豬場多能互補系統設計與實現

王冉冉，李寒曉，齊凱，陳怡卓，張文娟，申小冉，張穩*

（1.山東農業大學機械與電子工程學院，山東泰安，271018；2.山東五洲電氣股份有限公司，山東濰坊，261000；3.山東農業大學國際交流學院，山東泰安，271018；4.山東碧藍生物科技有限公司，山東泰安，271000）

0 引言

近年來，煤炭、石油等一次能源已面臨嚴重短缺，能源需求卻在不斷增長，新能源的開發和利用便得到了各方的重視［1-2］?！吨泄仓醒?國務院關于完整準確全面貫徹新發展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》提出了“碳達峰，碳中和”的戰略目標，這對我國綠色低碳、節能環保事業提出了更高的要求，多能互補系統能夠實現風、光、水、氣等多種能源的輸入和冷、熱、電、氣等多種能量的輸出，從而實現能源之間的梯級利用［3］，是提升能源利用效率、促進節能環保事業的一個重要措施。

多能互補系統在園區、礦井、河流、農村、建筑等方面的應用研究早已得到國內外的重點關注和快速發展［4-9］，但是，目前多能互補系統在養豬場中的應用研究還很少。隨著農業科技的不斷發展，生豬養殖方式逐漸由傳統的分散養殖模式向現代化、規?；图s化模式轉型［10］。但規?；B殖場在高效生產過程中伴隨著大量糞污排放，若不妥善處理，極易造成水體富營養化、土壤鹽漬化、空氣惡臭等污染問題，這將嚴重威脅生態環境安全［11-14］。

國內外已有不少文獻針對養殖場資源利用問題提出了優化解決方法［15-18］，但大多數都集中在糞污處理上。養殖場通常選在地勢高燥、平坦、向陽的地方，不僅具有充足的生物質能還具備豐富的太陽能，因此，本文將探索包含光伏與沼氣發電的多能互補系統在養豬場中的應用研究，并對其綜合效益進行分析，為多能互補在養殖場中的應用研究提供參考。

1 系統設計流程

養豬場多能互補系統由燃氣內燃機發電機組、光伏發電機組、燃氣鍋爐、余熱鍋爐、吸收式制冷機、電制冷機以及蓄電池等設備組成，具體結構如圖1 所示。

圖1 多能互補系統流程圖Figure 1 Multi energy complementary system structure

多能互補系統包含多種能源的輸入和輸出，養豬場多能互補系統包含光伏、生物質和電網電能的輸入以及電能、熱能的輸出。在養豬場附近建設配套的沼氣工程，對養豬場產生的糞污進行堆肥和厭氧發酵等專業技術的處理，可以得到沼氣、沼渣和沼液。其中，一部分沼氣可以通過燃氣內燃機進行發電，為養豬場的夜晚提供電能；另一部分沼氣則可以通入燃氣鍋爐燃燒產熱，為沼氣工程或養豬場提供熱量；沼渣和沼液中含有豐富的氮、磷、鉀等元素，可以制成有機肥料，用于農作物的生長。白天光照充足，利用光伏電池將光能轉化為電能，為養豬場供電。余熱鍋爐可以回收利用燃氣發電機的煙氣和缸套水余熱，提高能源利用率。

多能互補系統應用于養豬場中，避免了養殖場內糞污的亂排亂放，糞污通入沼氣工程后，利用其產生的沼氣進行供電、供暖，能夠減少外部能源的購入，減少煤炭的燃燒。其次，沼渣和沼液經處理后作為有機肥料，投入農田中，可以提高土壤肥力，減少化肥購入的成本。此外，引入光伏發電，使光伏與沼氣發電共用同一輸電線路，減少系統建造成本，實現能量的互補利用。由此可見，基于多能互補策略，充分利用養豬場的廢棄資源，實現了能源的高效利用，在降低環境污染的同時又減少了能源的購入成本，提高了養殖場的經濟效益。

2 養豬場負荷需求計算及設備選擇

2.1 養豬場規模概況

本文以山東省泰安市某養豬場為例，該養豬場內共計10 個豬舍，豬舍坐北朝南，為雙列式，跨度為12 m，長100 m，檐高2.6 m，屋頂為斜坡式，斜高2 m。豬舍內配備智能檢測、智能飼喂、智能繁育和智能環控等完善的智能化設備［19］，養豬場內工作人員充足，各環節均有專人負責，具有完整規范的管理系統。養豬場地勢較高，周圍沒有建筑物遮擋，能得到充足的光照，且地理位置優越，交通便利，環境幽靜，空氣良好。養豬場內具體概況如表1 所示。

表1 養豬場概況Tabel 1 Overview of pig farms

2.2 電負荷

各季節選取一典型日對養豬場用電量進行實時監測得到養豬場典型日電負荷如圖2 所示。

圖2 養豬場各季節典型日電負荷Figure 2 Typical electricity load of pig farms in different seasons

對典型日電負荷進行簡單計算，得到春季典型日電負荷為1 520 kW·h，夏季典型日電負荷為2 570 kW·h，秋季典型日電負荷為1 490 kW·h，冬季典型日電負荷為1 040 kW·h。

2.3 熱負荷

由于夏季養豬場熱負荷需求很少，在此忽略，冬季豬舍需維持溫度在15 ℃～25 ℃為宜，因此要考慮豬舍的供暖工作。選取冬季一典型日對養豬場熱負荷進行實時監測結果如圖3 所示。

圖3 養豬場典型日熱負荷Figure 3 Typical daily heat load of pig farms

對冬季典型日熱負荷進行計算，得到冬季典型日熱負荷約為6 000 kW·h，即養豬場冬季每日需熱量為21 600 MJ，相當于990 m3的沼氣熱量。

2.4 多能互補系統設備選擇

2.4.1 厭氧發酵罐

發酵罐是生產沼氣的必要裝置，完全混合厭氧發酵罐（continuous stirred-tank reactor，CSTR）能夠使消化器內各類物料和溫度均勻分布，增加底料與發酵物的接觸機會，降低抑制物質的濃度，避免發酵不均勻，從而提高沼氣產量。對豬場內糞便量進行計算得到養豬場內每天可以產生12.3 t 左右的糞便，基于此系統選擇1 000 m3的全混合厭氧反應器。

2.4.2 燃氣內燃機

內燃機常用于1 MW 以下的發電系統，具有功率范圍廣，熱能利用率高，啟動速度快、非滿負荷性能好、重量輕、體積小、價格相對較低以及燃料和水消耗少等優點。所以本系統選擇80 kW 的燃氣內燃機。

2.4.3 光伏電池

光伏電池是通過光電效應或者光化學效應直接把光能轉化成電能的裝置。由于單晶硅電池的光電轉換效率高、使用壽命長。本系統采用300 Wp 單晶硅電池，電池板尺寸為1 640 mm×992 mm。

2.4.4 燃氣鍋爐

燃氣鍋爐可以通過燃燒沼氣向用戶進行供暖或提供生活熱水，是一種高效、安全的節能設備。根據2.3節養豬場的熱負荷曲線圖，本系統選擇300 kW 的燃氣鍋爐。

2.4.5 余熱回收設備

余熱回收設備應用范圍廣泛，具有傳熱性能高、布置靈活、工作安全可靠等優點。其功率的選擇需根據內燃發電機的產熱率而定，燃氣內燃機功率為80 kW，熱效率為56%，余熱鍋爐的回收熱效率按照90%計算，則在內燃機滿負荷運行時，每小時消耗沼氣量為50 m3，余熱鍋爐可產生熱量為549.86 MJ/h，轉換為功率為152.74 kW。余熱回收設備的運行功率范圍為50%～110%，所以選擇140 kW 的余熱回收設備。

3 系統能量計算及運行策略

3.1 系統輸出能量計算

3.1.1 沼氣產量

1 000 m3厭氧發酵罐，采用最為經濟的中溫發酵方式，需使發酵罐常年保持溫度為35 ℃左右，容積產氣率按照1 m3/(m3?d)計算，系統每天可以產生1 000 m3沼氣。按照標準沼氣中的甲烷含量為60%計算，1 m3沼氣熱值為21 820 kJ/m3。

3.1.2 產電量

燃氣內燃機功率為80 kW，發電效率為30%，則每立方米的沼氣可發出電量1.8 kW·h，若將產生的沼氣全部用于發電，則每天沼氣發電量可達1 800 kW。

根據養豬場的地理位置，利用PVsyst 軟件進行仿真得知該地區采光面傾角為30°時，太陽輻射量轉化系數最高，損失最少。通過對幾種不同規格的電池板進行仿真得到，在選擇300 Wp 的單晶硅電池板時，系統單位發電量最大，電池板轉化效率最高。所選電池板的尺寸為1 640 mm×992 mm，豬舍長100 m，屋頂斜面長約6.3 m，考慮到冬季太陽光照時間短、強度弱，設計光伏發電量要比實際用電負荷多，所以在每個豬舍屋頂安裝三排電池板，每排裝設60 塊，如圖4 所示。

圖4 電池板安裝示意圖Figure 4 Installation diagram of battery board

由圖5 仿真結果知，光伏單位發電量為3.31 kWh/kWp/day，陣列損失為0.67 kWh/kWp/day，系統損失為0.06 kWh/kWp/day。計算得到系統光伏日發電量平均值為1 787.4 kW·h。

圖5 發電量仿真結果Figure 5 Power generation simulation results

3.1.3 產熱量

余熱回收設備的運行功率范圍為50%～110%，即為70～152.74 kW。

燃氣鍋爐的運行功率范圍為60%～100%，即為180～300kW。

3.2 系統運行策略

在夏季以及過渡季，多能互補系統無須向養豬場供應熱能，故沼氣工程中產生的沼氣將全部用于內燃機發電。

白天主要以光伏發電為主，內燃發電機輔助供電；夜晚光伏發電停止，以內燃發電機發電為主，蓄電池輔助供電，保證電能的充足供應。

同時在內燃發電機工作時，余熱回收設備為厭氧發酵池進行供熱，多余熱能可為養豬場提供生活熱水。

在冬季，多能互補系統需向養豬場進行供暖。

沼氣工程產生的沼氣應當優先用于燃氣鍋爐為豬舍進行供暖，基于前面章節的分析，沼氣工程產生的沼氣剛好滿足為豬舍供暖所消耗的沼氣量，所以冬季豬場的供電來源主要依靠光伏發電。

白天多余的電量存儲于蓄電池中，到了夜晚蓄電池放電滿足養豬場用電。

4 綜合效益分析

4.1 經濟性分析

系統成本包括設備投入成本和系統運維成本，設備投入成本如表2 所示。

表2 各設備投入成本Table 2 Input costs of each equipment

4.1.1 運維成本OC

式中：k——設備數量；

ζi——設備i的維護系數，取5%；

Ci——設備i的初始投資成本，元/kW；

Pi——設備i的額定功率，kW；

μp——工作人員工資，元/天；

P——工作人員個數；

μPV——光伏發電補貼，元/（kW·h），取0.05；

EPV——光伏發電量，kW·h；

μgas——沼氣發電補貼，元/（kW·h），取0.199 1；

Egas——沼氣發電量，kW·h。

春夏秋冬四季各按照90 d 進行計算，系統內工作人員取4 人，按照150 元/d 的工資計算；光伏每天發電1 787.4 kW·h，發電時長為360 d；沼氣每天發電1 800 kW·h，發電時長為270 d；系統每天產生沼氣量為1 000 m3，按照360 d 計算。綜上可計算得到，系統每年的運維成本為20.63 萬元。

4.1.2 系統收入

考慮到系統以節能環保為前提，優先使用光伏發電，根據山東省發展和改革委員會下發的《關于2020年光伏發電上網電價政策有關事項的通知》（魯發改價格〔2020〕584 號）和《關于積極運用價格政策支持生物質發電平穩健康發展的通知》（魯發改價格〔2021〕234號）文件，光伏發電上網價格為0.49 元/（kW·h），沼氣發電上網價格為0.75 元/（kW·h）。12.3 t 糞污發酵后可產生2.3 t 沼渣和7 t 沼液，沼液沼渣按照100 元/t 計算。收入明細如表3 所示。

表3 系統收益明細Table 3 System revenue details

4.1.3 經濟分析指標

1）凈現值

式中：CI——現金流入；

CO——現金流出；

r——行業基準收益率，取8%；

N——項目的運行年限，取15；

n——項目運行的第n年。

根據式（4）計算得，該項目凈現值為158.57 萬元，凈現值大于零且數值較高，表示該項目經濟效益較好。

2）動態投資回收期

式中：pt——動態投資回收期，年。

解方程計算可得，動態投資回收期約為7.3 年，即該項目能在規定時間內收回投資，且回收速度較快，償還能力好。

4.2 環保性分析

多能互補系統的環保性主要從碳排放角度來分析，養豬場多能互補系統的碳排放量主要就是沼氣利用的碳排放量。通過計算傳統養豬場從電網購電的碳排放量與具有多能互補系統養豬場的碳排放量進行比較，得出系統的減排量。

4.2.1 傳統養豬場購電碳排放計算

式中：ECO2——傳統養豬場購電的碳排放量，kg；

QE——電網購電量，kWh；

EFgrid，OM——電網購電的碳排放因子。

根據中華人民共和國生態環境部發布的《2019 年度減排項目中國區域電網基準線排放因子》，華東地區電網碳排放因子EFgrid，OM為0.792 1 kg/（kW·h）。

4.2.2 多能互補系統碳排放計算

式中：EGE，CO2——內燃機發電的碳排放量，kg；

EFGB，CO2——燃氣鍋爐供暖的碳排放量，kg；

Qgas，GE——內燃機發電的沼氣消耗量，m3；

Qgas，GB——燃氣鍋爐供暖的沼氣消耗量，m3；

EFGE，OM——內燃機發電的沼氣碳排放因子，取1.97 kg/m3；

EFGB，OM——燃氣鍋爐供暖中的沼氣碳排放因子，取1.86 kg/m3［20］。

隨著全球氣候變暖帶來的挑戰越來越嚴重，二氧化碳的排放問題是當前解決全球氣候問題的重要關鍵。為此，本文對多能互補系統的二氧化碳減排量進行分析計算，由表4 可知，多能互補系統每年可減少二氧化碳排放量204.29 t，減幅為22.61%，進一步證明了多能互補系統對社會經濟和環境保護的優勢。

表4 系統二氧化碳減排量Table 4 System carbon dioxide reduction

5 結論

本文對養豬場多能互補系統進行了設計，基于養豬場的電、熱負荷進行了設備選擇，計算了系統的能源消耗量與能源輸出量，并進行了經濟性和環保性分析，由此得出了以下結論。

1）養豬場多能互補系統將太陽能與生物質能相結合，合理利用了養豬場的屋頂空間與糞污，既實現了能量的高效、梯級利用，又降低了糞污排放對環境造成的污染。

2）在經濟性分析上，養豬場的凈現值為158.57 萬元，動態投資回收期為7.3 年，表明了該系統在經濟上的可行性，不僅減少了養豬場的購電成本和供暖成本，還可以為養豬場帶來一份額外的收益。

3）在環保性分析上，系統每年可為養豬場減少二氧化碳排放量204.29 t，相比于原來的養豬場降低了22.61%，表明了養豬場多能互補系統在減少碳排放方面也具有巨大的優勢，能夠為我國的節能環保事業獻出一份力。

4）該多能互補系統在養豬場中的成功設計可以為養雞場、養牛場等其他養殖場的經營模式提供新的思路并起到示范作用。