湖南城市学院挑战杯论文李文强湖南农村太阳能沼气联合供热系统创新研究Word下载.docx
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在湖南广大农村，大力推广建立沼气池、太阳能和与其配套的农业技术，以达到了节能减排、提高农民的生活水平和庭院经济的收入水平。
农村生产沼气的原料来源广泛，饲养的牛马、猪的尿粪，人的尿粪以及植物的碎片等都非常丰富。
使用沼气、太阳能，可以减少植物秸杆和灌木的使用量。
在太阳能和沼气低碳能源的利用中，目前国内外对太阳能热水器的单一研究技术上已非常成熟，在常规热水的功能上添加了许多自动控制功能，比如自动上水、自动控制水温、自动加压等。
而就我们湖南的广大农村而言，沼气的发展也得到了国家的鼓励和支持，甚至还能给予政策补贴。
如2009年，国家加大沼气建设投入，对列入项目区内实行一池三改的农户，在国家补助800元基础上，再增加补助400元，农户建沼气池可补贴1200元。
但是如何将农村丰富的生物质能资源和现有的太阳能资源更充分的利用成了摆在我们面前的一个新课题。
两者的互补应用可以表现出充分利用能源，减小冬季天气对单纯太阳能供热的影响等特点。
由此，本文提出了湖
的系统，两个系统采用换热器换热的形式进行热量交换。
为了保证系统连续运行，太阳能采暖系统必须有其他的辅助热源作为保障。
在农村可以利用广泛的沼气资源，设置沼气壁挂炉作为辅助热源是比较合理的。
2.2系统设计思路
系统设计定位于农村，以“结构简单、经济可行”为原则，采用太阳能光热技术、沼气技术和自动控制技术，在提供用户热、气需求的同时达到热利用效率高、环保等要求。
系统流程示意图如图1所示。
图1太阳能、沼气综合供热系统流程示意图
3系统详细介绍
3.1系统组成及工作原理
系统由太阳能热水循环系统，沼气热水循环系统和综合控制系统三个支系统组成。
（图2）
（1）、太阳能热水循环系统：
由水泵M1、电动三通阀K1、集热器、普通阀K3、蓄热水箱与用热设备等组成。
工作过程如下：
回水经过泵M1和电动三通阀K1打到太阳能集热器内，通过太阳能集热后，高温水进入蓄热水箱，由高温水箱提供洗浴和辐射供热所需能量，最后与辐射供热后的回水形成回路。
（2）、沼气热水循环系统：
由水泵M1（共用）、沼气热水器、蓄热水箱和用热设备组成。
回水箱里的低温水经过泵M1和电动三通阀K1打到沼气热水器，水温提升后直接提供洗浴和辐射供热所需能量，最后与辐射供热后的回水形成回路。
（3）、综合控制系统：
由控制器和各控制线路组成。
当t1＜40℃且t3＜40℃，控制器通过电动三通阀K1关闭太阳能热水回路，避免低温水进入高温水箱；
随着室外温度升高，当t1＜40℃且t3＞40℃时，控制器启动电动三通阀K1打开太阳能热水器循环回路，加热水使水温升高；
当t1≧45℃时（45℃为地板辐射供热的供水温度），控制器启动K2室内开始供暖，室温升高；
当地板辐射供暖系统供水温度t2＞45℃时，控制器控制电磁阀K2，减小循环水量；
若系统长时间不能启动，手动开启沼气热水器，辅助加热；
（斜体部分以Flash形式表示出来，见附表）和其它太阳能的利用一样，太阳能集热器的热量输出是随时间变化的，它受气候变化周期的影响，所以，系统中有一个沼气辅助加热器。
综合供热系统原理图如图2所示。
图2太阳能、沼气综合供热系统原理图
3.2系统运行方式
表1系统运行工况表
t1
t2
t3
M1
K1
K2
系统状态
﹤40℃
／
关
集热器热水循环关闭
集热器内水温逐渐升高
＞40℃
开
集热器热水循环开启
蓄热水箱水温逐渐升高
≧45℃
系统供暖开始，室温升高
＞45℃
关小
室温过高，系统自动调温
若系统长时间不能启动，手动开启沼气热水器辅助加热
3.3系统特点
该系统有如下几个特点：
（1）系统结构简单；
系统分别由当前已成熟的太阳能光电技术、自动控制技术和地板辐射技术作为技术支撑，结构简单，安装方便。
（2）系统针对我国中西部冬季的寒冷气候，沼气产生装置将不能产气的特殊性，将一部分热量用于催化沼气发酵，从而可以实现常年产气。
（3）系统的控制部分能根据环境扰动自动做出调控，使系统智能化的同时也提高了系统的稳定性。
4、系统设计分析
4.1系统设计参数的确定
计算标准：
本文的研究对象为一个普通两层农户，建筑物面积为150㎡，供暖面积为45㎡，家庭人口平均取3人，采暖室内设计温度为18℃，温度低于8℃即进行采暖（手动）。
太阳能负责8小时的热负荷。
集热器正南向放置，倾斜角等于当地纬度（益阳地区为例，其纬度为27°
51′～28°
41′）。
该系统同时负责生活热水供应。
就目前我国的太阳能集热器的利用情况来讲，热媒温度最高为50℃左右，所以我们设计供回水温度分别为45℃和30℃。
采暖热负荷可以根据下面的公式计算：
（参考文献[2]）
Q=KAq（t0—t1）／（to—t2）
式中Q——地板采暖所需热负荷
K——全系统熟损失和漏损系数，k取1．05～1．15，这里按1.1计算
A——供暖面积，㎡；
Q——建筑物热指标，w／㎡，一般民用住宅供暖面积熟指标取47～70w／㎡，针对住宅采暖需求情况进行计算，与常规采暖相比，地板辐射采暖的室内计算温度可降低2～3℃，所以单位面积采暖热指标可取较低值，这里按60W／㎡估算。
to——室内供暖温度℃，to=16～18℃这里取t。
=18℃；
t1——供暖室外计算温度℃，查《民用建筑热工设计规范》知益阳t1=-O.8℃；
t2——室外采暖计算温度℃，查《民用建筑热工设计规范》知益阳t2=8℃：
把以上各参数带入①式得
Q=1．1×
45×
60×
（18-（-0．8））／（18-（-8））
=2147W
再加上集中热水供应系统的设计小时耗热量
Qh=Knmqrc（tr-tl）ρr/86400
m——用水计算单位数，人数；
qr——热水用水定额L/人.d取40
C——水的比热，C=4187J/（Kg.℃）；
tr——热水温度，60℃
tl——冷水温度，7℃；
ρr——热水密度，0.9831Kg/L
Kh——热水小时变化系数；
取5.12Qh——设计小时耗热量
Qh=5.12×
3×
40×
4187×
53×
0.9831/86400W=1551W
Q总=Q+Qh=3698W
如果这些热量用太阳能提供，需要太阳能热水器的集热面积为：
A=（Q×
h×
3．6×
103）／（η×
H/cosα）
其中A——集热器面积㎡
Q总——系统所需热负荷，w；
h——取暖时数，这里按太阳能日照时数8小时：
η——集热器集热效率，这里取53％；
H——2月份水平面上日平均太阳辐射量，7．1MJ/m2（2001年中国气象辐射资料年册）；
α——太阳能集热器集热倾角，这里取45°
；
代入数据计算得
A=20m2
4.2系统设备设计参数
（1）太阳能集热器（平板集热器）
如图3集热器截面图所示。
形式：
冲水式
朝向：
正南图3集热器截面图
装设地点：
屋顶或南墙
倾斜度：
45°
面积（由上确定）：
20m2
结构：
吸热体置于模压和焊接钢板中
盖板：
双层玻璃
平板集热器是一个由下列三部分组成的箱子：
①正面部分为集热器本体，直接承受阳光暴晒；
②正面热转换的吸热体；
③背后衬垫；
（2）蓄热水箱结构和大小
由于地板辐射采暖所要求的供回水水温和洗浴所要求的供水水温差别较大，我们利用水在不同温度下的密度差实现水箱的温度分区，底部的水温低作为地板辐射采暖热媒，上部水温高作为生活供水。
蓄热水箱体积计算：
根据文献[3]可知单位集热器面积和对应的水箱容积有如下函数关系：
图4单位集热器面积和对应的水箱容积关系图
根据实际情况此处取单位集热器面积对应水箱容积为0.02m3，则蓄热水箱容积
V=0.02m3/㎡=0.02×
20m3=4m3
（3）主循环水路管径：
采暖负荷Q总=3698W
根据公式Q=1/4πd2ωρΔtc（参考文献[4]）
d=11.12mm取d=15mm
（4）沼气池
容积：
根据经验沼气池容积约为10m3即能满足系统不利天气时供热要求。
5、系统节能及环保效益分析
5.1系统节能分析
5.1.1太阳能地板辐射采暖系统年节能量（参考文献[1]）
ΔQsave1=AcJt（1-ηc）ηcd
式中ΔQsave——太阳能热水系统节能量，MJ；
Ac——系统的太阳能集热面积，㎡；
Jt——太阳能集热器采光表面上的年总太阳辐射量，MJ/㎡；
取5000MJ/㎡；
ηcd——太阳能集热器的年平均集热效率，%；
取53%；
ηc——管路和水箱热损失率；
取0.2；
ΔQsave1=20×
5000×
（1-0.2）×
53%MJ=42400MJ；
5.1.2太阳能地板辐射采暖系统节能费用
SAV1=PI（ΔQsavCc-AdDJ）-Ad
式中SAV——系统寿命期内总结省费用，元；
PI——折现系数；
（集热系统寿命一般为10-15年。
其中折现系数按下式计算：
得PI=10.04）
Cc——系统评估当年的常规能源热价，元/KJ；
取0.06元/KJ（参考文献[5]）
Ad——系统总投资，元；
取20000元（包括太阳能集热板20㎡×
500元/㎡=10000元，其他设备5000元，安装费5000元，注：
参考市场价格）
DJ——每年用于与太阳能热水系统有关的维修费用（包括太阳能集热器、管道系统等维修费用）占总增投资的百分率，一般取1%；
SAV1=10.04×
（42400×
0.06-20000×
1%）-20000=3534元
5.1.3沼气年节能费用
建设一个十立方米的沼气池，一年四季可以连续运行，有效使用期20年以上。
在保持饲养四五头猪解决原料来源的前提下，年产沼气800—900m3，提供沼渣30—35m3、沼液20t左右。
沼气、沼渣、沼液均可充分利用。
1、沼气用作日常炊事，供全家一日三餐，年平均节煤2t左右，节省燃料费可达1200多元；
2、沼气用作照明，年可节约电费200元左右；
3、沼渣、沼液用作肥料，年产沼肥5000公斤左右，节约化肥约400元左右。
由于沼肥无病菌和虫卵，能够减少农作物病虫害的发生，还可节约农药。
沼肥还能改良土壤，提高土壤有机质含量；
4、用沼液代替农药，进行喷施，防止农作物病虫害，年可节约农药开支200多元；
5、沼液作为饲料填加剂，喂
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