劉建禹，賀佳貝，楊勝明，隋 新，鄧斯文

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱 150030）

0 引 言

近年來，隨著化石能源的日益枯竭和生態(tài)環(huán)境問題的日趨嚴(yán)重，集有機(jī)廢棄物處理、清潔能源生產(chǎn)、資源化利用為一體的沼氣工程越來越受到重視。沼氣的生產(chǎn)過程需要消耗能源，特別是在北方寒冷地區(qū)的冬季，若使沼氣工程正常運(yùn)行，必須要消耗大量的能源，通過加熱系統(tǒng)對沼氣工程進(jìn)行加熱，維持穩(wěn)定的發(fā)酵溫度。沼氣工程加熱系統(tǒng)如何能更有效、更合理地利用能源，提高能源利用率，使沼氣工程實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的低能耗，能源生產(chǎn)的高產(chǎn)出是必須解決的現(xiàn)實(shí)問題[1-6]。因此，有必要對沼氣工程加熱系統(tǒng)進(jìn)行熱力學(xué)分析，對系統(tǒng)用能狀況做出全面科學(xué)的評價，減少用能過程的損失和浪費(fèi)，達(dá)到節(jié)約能源的目的。

傳統(tǒng)用能分析的方法是以熱力學(xué)第一定律為依據(jù)，單純從能量平衡的觀點(diǎn)，以熱效率作為用能評價的基本指標(biāo)。但是，能不僅有量的多少，而且還有質(zhì)的差異。僅以熱效率作為用能評價的基本指標(biāo)，只能反映能在數(shù)量上的得失，不能反映能在質(zhì)量的得失，也無法全面地反映能源利用的完善程度，甚至可能還會導(dǎo)致錯誤的結(jié)論[7-9]。?分析法是建立在熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律基礎(chǔ)上的一種用能分析方法，它是把能的數(shù)量和質(zhì)量結(jié)合起來，綜合評價各種不同形態(tài)能的價值，用?效率評定各種裝置或設(shè)備合理用能的完善程度，探尋用能過程中的薄弱環(huán)節(jié)，為科學(xué)合理用能指明方向[10-11]。工程?分析的方法主要有兩類，一類是按照工程設(shè)計計算參數(shù)進(jìn)行的?分析，稱為設(shè)計?分析；另一類依據(jù)工程在運(yùn)行中的實(shí)測數(shù)值進(jìn)行的?分析，稱為運(yùn)行?分析[12-14]。另外，在實(shí)際工程中，用能過程不僅要求供應(yīng)的能量中?得到充分利用，而且供應(yīng)的能量的能級應(yīng)與用戶所需的能量的能級相匹配，兩者能級差越小，用能過程越趨于合理。本文依據(jù)地下水源熱泵加熱系統(tǒng)在沼氣工程的應(yīng)用實(shí)例，采用運(yùn)行?分析法，并結(jié)合熱平衡法和能級分析法，從用能和節(jié)能的角度對加熱系統(tǒng)運(yùn)行能效進(jìn)行分析和研究，為其他形式的沼氣工程加熱系統(tǒng)的能效分析提供參考。

1 沼氣工程地下水源熱泵加熱系統(tǒng)的組成

本研究基于黑龍江省雞西市蘭嶺鄉(xiāng)一沼氣工程，工程設(shè)計處理糞便約20余t，建有容積為30 m3的配料池2個，容積為700 m3的“發(fā)酵—產(chǎn)氣”一體全混合式的地上厭氧發(fā)酵反應(yīng)器1座，容積為2 000 m3的沼渣沼液池1處。為了使發(fā)酵工程正常運(yùn)行，需對厭氧發(fā)酵反應(yīng)器采取保溫措施。其中，搪瓷鋼板厚度為0.008 m；苯板厚度為0.15 m；C30混凝土厚度為0.5 m；C15混凝土厚度為0.1 m；貯氣膜厚度為0.001 2 m。沼氣工程的地下水源熱泵加熱系統(tǒng)主要由地下水源熱泵機(jī)組系統(tǒng)和沼氣工程用戶系統(tǒng)兩部分組成。地下水源熱泵機(jī)組系統(tǒng)主要設(shè)備包括熱泵機(jī)組、熱水循環(huán)泵和潛水泵等。沼氣工程用戶系統(tǒng)采用盤管式換熱器對發(fā)酵料液進(jìn)行加熱。其中，反應(yīng)器內(nèi)的盤管選取內(nèi)徑DN=50 mm的鋼管，加熱盤管總傳熱系數(shù)為125.6 W/(m2·K)，加熱盤管的長度為250 m，呈螺旋狀安裝在距離罐體內(nèi)壁500 mm處。圖1為地下水源熱泵加熱系統(tǒng)示意圖。

圖1 地下水源熱泵加熱系統(tǒng)示意圖Fig.1 Chart of ground water-source heat pump heating system

2 地下水源熱泵加熱系統(tǒng)能效分析模型

為了全面科學(xué)合理的評價沼氣工程用能情況，加熱系統(tǒng)能效分析模型中所供給的能量按等價熱值計算，即消耗一個度量單位的二次能源，等價于消耗了以熱值表示的一次能源量。

2.1 ?分析模型

沼氣工程加熱系統(tǒng)?分析模型采用灰箱模型，即將地下水源熱泵機(jī)組系統(tǒng)和沼氣工程用戶系統(tǒng)兩個子系統(tǒng)視為黑箱，兩者之間以主?流線連接起來形成的網(wǎng)絡(luò)模型[15-16]，如圖2所示。

圖2 沼 氣工程加熱系統(tǒng) ? 分析模型Fig.2 Heating system of biogas engineering energy analysis model

2.1.1 地 下水源熱泵機(jī)組系統(tǒng) ? 效率

地下水源熱泵機(jī)組系統(tǒng)的供給?包括熱泵機(jī)組、熱水循環(huán)泵和潛水泵所消耗的電能?和熱泵從地下水中獲得的熱量?。其計算公式為[17-20]

式中1W為熱泵機(jī)組的耗功率，kW；2W 為熱水循環(huán)泵的耗功率，kW；3W 為潛水泵的耗功率，kW；0.407為單位換算系數(shù)，1 kW·h=0.407 kg標(biāo)煤；29 307.6為1 kg標(biāo)準(zhǔn)煤的熱值，kJ/kg；Q為熱泵機(jī)組從地下水吸取的熱量，kJ/h；T1、T2分別為地下水供、回水溫度，K；T0為環(huán)境基準(zhǔn)溫度，K。

其中

式中V˙為地下水循環(huán)流量，m3/h；ρ為水的密度，取1 000 kg/m3；c為水的比熱容，取 4.187 kJ/（kg·K）。

地下水源熱泵機(jī)組系統(tǒng)的收益?為[21-23]

式中Q′為地下水源熱泵機(jī)組系統(tǒng)供熱量，熱水管網(wǎng)的散熱損失較小因此忽略，Q′即為沼氣工程用戶所需的耗熱量，kJ/h；T3、T4分別為熱泵機(jī)組熱水供、回水溫度，K。其中

式中V′˙為熱水的循環(huán)流量，m3/h。地下水源熱泵機(jī)組系統(tǒng)?效率為

2.1.2 沼 氣工程用戶系統(tǒng) ? 效率

沼氣工程用戶系統(tǒng)的收益?為[21,24]

式中T為料液發(fā)酵溫度，K。

沼氣工程用戶系統(tǒng)?效率為

沼氣工程加熱系統(tǒng)總的?效率為

2.1.3 環(huán)境模型的確定

在能效分析過程中，系統(tǒng)的?值實(shí)際是它與環(huán)境參數(shù)的偏離程度。在計算?值時，應(yīng)對自然環(huán)境加以定量描述?；鶞?zhǔn)溫度的確定應(yīng)以盡可能接近系統(tǒng)所處的環(huán)境溫度為原則。在計算熱量?值時，系統(tǒng)溫度越高，環(huán)境基準(zhǔn)溫度的影響就越小，而系統(tǒng)溫度越低，接近環(huán)境基準(zhǔn)溫度時，影響就較大。由于沼氣工程采用中溫厭氧發(fā)酵，其溫度在35 ℃左右，因此，本文中環(huán)境基準(zhǔn)溫度取沼氣工程所處環(huán)境的實(shí)際大氣平均溫度[25]。

2.2 熱平衡分析模型

沼氣工程地下水源熱泵加熱系統(tǒng)的總熱效率為加熱系統(tǒng)實(shí)際得熱量與輸入能量的比值，其計算公式為

2.3 能級分析模型

能級是指能量中?所占的比例。能級分析是依據(jù)能平衡和?平衡原理，以供能與用能雙方在能量品質(zhì)上合理匹配為原則，評價能量系統(tǒng)用能的合理性[26-28]。

地下水源熱泵機(jī)組的能級系數(shù)為[29-31]

用戶供給熱量的能級系數(shù)為

用戶耗熱量的能級系數(shù)為

3 地下水源熱泵加熱系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的測試

根據(jù)圖2所示的灰箱模型，2個子系統(tǒng)均按黑箱模型測試。測試項(xiàng)目包括環(huán)境溫度，發(fā)酵料液溫度，熱泵機(jī)組熱水供、回水溫度，地下水供、回水溫度，熱水循環(huán)流量，地下水循環(huán)流量，熱泵機(jī)組耗電量、熱水循環(huán)泵耗電量和潛水泵耗電量。測試時間為24 h，每隔1 h采集數(shù)據(jù)1次。測試儀器見表1。測試數(shù)據(jù)見表2。

表1 測試儀器及型號Table 1 Test equipment and type

表2 地下水源熱泵加熱系統(tǒng)運(yùn)行測試數(shù)據(jù)Table 2 Operation test data of groundwater source heat pump heating system

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及分析

根據(jù)前述式（1）~（12），可計算得到各子系統(tǒng)以及整個系統(tǒng)的?值、?效率、熱效率和能級系數(shù)，其結(jié)果見表3。

4.1 沼氣工程用戶系統(tǒng)能效分析

由表3可知，沼氣工程用戶系統(tǒng)?效率97.8%；用戶供給熱量的能級系數(shù)為0.164，用戶耗熱量的能級系數(shù)為0.161，兩者的能級差為0.003。說明此系統(tǒng)?的有效利用程度完善，用戶能量供需間能級匹配合理。原因是在換熱器傳熱過程中傳熱溫差越小，?損失越小，?效率越大。另外，熱能屬于低品質(zhì)能，其品質(zhì)與溫度有關(guān)，傳熱溫差越小，供能與用能間能級差越小。對于中溫厭氧發(fā)酵的沼氣工程，由于溫度水平較低，沼氣工程用戶應(yīng)采用低溫水供熱。但在沼氣工程所需熱負(fù)荷一定時，傳熱溫差越小，加熱系統(tǒng)采用的換熱器傳熱面積會增大。

4.2 沼氣工程加熱系統(tǒng)能效分析

由表3可知，地下水源熱泵機(jī)組系統(tǒng)?效率為13.4%，沼氣工程加熱系統(tǒng)總的?效率為13.1%；地下水源熱泵機(jī)組的能級系數(shù)為 0.567，用戶與熱源間能級差為 0.406。說明沼氣工程加熱系統(tǒng)?的有效利用程度不夠完善，沼氣工程用戶與加熱熱源能量品質(zhì)匹配不甚合理。造成的原因是地下水源熱泵機(jī)組系統(tǒng)消耗的能源是電能，電能是高品位能，而用戶所需的熱能是低品位能，用高品位的電能去完成一個要求低品位熱能的任務(wù)，導(dǎo)致系統(tǒng)?損率增加，?效率降低，能級不匹配，能量利用浪費(fèi)偏大。盡管熱泵機(jī)組從地下水中吸取了低品位熱能，節(jié)約了高品位電能，降低了熱泵機(jī)組輸入能量的能級，加熱系統(tǒng)的總熱效率達(dá)到85.3%，能的數(shù)量得到有效利用，但對于沼氣工程加熱系統(tǒng)，?效率還偏低，能級差偏大，這說明加熱系統(tǒng)能量合理利用程度還不夠完善。

表3 各子系統(tǒng)以及整個系統(tǒng)的?值、?效率、熱效率和能級系數(shù)Table 3 Each subsystem and whole system of exergy, exergy efficiency, thermal efficiency and level factor

通過上述分析，對于沼氣工程低品位熱能用戶，加熱系統(tǒng)應(yīng)采用低溫水供熱，其熱源采用與之相匹配的低品位熱源。

5 結(jié)論與建議

通過對地下水源熱泵加熱系統(tǒng)在沼氣工程中應(yīng)用實(shí)例能效分析研究，得到如下結(jié)論：

1）建立了以?效率、熱效率以及能級系數(shù)為評價準(zhǔn)則的沼氣工程加熱系統(tǒng)能效分析模型，得到地下水源熱泵加熱系統(tǒng)總熱效率為85.3%，?效率為13.1%，用戶與熱源間能級差為0.406。結(jié)果表明能量在數(shù)量上利用程度較好，但熱源與用戶之間供需能質(zhì)存在差異，在能質(zhì)利用方面還需進(jìn)一步完善。

2）沼氣工程用戶系統(tǒng)?效率為97.8%，用戶供給熱量的能級系數(shù)為 0.164，耗熱量的能級系數(shù)為 0.161，兩者能級匹配合理，用戶?效率高，說明采用低溫水供熱，用能過程科學(xué)合理。

3）地下水源熱泵機(jī)組系統(tǒng)?效率為13.4%，輸出熱量的能級系數(shù)為 0.164，輸入能量能級系數(shù)為 0.567。?效率偏低，能級差偏大，說明地下水源熱泵機(jī)組系統(tǒng)是整個沼氣工程加熱系統(tǒng)用能的薄弱環(huán)節(jié)，是造成加熱系統(tǒng)能量合理利用程度較低的主要原因。

建議沼氣工程加熱系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)采取能級相匹配的加熱方式，利用低品位熱源對沼氣工程進(jìn)行加熱，對能量利用過程進(jìn)行綜合評價。

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