文强(湖南农村太阳能、沼气联合供热系统创新研究).doc

获省级挑战杯银奖湖南农村太阳能、沼气联合供热系统创新研究 湖南城市学院市政与测绘工程学院建筑环境与设备工程专业0702301班科研小组 指导老师：周卫平 蒯大秋(湖南城市学院 湖南益阳 413000 )摘要：对湖南广大农村地区而言，太阳能和沼气都是低碳且可方便利用的能源，但是太阳能的利用目前并不高，仅仅体现在太阳能热水器上； 同时它们的缺点：冬天供热不足。而沼气只作为一种直接加热的能源在使用，利用率也低。本文创新着重于太阳能和沼气的综合供热研究，两者互补使得冬天供热稳定，节约电能，并采用地板辐射供热，环保实用，且提高了居住环境的舒适度。并对本系统的可行性和经济性做了简要的对比分析。关键词：太阳能；沼气；联合供热；地板辐射供热；湖南地区1引言 随着“两型社会”建设进程的不断推进，农村节能减排的工作也提到了各级政府的议事日程中。特别是社会主义新农村建设的不断发展，农民生活水平的不断提高，新型的清洁能源、太阳能和新型的农业技术应在农村推广普及。在湖南广大农村，大力推广建立沼气池、太阳能和与其配套的农业技术，以达到了节能减排、提高农民的生活水平和庭院经济的收入水平。农村生产沼气的原料来源广泛，饲养的牛马、猪的尿粪，人的尿粪以及植物的碎片等都非常丰富。使用沼气、太阳能，可以减少植物秸杆和灌木的使用量。在太阳能和沼气低碳能源的利用中，目前国内外对太阳能热水器的单一研究技术上已非常成熟，在常规热水的功能上添加了许多自动控制功能，比如自动上水、自动控制水温、自动加压等。而就我们湖南的广大农村而言，沼气的发展也得到了国家的鼓励和支持，甚至还能给予政策补贴。如2009年，国家加大沼气建设投入，对列入项目区内实行一池三改的农户，在国家补助800元基础上，再增加补助400元，农户建沼气池可补贴1200元。但是如何将农村丰富的生物质能资源和现有的太阳能资源更充分的利用成了摆在我们面前的一个新课题。两者的互补应用可以表现出充分利用能源，减小冬季天气对单纯太阳能供热的影响等特点。由此，本文提出了湖南农村太阳能、沼气联合供热系统创新研究的构想。2联合供热系统概述2.1沼气、太阳能综合地板采暖系统的可行性及系统形式湖南地区当前的沼气、太阳能状况我国是太阳能资源十分丰富的国家，在湖南地区，年太阳辐射总量42005000MJ/，相当于日辐射量3.23.8KWh/。应充分利用太阳能这种清洁的可再生能源，减少建筑物能耗。太阳能在建筑中的热利用，尤其是与低温地板辐射采暖系统的联合应用，很大程度上提高了太阳能热利用的效率，避免了太阳能只在热水器领域使用的局限性。据报道，湖南发现我国中部腹地最早的沼气池，地点位于湘潭县射埠镇，建于上个世纪年代，湖南在我国中部腹地使用沼气具有很长的历史，极具研究价值。在湖南沼气资源十分丰富，有猪、牛、鸡三大类畜禽禽畜粪便秸秆产量等。据2001-2005年中央支持农村沼气建设情况表统计，湖南沼气用户数量排名第一，为269207户，占全国总户数的7.53%。在中共中央国务院关于进一步加强农村工作提高农业综合生产能力若干政策的意见（中发20051号）要求“加快农村能源建设步伐，继续推进农村沼气建设。”号召下，湖南发展最快。低温地板辐射采暖系统与传统的散热器供暖形式相比一个突出特点是热媒温度低，热媒温度要求仅在3545之间。而且地面填充层的蓄热结构，增加了系统的热惰性。由于低温地板采暖系统的这些特点，太阳能这种低品位、清洁、利用技术成熟的能源作为低温地板采暖系统的热源，是比较合理可行的。太阳能地板采暖系统的主要形式系统主要形式有两种形式，一种是间歇运行系统（是指太阳能供暖系统在日间收集太阳能并蓄存起来，在夜间运行对房间供暖的系统形式，这种系统结构简单实用，初投资相对较低；另一种是连续运行系统。但目前采暖区的绝大多数建筑白天也需要热量供给，而且由于太阳能利用受气候、天气的影响很大，所以连续运行的太阳能地板采暖间接式系统是适用更广泛的一种系统形式。即太阳能集热系统和采暖系统是两个独立的系统，两个系统采用换热器换热的形式进行热量交换。为了保证系统连续运行，太阳能采暖系统必须有其他的辅助热源作为保障。在农村可以利用广泛的沼气资源，设置沼气壁挂炉作为辅助热源是比较合理的。2.2 系统设计思路系统设计定位于农村，以“结构简单、经济可行”为原则，采用太阳能光热技术、沼气技术和自动控制技术，在提供用户热、气需求的同时达到热利用效率高、环保等要求。系统流程示意图如图1所示。图 1 太阳能、沼气综合供热系统流程示意图3系统详细介绍3.1系统组成及工作原理系统由太阳能热水循环系统，沼气热水循环系统和综合控制系统三个支系统组成。（图2）（1）、太阳能热水循环系统：由水泵M1、电动三通阀K1、集热器、普通阀K3、蓄热水箱与用热设备等组成。工作过程如下： 回水经过泵M1和电动三通阀K1打到太阳能集热器内，通过太阳能集热后，高温水进入蓄热水箱，由高温水箱提供洗浴和辐射供热所需能量，最后与辐射供热后的回水形成回路。（2）、沼气热水循环系统：由水泵M1（共用）、沼气热水器、蓄热水箱和用热设备组成。工作过程如下：回水箱里的低温水经过泵M1和电动三通阀K1打到沼气热水器，水温提升后直接提供洗浴和辐射供热所需能量，最后与辐射供热后的回水形成回路。（3）、综合控制系统：由控制器和各控制线路组成。工作过程如下：当t140且t340，控制器通过电动三通阀 K1关闭太阳能热水回路，避免低温水进入高温水箱；随着室外温度升高，当t140且t340时，控制器启动电动三通阀K1打开太阳能热水器循环回路，加热水使水温升高；当t145时（45为地板辐射供热的供水温度），控制器启动K2室内开始供暖，室温升高；当地板辐射供暖系统供水温度t245时，控制器控制电磁阀K2，减小循环水量；若系统长时间不能启动，手动开启沼气热水器，辅助加热；(斜体部分以Flash形式表示出来，见附表)和其它太阳能的利用一样， 太阳能集热器的热量输出是随时间变化的，它受气候变化周期的影响，所以，系统中有一个沼气辅助加热器。综合供热系统原理图如图2所示。图2太阳能、沼气综合供热系统原理图3.2系统运行方式表1 系统运行工况表t1t2t3M1K1K2系统状态4040关集热器热水循环关闭关集热器内水温逐渐升高4040开集热器热水循环开启关蓄热水箱水温逐渐升高4540开集热器热水循环开启开系统供暖开始，室温升高454540开集热器热水循环开启关小室温过高，系统自动调温若系统长时间不能启动，手动开启沼气热水器辅助加热3.3系统特点该系统有如下几个特点：（1）系统结构简单；系统分别由当前已成熟的太阳能光电技术、自动控制技术和地板辐射技术作为技术支撑，结构简单，安装方便。（2）系统针对我国中西部冬季的寒冷气候，沼气产生装置将不能产气的特殊性，将一部分热量用于催化沼气发酵，从而可以实现常年产气。（3）系统的控制部分能根据环境扰动自动做出调控，使系统智能化的同时也提高了系统的稳定性。4、系统设计分析4.1系统设计参数的确定计算标准：本文的研究对象为一个普通两层农户，建筑物面积为150，供暖面积为45，家庭人口平均取3人，采暖室内设计温度为18，温度低于8即进行采暖(手动)。太阳能负责8小时的热负荷。集热器正南向放置，倾斜角等于当地纬度（益阳地区为例，其纬度为27512841）。该系统同时负责生活热水供应。就目前我国的太阳能集热器的利用情况来讲，热媒温度最高为50左右，所以我们设计供回水温度分别为45和30。采暖热负荷可以根据下面的公式计算：（参考文献2）Q=KAq(t0t1)(tot2) 式中Q地板采暖所需热负荷 K全系统熟损失和漏损系数，k取105115，这里按1.1计算 A供暖面积，； Q建筑物热指标，w，一般民用住宅供暖面积熟指标取4770 w，针对住宅采暖 需求情况进行计算，与常规采暖相比，地板辐射采暖的室内计算温度可降低23，所以单位面积采暖热指标可取较低值，这里按60W估算。 to室内供暖温度，to=1618 这里取t。=18 ； t1 供暖室外计算温度，查民用建筑热工设计规范知益阳t1= -O.8；t2室外采暖计算温度，查民用建筑热工设计规范知益阳t2=8： 把以上各参数带入式得 Q=114560(18-(-08)(18-(-8) =2147 W 再加上集中热水供应系统的设计小时耗热量Q h =Kn mqr c（tr-tl）r /86400m 用水计算单位数，人数； qr热水用水定额 L/人.d取40C水的比热，C=4187J/（Kg. ）； tr 热水温度，60tl 冷水温度，7； r热水密度，0.9831Kg/LKh热水小时变化系数；取5.12 Qh设计小时耗热量 Qh=5.123404187530.9831/86400 W=1551 WQ总=Q + Qh=3698W如果这些热量用太阳能提供，需要太阳能热水器的集热面积为： A =(Qh36103)(H/cos)其中 A集热器面积 Q总系统所需热负荷，w； h取暖时数，这里按太阳能日照时数8小时： 集热器集热效率，这里取53； H2月份水平面上日平均太阳辐射量，71MJ/m2(2001年中国气象辐射资料年册)； 太阳能集热器集热倾角，这里取45；代入数据计算得 A=20 m2 4.2系统设备设计参数（1）太阳能集热器(平板集热器) 如图3 集热器截面图所示。形式：冲水式朝向：正南 图3 集热器截面图装设地点：屋顶或南墙 倾斜度：45面积（由上确定）：20 m2结构：吸热体置于模压和焊接钢板中 盖板：双层玻璃平板集热器是一个由下列三部分组成的箱子：正面部分为集热器本体，直接承受阳光暴晒；正面热转换的吸热体；背后衬垫； （2）蓄热水箱结构和大小由于地板辐射采暖所要求的供回水水温和洗浴所要求的供水水温差别较大，我们利用水在不同温度下的密度差实现水箱的温度分区，底部的水温低作为地板辐射采暖热媒，上部水温高作为生活供水。蓄热水箱体积计算： 根据文献3可知单位集热器面积和对应的水箱容积有如下函数关系：图4 单位集热器面积和对应的水箱容积关系图根据实际情况此处取单位集热器面积对应水箱容积为0.02m3 ，则蓄热水箱容积V=0.02 m3 /=0.0220 m3 =4 m3（3）主循环水路管径：采暖负荷Q总=3698 W 根据公式Q=1/4 d2 t c（参考文献4）d=11.12mm 取d=15mm（4）沼气池容积： 根据经验沼气池容积约为10 m3即能满足系统不利天气时供热要求。5、系统节能及环保效益分析5.1系统节能分析5.1.1太阳能地板辐射采暖系统年节能量（参考文献1） Qsave 1 =AcJt(1-c)cd式中 Qsave太阳能热水系统节能量，MJ；Ac系统的太阳能集热面积，；Jt太阳能集热器采光表面上的年总太阳辐射量，MJ/；取5000 MJ/；cd太阳能集热器的年平均集热效率，%；取53%；c管路和水箱热损失率；取0.2；Qsave 1 =205000（1-0.2）53% MJ=42400 MJ；5.1.2太阳能地板辐射采暖系统节能费用 SAV1=PI(Qsav Cc-AdDJ)- Ad 式中 SAV系统寿命期内总结省费用，元； PI折现系数；（集热系统寿命一般为10-15年。其中折现系数按下式计算：得PI = 10.04）Cc系统评估当年的常规能源热价，元/KJ；取0.06元/ KJ（参考文献5）Ad 系统总投资，元；取20000元（包括太阳能集热板20500元/=10000元，其他设备5000元，安装费5000元，注：参考市场价格） DJ每年用于与太阳能热水系统有关的维修费用（包括太阳能集热器、管道系统等维修费用）占总增投资的百分率，一般取1%；SAV1=10.04（424000.06-200001%）-20000=3534元5.1.3沼气年节能费用建设一个十立方米的沼气池，一年四季可以连续运行，有效使用期20年以上。在保持饲养四五头猪解决原料来源的前提下，年产沼气800900m3，提供沼渣3035 m3、沼液20t左右。沼气、沼渣、沼液均可充分利用。1、沼气用作日常炊事，供全家一日三餐，年平均节煤2t左右，节省燃料费可达1200多元；2、沼气用作照明，年可节约电费200元左右；3、沼渣、沼液用作肥料，年产沼肥5000公斤左右，节约化肥约400元左右。由于沼肥无病菌和虫卵，能够减少农作物病虫害的发生，还可节约农药。沼肥还能改良土壤，提高土壤有机质含量；4、用沼液代替农药，进行喷施，防止农作物病虫害，年可节约农药开支200多元；5、沼液作为饲料填加剂，喂养鸡、鱼、猪、牛等，年可节约饲料费500多元。用浓度1沼液作为有机物复合添加剂喂猪，日增重为640660g/头，降低耗料4860kg/头，多盈利40元/头左右。沼渣沼液喂牛羊鸡鸭，可提高母畜怀胎率，鸡鸭产蛋率。沼渣沼液一般没有病源菌和寄生虫虫卵，猪、牛、羊喂沼渣、沼液不易患病，毛色光亮，生长健壮，棚圈少蚊蝇。据有关资料分析，牛羊喂沼渣沼液，牛日增重300400g/头，羊日增重5060g/只。综上分析，一年中一口10m3沼气池可为农户节省开支3000元左右。在系统寿命年限内可节省费用SAV2=3000元/年15年=45000元（按照0.06元/KJ热价计算，折合后节能量为Qsav2= 808.900MJ）SAV= SAV1 + SAV2=48534元Qsav=Qsave 1 + Qsav2 =43208.9 MJ5.1.4太阳能、沼气联合供热系统投资回收年限当太阳能热水系统运行n年后节省的总资金与系统出投资相等时，即SAV=0 。PI(Qsav Cc-AdDJ)= Ad此时总累计年份n定义为系统的动态回收期Ned年市场折现率，可取银行贷款利率,取6.40%；e年燃料价格上涨率；取1%上式中PI Ad(Qsav Cc-AdDJ) =8.359 ,Ne=1年5.2环保效益太阳能、沼气联合供热系统的环保效益体现在节省了常规能源而减少了污染物的排放，主要指标为二氧化碳减排量。式中：Qco2系统寿命期内二氧化碳减排量，kg；w标准煤热值，29.308MJkg；n系统寿命，年；取15年Fco2碳排放因子，电取0.866；Eff常规能源水加热装置效率，取53%；由此计算Qco2=132.489 t5.3 对农村造成经济影响通过上述投资分析，整个太阳能、沼气联合供热系统虽然初投资较高，但是动态回收期只有1年，而且随着技术的不断完善，初投资在未来有望下降。同时在农村自然生物资源丰富，太阳能、沼气能都为实在的经济能源，从费用上来说明显优于以煤、液化气等作为供应供热系统的能源。且从横向比较来说太阳能、沼气能明显比其他能源应用有其独特经济性与优越性。通过上面对比分析可知太阳能、沼气联合供热系统在几种常规的供暖方式中占有明显的优势，而且后期投资相对较少，是一种在农村比较理想的供暖方式。6、结束语 因湖南农村太阳能和沼气生物质能十分丰富具有如此多的优越性，本文建立了农村太阳能、沼气综合供热系统的物理模型，并对本系统的工艺流程进行简要的分析。此模型的设计符合科学发展观的要求，会让可再生能源太阳能、沼气和农副产品生物质能有效的得到利用，本系统的优越性更好的得到发挥，有利用建设资源节约型、环境友好型的新农村。此模型的应用有望进一步节省农民的开支，改善农民的生活条件，会成为实现农业可持续发展、优化农业产业结构、促进农村经济发展的一股有力的推动力。因此，本文为建立农村经济发展模式、优化农村能源消费结构和缓解化石能源供给的危机提出了有意义的参考，具有很好的实用前景。虽然该系统还存在不足之处，后期还有很多方面有待改进。科研小组在老师的指导下对该系统正在进行更加深入的研究，研究表明了具有一定的可行性、实用性和经济性，有一定的研究价值。太阳能、沼气联合采暖在农村地区的应用有其自身的优势及广阔的发展前景。参考文献1.齐学义.季炜.董士奎 基于太阳能及生物质能综合利用的分布式能源系统