太阳能-地能热泵耦合系统在沼气工程厌氧发酵增温中的设计与应用

文献著录格式％方琦，虞益江，徐钢.太阳能-地能热泵耦合系统在沼气工程厌氧发酵增温中的设计与应用[C.浙江农业科学，2016, 57

(11 $ % 1824-1827.

DOI： 10. 16178/j. issn. 0528-9017. 20161120

太阳能-地能热泵耦合系统在沼气工程

厌氧发酵增温中的设计与应用

方琦，虞益江，徐钢

(杭州市农村能源办公室，浙江杭州310020)

MJ • dh1，选择型号为PR090-GRB

博拉贝尔主机1台，地埋管系统设计孔深80 m，钻孔总数9个。换热器设计为单U型埋设，孔位采取矩形或三 角形布置，孔间距4~5m。太阳能集热器选用皇明公司生产的JPH-50TT18-00。型，集热面积34 m2。经计算，地 埋管地源热泵系统年能耗约为2. 6万元，年运行费用可节省1. 1万元，年减排CO2 13.25 7碳粉尘3.61 7 SO2

系统为辅，根据天气情况切换运行模式。通过热负荷计算出总需热量为1 984

3. 99 7氮氧化物0.2 7。从节能性和经济性来说，该系统具有较好的实用性和推广性。

关键词：地源热泵；太阳能；沼气工程；增温中图分类号：214

摘要：针对300 3 —体化厌氧罐设计一套太阳能-地能热泵耦合系统，以地源热泵系统为主，太阳能加热

m

S

文献标志码：

B

文章编号# 0528-9017(2016)11-1824-04

在厌氧发酵过程中，温度是影响沼气产气率的 关键因素之一。根据发酵温度不同，可分为3种发 酵方式：常温发酵，10 ~25°C;中温发酵，30 ~ 45 °C;高温发酵，50 ~65 °C。由于常温发酵所需 能耗较少，并可使沼气发酵整体维持在一个较高的 水平，具有良好的经济性，因而被广泛采用。杭州 地处亚热带地区，夏热冬冷，冬季气温较低，当气 温降到10 C以下时沼气发酵就不能正常运行，为 保障沼气发酵稳定运行，应对发酵料液罐以及发酵 反应器采取增温保温措施，使罐体内温度保持在 20 C左右。目前，沼气池增温方式主要有电热膜 增温、太阳能增温、沼气发电余热增温等。电热膜 增温是消耗高品位电能进行增温的一种方式，其经 济性、节能性不佳；太阳能增温通过太阳能集热器 系统进行热能采集和传输，通过增温后的热水与料 液进行传热，该方式节能环保，操作简单，但存在 易受天气影响、能流密度低等问题；沼气发电余热 增温是在沼气热电联产工程中，利用发电机组发电 后产生的近600 C的气体，通过余热回收系统对发 酵料液进行增温。为了解决沼气工程冬天增温问 题，本研究尝试基于太阳能-地能热泵耦合系统对 沼气工程厌氧发酵进行增温，通过计算沼气工程厌

收稿日期％ 2016-09-18作者简介：方

琦

氧发酵所需的热负荷设计耦合加温系统的具体运行 参数，并建立项目示范点，探索该模式应用的可 行性。1

材料与方法

以杭州萧山舒兰农业有限公司生态循环工程为 基础，建设沼气厌氧发酵增温系统。已建沼气工程

系统设置如下％勻浆池25 m3，一体化厌氧罐 300 m3+双膜贮气柜120 m3，沼液池200 m3，接 菌池25 m3，渗滤液池40 m3，秸秆残菜堆棚 150 m'，太阳能发酵房150 m'，田间沼液池200 m3

(20 m3X 10)，净化室、化验室、发电机房及配电

管理房62 m2。系统配置30 kW发电机组及余热利 用系统1套，沼气净化装置1套，秸秆残菜粉碎机 2台，物料输送带2套，以及相应的室外配套工程 和管道工艺设施。工艺流程图如图1所示。

秸秆粉碎后进人太阳能发酵房进行厌氧发酵制 取有机质，残菜粉碎后进人太阳能发酵房进行堆 沤，产生的渗滤液与猪粪混合进人一体化厌氧罐进 行厌氧发酵。沼气池在冬季室外温度比较低的情况 下，产气量不佳，无法满足正常沼气发电的需求； 因此，亟须解决冬季沼气发酵增温问题，提高沼气

（1981 —），女，安徵宁国人，硕士，高级工程师，从事农村能源开发利用及农村生活污水处理技术的研究和推广

工作，E-mail: fangxiaodou@126. com。

方琦，等：太阳能-地能热泵耦合系统在沼气工程厌氧发酵增温中的设计与应用

图1 沼气工程的工艺流程

工程综合效益。'

结果与分析

季极端天气下，地源热泵系统和太阳能系统同时运 行。在过渡季节天气晴好的情况下，可以采用复合 式系统，或者直接采用太阳能加热系统以节约运行 费用。两套系统可分别独立运行，互不影响。当太 阳能加热系统满足加温要求时，控制系统将地源热 泵主机关闭，节省运行费用。其系统图如图2 所示。

2.1太阳能-地能耦合增温系统流程设计

综合考虑经济性与安全性，项目拟采用太阳能 辅助加热式地埋管地源热泵系统设计。沼气加温系 统以地源热泵系统为主，太阳能加热系统为辅。冬

图2 太阳能-地能耦合增温系统的流程

2. 1. 1 工程

地质条件

一般年变幅在0.5〜1.0 m。2. 1.2

加热负荷计算

22.0 m为砂质粉土夹粉砂，23.0〜40.0 m为淤泥 质黏土，41. 0 〜56. 0 m 为粘土，57. 0 〜60. 0 m 为 粉砂，61.0 m以下为圆砾。

水文地质条件：区域场地浅部地下水属孔隙潜 水。勘察期间，测得钻孔孔内水位深度在1.4〜 1.7 m，高程在3. 86〜4. 45 m。水位变化主要受大 气降水控制，动态变化大，随季节变化有所升降。

工程地质条件％ 〇〜3.0 m为杂填土，3.0〜

根据厌氧罐发酵温度的需求，发酵温度取

25 °C。厌氧罐采用罐内高效增温盘管间接加热的 方式，把物料加热到设计发酵温度，补偿厌氧罐体 及管道的热损失，此方法投资省、操作简单。

工程设计发酵温度！ =25 C，冬季物料温度 =5 C，冬季室外温度5 C。经了解，每天污水量？总=20 m& • d_1。

2016年第57卷第11期

dh1 (5 k

加热物料所需热量（N)。

N = N (!-!<) X4 180/1 000 = 1 672 MJ •

室外温度）。

罐体的耗热量N (/J/ dh1)。

积6 m2，余热水箱表面积约10 m2，65 = 16 m2，贝^

N =17.28 MJ • d-1;

N=N+N+N = 1 983.9 MJ.d-1。

总需

N2 = 24) 61A1 ( Ts - Ta) i 1.2 ；A1 = 1 v 1 $ 1。

厌氧发酵产生的热量与沼气带走的热量相互 抵消。

机组所需提供的热量为22.96 kW，选择标准 型博拉贝尔主机1台，型号为PR090-GRB，制热 式中％ 6为总散热面积，Am2;

Ta为罐外介质

(空气或土壤）温度，k;

为罐顶、罐壁和罐底 的总传热系数，kJ • m_2 • h-1 • k -1 ; #为罐内对 流m_2传热系数，污水传到钢筋砼池底为1 256 kJ • m_2 • h—1 • k ―1 ) 污水传到钢板池壁为1884/了. • h-1 • k -1 ; #为罐外对流（罐壁至介质）传 热系数，空气介质为 12.5-33. 5 kJ • m_2 • h—1 • k ―1， 土介质为 2. 1 ~6. 3 kJ • m ' • h 1 • k 1 ; $ 为罐体

各部结构层、保温层厚度；％为罐体各部结构层、 保温层导热系数。

厌氧罐容积370 m3 )尺寸9 m X5. 8 m)有效 水位4 8 m;罐底面积6' =63. 62 m'，罐壁面积63 = 135. 72 m2)罐顶面积6* = 127. 24 m2;罐底基础钢 砼6厚0.5 m，罐壁采用4 mm镀锌板卷制，罐顶为 mm钢板焊接，罐壁采用双层保温，一层3 cm橡

塑m-2板，一层5 cm泡沫板。钢砼导热系数5.85 kJ • h—1 • h—1 • k —1， 镀锌板导热系数 kJ209 kJ • m—2 • .k-1，橡塑板导热系数 0.08 • m-2 • h-1 .k-1， 泡沫板导热系数0.125 kJ • m_2 • hh1 • k h1。

算得：

罐底传热系数A2 =3.083 kJ•m-2•h-1•kh1;

罐壁传热系数 A =1.221 kJ • m_2 • h-1 • k-1;罐顶传热系数 A =1.176 kJ • m—2 • h — 1 • k-1;则罐体耗热量N = 24 x (63.62 x 3.083 + 135.72 x1.221 + 127.24 x 1.176) x

(25 -5)

x

1.2/1 000 =294.62 MJ • d-1。

加热管、热水循环箱等散热量N (kJ•d-1)。

N =24 ) (A65)(Tm - T$) I 1.2。

式中：A，加热管、热水循环箱等传热系数， kJ • m_2 • h-1 • k -1; 65，加热管、热水循环箱 等的表面积，m2; Tm，热水循环箱出口和人口的 热水温度平均值，k。

设室外经过kJ保温的加热管、热水循环箱等传热 系数为2 • m—2 • h-1 • k -1，Tm =42.5 k，室 外加热管采用DN40不锈钢管，长度50 m，总表面

量25.2 kW，用电功率为6.7 kW。

2.1.3 地埋管系统设计

换热量计算。根据当地水文地质条件，冬季单 位井深取热量暂估为40 W • m-1井深。根据GB 50366—2005《地源热泵系统工程技术规程》规 定，地源热泵系统最大吸热量与建筑设计热负荷相 对应，包括各空调分区地源机组从循环水中吸收的 热量、循环水在输送过程中失去的热量。上述2项 热量相加就可得到供热工况下地源热泵系统总吸 热量。

埋管量计算。当厌氧罐发酵温度为25 k时， 取一定余量后，钻孔总延米数为720 m。暂定孔深 为80 m，可根据现场钻孔的地层情况进行调整，

钻孔总数为9个。

换热器设计。地下换热井设计为双U型埋设，

孔位采取矩形或三角形布置，孔间距为4 - 5 m。

垂直埋管管材采用HDPE100、1.6 MP〇 De 25 x 2.3的管材。

2.1.4 太阳能集热系统设计

萧山地处东经119.95。，北纬30.07。。年平均 室外温度16. 2 k，最冷月月平均最低温度0. 7 k，

最热月月平均最高温度33.3 k，极端最低气温 -9. 6 k，极端最高气温39. 9 k。地下水温15 - 20 k，全年日照百分率43%，冬季约39% ;全年

MJ晴朗天气150 - 200 d，太阳辐照度4 200 - 5 400

• m_2 • a-1，日照时数& 6 h • d -1，属太阳能

资源一般区。

每天总热交换水用量2. 0 7,集热器安装于钢 结构架上，热交换水箱、水泵、中央控制系统放置 在指定位置。拟选用皇明公司生产的JPH-50TT18- 00°型集热器，结合相关的管道、配件、辅助能源 及控制系统，组成太阳能热水系统。综合考虑运行 特性以及太阳能与地源热泵系统的经济性，经测 算， 集热器面积 34 m2。

集热部件：集热器真空管选用“三高管”，耐 高温、抗高寒、高效吸收，空晒温度不低于 400 k、抗高寒-40 k。采用世界上最先进的真

方琦，等：太阳能-地能热泵耦合系统在沼气工程厌氧发酵增温中的设计与应用

空管镀膜技术一干涉膜工艺，淘汰传统的渐变膜 工艺，吸收率可达96%，散射率低于4%，真空度 低于5. 0

x10 h4Pa

表1 地埋管地源热泵系统与VRV系统综合性能指标的比较

，材质为3. 3高硼硅玻璃，抗直

糸统

地埋管地源热泵系统

VRV

径2. 5 cm以下冰雹正面冲击。三靶镀膜，铝、铜、 不锈钢，

控制系统。选用皇明HKG-III型电气控制柜一 套，该控制柜为太阳热水工程设计开发的热水中央 控制系统。

水泵。该工程集热器循环泵、辅热系统循环泵 及供水增压泵均选用威乐品牌，实现低噪音、高性 运行耗电量/水泵耗电量/运行费用/水泵运行

kW • hkW • h万元费用/万元28 944.043 545. 6

1 447.2

0.0

2.53.8

0.10.0

系统

年能耗约为2. 6万元，年运行费用可节省1.1万 元。若将太阳能加热系统加以考虑，其节能效益更

明显，且VRV系统受室外天气影响较大，加温温 度不稳定，效果差。能的要求。

管件、配件。楼顶循环管道采用国标热镀锌管， 国标热镀锌管满足集热系统的耐温、防腐要求，且 施工效果规整美观，配件为国标热镀锌配件。

橡塑保温管。用于室外管路的保温。橡塑海绵 保温材料采用性能优异的丁腈橡胶、聚氯乙烯为主 要原料，配以各种优质辅助材料，以特殊工艺发泡 而成的软质高档保温节能材料，绝不含氯氟烃。本 品具有柔软、耐屈绕、耐寒、耐热、阻燃、防水、 导热系数低、减震、吸音等优良性能。'1太阳能-地能耦合增温系统效益评估

2.2.1

厌氧罐加温节能效益分析

采用地埋管地源热泵系统与采用VRV

空调系

统进行对比，进行节能效益评估。计算均依据：冬

季运行时间90 d，每天24 h;过渡季节运行时间

180 d

，每天12 h (过渡季节白天温度高，夜晚温

度低，暂定夜晚运行）；根据浙江省一般工商业用 电的电价资料，电价为0.866元• （kW.h)h1;对于地源热泵空调系统，冬季COP

暂取为3. 6;对

于

VRV

系统，冬季和过渡季节运行平均COP

暂取

为 2. 5。

太阳能系统与地源热泵系统可分别独立运行， 地源热泵系统单独运行可满足加温需求，由于太阳

能系统的循环水泵的输人功率仅为0.4 kW，且太 阳能运行的时间与天气有关，当太阳能满足需求 时，地源热泵系统可不运行，其节能率会更高，为 保守起见，因此分析中只考虑地源热泵系统运行， 暂不考虑太阳能系统。结果如表1所示。

如表1所示，在运行方面，传统VRV空调系 统每年能耗约为3. 8万元，地埋管地源热泵系统每

2. 2. 2 环境效益分析

据测算，若采用该系统，每年可以节约电 13 154.4 kW • h，折标煤 5. 31 t，减排 CO2 13.25 7

碳粉尘3. 61 t、SO2 3. 99 7

氮氧化物0. 2 7。

3小结

以农业生态园区的沼气工程为基础，为300 m3

一体化厌氧罐设计太阳能-地能耦合增温系统，增 温至发酵温度25 °C。通过计算厌氧发酵罐加热负 荷，得出总需热量为1 984 MJ • dh1，选择标准型

博拉贝尔主机1台，型号为PR090-GRB。制热量 为25.2 kW，用电功率为6.7 kW。地埋管系统设 计孔深80 m，钻孔总数为9个；换热器设计为单U 型埋设，孔位采取矩形或三角形布置，孔间距4~

5 m。D垂直埋管管材采用

HDPE100、1.6 MP〇

e32x3.0的管材。太阳能集热器选用皇明公司生

产的JPH-50TT18-00。，集热面积34 m2。集热器真

空管采用干涉膜工艺，材质为3. 3高硼硅玻璃，水 箱2 t。经测算，本系统节能减排效益显著，较传

统

VRV空调系统每年可节省运行费用1.1万元， 节电13 154. 4 kW • h，折标煤5. 31 t，减排CO2 13. 25 t、碳粉尘 3. 61 t、SO2 3. 99 t、氮氧化物 0. 2 t。

参考文献：

[1 ]

常小虎.沼气池寒冷冬季正常产气可行性探讨[J].中国 沼气，2002, 20 (4): 39I0.

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杨卫波，施明恒，董华.太阳能-土壤源热泵系统 (SESHPS)交替运行性能的数值模拟[C].热科学与技 术，2005，4 (3): 228-232.

(责任编辑：高峻）