王艷艷， 張 旭， 苗瑞福

(同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院, 上海 201804 )

村鎮(zhèn)被動(dòng)式太陽(yáng)能輔助集中制沼工程產(chǎn)氣量研究

王艷艷， 張 旭， 苗瑞福

(同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院, 上海 201804 )

文章對(duì)徐州某被動(dòng)式太陽(yáng)能輔助秸稈集中制沼工程的產(chǎn)氣量建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了理論計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明，利用太陽(yáng)能可以有效改善發(fā)酵系統(tǒng)熱環(huán)境，冬季產(chǎn)氣速率達(dá)到0.5～0.7 m3·m-3。全年最低池溫為15.2℃，能保證全年產(chǎn)氣，全年單位池容產(chǎn)氣量約268 m3。與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，建立的數(shù)學(xué)模型有效地模擬了全年日光溫室內(nèi)逐時(shí)氣溫及逐時(shí)發(fā)酵溫度的變化規(guī)律。該工程沼氣日產(chǎn)量及年沼氣產(chǎn)能預(yù)測(cè)方法可應(yīng)用于其它地區(qū)。

沼氣工程； 日光溫室； 被動(dòng)式太陽(yáng)能

一般來(lái)講，沼氣發(fā)酵微生物在8℃～65℃的范圍內(nèi)都能進(jìn)行正常的生長(zhǎng)活動(dòng)，產(chǎn)生沼氣[1]。在一定范圍內(nèi)(15℃～40℃)隨著溫度的增高，微生物的代謝加快，產(chǎn)氣量和產(chǎn)氣率相應(yīng)增高[1]。我國(guó)北方地區(qū)由于冬季氣候寒冷，露天或者埋地的沼氣池需要額外的增溫保溫來(lái)保證其正常連續(xù)產(chǎn)氣，加熱系統(tǒng)需要應(yīng)用電能、燃油或者生產(chǎn)的部分沼氣作為燃料來(lái)源，經(jīng)濟(jì)性較差[2]。P axaopoulos[3-4]等利用數(shù)學(xué)模型模擬預(yù)測(cè)利用太陽(yáng)能集熱板加熱沼氣工程的熱性能并研究了生產(chǎn)的沼氣應(yīng)用于仔豬場(chǎng)采暖的全年日供需關(guān)系及經(jīng)濟(jì)可行性。王紅彥[5]等對(duì)集中供氣工程的經(jīng)濟(jì)可行性進(jìn)行了實(shí)例分析和驗(yàn)證。

筆者研究利用經(jīng)濟(jì)的日光溫室、太陽(yáng)能選擇性吸收材料等增溫保溫的沼氣集中工程產(chǎn)氣量。以位于徐州市的某工程為基礎(chǔ)建立物理模型，根據(jù)傳熱學(xué)理論建立數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)分析日光溫室的增溫效果、發(fā)酵溫度變化規(guī)律，并應(yīng)用實(shí)地測(cè)試數(shù)據(jù)驗(yàn)證模型的正確性，估算全年日產(chǎn)沼氣量。

圖1 沼氣工程剖面示意圖

1 沼氣工程物理模型

沼氣工程物理模型如圖1所示，沼氣罐部分埋地，池容為300 m3。日光溫室主要的幾何參數(shù)有跨度8.5 m，長(zhǎng)20 m，脊高4.5 m，后墻高3.4 m，圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造及熱工參數(shù)如表1所示[6-7]。

日光溫室內(nèi)的傳熱過(guò)程由以下幾個(gè)過(guò)程組合而成：1)太陽(yáng)輻射由薄膜進(jìn)入溫室內(nèi)部，經(jīng)輻射和對(duì)流換熱傳給室內(nèi)各表面； 2)溫室內(nèi)空氣經(jīng)維護(hù)結(jié)構(gòu)與外界熱量交換； 3)土壤與空氣進(jìn)行熱濕交換； 4)室內(nèi)空氣與發(fā)酵罐對(duì)流換熱。

冬季白天，上午9：00揭開(kāi)保溫被到下午15：00覆蓋保溫被，進(jìn)入溫室內(nèi)的太陽(yáng)總輻射是溫室熱量的主要來(lái)源。溫室散熱量主要包括通過(guò)覆蓋材料和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的對(duì)流換熱、土壤中傳熱以及墻體的儲(chǔ)熱。

夜間，其余時(shí)間，在沒(méi)有太陽(yáng)輻射的情況下．溫室中的熱量來(lái)源由地面和東西向山墻、后墻、發(fā)酵罐的有效輻射及其與室內(nèi)空氣的對(duì)流換熱組成。夜間外界氣溫較低，溫室通過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)散失熱量，已有研究表明透過(guò)前面覆蓋物的熱損失占總熱量損失的70%[8]。

表1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造及熱工參數(shù)

2 日光溫室數(shù)學(xué)模型

由于溫室內(nèi)部的傳熱過(guò)程較為復(fù)雜，筆者將內(nèi)部傳熱做簡(jiǎn)化處理。為方便導(dǎo)出熱平衡方程，作如下假設(shè)： 1)溫室內(nèi)部的空氣密度、壓力、比熱容、水蒸汽含量變化范圍小，視為定值； 2)參與傳熱的地面、墻體、薄膜看作各向同性，且等同于灰體； 3)由于太陽(yáng)輻射的強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于長(zhǎng)波輻射，忽略白天各維護(hù)結(jié)構(gòu)外表面對(duì)天空和周?chē)矬w的長(zhǎng)波輻射換熱； 4)由于日光溫室平時(shí)較為密閉，忽略通風(fēng)滲透的影響； 5)假設(shè)土壤物性參數(shù)恒定； 6)溫室墻體、土壤蓄熱能力小，忽略墻體、土壤蓄熱。因此，熱平衡及傳熱模型適用于無(wú)通風(fēng)溫室。

溫室內(nèi)空氣動(dòng)態(tài)熱平衡方程：

(1)

式中：ρa(bǔ)為室內(nèi)空氣密度，取為1.205kg·m-3; Va為室內(nèi)空氣的總體積，m3; Ca為室內(nèi)空氣比熱容，取為1005J·kg-1K-1; Ta為溫室內(nèi)氣溫，℃； τ為時(shí)間，3600s; Qr為薄膜太陽(yáng)輻射得熱量，W； rr為太陽(yáng)輻射比例，根據(jù)幾何關(guān)系計(jì)算得到; Qd為室內(nèi)空氣與地面換熱量，W; Qh為室內(nèi)空氣經(jīng)后坡對(duì)外換熱量,W; Qwi為室內(nèi)空氣經(jīng)各外墻與室外換熱量,W; Qm為室內(nèi)空氣經(jīng)過(guò)薄膜與室外換熱量,W;Ql為空氣與發(fā)酵罐換熱量，W。

2.1 溫室太陽(yáng)輻射得熱量

薄膜太陽(yáng)輻射得熱量Qr：

Qr=Ht(θ)×Fr×τg

(2)

式中：Ht(θ)為斜面上日輻射量，W·m-2;Fr為該采光面的實(shí)際采光面積；τg為該采光面的透光率。該溫室采光面為單層PVC膜厚0.12 mm，對(duì)可見(jiàn)光和紅外線(xiàn)平均透光率取τg=0.7。

斜面上太陽(yáng)輻射量Ht(θ)計(jì)算式如下：

Ht(θ)=Ht×R

(3)

式中：Ht為總輻射；R為傾斜面上和水平面上總輻射量比值，按下式計(jì)算：

(4)

式中：Hb為直接輻射；Hd為散射輻射；ρ為地面反射系數(shù)，一般取ρ=0.2；θ為屋面角即南向斜坡面與水平面的夾角；Rb為傾斜面上和水平面上太陽(yáng)直接輻射量的比值，按下式計(jì)算

(5)

式中：φ為本地緯度角，徐州為34.28°；δ為太陽(yáng)赤緯角；ω0為南向傾斜面上日照起止角，其值為

ω0=cos-1[-tg(φ-θ)tgδ]

(6)

赤緯角δ：地球中心和太陽(yáng)中心的連線(xiàn)與地球赤道平面的夾角。全年赤緯角在+23.45°～-23.45°之間變化，可用以下簡(jiǎn)化公式計(jì)算：

(7)

式中，n為計(jì)算日在一年中的日期序號(hào)。

2.1.2 后坡、北墻、東山墻及西山墻太陽(yáng)輻射得熱量

為計(jì)算方便，采用綜合溫度法計(jì)算。將太陽(yáng)對(duì)維護(hù)結(jié)構(gòu)的短波輻射考慮進(jìn)來(lái)。相當(dāng)于室外氣溫由原來(lái)的tair增加了一個(gè)太陽(yáng)輻射的等效溫度值，即當(dāng)量的室外溫度。其表達(dá)式為[11]：

(8)

式中：Tz為室外綜合溫度，℃； a為圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收率，取為0.1； I為太陽(yáng)輻射照度，W·m-2； αout為維護(hù)結(jié)構(gòu)外表面的對(duì)流換熱系數(shù)，冬季取為23.3W·m-2℃，夏季為18.6W·m-2℃。

白天長(zhǎng)波輻射可以忽略。夜間沒(méi)有太陽(yáng)輻射的作用，天空的背景溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于空氣溫度，因此建筑物向天空的輻射放熱量是不可以忽略的，對(duì)于水平面取(Qlw/αout)=3.5℃～4.0℃。

2.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱負(fù)荷[12]

室內(nèi)空氣與地面換熱量：

Qd=kfFd(Ta-Td), W

(9)

室內(nèi)空氣經(jīng)后坡對(duì)外換熱量：

Qh=khFh(Ta-Tzh), W

(10)

室內(nèi)空氣經(jīng)外墻與室外換熱量：

Qwi=αkwiFwi(Ta-Tzi), W

(11)

室內(nèi)空氣經(jīng)過(guò)薄膜與室外換熱量：

Qm=kmFm(Ta-Tzm), W

(12)

室內(nèi)空氣與發(fā)酵罐體換熱量：

Ql=klFl(Ta-Tl), W

(13)

式中：k為各維護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)，W·m-2K-1; Td為地面溫度，℃； α為溫差修正系數(shù)。

將以上各式聯(lián)立，得到：

(14)

3 發(fā)酵罐數(shù)學(xué)模型

為充分利用太陽(yáng)能資源，發(fā)酵罐外壁面涂有太陽(yáng)能選擇性吸收涂料，吸收率為95%[13]。由于發(fā)酵罐半埋地，屬于流-管-土耦合傳熱，較為復(fù)雜，目前對(duì)于半埋管道散熱偶有文獻(xiàn)提及，采用線(xiàn)性插值模型并不精準(zhǔn)[14-15]。發(fā)酵罐向土壤的散熱遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于向空氣的散熱，為簡(jiǎn)化計(jì)算，忽略發(fā)酵罐向土壤的傳熱[16]。當(dāng)環(huán)境流體的速度較小時(shí)，自然對(duì)流換熱占主導(dǎo)，環(huán)境流體對(duì)管外壁的對(duì)流換熱系數(shù)可近似按公式(15)[17]計(jì)算：

(15)

計(jì)劃將內(nèi)部傳熱做以下簡(jiǎn)化處理：1)將沼氣池內(nèi)部料液當(dāng)作水處理，密度、壓力、比熱容視為定值，溫度均勻一致； 2)忽略發(fā)酵罐向土壤傳熱量； 3)忽略各維護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面與發(fā)酵罐外表面長(zhǎng)波輻射換熱； 4)連續(xù)進(jìn)料及出料； 5)忽略罐體蓄熱； 6)忽略產(chǎn)生的沼氣帶走的熱量。

發(fā)酵料液能量變化量與加熱進(jìn)料的熱量之和等于所得到的熱量即太陽(yáng)輻射量及與溫室內(nèi)空氣對(duì)流換熱量，則料液動(dòng)態(tài)熱平衡方程為：

(16)

(17)

式中：ρl為水密度，kg·m-3； Vl為發(fā)酵料液體積，m3； Cl為水比熱容，J·kg-1K-1； Vj為進(jìn)料體積，m3； Tj為進(jìn)料溫度，℃； kl為料液通過(guò)罐體與溫室內(nèi)空氣換熱傳熱系數(shù)，W·m-1K-1； Fl為發(fā)酵罐長(zhǎng)度，m; Tl為料液溫度, ℃。

聯(lián)立公式(14)和(17)，在日光溫室維護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)及每小時(shí)室內(nèi)外溫度、太陽(yáng)輻射、地面溫度，設(shè)定初始條件，計(jì)算出每小時(shí)日光溫室內(nèi)空氣溫度、發(fā)酵料液溫度。徐州地區(qū)室外氣溫、各方向太陽(yáng)輻射量等典型年逐時(shí)值來(lái)自中國(guó)建筑熱環(huán)境分析專(zhuān)用氣象數(shù)據(jù)集[18]。初始條件設(shè)為1月1日0時(shí)，ta=11.0℃,tl=19.2℃。

圖2 池容產(chǎn)氣速率與發(fā)酵溫度變化規(guī)律圖

4 產(chǎn)氣量計(jì)算方法

單位池容沼氣產(chǎn)氣速率與發(fā)酵溫度的關(guān)系如圖2[19-20]所示。根據(jù)上文計(jì)算出的發(fā)酵料液逐時(shí)溫度，進(jìn)而計(jì)算逐時(shí)沼氣產(chǎn)量。

5 計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果分析

在2014年5月21日至6月12日及2014年12月17日至2015年1月7日兩段時(shí)期利用溫濕度自記儀測(cè)試該沼氣工程太陽(yáng)能溫室內(nèi)外氣溫，利用紅外測(cè)溫儀測(cè)試池溫。

下圖3和圖4為夏季與冬季日光溫室內(nèi)計(jì)算氣溫與實(shí)測(cè)氣溫的比較?？梢钥闯?，兩者日氣溫變化趨勢(shì)及范圍具有較高的吻合度。表2所示為測(cè)試時(shí)間內(nèi)測(cè)試結(jié)果與計(jì)算結(jié)果的平均、最高、最低室內(nèi)外溫度的對(duì)比。測(cè)試與模擬的室內(nèi)溫度誤差均在10%以?xún)?nèi)。結(jié)果較為可信。

對(duì)全年8760個(gè)小時(shí)發(fā)酵料液溫度進(jìn)行計(jì)算。全年發(fā)酵料液日溫度最大值為41.4℃，最小值為15.4℃，平均值為29.5℃。最冷的1月份發(fā)酵料液平均值為17.0℃，最熱月為8月份，達(dá)到40.7℃。5月份發(fā)酵料液平均溫度為33.8℃。由于發(fā)酵料液的比熱容較大，1天內(nèi)的發(fā)酵料液溫度變化范圍較小。圖5為2014年5月與2015年1月測(cè)試與計(jì)算的發(fā)酵料液溫度對(duì)比，冬季相差-2%，夏季相差1%。

圖3 夏季溫室實(shí)測(cè)溫度與典型年預(yù)測(cè)溫度對(duì)比圖

圖4 冬季溫室實(shí)測(cè)溫度與典型年預(yù)測(cè)溫度對(duì)比圖

圖5 預(yù)測(cè)發(fā)酵溫度與實(shí)測(cè)溫度對(duì)比圖

從圖6日產(chǎn)沼氣量圖及圖7累計(jì)產(chǎn)氣量圖，可以看出，夏季產(chǎn)氣速率較高。徐州在一月中旬最冷時(shí)期產(chǎn)氣率較低，平均為0.6 m3·m-3d-1池容。發(fā)酵池為300 m3，則日產(chǎn)氣量≥180 m3，可以滿(mǎn)足100戶(hù)居民的炊事用氣需求。夏季則會(huì)出現(xiàn)產(chǎn)氣過(guò)?，F(xiàn)象，為最大化利用沼氣，可以發(fā)展谷物干燥等產(chǎn)業(yè)。滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行情況下，全年產(chǎn)氣268 m3·m-3, 由于沼氣的長(zhǎng)期存儲(chǔ)所需的設(shè)備較為貴重并且存在安全隱患，而最終沼氣產(chǎn)氣量由發(fā)酵物料決定，所以應(yīng)根據(jù)用氣量調(diào)節(jié)進(jìn)料量。

圖6 單位體積池容日產(chǎn)沼氣量

圖7 單位體積池容累計(jì)產(chǎn)氣量

6 結(jié)論

從筆者研究的理論和實(shí)際測(cè)試結(jié)果及分析可以得到如下幾個(gè)結(jié)論：

(1)應(yīng)用日光溫室及太陽(yáng)能選擇性吸收涂料為沼氣工程增溫保溫可以達(dá)到較好的效果。溫室內(nèi)氣溫、發(fā)酵料液溫度受室外氣溫及太陽(yáng)輻射的影響較為顯著。發(fā)酵罐外壁太陽(yáng)能涂料增溫效果顯著。徐州地區(qū)溫室內(nèi)氣溫較室外可增加8℃～12℃，發(fā)酵料液溫度在最寒冷的1月平均為17.0℃，在8月份則達(dá)到40.7℃，實(shí)現(xiàn)全年連續(xù)產(chǎn)氣，每單位池容年平均日產(chǎn)氣率為0.73 m3，全年大約可產(chǎn)沼氣268 m3。

(2)與實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)比較發(fā)現(xiàn)應(yīng)用傳熱學(xué)方法分析沼氣生產(chǎn)系統(tǒng)可以預(yù)測(cè)沼氣系統(tǒng)熱性能。預(yù)測(cè)的溫室內(nèi)氣溫、發(fā)酵料液溫度與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)具有較好的吻合性。該方法可以推廣到其它地區(qū)的預(yù)測(cè)計(jì)算。

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Biogas Production of Rural Centralized Biogas Plant Combined with Passive Solar Energy /

WANG Yan-yan, ZHANG Xu, MIAO Rui-fu /

(College of Mechanical Engineering, Tongji University, Shanghai 201804, China)

A mathematical model has been developed for calculating the biogas production of a centralized biogas plant combined with passive solar energy in Xuzhou. The results indicated that the utilization of solar energy could improve the thermal environment of the fermentation system. The biogas production rate could reach 0.5 ～ 0.7 m3· m-3in winter. The annual minimum fermentation temperature was 15.2 ℃ which could ensure the biogas being produced all year long. The cumulative biogas production per unit digester was about 268m3. Through the comparison with the field measured data, it was showed that the mathematical model could effectively predict the hourly temperature inside the solar greenhouse and the hourly manure temperature in the digester, and could also be applied to forecast the thermal behavior and biogas production for other areas.

biogas engineering; solar greenhouse; solar energy

2015-12-08

2016-01-04

項(xiàng)目來(lái)源： “十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題(2011BAJ08B09)

王艷艷(1990-)，女，漢族，河南省開(kāi)封市人，碩士，主要從事太陽(yáng)能集中制沼的氣候適應(yīng)性研究工作，E-mail：wangyanyan01210@126.com

張 旭，E-mail:xuzhang@#edu.cn

S216.4; TK519; TK6

B

1000-1166(2016)06-0086-05