地源热泵式沼气池加温系统

 0 引言

 

  近年来，随着农村沼气建设和以沼气为纽带的生态家园技术模式的推广，沼气在实施农业可持续发展战略中发挥了越来越重要的作用。但冬季沼气池产气量很少，甚至不产气的问题，严重制约了沼气在农村的使用和推广，其主要原因是环境温度过低，降低了沼气发酵微生物的活性。

 

  由于在一定温度范围内，温度对发酵效率具有正向促进作用, 合理控制温度在未来沼气工程中是非常必要的[1]。一般情况下，沼气细菌在8～60℃范围内都能进行发酵。10～26℃为常温发酵区。在这个温度条件下，池容产气率可达0.15～0.30 m3/(m3·d)（池容产气率指沼气池单位体积每天生产的沼气量）；28～38℃为中温发酵区（最适温度为35℃），池容产气率可达1.0 m3/(m3·d)左右；46 ～ 60℃? 为高温发酵区， 池容产气率可达2.0 ～2.5 m3/(m3·d) [2-3]。因此，如果有一种加温方法，能使沼气池的池温在冬天达到并保持在一个适宜的水平，就能保证沼气的产气量，从而促进沼气的使用和推广。

 

  目前沼气池加温方式有很多，其中常见的加温方式包括电热膜加温、太阳能加温、化石能源热水锅炉加温、沼气锅炉加温、沼气发电余热加温和燃池式加温6种。电热膜加温技术就是在沼气池外表面敷设一层电热膜，然后再敷设一定厚度的保温层以达到增温和保温的目的。

 

  但这种方法却以消耗高品位电能为代价，节能性、社会性不理想[4]；太阳能加温系统采用定温控制，通过太阳能集热系统完成热能的采集和传输，由太阳能热水通过螺旋换热管对料液进行加温[5-7]。该系统节能环保、操作简单，可实现自动运行，但易受天气状况的影响；化石能源热水锅炉加温是以燃烧煤炭、石油等燃料的热水锅炉为热源，通过换热设备加温发酵料液，使其达到并维持沼气发酵所需温度[8]。燃烧会产生大量的烟尘和有害气体，污染环境，同时能量利用率不高；沼气锅炉加温，即取用系统自身产生的一部分沼气，通过燃烧产生烟气，高温烟气在反应器底部设置的管道中流动，给发酵池加温，常用于高温发酵系统中[9]，该方法加温效率高，同时对设备和操作技术要求比较高；沼气发电余热加温是在沼气热电联产工程中，利用发电机组发电，同时燃气内燃机将排放将近600℃的气体，高温气体中含有大量的余热，通过余热回收系统中的换热器用余热加温发酵原料[10-11]，一般只应用于大型沼气工程；燃池式加温是一种设置在地下的进行燃料阴燃的地坑，池中燃料进行慢燃，池盖和池壁表面根据调节可保持在中温发酵所需温度。这种方法一次性投入低质燃料即可燃烧一个冬季，无需人工管理[7]，一般用于户用型沼气工程。

 

  从以上6 种常见的加温方式来看各有优缺点，从中等规模养殖场废水治理工程实际出发，目前尚没有比较经济合理、节能环保的加温方式。基于能源利用率和建设成本的考虑，本工程开发了一种全新的沼气池加温方式，即以地热能为热源，通过地源热泵加温系统对料液进行加温。

 

  1 研究方法和对象

 

  1.1 地源热泵式沼气池加温系统

 

  地源热泵是利用浅层地热能进行供热制冷的新型能源利用技术，通过卡诺循环和逆卡诺循环原理转移冷量和热量。本工程为满足冬季沼气池发酵温度的要求，以地热能作为热泵加温的热源[12]。在冬季，把地下土壤的热量与循环水进行热交换，使循环水温度提高，再通过对地源热泵输入少量的高品位电能，实现低温位热能向高温位转移，进而使得地源热泵机组出水温度达45℃左右，热水在热盘管中，以辐射和对流的方式与发酵原料进行热交换，使沼气池温度保持在中温发酵范围内。安装温度自动控制装置现实温度自控，当沼气池内温度降低到30℃以下时，地源热泵机组自动启动，通过消耗电能把地下水的热量转移到沼气池中热盘管内的热水中，再对发酵原料加温；当地源热泵机组的进、出水温差满足7.5℃并且沼气池的温度在35℃时，地源热泵机组将自动停止工作。地源热泵式沼气池加温系统如图1 所示。

 

  图1 地源热泵式沼气池加温系统

 

  Fig.1 Heating system of biogas digester by ground-sourceheat pump

 

  图1 中，地源热泵式沼气池加温系统主要由沼气池、地下环路换热系统、地源热泵、热水循环系统以及相关的控制系统组成。

 

  1.2 研究对象

 

  为了检验地源热泵式加温系统的运行性能及效果，本研究以上海市崇明县港沿镇合兴村沼气集中供气示范工程为对象，在2008－2009 年寒冷的冬季节进行了实际试验研究。沼气池是该工程核心部分，主要作用是发酵产气，有效容积V=69.3 m3。在池底和池壁加7 cm 厚的闭泡聚苯泡沫板的保温隔热材料，减弱了沼气池与大地、空气的热传导。沼气池顶部覆盖塑料薄膜保温，覆盖面大于池面以利于保温。另外，为了加快料液热传递，改善加温效果，在沼气池安装了搅拌装置。

 

  1.3 试验设计

 

  本试验地下换热器采用单U 作地埋管形式，地埋管材料为高密度聚乙烯（high density polyethylene，HDPE），根据研究对象的热工分析为基础，试验地源热泵系统相关参数设定如表1 所示。试验在地源热泵式加温系统上布置了4 个温度测点（见图1）：地下换热器侧进、出水温度，地源热泵机组供、回水温度；在沼气池内布置了39 个测温点；在沼气输送管安装了气表（沼气流量计量装置）。

 

  数据测试从2009-01-06 开始，历时60 d，对沼气池的温度、沼气产气量和地源热泵性能参数进行了监测。

 

  1.4 热泵机组制热效率

 

  制热效率COP 是热泵性能衡量指标，决定了系统运行状况和经济效益。机组COP 值是指热泵机组系统所能实现的制热量和热泵机组输入功率的比值。在相同工况下，其比值越大说明这个热泵系统的效率越高越节能。

 

  2 结果与分析

 

  2.1 沼气池平均温度变化

 

  沼气池温度是影响沼气产量的最主要原因之一。增加加温系统的目的就是要使沼气池温度保持在一个适宜的水平，以保证发酵过程能良好运行。根据试验监测结果.

 

  在运行初期前20 d，沼气池内

 

  的温度在25.9～33.9℃之间变化，之后沼气池温度进入相对平稳状态，维持在(32±2)℃，沼气池温度变化几乎不受周围环境温度变化的影响。表明该系统在冬季寒冷气候条件下，可以维持沼气池内温度在中温发酵范围内，基本恒定，比较理想。

 

  2.2 系统累计产气量与池容产气率

 

  在增加地源热泵式加温系统后，整个工程是否能够正常产气，能否满足系统设计之初的负荷需求是评价该系统成功与否的关键因素。试验开始时，气表的初始值为268.75 m3。

 

  ，60 d 后气表指示值为2 536.2 m3。所以，该工程总产气量为2 267.45 m3，日产量为37.8 m3，按平均每户日用气量1.2 m3 计算，可以供31.5 户使用。这表明在冬季寒冷季节，系统也能满足设计之初确定的30 家用户使用；图4 中可以看出产气率在试验初期是逐渐增加的，有时能达到1.1 m3/(m3·d)，25 d 后趋于稳定，且平均值保持在0.6 m3/(m3·d)，是国家标准规定值0.2～0.4 m3/(m3·d)的1.5～3 倍。运行结果表明地源热泵式加温系统能够显著提高冬季厌氧发酵工艺的产气率。

 

  2.3 系统进、出水温度

 

  地源热泵系统管道的4 个温度测点是地源热泵系统的运行性能直接体现，由于4 个温度测点可能其中有一个或几个数据出现错误，在60 d 的试验期间仅有11 d 采集到完整得4 个温度测点数据，监测结果如图5 所示。

 

  图5 地源热泵系统测点温度变化曲线

 

  Fig.5 Temperature measuring point curve ofground-source heat pump system

 

  由图5 可知，实测地下换热器侧进、出水温差保持在2.3℃左右，可以有效地保持从地下获取足够的热量。

 

  地源热泵机组进、出水温差保持在(7.5±1)℃，与设计值基本相符，能够保证在现有的换热面积内保持足够的换热量，地源热泵加温系统工作正常。地源热泵系统每年工作5 个月（平均气温低于10℃），平均每天工作1.5 h，间歇运行，可以避免地下土壤的热失衡。

 

  2.4 热泵机组制热效率COP

 

  根据式（1），依据图5 中的温度监测数据，该系统测试期间的地源热泵机组COP 计算结果见图6。

 

  图6 机组制热效率COP 变化曲线

 

  Fig.6 Curves of coefficient of performance (COP)由图6 可知，该系统地源热泵系统机组COP 最小值为2.84，最大值为3.78。在调试期间机组COP 浮动范围比较大，经过25 d 的调试期趋于稳定，机组COP 保持在3.6 左右，地源热泵加温系统处于良好的工作状态。说明地源热泵加温系统应用在沼气工程中是可行的，并且能够长期高效运行。

 

  3 地源热泵式加温系统效益分析

 

  3.1 地源热泵式加温系统环境效益分析

 

  热泵机组系统是否具有环境效益，单纯从机组的自身能耗仍不能说明问题，还应该与其他加温方式从以下2个方面进行比较：一是应考虑系统总能耗，含除机组外的循环泵等附属系统能耗；二是应该转化成一次能源消耗量。本文以标煤作为一次能源，以电热膜加温为比较对象，论证地源热泵式加温系统环境效益[14]。具体分析如下：

 

  1）供热量

 

  循环热水的密度取993.95 kg/m3 ， 比热容取

 

  4.174 kJ/(kg·K)，由式（2）可知：Q =59 kW·h。实测使用地源热泵式加温系统平均每天用电量即系统实际功耗（等于热泵系统总输入功率，包括热泵机组输入功率和循环水泵输入功率）为22 kW·h，其中地源热泵机组功耗W 为16.4 kW·h。如果用电热膜加温系统的供热量全部来自电能，即电热膜加温系统的功耗为W' =59 kW·h。由式（1）可以计算出机组COP 和系统COP。

 

  2）系统一次能源消耗

 

  3）一次能源利用系数

 

  供热季节，不论何种加温方式均消耗一次能源，采用能源利用系数来反映不同加温方式的能量转化效率，具有可比性

 

  5）节能率

 

  根据2 种系统的一次能耗，以电热膜的能耗为基础，可以计算出地源热泵加温系统的节能率。通过上面能耗数据,分别计算地源热泵加温系统与电热膜加温系统的一次能耗、一次能源利用系数、节能率以及标煤替代量.

 

  地源热泵加温系统的制热系数

 

  是2.7，节能率为63%，每天可以减少用煤量14.37 kg，有着很好的环境效益。

 

  地源热泵加温系统在加温时利用储存于地下浅层的地热资源，与化石能源热水锅炉加温方式相比，无需锅炉，没有燃油、燃煤的排烟污染，也不产生任何废弃物。

 

  不直接抽取地下水，不消耗地下水资源，无污水排放，不对环境造成污染。地源热泵利用地下土壤温度相对稳定的特性，一般在提供100 单位能量的时候，70％的能量来源于土壤，仅用30%的能量(使用电力)来移动这些能量进行热量交换。因此，地源热泵加温的电量消耗大大低于其他加温方式的能耗。

 

  3.2 地源热泵式加温系统经济效益分析

 

  使用地源热泵式沼气池加温系统主要是为了提高冬季沼气池产气率。在不计设备的折旧和环境效益的条件下，计算整个加温装置的投资效益净现值，对系统进行了经济性评价[15]。在2 种加温系统能够达到相同加温效果的条件下进行计算。银行存款年利率以3%计（5 a 定期存款的年利率为2.25%）。地源热泵加温系统初始投资（包括设备投资费和施工费）为2.83 万元，使用年限为20 a。电热膜加温系统初投资为1.67 万元，使用年限为20 a。