太陽能沼氣互補型熱水器系統設計

虞婷婷, 周 前, 靳俊杰, 邢菲菲, 梅傲寒

(河南城建學院，河南平頂山467000)

1 概述

沼氣作為一種清潔的可再生能源，對節能減排及能源結構調整意義重大[1]。在我國廣大農村，沼氣資源比較豐富，2000年以來，隨著政策扶持力度加大，以及農民的收入不斷增加，農民的環保意識逐漸增強，使得沼氣成為農村的主要能源之一[2]。沼氣的發酵過程受周圍環境的溫度影響比較大。研究表明沼氣發酵存在兩個產氣的高峰區：一個溫度為30～40 ℃，另一個溫度為50～60 ℃[3]。該溫度在很多地方很難一年四季得到滿足，因此在一定程度上制約了沼氣的發展。

近年來，太陽能和沼氣互補的系統越來越多地被研究設計開發和利用。基于對熱水器的研究和應用，我們考慮在原有技術的基礎上將太陽能和沼氣結合的系統進行改進后應用到熱水器中，充分利用太陽能和沼氣這兩種清潔可再生能源進行優勢互補，并將重力熱管技術應用于沼氣池發酵過程中。這樣可以提高沼氣反應裝置的產氣率和沼氣使用的效率。

2 太陽能沼氣互補型熱水器系統

2.1 系統原理

該系統是一種充分利用廢熱和清潔能源的新型熱水器系統。充分利用農村炊事燃燒木材、秸稈等產生的煙氣中的廢熱，以及洗浴水中的廢熱，對溫度較低的沼氣池進行加熱。此外，利用重力熱管技術將外界大氣環境中的熱量回收利用對沼氣池加熱。

2.2 系統流程

該熱水器系統由3部分組成：太陽能熱水器系統、沼氣池換熱系統和沼氣熱水爐系統。系統流程見圖1。

① 太陽能熱水器系統

通過小型循環水泵，不斷把水從儲熱水箱輸送到太陽能集熱器加熱，然后儲存在儲熱水箱中。當太陽輻射照度小于限值時，循環水泵停止工作。儲熱水箱中的熱水通過管道輸送到洗浴間供使用。

② 沼氣池換熱系統

該系統中的沼氣池改變傳統做法，把沼氣池建在高2.5 m的鋼架上，沼氣池四圍用保溫材料保溫，并在底部安裝重力熱管。根據重力熱管的工作原理，通過外界的高溫條件，把大氣中的熱量傳遞到沼氣池中，尤其是夏季，效果尤為明顯。因為重力熱管具有方向性，只能把熱量從大氣傳遞到沼氣池中而不可能反方向傳熱。

當洗浴間高于沼氣池位置時，洗浴水在重力作用下通過管道流進沼氣池中的換熱器，起到對沼氣池加熱的作用，然后排入下水道。當洗浴間低于沼氣池位置時，洗浴水先排入蓄水池，然后通過水泵輸送到沼氣池中的換熱器進行換熱(圖1畫出的是這種工況)。

圖1 太陽能沼氣互補型熱水器系統流程

炊事中燃燒木材、秸稈等產生的煙氣，通過煙氣管進入到沼氣池中的換熱器中，同樣起到加熱沼氣池的作用。

通過以上方式對沼氣池加熱，使得沼氣池保持較高的溫度，從而大大增加了沼氣池的沼氣產量。把產生的沼氣儲存在沼氣袋中，需要時使用。

③ 沼氣熱水爐系統

在儲熱水箱中設置溫度控制裝置，當儲熱水箱中的水溫低于設定的溫度值時，說明太陽能集熱器提供的熱水溫度不夠，此時沼氣熱水爐開啟，燃燒來自沼氣袋中的沼氣，加熱儲熱水箱中的水，當水溫達到設定的上限值時，通過控制系統關閉沼氣熱水爐。

3 供需熱量計算

3.1 冬季耗熱量的計算

本文只針對冬季進行經濟性分析，以平頂山地區農村5口之家為例，所需要的洗浴耗熱量計算公式為[4]：

(1)

式中Qr——熱水供應平均小時熱負荷，J/h

c——水的比熱容，J/(kg·K)，取4 187 J/(kg·K)

n——用熱水人數，人

ρ——熱水密度，kg/m3

V——熱水用量，m3/(人·d)

θr——熱水溫度，℃

θl——冷水溫度，℃

t——每天供水時間，h/d，取24 h/d

按照GB 50015—2003《建筑給水排水設計規范》(2009年版)第5.1.1條的規定，住宅每人每日最高日用水定額為40～80 L/(人·d)，本文取60 L/(人·d)；冷水溫度按照地下水10 ℃來取，熱水溫度按照熱水器配水點水溫45 ℃來取；45 ℃時的水密度為990 kg/m3；用水人數按照5人來算。根據公式(1)可計算出每小時耗熱量約為1 813 kJ，則1 d的耗熱量為43 524 kJ，冬季按照90 d計，則整個冬季洗浴用水耗熱量為3 917 148 kJ。

3.2 太陽能集熱器提供熱量的計算

Q=Hηc(1-L)A

(2)

式中Q——太陽能集熱器每天提供的熱量，kJ/d

H——當地集熱器采光面上的日均曝輻射量，kJ/(m2·d)

ηc——集熱器日平均熱效率，國標經驗值取0.4～0.55，此處取0.5

A——集熱器面積，m2

本文采用平板集熱器，集熱器面積為3 m2，集熱器與水平面夾角為45°，按集熱器位于鄭州地區計算，冬季日均曝輻射量為11 078.81 kJ/(m2·d)，則根據公式(2)可計算得到太陽能集熱器每天提供的熱量為13 294.6 kJ/d，則整個冬季(按照90 d計)提供的熱量為1 196 511 kJ。

3.3 沼氣產量的計算

戶用沼氣池產氣率一般為0.20～0.25 m3/(m3·d)，本文建立一個8 m3的露天沼氣池，因該沼氣池采用重力熱管及余熱利用技術，產氣率可取0.3 m3/(m3·d)，則冬季沼氣產量為216 m3。1 m3沼氣燃燒產生熱量約為20 930～25 120 kJ[5]，此處取23 000 kJ。

3.4 供需熱量的關系

整個冬季洗浴用水所需的熱量為3 917 148 kJ，太陽能集熱器提供的熱量 為1 196 511 kJ，沼氣熱水爐參照市場燃氣熱水器能效等級標準，其熱效率取85%，可計算得到為滿足洗浴用熱量，還需139.2 m3的沼氣,已知冬季沼氣產量為216 m3，可知冬季產生的沼氣量足夠使用。

4 幾種熱水器的經濟性對比分析

本文只考慮冬季洗浴用水來進行經濟性分析。由于大部分農村地區尚未接通燃氣，故在經濟性對比分析時，只考慮與太陽能熱水器、電熱水器及空氣能熱水器的對比。

太陽能熱水器系統的造價可參照太陽能平板集熱器及附件造價。沼氣池換熱系統參照國家的相關政策補貼,并考慮支架、保溫材料及重力熱管費用。沼氣熱水爐可參照市場上較低廉的燃氣熱水器價格。其他末端或輔助設備如水泵、閥門及管道等造價可根據市場行情確定。

年運行費用包括燃料費用、設備維護費、電費等。電價按平頂山市收費標準0.56元/(kW·h)計算，設備維護費按系統造價的2%計算。該新型熱水器系統所需的沼氣燃料費用及運行時的人工成本均可不計。根據冬季需提供的熱量為3 917 148 kJ進行計算，太陽能沼氣互補型熱水器系統中過剩的沼氣根據熱量折合成天然氣，再根據天然氣市場價格折合成收入，在運行費用中扣除。幾種熱水器的經濟性對比分析見表1。其中，年計算費用為平均每年造價與運行費用的和。

表1 幾種熱水器的經濟性對比分析

由表1可知，太陽能熱水器的年計算費用最低，其次是太陽能沼氣互補型熱水器，空氣能熱水器最高。雖然表1中太陽能熱水器的年計算費用最低，但冬季很多時候水溫達不到洗浴溫度，無法使用。除了太陽能熱水器，太陽能沼氣互補型熱水器的年計算費用最低。

5 結語

太陽能沼氣互補型熱水器系統利用可再生能源，并充分回收生活中的廢水余熱及煙氣余熱，利用重力熱管技術回收大氣環境熱量，提高沼氣池的沼氣產量。該熱水器系統克服了太陽能熱水器冬季供熱水不足，電熱水器及空氣能熱水器耗電量大，燃氣熱水器因氣源問題在農村尚未普及的缺點，節能環保、經濟和社會效益顯著。