◎孫朝陽張哂昭張毅鵬

（1.三門峽職業(yè)技術學院建筑工程學院；2.三門峽黃河明珠（集團）有限公司，河南三門峽472000）

太陽能恒溫沼氣池在農村戶式建筑中的應用與效益分析

◎孫朝陽1張哂昭2張毅鵬1

（1.三門峽職業(yè)技術學院建筑工程學院；2.三門峽黃河明珠（集團）有限公司，河南三門峽472000）

為滿足新型農村農民燃氣、熱水需求，利用可再生能源構建集太陽能熱水器、太陽能恒溫沼氣池為一體的供能系統(tǒng)來解決此問題。以中原地區(qū)三門峽市某農村為例，研究了該供能系統(tǒng)的的經(jīng)濟性。以系統(tǒng)使用壽命20年為限，該農村太陽能恒溫沼氣池的益本比＞1，凈現(xiàn)值＞0，內部收益率＞投資機會成本，理論上證明該系統(tǒng)在經(jīng)濟性上是可行的。

太陽能恒溫沼氣池；太陽能；沼氣；經(jīng)濟分析

隨著我國農村城鎮(zhèn)化步伐的加快，農村用能需求不斷增加，農村趨城市化用能特點日趨明顯，與城市用能需求基本一樣，生活用電、燒水做飯、取暖或制冷是農村的三種主要用能方式。為解決農村用能需求，國內外很多學者進行了相關研究。李金平[1-4]等研究了太陽熱能與生物質能互補的高效規(guī)模供熱技術，在西北農村開展太陽能恒溫沼氣池的推廣建設與應用，產生了巨大的社會經(jīng)濟效益。孫靜[5]等人做了嚴寒地區(qū)利用太陽能加熱制取沼氣的實驗研究，表明在北方地區(qū)利用太陽能加熱制取沼氣是可行的。F.Sahnounea[6]研究太陽能與常規(guī)能源之間的經(jīng)濟比較。

國內外關于太陽能與生物質能互補的供熱系統(tǒng)已證明太陽能是一種有效的、環(huán)境友好的解決農村能源問題的最佳方式。為此本文試圖從技術和經(jīng)濟兩方面來探討太陽能恒溫沼氣池在農村戶式建筑中的應用前景。

1 太陽能恒溫沼氣池

1.1 工作原理

太陽能恒溫沼氣池的工作原理：太陽集熱器收集的太陽熱能，以水為熱媒，通過布置在軟體沼氣池周圍的鋁塑管來加熱料液。蓄熱水箱和沼氣池中安置有溫度傳感器，通過把溫度信號傳遞給自主研發(fā)的自動控制裝置來控制循環(huán)水泵的啟停，從而控制發(fā)酵溫度恒溫。

為了實現(xiàn)全年連續(xù)穩(wěn)定產氣，蘭州理工大學研發(fā)了性能穩(wěn)定的模塊化太陽能恒溫沼氣池，利用太陽能熱水器收集的太陽熱能維持沼氣池恒溫，為生物厭氧發(fā)酵提供適宜穩(wěn)定的工作環(huán)境[7]。圖1所示是研制的新一代地上式模塊化太陽能恒溫沼氣池，由30支DN58mm1800mm真空集熱管太陽能熱水器、3m3軟體沼氣發(fā)酵袋、3m3儲氣袋以及由彩鋼板制成的圍護結構等組成，發(fā)酵袋和儲氣袋均由紅泥塑料制成。冬季實驗證明，在環(huán)境溫度接近-20℃的極端條件下，太陽能恒溫沼氣池仍能連續(xù)、穩(wěn)定的生產沼氣，池內溫度維持在26～27℃，穩(wěn)定運行時日產沼氣1.5m3以上[8]。

1.2 太陽能恒溫沼氣池建造的關鍵技術問題

1.2.1 太陽能恒溫沼氣池的低成本標準化建造技術研究

價格是制約太陽能恒溫沼氣池大面積推廣的關鍵因素，這就需要在克服傳統(tǒng)沼氣生產不穩(wěn)定、冬季不產氣和出料困難的技術問題后，在滿足用戶要求的基礎上降低建造成本，否則難以在農村進行產業(yè)化推廣。

1.2.2 太陽能恒溫沼氣池混合原料進料技術規(guī)范研究

隨著農民生活水平的提高和農村生活環(huán)境的改善，以使用人畜糞便作為生物厭氧發(fā)酵原料的傳統(tǒng)農村沼氣池已不能適應農村社會發(fā)展的要求。然而農村的秸稈、菜葉、有機生活垃圾等生物原料十分豐富，因此有必要研究這些生物質原料混合后的產氣性能，以確定太陽能恒溫沼氣池對這些混合原料的適應性。

1.2.3 太陽能恒溫沼氣池的標準化建造模式

由于不同地區(qū)人們生活習慣、房屋構造等因素的影響，對太陽能恒溫沼氣池的標準化建造方案提出了巨大的挑戰(zhàn)。為了保證農戶的用能需求和使用方便要求以及太陽能恒溫沼氣池的產能最大化，我們需要對太陽能恒溫沼氣池的標準化建造模式進行研究。

圖1 太陽能恒溫沼氣池原理

2 效益分析評價

2.1 經(jīng)濟效益分析

2.1.1 投入效益

投入的生產費用包括設備成本費、原料費、維修管理費、運行費等。

2.1.2 產出效益

沼氣的價值、供暖收益和種植收入。

2.1.3 計算方法

（1）凈現(xiàn)值NPV（Net Present Value）

式中：

i—折現(xiàn)率；

CI—現(xiàn)金流入量；

CO—現(xiàn)金流出量。

如果凈現(xiàn)值大于零，則方案可行。

（2）益本比B/C(Benefit-CostRatio)

式中：

PVB—效益的現(xiàn)值；

PVC—成本現(xiàn)值。

如果效益成本比大于1，則方案可行。

（3）投資回收期T

（4）內部收益率FIRR(Financial Internal Ratio of return)

式中：

i1——試算用的略低折現(xiàn)率（當NPV1為接近于零的正值時的折現(xiàn)率）；

i2——試算用的略高折現(xiàn)率（當NPV2為接近于零的負值時的折現(xiàn)率）；

NPV1——在折現(xiàn)率為i1的凈現(xiàn)值；

NPV2——在折現(xiàn)率為i2的凈現(xiàn)值。

如果內部收益率超過投資機會成本，則在該項目上的投資比投資其他的替代項目使用資金更好，項目可行。

2.2 社會效益評價

農村戶式建筑采用太陽能恒溫沼氣池利用日常生活、生產中的廢棄物產生沼氣，使用方便，無污染，殘余物可用來為農田施肥。沼氣既替代了傳統(tǒng)的生活燃料，又減少了CO2氣體的排放，對農村居住環(huán)境的改善起到了很好的作用。同時使用太陽能熱水器供暖，減少了有害氣體對室內環(huán)境及人體健康的危害。高效清潔能源的使用，使農戶從傳統(tǒng)的生活方式向健康、文明、衛(wèi)生的生活方式轉變，有利于我國社會主義新農村的建設。

3 工程案例

以三門峽市陜縣張村某農戶為例，使用混合原料全年穩(wěn)定供能滿足農民生活熱水、生活燃氣需求。該戶建筑設計要求為：每天生產沼氣不少于1m3,40℃以上生活熱水180L。系統(tǒng)整體成本降低到農民可接受程度，即每套價格不高于6000元。

3.1 系統(tǒng)供能穩(wěn)定性分析

根據(jù)用戶需求，我們可以采用上述的太陽能恒溫沼氣池系統(tǒng)來解決用戶的熱水和燃氣需求。如圖2所示，由于沼氣池采用了較好的保溫措施，在利用太陽能恒定控制沼氣池池內溫度的同時，也完全克服外界對沼氣池的影響造成的溫度波動，從而實現(xiàn)沼氣池的全年連續(xù)穩(wěn)定生產。

3.2 系統(tǒng)經(jīng)濟效益分析

3.2.1 投入的生產費用

投入的生產費用主要包括太陽能集熱器、沼氣罐、配套裝置以及每年管理及運行費，具體見表1所示。

圖2 太陽能恒溫沼氣生產系統(tǒng)原理

3.2.2 產出效益

產出效益主要包括沼氣收益、熱水收益、沼肥收益等，具體見表2所示。

表1 投入的生產費用

表2 收益價值

當系統(tǒng)運行穩(wěn)定時每天產氣1.5m3,燃煤爐的效率為60%，沼氣灶的熱效率為75%，沼氣的熱值取平均值22.935MJ/m3，標準煤熱值29300kJ∕kg,標準煤價為1.8元∕kg。

則沼氣的價值為1.76元∕m3。年收益=1.76×1.5×365=964元生活熱水日均耗熱量為

式中，QW：生活熱水平均耗熱量，W；m：用水計算單位數(shù)，3人；qr熱水用水定額，40L/(人·天）；CW：水的比熱容，取4187J/（kg·℃）；ρw：熱水密度；tr:設計熱水溫度，60℃；tf:設計冷水溫度，年平均10℃。經(jīng)計算得，生活熱水日平均耗熱量Qw=24.70MJ/d。

熱水年收益=24700÷29300×1.8×36.5=554元

3.3.3 計算方法

根據(jù)上述計算及經(jīng)濟學相關公式，得表3經(jīng)濟效益分析計算表，由該表計算得經(jīng)濟性指標如表4所示（設系統(tǒng)投資機會成本為10%；系統(tǒng)使用壽命為20年）。由表4可知，該農村太陽能恒溫沼氣池的益本比〉1，凈現(xiàn)值〉0，內部收益率〉投資機會成本，理論上證明該系統(tǒng)在經(jīng)濟性上是可行的。

4 結論

4.1 太陽能恒溫沼氣池供能系統(tǒng)日產沼氣1.5m3，平均日產不低于40℃以上生活熱水180L，可以滿足一戶4-5人沼氣與熱水需求；

4.2 太陽能恒溫沼氣池系統(tǒng)使用壽命可達20年以上，經(jīng)濟效益好，性價比高；

4.3 太陽能恒溫沼氣池系統(tǒng)可廣泛應用于農村、村鎮(zhèn)和小型養(yǎng)殖戶等，對改善農村人居環(huán)境和生態(tài)環(huán)境，推進農村城鎮(zhèn)化步伐，實現(xiàn)節(jié)能減排，加快社會主義新農村建設具有重大意義。

表3 戶用太陽能恒溫沼氣池經(jīng)濟效益分析計算表

表4 經(jīng)濟性指標

[1]李金平，馬濤，王建森，等.表面活性劑對水合物生成過程的定量影響[J].工程熱物理學報，2010，31(5)：793-796. [2]李金平,馬思聰,刁榮丹，等.新型農村綠色建筑的構建與能耗分析[J].中國沼氣，2012,30(6):28-32.

[3]李金平,柏建華,李珍.不同恒溫條件厭氧發(fā)酵的沼氣成分研究[J].中國沼氣,2010,28(6):20-23.

[4]李金平,冷小超,馬思聰.基于可再生能源的農村綠色建筑的能量分析[J].蘭州理工大學學報,2014,40(1):50-53.

[5]孫靜，鄭茂會，吳飛.嚴寒地區(qū)利用太陽能加熱制沼氣的實驗研究[J].可再生能源,2008,26(1):46-49.

[6]F.Sahnoune,M.Madani,M.Zelmat,M.Belhamel.Comparative study between solar and conventional heating-Economic study and environmental impact[J].Energy Procedia,2014，50：841-852.

[7]柏建華.太陽能加熱的恒溫沼氣池產氣性能實驗研究[D].蘭州：蘭州理工大學，2011.

[8]馬思聰.與新型農村綠色建筑一體化的供能系統(tǒng)研究[D].蘭州：蘭州理工大學，2014.

（責任編輯 卞建寧）

TK519

B

1671-9123（2016）02-0136-05

2016-02-25

孫朝陽（1980-），男，河南新安人，三門峽職業(yè)技術學院建筑工程學院副教授，主要從事建筑節(jié)能與可再生能源利用研究。