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摘要：车库式干发酵沼气系统在冬季运行过程中，由于温度低而影响厌氧菌的活力，造成系统产气量大幅下降。为保障其冬季稳定产气，试验以长江中下游地区为例设计出一套发电余热与太阳能耦合增温系统，对该系统增温热负荷、发电机组余热回收率、太阳能热效率等关键参数进行理论计算得出，系统的中温发酵最大负荷为1月，负荷量为23 630.4 MJ；5—10月只需要太阳能供热就可基本实现中温发酵环境；11—12月、1—4月系统需要发电余热补充增温。经工程试验表明，100 t物料在冬季由13.3 ℃增温到35.0 ℃，至少须提供热量17 680.6 MJ，系统经过10 d可实现库内物料中温发酵，并能够维持中温发酵水平。
关键词：发电余热；太阳能；设计；耦合；增温系统；热效率
中图分类号： S210.7文献标志码： A文章编号：1002-1302（2016）05-0380-03
近年来，随着农村能源开发利用政策的不断深入，沼气的开发利用也越来越受到重视。但是，冬季环境温度低，使得冬季沼气的产量减少，严重影响沼气的生产。因此，沼气生产必须在厌氧发酵过程中采取增温措施进行热量补充[1]。目前，主要增温方式有生物质锅炉增温、太阳能增温、电加热锅炉增温、地源热泵增温等[2-3]，单一增温方式的存在受天气影响大、成本较高、自动化程度低、受地理位置限制等缺点[4]，而采用组合加热方式可解决这一缺点[5]。沼气发电余热加热实现了废弃资源的再利用，节能环保，且费用仅分别为燃气锅炉加热、太阳能加热方式的60%和12%[6]。太阳能为绿色能源，在长江中下游地区资源丰富，利用太阳能可减少污染的排放和能源消耗，是未来发展的重要方向[7]。本系统采用沼气发电余热和太阳能，设计出一套发电余热与太阳能为热源、采用电加热为辅助的沼气车库耦合增温系统，利用定温控制，通过太阳能集热系统完成热能的采集和传输，热水通过换热管对料液进行增温。为预防太阳能增温的不稳定性和发电机偶然性故障，系统在蓄热水箱内设计电加热系统作为增温系统的外辅助增温，以提高增温系统整体稳定性[8]。
1耦合增温系统组成及工作原理
增温系统由发电余热-太阳能耦合供热环路组成（图1），其中，发电余热热源与太阳能增温相互补充，最大利用太阳能热源，实现增温系统运行稳定。发电余热-太阳能耦合系统作为增温系统中主要热量来源，通过发电余热与太阳能集热器耦合的方法为发酵库提供稳定的热量；发电机组内循环冷却水通过缸套水热交换器预热，外循环冷却水通过废气热交换器预热后进入蓄热水箱，实现热量交换[9]。阳光充足时，太阳能集热器收集热量，通过换热器与蓄热水箱进行热量互换，通过换热管实现对发酵物料的增温；太阳能不充分时，系统主要利用发电余热增温。系统根据温度传感器所测值，通过控制阀门和循环泵来控制集热水箱、蓄热水箱和发酵库内热量交换，发酵库内换热方式采用盘管辐射散热。增温系统蓄热水箱内设有电加热系统，作为增温系统稳定性的补充，当发酵库内物料产气率不高、发电余热增温不能满足需求、太阳能集热器水温在40 ℃以下时，电加热系统启动。电加热设为手/自动联合控制方式，当发电机运行时，电加热系统关闭；发电机停止运行，开启电加热手动开关；当发酵库需要增温，太阳能集热器温度又低于40 ℃时，电加热开关自动闭合，电加热系统运行增温。控制系统采用S7-200 可编程逻辑控制器（PLC）与力控组态软件结合，及时监控和采集发酵系统内数据。
2系统增温负荷量的计算
2.1发酵池增温负荷
发酵池增温负荷是指在某一室外温度下，为达到要求的发酵池内温度，加热系统在一定时间内须向发酵池供给的热量。干式发酵在发酵前3 d进行有氧堆肥，自身内部将产生微生物热，因此，干式发酵库加温负荷主要有进料吸收热量、围护结构散热、沼液加热量和内部微生物热组成[10]，计算公式为：Q=Q1 Q2 Q3-Q4。式中：Q为发酵库需要补充的能量，Q1为进料吸收热量，Q2为围护结构热损失，Q3为每日沼液喷淋后，沼液需加热的热量，Q4为内部微生物自产热，单位均为MJ（下同）。由于内部微生物自产热影响较小，所以不作考虑，从而计算公式为：Q=Q1 Q2 Q3。
2.1.1进料吸热量进料吸热量是指一定时间内使物料温度由进料温度升到适宜发酵温度所要补充的热量，计算公式为：Q1=M1CP（T-T1） 。式中：M1为进料质量，kg/月；CP为进料热容量，kJ/（kg·K）；T为设计温度，℃；T1为进料温度，℃[5]。表1为根据试验进料温度数据计算出的进料吸热量Q1的数据
2.1.2维护结构散热及沼液增温热量本发酵车库顶部储气采用带有弹性的红泥塑料，温室大棚双层保温，四壁采用100 mm聚氨酯保温板，发酵库围护结构散热的计算公式为：Q2=KFΔT 。式中：Q2为维护结构散热量；K为传热系数，W（m2·K）；F为换热面积，m2；ΔT为室内外温差，℃[11]。系统运行时每天需要喷淋1次沼液，每次喷淋2 t，所以沼液达到中温所需要的热量Q3见表2。
2.2太阳能集热系统热负荷
太阳能加热系统通过集热管实现太阳能热量的采集和传输，由温度传感器定温控制，使集热器内热水通过温差循环泵与蓄热水箱进行换热。增温系统中太阳能增温系统可以提供的热量计算公式为：Q太=AC×[JT×η×（1-ηL）]/f。式中：AC为太阳能集热板面积，本系统采用真空管集热器，试验设计太阳能集热器面积为50 m2；JT为倾斜辐射量，MJ；η为集热器日平均集热效率，集热器设置方向为正南，倾角取45°[12]，日平均集热效率取55%；ηL为管路及热水箱损失效率，系统取0.2[13]；f为太阳能保证率[14]。由表3可知，系统在1—4月、11—12月需要发电机补充的热量，每月日均补充热量分别是474.3、422.6、233.6、130.4、153.0、408.6 MJ，其他月份可利用太阳能加热实现沼气工程中温厌氧发酵。 2.3沼气发电余热回收系统热负荷
机组废气、烟气的热量可通过热交换系统进行热量回收，对发电余热的回收利用既可以实现沼气发电应用，又可以减少能源的浪费。发酵库总容积为160 m3，原料体积占发酵池体积的70%，其中原料中固体占30%，液体占70%。设计发酵温度取35 ℃，干物质产气率为0.3 m3/kg[15]，设计日理论产气量最少为100 m3，全部用于沼气发电，沼气中甲烷的质量分数约为60%，其余为二氧化碳和水等物质，按60%CH4含量计算，1 m3沼气燃烧放热23.85 MJ，沼气燃烧可产生热量Q热=2 385 MJ；沼气发电与烟气回收产生的余热利用率约为45%，则每天发电余热回收为Q余=0.45×Q热= 1 073.3 MJ。除去水箱和管道等散热损失，发电机组余热每日提供热量Q剩=596.2 MJ[16-17]，这可以满足1—4月、11—12月份发电机每日需要补充的热量。
2.4库内加热水管计算及系统选型
发酵库采用循环增温系统，可经过多次循环实现库内中温发酵。沼气发酵增温系统通常采用不锈钢管和PERT铝塑管。不锈钢管导热系数λ=15 W/（m2·K），PERT管导热系λ=0.48 W/（m2·K）[18]；交换同量热量的条件下，PERT管换热长是不锈钢管长的10倍，不锈钢管价格却是PERT管的4～5倍。因此，小型沼气工程可采用价格较高的不锈钢管，但在大中型沼气工程中，因供热面积大且需要均匀增温，同时尽可能减少初期投入，宜采用PERT管，根据库内容积4×4×10 m3、以底部为基准每根管路间距300 mm、发酵库壁铺设9根计算，共需要PERT管长度为250 m。
3增温系统控制器
3.1控制器程序设计
沼气工程系统运行中，库内温度传感器将库内物料温度值传入PLC，当温度≥35 ℃时，发电机冷却水内循环，增温系统不工作，当温度<35 ℃时，增温系统开始运行；蓄热水箱内温度达到40 ℃时，电磁阀开、循环泵运行，蓄热水箱水温低于35 ℃时，停止循环；系统中当太阳能集热器内水温与蓄热水箱内水温温差值达到5 ℃时，电磁阀开、循环泵开启，当太阳能集热器水温低于蓄热水箱温度时，电磁阀关闭，循环泵停止，通过换热器实现温度交换；沼气发电系统启动时，水箱水开始循环，为发电机降温的同时给蓄热水箱增温，最终发酵库内温度达到中温发酵增温（图2）。发酵库需要增温时，当发电机增温系统不运行、太阳能集热器水温在40 ℃以下，可以手/自动启动电加热系统，从而保持库内发酵温度的稳定性。
3.2温度信号采集
系统中温度信号采集系统是将计算机（PC）与西门子 S7-200 PLC通过PC/PPI编程电缆连接起来，根据需要的输入、输出点数，选用CPU 224CN 14输入/10输出和温度扩展模块EM 235 4模拟量输入/1模拟量输出，将模拟量扩展模块EM235与PLC连接起来，构成一套温度模拟量采集系统（图3）。
将PT 100温度传感器采集到的温度值，通过温度变送器转换为模拟电流4～20 mA（对应的数据范围为6 400～32 000），从CH1（A 和A-）输入，通过PLC数据处理，在PC上力控软件界面中以数字和温度曲线形式显示。系统设定采集温度范围为-10～100 ℃，温度采集标准模板库（STL）程序为：
4系统测试结果
系统于2014年11月初启动，利用发电余热与太阳能耦合增温，并对系统的增温效果进行测定，每日产沼气全用于发电，天气良好，发酵物料温度为13.3 ℃。结果表明，为实现库内中温发酵，至少需供热量Q供=17 680.6 MJ。工程试验时采用2个库作增温对比，东库不加热，西库增温加热，运行 10 d 时，西库实现了发酵库中温发酵，库内产气达到最佳，而东库温度几乎变化不大；沼气干发酵物料开始发酵时为好氧发酵过程，生物内产热，温度升高很快，东西库温度均上升；西库采用增温系统，温度出现持续上升，但由于产气，升温速率放缓，后期由于发电余热提供热量，库内温度又有所提升并趋于稳定；东库无外来热量补充，又因维护结构散热，因此温度逐渐下降并趋于稳定（图4）。
5结论
以发电余热与太阳能耦合，同时采用电加热为辅助增温系统对干式厌氧发酵库物料增温，系统在5—10月可完全由太阳能提供热量，实现中温发酵，1—4月、11—12月可利用耦合发电余热进行发酵库内物料增温。对发酵库利用增温系统进行调试，10 d实现发酵库中温发酵，并能维持库内35 ℃。该增温系统率先运用于国内干式沼气工程发酵系统中，取得良好的试验效果，并投入到工程运用。
发电余热与太阳能耦合增温系统一方面针对长江中下游地区太阳能资源丰富的特点，在利用太阳能资源的同时，将发电余热的废弃资源回收再利用，减少了能源投入，提高了经济
性；另一方面，耦合增温系统克服了单一增温系统的缺点，再加上电加热辅助增温的应用，进一步提高了增温系统的稳定性，保证了发酵库内相对稳定的发酵温度。
参考文献：
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关键词：发电余热；太阳能；设计；耦合；增温系统；热效率
中图分类号： S210.7文献标志码： A文章编号：1002-1302（2016）05-0380-03
近年来，随着农村能源开发利用政策的不断深入，沼气的开发利用也越来越受到重视。但是，冬季环境温度低，使得冬季沼气的产量减少，严重影响沼气的生产。因此，沼气生产必须在厌氧发酵过程中采取增温措施进行热量补充[1]。目前，主要增温方式有生物质锅炉增温、太阳能增温、电加热锅炉增温、地源热泵增温等[2-3]，单一增温方式的存在受天气影响大、成本较高、自动化程度低、受地理位置限制等缺点[4]，而采用组合加热方式可解决这一缺点[5]。沼气发电余热加热实现了废弃资源的再利用，节能环保，且费用仅分别为燃气锅炉加热、太阳能加热方式的60%和12%[6]。太阳能为绿色能源，在长江中下游地区资源丰富，利用太阳能可减少污染的排放和能源消耗，是未来发展的重要方向[7]。本系统采用沼气发电余热和太阳能，设计出一套发电余热与太阳能为热源、采用电加热为辅助的沼气车库耦合增温系统，利用定温控制，通过太阳能集热系统完成热能的采集和传输，热水通过换热管对料液进行增温。为预防太阳能增温的不稳定性和发电机偶然性故障，系统在蓄热水箱内设计电加热系统作为增温系统的外辅助增温，以提高增温系统整体稳定性[8]。
1耦合增温系统组成及工作原理
增温系统由发电余热-太阳能耦合供热环路组成（图1），其中，发电余热热源与太阳能增温相互补充，最大利用太阳能热源，实现增温系统运行稳定。发电余热-太阳能耦合系统作为增温系统中主要热量来源，通过发电余热与太阳能集热器耦合的方法为发酵库提供稳定的热量；发电机组内循环冷却水通过缸套水热交换器预热，外循环冷却水通过废气热交换器预热后进入蓄热水箱，实现热量交换[9]。阳光充足时，太阳能集热器收集热量，通过换热器与蓄热水箱进行热量互换，通过换热管实现对发酵物料的增温；太阳能不充分时，系统主要利用发电余热增温。系统根据温度传感器所测值，通过控制阀门和循环泵来控制集热水箱、蓄热水箱和发酵库内热量交换，发酵库内换热方式采用盘管辐射散热。增温系统蓄热水箱内设有电加热系统，作为增温系统稳定性的补充，当发酵库内物料产气率不高、发电余热增温不能满足需求、太阳能集热器水温在40 ℃以下时，电加热系统启动。电加热设为手/自动联合控制方式，当发电机运行时，电加热系统关闭；发电机停止运行，开启电加热手动开关；当发酵库需要增温，太阳能集热器温度又低于40 ℃时，电加热开关自动闭合，电加热系统运行增温。控制系统采用S7-200 可编程逻辑控制器（PLC）与力控组态软件结合，及时监控和采集发酵系统内数据。
2系统增温负荷量的计算
2.1发酵池增温负荷
发酵池增温负荷是指在某一室外温度下，为达到要求的发酵池内温度，加热系统在一定时间内须向发酵池供给的热量。干式发酵在发酵前3 d进行有氧堆肥，自身内部将产生微生物热，因此，干式发酵库加温负荷主要有进料吸收热量、围护结构散热、沼液加热量和内部微生物热组成[10]，计算公式为：Q=Q1 Q2 Q3-Q4。式中：Q为发酵库需要补充的能量，Q1为进料吸收热量，Q2为围护结构热损失，Q3为每日沼液喷淋后，沼液需加热的热量，Q4为内部微生物自产热，单位均为MJ（下同）。由于内部微生物自产热影响较小，所以不作考虑，从而计算公式为：Q=Q1 Q2 Q3。
2.1.1进料吸热量进料吸热量是指一定时间内使物料温度由进料温度升到适宜发酵温度所要补充的热量，计算公式为：Q1=M1CP（T-T1） 。式中：M1为进料质量，kg/月；CP为进料热容量，kJ/（kg·K）；T为设计温度，℃；T1为进料温度，℃[5]。表1为根据试验进料温度数据计算出的进料吸热量Q1的数据
2.1.2维护结构散热及沼液增温热量本发酵车库顶部储气采用带有弹性的红泥塑料，温室大棚双层保温，四壁采用100 mm聚氨酯保温板，发酵库围护结构散热的计算公式为：Q2=KFΔT 。式中：Q2为维护结构散热量；K为传热系数，W（m2·K）；F为换热面积，m2；ΔT为室内外温差，℃[11]。系统运行时每天需要喷淋1次沼液，每次喷淋2 t，所以沼液达到中温所需要的热量Q3见表2。
2.2太阳能集热系统热负荷
太阳能加热系统通过集热管实现太阳能热量的采集和传输，由温度传感器定温控制，使集热器内热水通过温差循环泵与蓄热水箱进行换热。增温系统中太阳能增温系统可以提供的热量计算公式为：Q太=AC×[JT×η×（1-ηL）]/f。式中：AC为太阳能集热板面积，本系统采用真空管集热器，试验设计太阳能集热器面积为50 m2；JT为倾斜辐射量，MJ；η为集热器日平均集热效率，集热器设置方向为正南，倾角取45°[12]，日平均集热效率取55%；ηL为管路及热水箱损失效率，系统取0.2[13]；f为太阳能保证率[14]。由表3可知，系统在1—4月、11—12月需要发电机补充的热量，每月日均补充热量分别是474.3、422.6、233.6、130.4、153.0、408.6 MJ，其他月份可利用太阳能加热实现沼气工程中温厌氧发酵。 2.3沼气发电余热回收系统热负荷
机组废气、烟气的热量可通过热交换系统进行热量回收，对发电余热的回收利用既可以实现沼气发电应用，又可以减少能源的浪费。发酵库总容积为160 m3，原料体积占发酵池体积的70%，其中原料中固体占30%，液体占70%。设计发酵温度取35 ℃，干物质产气率为0.3 m3/kg[15]，设计日理论产气量最少为100 m3，全部用于沼气发电，沼气中甲烷的质量分数约为60%，其余为二氧化碳和水等物质，按60%CH4含量计算，1 m3沼气燃烧放热23.85 MJ，沼气燃烧可产生热量Q热=2 385 MJ；沼气发电与烟气回收产生的余热利用率约为45%，则每天发电余热回收为Q余=0.45×Q热= 1 073.3 MJ。除去水箱和管道等散热损失，发电机组余热每日提供热量Q剩=596.2 MJ[16-17]，这可以满足1—4月、11—12月份发电机每日需要补充的热量。
2.4库内加热水管计算及系统选型
发酵库采用循环增温系统，可经过多次循环实现库内中温发酵。沼气发酵增温系统通常采用不锈钢管和PERT铝塑管。不锈钢管导热系数λ=15 W/（m2·K），PERT管导热系λ=0.48 W/（m2·K）[18]；交换同量热量的条件下，PERT管换热长是不锈钢管长的10倍，不锈钢管价格却是PERT管的4～5倍。因此，小型沼气工程可采用价格较高的不锈钢管，但在大中型沼气工程中，因供热面积大且需要均匀增温，同时尽可能减少初期投入，宜采用PERT管，根据库内容积4×4×10 m3、以底部为基准每根管路间距300 mm、发酵库壁铺设9根计算，共需要PERT管长度为250 m。
3增温系统控制器
3.1控制器程序设计
沼气工程系统运行中，库内温度传感器将库内物料温度值传入PLC，当温度≥35 ℃时，发电机冷却水内循环，增温系统不工作，当温度<35 ℃时，增温系统开始运行；蓄热水箱内温度达到40 ℃时，电磁阀开、循环泵运行，蓄热水箱水温低于35 ℃时，停止循环；系统中当太阳能集热器内水温与蓄热水箱内水温温差值达到5 ℃时，电磁阀开、循环泵开启，当太阳能集热器水温低于蓄热水箱温度时，电磁阀关闭，循环泵停止，通过换热器实现温度交换；沼气发电系统启动时，水箱水开始循环，为发电机降温的同时给蓄热水箱增温，最终发酵库内温度达到中温发酵增温（图2）。发酵库需要增温时，当发电机增温系统不运行、太阳能集热器水温在40 ℃以下，可以手/自动启动电加热系统，从而保持库内发酵温度的稳定性。
3.2温度信号采集
系统中温度信号采集系统是将计算机（PC）与西门子 S7-200 PLC通过PC/PPI编程电缆连接起来，根据需要的输入、输出点数，选用CPU 224CN 14输入/10输出和温度扩展模块EM 235 4模拟量输入/1模拟量输出，将模拟量扩展模块EM235与PLC连接起来，构成一套温度模拟量采集系统（图3）。
将PT 100温度传感器采集到的温度值，通过温度变送器转换为模拟电流4～20 mA（对应的数据范围为6 400～32 000），从CH1（A 和A-）输入，通过PLC数据处理，在PC上力控软件界面中以数字和温度曲线形式显示。系统设定采集温度范围为-10～100 ℃，温度采集标准模板库（STL）程序为：
4系统测试结果
系统于2014年11月初启动，利用发电余热与太阳能耦合增温，并对系统的增温效果进行测定，每日产沼气全用于发电，天气良好，发酵物料温度为13.3 ℃。结果表明，为实现库内中温发酵，至少需供热量Q供=17 680.6 MJ。工程试验时采用2个库作增温对比，东库不加热，西库增温加热，运行 10 d 时，西库实现了发酵库中温发酵，库内产气达到最佳，而东库温度几乎变化不大；沼气干发酵物料开始发酵时为好氧发酵过程，生物内产热，温度升高很快，东西库温度均上升；西库采用增温系统，温度出现持续上升，但由于产气，升温速率放缓，后期由于发电余热提供热量，库内温度又有所提升并趋于稳定；东库无外来热量补充，又因维护结构散热，因此温度逐渐下降并趋于稳定（图4）。
5结论
以发电余热与太阳能耦合，同时采用电加热为辅助增温系统对干式厌氧发酵库物料增温，系统在5—10月可完全由太阳能提供热量，实现中温发酵，1—4月、11—12月可利用耦合发电余热进行发酵库内物料增温。对发酵库利用增温系统进行调试，10 d实现发酵库中温发酵，并能维持库内35 ℃。该增温系统率先运用于国内干式沼气工程发酵系统中，取得良好的试验效果，并投入到工程运用。
发电余热与太阳能耦合增温系统一方面针对长江中下游地区太阳能资源丰富的特点，在利用太阳能资源的同时，将发电余热的废弃资源回收再利用，减少了能源投入，提高了经济
性；另一方面，耦合增温系统克服了单一增温系统的缺点，再加上电加热辅助增温的应用，进一步提高了增温系统的稳定性，保证了发酵库内相对稳定的发酵温度。
参考文献：
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