首页 > 资料专栏 > 经营 > 运营治理 > 其他资料 > 养殖场中多能源系统应用的可行性研究报告DOC

养殖场中多能源系统应用的可行性研究报告DOC

资料大小:5118KB(压缩后)
文档格式:DOC
资料语言:中文版/英文版/日文版
解压密码:m448
更新时间:2021/8/31(发布于河南)

类型:金牌资料
积分:--
推荐:升级会员

   点此下载 ==>> 点击下载文档


文本描述
摘要 大规模的畜禽养殖带来了大量的粪污,这不仅造成周围环境的污染,而且 引起疾病的传播。发酵处理粪污是一种好方法。但环境温度降低,使沼气池内 部发酵温度低,影响了沼气的产生。另外目前养殖场的加热与制冷系统消耗大 量的电能。本文提出一种将地源热泵、沼气池、养殖大棚组成一个新的能源系 统。并对该系统进行了设计、模拟、计算,得到如下研究结果: 1. 根据目前河南省的一些养殖规模的比例,选取了存栏2000头猪的养殖场 为对象,进而计算了养殖场的面积、猪的粪污的排放量、沼气池的体积 大小,建立了它们之间的数量关系。 2. 通过数值模拟,计算了在不同发酵温度和环境温度、不同厚度的保温层 及无保温层的条件下,沼气池及周围土壤的温度分布及沼气池的散热量。 3. 对沼气池池壁安装盘管进行加热的沼气池进行了数值模拟,模拟结果显 示:由于沼气池的体积较大,远离池壁的地方温度较低,因此需要增加 这些区域的湍动程度,使沼气池内部的温度分布更均匀。 4. 养殖大棚、沼气池、地源热泵所构成的新系统,在寒冷季节和炎热的季 节,系统需要的热量和冷量基本平衡,因此地源热泵系统将从土壤中提 取的热量和冷量基本相等,可以保证热泵系统的高效、稳定的运行。 5. 分析了目前养殖场加热与制冷方式与地源热泵系统的初投资和运行费 用,得到地源热泵更具有经济、节能、发展的前景。 关键词:养殖场;地源热泵;沼气池;数值模拟 I Abstract Abstract The large-scale livestock and poultry brings a lot of dung, not only causing the pollution of the surrounding environment, but also causing the spread of the disease. Fermented dung is a good way. The ambient temperature is low, so that the digesters internal fermentation temperature is low, affecting the biogas generated. Also in the farms heating and cooling systems consume large amounts of electricity. In this paper, a new energy system is formed with a ground source heat pumps, biogas digesters, and the breeding shed. According to the system design, simulation and calculation, obtain the following results: 1. According to the present, the proportion of the scale of farming in Henan Province, choose breeding stock 2000 pig farms for the object, and then calculate the area of the farm, pig dung emissions, the size of digesters, and establish their quantitative relationship. 2. Calculated by numerical simulation in different fermentation temperature and ambient temperature conditions and the different thickness of the insulation layer and the insulation layer, obtain the temperature distribution of the digester and the surrounding soil and digester heat dissipation. 3. By a numerical simulation for digester heated wall installation coil,simulation results show that: the digester is larger and the centre of the digesters is the lower temperature, therefore it is needed to increase the turbulence of these regionsextent, making the digester temperature distribution more uniform. 4. Forming a new system with breeding shed, digester and a ground source heat pump during the cold season and hot season, the system needs that heat and cold is basic balance, therefore GSHP systems extract heat from the soil and cold basically the same, which can guarantee the efficient and stable operation of the heat pump system. ii Abstract 5. Analysis of the initial investment and running costs of the heating and cooling mode of the farms and ground source heat pump system, we get the ground source heat pump is more economic, energy, and development prospects* Keywords: Farms; Ground Source Heat Pump; Digesters; Numerical simulation in 目录 目录 1 1 1.1研究背景及意义 1 1.1.1研究背景 1 1.1.2本课题研究的意义 3 1.2.1沼气技术的研究 4 1.2.2地源热泵的研究 6 1.2.3加热方式的分析 9 1.3本课题的主要研究内容 13 2养殖场多能源系统的建立 14 2.1方案设计及工作原理 14 2.2养殖规模的确定 15 2.3沼气池体积的计算 16 2.3.1养殖场产粪便处理量的估算 16 2.3.2沼气产量的估算 21 2.3.3粪便的预处理 22 2.3.4沼气容积的确定 23 2.4养殖场面积及结构的确定 24 2. 5 'Yit 26 3多能源系统的能量计算 27 3.1沼气池散热量的计算 28 3.1.1 CFD软件简介 28 3.1.2物理模型的建立 31 IV 一 1绪论 1绪论 1.1研究背景及意义 1.1.1研究背景 改革幵放30多年来,我国经济迅猛发展,到目前为止国民生产总值(GDP) 位居世界第二。随着我国城乡居民生活水平不断提高和收入不断增加,在人们 的日常饮食中,蛋类食物、肉制品等高蛋白食物成为重要的一部分。因此全国 对畜禽产品的需求量也不断地增长。我国畜禽类养殖在农业总产值中占有的份 额不断提高,有一些地区高达50%以上,养殖业吸引了大量的农村剩余劳动力, 结果农民在当地就可以找到工作,而不用到沿海地区打工,减轻了我国农民工 大规模迁移。截至到]995年,肉类总产量达到5260.1万吨,其中猪肉3648.4 万吨,牛肉415.4万吨,羊肉201万吨。肉类、奶类和禽蛋产量平均以5%以上 的速度递增;到2001年,全国肉类总产量为6334万吨,禽蛋2336.7万吨,奶 类1122.9万吨,分别是1980年的5.3倍、9.1倍、8.2倍[']。到2010年,全国肉 类总产量7925万吨,比上年增长3.6%。表1-1显示了 2010年我国的三大主要 肉食类的产量。其中,生猪存栏数46440万头,下降1.2%;生猪出栏数66700 万头,增长3.3%。禽蛋产量2765万吨,增长0.8%;牛奶产量3570万吨,增长 1.5%[2]。大规模的畜禽类养殖业迅速发展,推动我国农村经济的快速发展和人民 生活水平提高,起到十分重要的作用。 图1.1显示了: 2008年我国各省份生猪的分布图,四川、湖南、河南的养 殖数量占居量前三位。图1.2表明:从1998—2007年,显示了我国50头以下的 养猪场所占的比例不断下降。其它养殖场的规模分布比例略有上升。其中500 -3000头的养殖场的比例上升的快。通过前几年的养殖数量的变化得到,我11 的养殖业由粗放型向规模化的转变,这种转变由分散的个体户向规模化的养殖 方向发展。这样可以提高养殖的效率和节约劳动成本。 1 1绪论 表1.1 2010年肉类产量 . Table 1.1 The production of meat in 2010 肉的类型 肉的产量/力'吨 增长率/% 一 mk 5070 3J 牛肉 & m 398 2.2 2008年生猪全国分布图 , ' ~~ 'fr^ 2KM^ r ' '了北30 - i 、 ' *' 图1.1我国生猪各省份分布图 Figure 1.1 The quantity of pigs in every provinces 0.9 0.8 ' ^一―一— 0.7 1—50 0.6 < 50 —1。0 0.5 -==^~ ICO-500 \ 500—3000 : --3000-10000 。'3 -^10000-50000 0-2 ; ^~ 50000 + 0.1 -^ 一' —― ■s---― - -^ ' ― '-^—: —: ~~ 193S 1999 2000 200i 2002 2003 2004 2005 2006 2007 图1.2我国养殖数量结构图 Figure 1.2 The structure of breeding 我国以前90%生猪养殖规模结构主要是以散养为主。但近几年,随着国家 优惠政策的出现,农户开始由散养养殖向规模化饲养发展,这样不仅统一管理, 而且能节约成木。企业和农户也逐渐趋向规模化词养方式。根据两家相关资料 1绪论 统计,2007年,我国出栏50头以上的规模化养殖户和企业共计224.4万家,出 栏生猪占全国出栏总量的比率约48%; 2008年,我国出栏50头以上的规模养殖 户和企业的出栏生猪占全国出栏总量的比率达62%。2008年,我国生猪存栏4.63 亿头,同比增长5.17%;出栏生猪6.09亿头,同比增长7.88%;猪肉产量4620.5 万吨,同比增长7.6%。相关资料显示,截至2008年底,我国规模化生猪养殖场 (户)出栏数量所占比率上升至62%。 但是大规模的养殖引发了许多新的问题,如:农村地区的环境污染等情况。 根据我国每年生产和出栏的畜禽数量和不同种类的动物幾便排放系数估算: 1995年前后每年产生的畜禽粪便为18亿吨左右,其中牛1110.7亿吨、猪粪2.7 亿吨、羊粪3.4亿吨、家禽粪便1.8亿吨。而到了 2000年,畜禽类类便产生量 已达到19亿吨,大约是工业固体废弃物的2.4倍。畜禽粦便中含有的氮、磷分 别为1597万吨和363万吨,相当于我国同一期化肥用量的78.9%和57.4%。据 不完全统计,目前我国畜禽粪便排放量达到27X 108吨。 畜禽养殖业的快速发展,大量的粪便未能得到有效、及时的处理,随便的 乱堆放已经成为我国目前农村环境污染的主要途径之一。它不仅污染环境,而 且更严重的是,在炎热的夏季引发疾病的传播,给人畜带来的严重的危害。因 此要采取有效的方法处理禽类粪便。 由于存在地理位置的关系,我国能源分布不均衡。农村能源比较短缺,价 格又高,限制化石燃料的使用。在农村能源结构中,生物质约占生活用能的70%, 占整个社会用能的50%。大多数的生物质以直接的方式燃烧,这样不仅会污染 环境,而且效率不高,只有10%—20%[3]。结合我国的国情和现状,沼气是一种 干净、清洁的气体,具有较高的热值。它可以为农户提供足够的热量,来满足 日常的生活需要。 目前使用发酵的手段,将类便通过沼气技术进行处理,这样不仅能减轻农 村的环境污染,而且能满足农村能源短缺的要求,并减少了对木材的需求,维 持生态环境平衡起着重要的作用。这种方式在能源短缺的现在值得提倡。 1.1.2本课题研究的意义 河南省位于我国的中部地区,具有夏季高温、冬季零度左右。河南属于农 1绪论 业大省,农作物产量多,带动畜牧业的快速发展。2010年全省的肉、蛋、奶的 产量分别达到660万吨、420万吨、350万吨。全省的养殖的规模很大,因此禽 畜类的类便排放量也很大,需要处理这些異便,目前主要的方法是:利用发酵 技术对獎污处理,这样不仅能产生沼气,而且发酵产生的沼液和沼渣还有其他 用途。沼液具有替代一些词料的添加剂。沼气池发酵后产生的物质是沼液和沼 渣,它含有丰富的有机质、腐殖酸、氨基酸、N、 P、 K和微量元素。它可以用 于土壤改良、农作物基肥和追肥、配制花卉和蔬菜育苗营养土、栽培食用菌、 养殖蚯蚓和鱼等,从而降低对化肥的使用量。 通过以上的分析和结合目前的情况,本课题研究的目的是,根据养殖规模 确定养殖大棚的面积、沼气池的体积,利用地源热泵在寒冷的季节加热沼气池 和养殖大棚,在炎热的季节提供冷量给养殖大棚。这种系统将能量得到综合的 利用,使得沼气池在寒冷的季节中也能高效、高产。发酵产生的沼气不仅能满 足居民的日常生活的要求,而且能改善环境状况,同时能减少化石能源的消耗, 这种方式解决目前养殖类便的重要措施之一。这样构成的系统是一个节能、环 保的系统。 目前的养殖场传统的加热、制冷方式需要消耗大量的能量。在寒冷的季节 为养殖大棚供暖过程,使用锅炉(燃气或燃煤)提供热量。这样消耗大量的能 源。在夏季,通过向猪舍内洒水、喷淋、湿帘喷淋等方法降低养殖大棚的温度, 但引起耗水量的增加和空气中水分的增加,影响猪的发育。因此从节能、环保 方面考虑,将养殖场、沼气池与其它加热、制冷系统组合构成一个新系统,从 技术性和经济性进行分析,来确定该系统是否具有可行性具有重要的作用。 1.2国内外硏究现状 1. 2. 1沼气技术的研究 发达国家的厌氧技术的研究比我国要早,到现在已有100多年的时间,目 前许多地方都建有厌氧发酵池,单个的体积最大达到几千立方米[43,发达闺家已 经具有大规模生产的能力。在19世纪80年代,法国已建成一个处理污水的厌 氧发酵池,并开始运行。1970年欧洲的一些国家如,荷兰建立很多沼气厂,由 于发酵温度存在问题,到20世纪80年代沼气池的数目逐渐减少。20世纪70年 4 1绪论 代,经济的快速发展,全球范围内能源短缺,许多国家从其它方面考虑解决这 种危机。美国建立了大量处理畜粪便产生CH4的自动化工厂,到现在运行着30 多座沼气发电站,这样可以解决当地的能源问题[51。俄罗斯在这方面的研究是: 在任何地区中都能产生沼气的发酵设备,日处理量类便量大约为2()0Kg,日产沼 气量7—8m3[6]。在亚洲的一些发展中国家,例如尼泊尔,由于受到地理环境的 影响,化石燃料不足,不能满足如人们的生活需要。沼气成为一种比较好的替 代能源,因此这些地方的沼气能满足农民日常炊煮、照明的要求。20世纪最后 10年间,尼泊尔一共有3.7万座的小型沼气池,可以为20万人提供需求。以后 的几年间会增加更多的小型沼气池。韩国在1969—1975年期间,建造了大约 30000个户用沼气池,以后几年间建造了一些15m3较大容积的处理农牧业废弃 物料的沼气池设备[7]。印度从1970以后,政府出台了沼气的发展计划,到2000 年,沼气池的数量己达到1200万个,沼气为国家节约了大量的能源,又满足农 民日常生活用能。 全球范围内研究的较多集中在工艺方面如:厌氧工艺的发酵。到1999年共 有1303个不同类型的发酵反应器,近800个采用UASB反应器,占全部的59%。 国外厌氧发酵的基础研究集中在以下几个方面: 1. 微生物对物料的适应能力和竞争机制的研究 2. 产生CH4动态过程生化检测所使用方法的研究['1]['2]; 3. 研究水解的方法来降解高分子物质的机制和生物方面调控机理['3—'5]; 沼气在我国的使用己经有100多年的历史了。在这些年中,我国的发展时 期主要分为4个时期,即20世纪30年代、50年代、70年代、80年代以后的时 期。 我国真正意义上开始研究和使用是在1930年以后。台湾省的罗国瑞从20 世纪初已经开始着手天然瓦斯的研究和试验,通过10多年的艰辛工作,研制出 我国第一个较完备且具有实际价值的瓦斯库,后来开办了一家沼气推广公司, 为我国沼气事业做出了积极的贡献['6]。 我国的沼气推广是在20世纪50年代,全国开始在武昌大办沼气项目,经 过媒体的宣传后,这种情况对全国的影响很大。但由于建造的质量和缺乏有效 的管理,大多数的沼气池都废弃了,损失十分严重。 第三次大规模推广沼气的时间是20世纪70年代。70年代后期,由于农村 ^ 生活使用的燃料不足,在一些地方如河南、四川、江苏等有掀起了发展沼气的 风气。随后这股热潮迅速传遍全11 ,全国沼气池累计达到700万个,沼气池的 使用寿命3—5年,到70年代后期大量的沼气池报废。 20世纪80年代以后,由于技术和有效的管理方式的支持,沼气池的使用寿 命有了很大的提高。目前沼气技术成为我国生态农业发展的重要支撑之一。 1.2.2地源热泵的研究 地源热泵这个概念的提出是在1912年的一份专利中。那年,瑞士人成功安 装了一套热泵设备用于供暖,媒介是河水,并申报专利,这就是世界上最早的 地源热泵。1930年,英国人Hal Dane在他的著作中报道了 1927年安装了一台 试验的家用热泵,工质是氨,环境空气为低温热源,用于取暖和生活用水。 随着时间的推移,到1946年美国在波兰特市中心区建立第一个地源热泵系 统。但是这种方式的利用能源没有引起重视,在技术、理论上没冇很大的发展。 在20世纪50年代到60年代,热泵技术是一个快速发展的时期。欧美国家开始 研究地源热泵的高峰期。由于当时的化石燃料的价格低,地源热泵系统的初投 资较高,显得不经济,因而不能有效的推广。1953年,美岡电力协会的研究表 明,以上这些试验还没有提供可用于地下换热器的设计方程['7]。直到20世纪70 年代,全球上出现了第一次能源危机,一些国家把目光转向怎么高效、节能利 用能源。这时,研究地源热泵又进入了一个高峰期。这段时间,西欧的一些国 家建立了水平埋管式的土壤源热泵,主要用于取暖。虽然欧洲的一些国家是世 界上最成熟的地区,但是由于研究人员不懂安装技术和工人不懂热泵的原理, 使得对地源热泵研究走了很长的弯路。随着对地源热泵深入的研究,地下换热 器的设计、计算模型多达30多种,其中主耍的模型有两种:1.线热源模型,L. R. Ingersoll在1948年提出的模型,将埋地盘管的中心轴线视为线热源,以定 值与周围土壤进行热交换['8]。以后的研究中对它进行了修正,更趋于合理;2. 圆柱热源模型,Carslaw和Jaeger在1948年首次提出该模型,到1954年将它 引用到地源热泵系统的研究,其中包括定壁温和定热流量2种模型[19]。 20世纪 最后十年内,各国的科研人员对这两个模型进行了完善和修正。计算机技术的 快速发展,计算软件的出现加快了埋地换热器传热部分的研究,使地源热泵技 6 1绪论 术更趋于成熟,更有利于工程实践应用。 1998年,美国商业建筑中地源热泵系统已占空调保有量的19%,其中新建 建筑中占30%。美国地源热泵行业投入大量的资金进行开发、研究和推广。 2005年,已有33个国家在推广、发展地源热泵技术,主要分布在北美、欧 洲、东亚、南美等地区。表1.2是应用地源热泵技术领先的国家到2005年时的 统计数据。 表1.2应用地源热泵技术领先的W家统计 Table 1.2 National statistical of application of ground source heat pump technology ~ ii 装机容量(Mw) 年利用能 装机量(台)~ (GWh) 1 美国 6300 6300 600000 2 瑞典 2000 8000 200000 3 德国 560 840 40000 4 瑞士 440 660 25000 5 加拿大 435 300 36000 6 澳大利亚 275 370 23000 我国的热泵技术起步于20世纪50年代,其中主要是天津大学的吕灿仁教 授进行了最早的热泵研究[2],在60年代成功研制出我国第一台水冷式热泵空调 机,为我国热泵事业的发展打下良好的基础。 1989年,高祖锟教授等人在青岛建立了我国第一个土壤源热泵系统,以水 平盘管的布置方式作为地下换热器,并且研究了冬季供暖的一些工况参数,并 采用Fluent软件对埋管周围土壤的温度场分布进行了数值模拟,得出了埋地盘 管的散热量,为实际的工程提供参考依据[21]。 从20世纪90年代,华中理工大学的动力工程课题组对热泵的水平铺管进 行了较多的研究。张昆峰在国家自然科学基金的支持下,以地表水为蓄能体, 进行了地下换热器水平单管的研究;在冬季供暖过程中,对埋管尺寸、水循环 形式及工况进行了实验,得到这些参数与热泵性能和取热量的关系[22]。从1999 年开始,同济大学的张旭【23]通过实验得到:在不同含水率下,土壤及不同比例 的砂土的导热率和土壤传热的影响参数。李元旦等人[24]对地源热泵的启动工况 进行了实验研究,得到冬季启动时间比夏季短。并分析了要达到好的节能效果, 需要对整个系统进行优化。 7 1绪论 重庆建筑大学王勇、曾淼等人建立地下埋管的换热管群,通过实验研究, 得到一些因素(包括地下换热器的布置方式、回填土等)对换热器换热量的影 响,为地源热泵系统的高效的运行提供依据[25]。从1999年开始,刘宪英等人在 项目资金的支持下,通过对土壤浅层埋管中竖直盘管和水平盘管地下换热器的 特性对比研究,采用能量平衡的方法结合传热方程,确定了垂直套管管群地下 换热器传热模型,并且使用软件模拟了过渡季节土壤的温度场的分布情况[26]。 宋小飞、温治在文章中指出了为U型管地下换热器的优化设计提供设计参考, 通过使用计算流体分析软件,模拟了地下换热器管路中介质的流动和传热量。 结果表明:一些参数对换热器效率的影响关系[27]。 重庆建筑大学的魏唐棣等人在文章中概述了国外地源热泵技术发展的一些 内容,建立了 15kW浅埋垂直地下换热器,在冬季取暖过程中并进行一些实验测 定,同时建立了地下浅埋套管式换热器的传热模型(采用了圆柱形模型)。他 介绍对地下竖直浅埋套管式换热器的冬季供暖及其传热情况P8]。山东建筑工程 学院刁乃仁在文章中129]对于适用于不同地下封闭循环水系统参数的地源热泵主 机的研究以及对地源热泵末端装置与地下埋管换热器中水系统优化的探讨。吉 林大学的李明在文章中指出:东北寒冷的地区,冷热负荷存在明显的差异,热 泵机组的长期运行会对土壤的温度初始温度有重要的影响,反过来又会影响地 源热泵的稳定、高效的运行[3G]。哈尔滨工业大学的杨涛等人建立了自然冷源季 节性蓄冷实验系统,研究了炎热季节从土壤中取冷量与地下换热器的进出口温 度的变化及地埋管周围土壤温度场的分布状况。从实验数据分析得到:该系统 在东北地区使用有比较好的运行效果[31]。马宏权、龙惟定在文章中分析了地源 热泵地埋管换热器热平衡问题的产生与影响,提出了处理这个问题的方法,并 且结合实际项目进行分析测试,为实际工程应用提供参考[32]。 国内外的地源热泵系统主耍用于建筑物的取暖与制冷。我国在地源热泵技 术的推广过程中,北京是许多城市中较好和较早的一个。主要原因是:北京市 根据城市能源发展战略和供能规划,结合2008年奥运会对城市的环保要求,规 定五环内禁止使用燃煤锅炉供热(冷),鼓励燃油、燃气、地热能和太阳能等清 诘能源的应用。北京已有500多万平方米建筑利用地源热泵系统,其中公共建 筑用量为2/3左右,居住建筑占应用量1/3左右。地源热泵建设项目有住宅、办 公大楼、高级宾馆、学校、幼儿园、商场、医院、敬老院、档案馆、体育场、 8 1绪论 厂房、污水处理厂、景观水池等[17]。 1.2.3加热方式的分析 国内外对沼气池加热方式的研究。目前沼气池的加热方式有:电热膜加热 系统、太阳能加热系统、热水锅炉加热系统、沼气锅炉加热系统、沼气发电余 热加热系统、燃池式加热系统、地源热泵加热系统。 a. 电热膜加热系统 电热膜加热是将一层电热膜安装在沼气池池壁的外表面,然后再加一定厚 度的保温层以防止热量从池壁外侧损失。董科发提出了一套电热膜高效沼气发 生装置,该设备属于节能加热设备。该装置加热效率高、速度快、无污染、节 能节水,使用成本低,安装方便,质量可靠等优点[33]。白莉,石岩等人采用电 热膜加温系统,以8m3沼气池为例,保温层为苯板,沼气池设定为一个恒定的 发酵温度,计算得到发酵池需热量和使用的电量[34]。这种加热设备价格便宜、 操作简单。但在我国目前缺电的状况下,该种加热方式以消耗高品位电能为代 价,节能性、社会性不是十分理想,所以电热膜加热方式使用有限。 b. 化石能源热水锅炉加热系统 化石能源热水锅炉加热系统是以煤、石油、天然气等化石燃料作为热水锅 炉的热源,通过换热盘管加热沼气池,使沼气池的温度维持在发酵所需的温度 [35]。燃烧化石能源如果没有相关的设备,会产生大量的烟尘和有害气体,造成 环境的污染,同时能量利用效率不高。因为这种加热方式的经济性和环境性不 理想,所以目前这种加热方式使用的很少,会被其它加热方式取代。 C.太阳能加热系统 太阳能加热系统利用控制手段,通过太阳能集热系统实现能量的采集和传 输,通过螺旋换热管对沼气池进行加温[36—4G]。该加热系统节能环保、操作简单, 可实现自动运行,但是容易受环境(天气状况)的影响。白莉,石岩等人分析 了电热膜加热系统和太阳能热水器加热系统,得到它们的经济性是可行。通过 9 1绪论 比较得到利用太阳能加热沼气池更具有节能、安全、清洁、方便等优点,拥有 发展的前景[33]。项阳阳等人分析了几种沼气池增温方式,通过建立了一个8m3 的沼气模型,对模型的热平衡和几种加热技术的经济性进行了对比,得到了太 阳能热水器水循环沼气加热系统更为经济有效[3,赵金辉等人提出了将清洁能 源(太阳能)和沼气锅炉与沼气池联合运行,通过对太阳能集热器面积大小与 沼气锅炉联合运行的设计,目的是使沼气池处于一个合适的发酵温度,从而解 决寒冷季节发酵池产气量慢的问题[39]。由于自然气候的多变,造成沼气池温度 波动很大,结果产气率不高。李传峰等人设计并开发了一种新型太阳能tH温设 备。该装置利用太阳能加热,配合自动控温系统,从而降低了环境对沼气池的 影响。通过对该装置的运行,得到该装置的结构设计合理,发酵池的发酵速度 快和产气量大的特点[4'3。谢列贤利用小型实验设备即:太阳能真空管加热系统 加热沼气池,热水器的采光面积10m2,适合于小型沼气池8m3。沼气池的加温 效果显著,产气量得到提高[42]。刘熙翠等人对南方地区冬季环境温度低,沼气 池的发酵慢、产气量不足等问题,设计了一种冬季可以使用的新型太阳能软体 发酵池。该发酵池利用太阳能热水器提供的热水,加热沼气池的底部,从而使 料液的温度升高。实验系统的运行结果表明,该方式制取沼气是可行的143]。在 寒冷的北方地区,由于冬季气温和近地面温度低,出现发酵池产气率低等问题, 甚至会出现冻裂发酵池。孙静等人利用太阳能加热系统得到的热水通过发酵池 底部的换热盘管来加热沼液,使发酵池的温度升高到需要的值。他以实验研究 为主,对实验数据的分析和使用软件对整个系统的进行数值模拟,得到:在严 寒地区利用太阳能加热制取沼气是可以实现的[44]。目前农村生态校园沼气系统 存在缺陷和相关理论还不成熟的情况下,苑建伟以农村生态校园为研究对象, 重点设计了太阳能双效增温装置的设施和结构参数,进行为期3个月的太阳能 增温实验,然后对试验结果进行热力学分析,从经济学角度进行评价,为农村 生态校园推广提供理论基础和实践依据[45]。尹海文提出利用太阳能联合沼气锅 炉加热系统,加热沼气池来提高温度。进行数值模拟的边界条件是:沼气池的 发酵温度设为,冬季保持在35°C,夏季保持在55°C,验证系统在寒冷地区是可 行的,为北方严寒地区设计修建大中型沼气池提供一定的参考依据[34]。 10 1绪论 cL沼气锅炉加热系统 沼气锅炉加热系统是沼气池发酵产生的一部分沼气,通过沼气锅炉燃烧产 生烟气,高温烟气在沼气池底部的管道中流动,从而加温沼气池,常用于高温 发酵系统中(46],该方法加热效率不高,同时对设备和操作技术要求比较高,沼 气池的温度不易控制。这种加热方式单独使用的比较少。目前沼气锅炉先加热 水,通过其它换热设备加热沼气池。一般是配合太阳能加热系统使用。在晴朗 的环境下,太阳能加热系统为主进行加热沼气池。当太阳能供能不足时,沼气 锅炉为沼气池提供热量,使系统达到节能的目的。 e. 沼气发电余热加热系统 沼气发电余热加热系统是在一个沼气热电联产运行中,利用发电机组发电 后,即燃气内燃机将排放的高温气体,高温气体中含有大量的余热,通过余热 回收系统来加热料液[471,有关资料显示:一般只应用于大型沼气工程。罗福强、 汤东等人以柴油引燃的双燃料发动机的主要燃料,利用发电机发电,为养猪场 提供照明及加工电力,用双燃料发动机冷却系统的传热及发动机排气加热混合 水箱的水,利用热水加热沼气池内的沼液,可提高沼气产气率4倍左右[48]。 f. 燃池式加热系统 燃池式加热系统是一种位于沼气池旁的地坑,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的系统。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[49], 一般用于户用型沼气工程。我国 的小型沼气池不使用这种加热方式。这种加热沼气池的方式的为温度控制系统 要求比较高。这种方式有可能燃烧不充分,产生有害气体,污染环境。 h.地源热泵加热系统 地源热泵加热系统是利用地热能进行供热的一种新型能源节能技术,通过 卡诺循环原理获得热量,加热沼气池。同济大学的石慧娴等人提出了一种地源 热泵式的新型加温方法,并在实际工程上进行了运行试验。结果表明,地源热 泵式沼气池加温是一种经济合理、环保节能的加温方式,具有开发应用潜力[5气 现在这种加热方式的研究比较少,一般使用在大中型沼气池的加热方式,这样 11 1绪论 具有较好的经济性。 对几种加热方式进行对比分析。电加膜加温系统加热沼气池的温升较快, 无污染等优点,但是消耗高品位的电能来供热,对于目前来说,节能性、社会 性不太理想。太阳能加热系统研究的内容较多,它能为沼气池提供丰富的能量, 但它受环境的影响因素很大,如遇到阴雨天就会出现供能不足。太阳能加热系 统应该配备辅助加热系统(沼气锅炉)为沼气池提供热量。在太阳能加热系统 中,使用一段时间后,太阳能集热管被灰尘覆盖,导致吸热效率下降。供热量 不足,因此太阳能加热系统应该在太阳能丰富、空气质量好的西北地区。其它 地方使用时,应该每隔一段时间清理集热管的灰层,来保证它的供能。表1.3显 示了沼气锅炉加温系统一般与太阳能加热系统联合使用提供热量。电热膜与太 阳能热水加热系统的经济性对比分析,得到太阳能加热系统的经济性较好,它 们一般适用于小型或农户建立的沼气池。表1.4反映沼气锅炉、太阳能加热、 沼气发电余热加热系统的对比,沼气发电余热加温设备的效益较好,适用于大 中型的沼气池。燃池式加温系统的结构比较复杂,使用该加热系统的沼气池较 少。表1.5显示了电热膜与地源热泵加热系统的对比分析,地源热泵加温系统 的热效率高,适用于一定规模的大中沼气池,节能效率更高、经济性更好。 表1.3电热膜与太阳能热水加热系统的对比(33] Table 1.3 The comparison of electric film and solar hot water heating system 保温层为120mm苯板电热膜 太阳能热水器加热系统 加温系统 成本及其它合计/元 1029.00 5200.00 冬季生产沼气价值(元/年1224.82 1534.00 电热膜耗电费或(太阳能热 402.60 400.00 水器维护费用)(元/年―') 成本折旧费(元/年―') 51.45 260.00 产出效益(元/年―') 770.77 1113.82 表1.4沼气锅炉、太阳能加热、沼气发电余热加热系统的对比isi] Table 1. 4 The comparison of gas boilers, solar heating, gas heating system and waste heat power generation 12 1绪论 沼气锅炉加热 太阳能加热 沼气发电余热加热 总投资/元 56000 313600 28000 年运行费/元 1730 1730 1730 年收入/元 105412 146000 164250 费用年值/元 10482 52767 6286 经济性 高 表1. 5电热膜与地源热泵加热系统的对比1] Table 1.5 The comparison of electric film heating system and ground source heat pump 电热膜加温系统 地源热泵加温系统 供热量Q/KW h 59.0 59.0 系统实际功耗W/KW h 22.0 59.0 机组制热效率 3.6 - 系统制热效率 2.7 - 节能率(%) __63 1.3本课题的主要研究内容 本文将设计一种用地源热泵加热养殖场沼气池、同时为养殖场提供冷量和 热量的多能源综合利用系统,并对沼气池、地源热泵、养殖场组成系统的技术 性和经济性进行分析。具体研究内容如下: (1) 针对一定规模的养殖场,对养殖大棚、粪便产生量、沼气池体积等进行 分析计算。 (2) 利用CFD软件对沼气池在一定发酵温度下,沼气池外部及内部温度场 的分布情况进行模拟计算,进而得到沼气池的需热量,为系统的建立提 供依据。, (3) 对该系统的各部分能量进行计算如:养殖大棚一年的冷热量、沼气池的 需热量、养殖场其它部分的需热量,研究该系统在郑州地区的技术可行 性。 (4) 对该系统运行的经济性进行分析,如:成本的回收、年运行费用等。 13 2养殖场多能源系统的建立 2养殖场多能源系统的建立 国内外的研究资料表明:温度对甲垸菌的新陈代谢的影响很大,温度太低 导致甲垸菌体酶的活性很低,会阻碍分解物料的速度。目前在北方地区沼气池 内温度,受环境条件的影响很大,如果没有有效的加热和保温的措施,沼气池 的产气量基本停止。本课题结合郑州地区的环境条件,提出利用地源热泵在寒 冷的季节加热沼气池和养殖大棚,在炎热的季节为养殖大棚提供冷量的多能源 系统养殖大棚。 2.1方案设计及工作原理 基于我国的实际情况,建立养殖场、沼气池、土壤源热泵相结合的一个新 系统。如图2.1所示: ——h 5 . 1 1 In n n p-1 ^ \^」4 2 □ U I 7 I~~I I~I O 1-水泵2-Hyi$泵机组3-土頃则换热^ 4-i召气池换热管5-养绪大棚 6-大棚换热器7-地面 、」 、-」 图2.1 地源热泵、沼气池、养猪大棚的系统图 Fig. 2.1 The system of ground source heat pumps, biogas and pig shed 14 2养殖场多能源系统的建立 地源热泵是利用浅层地热能进行供热、制冷的新型的装置,通过卡诺循环 和逆卡诺循环原理转移冷量与热量。本系统将地源热泵、沼气池、养殖大棚三 者耦合起来构成一个新系统。在冬季,把土壤侧的热量与循环水交换能量,使 循环水的温度升高,通过给地源热菜输入少量的高品位的能量,可以把低温热 向高温热转移,从而使地源热泵的出水口达到一定的温度,将地源热泵得到的 热量按照养猪大棚和沼气池所需热量使用温控系统进行分配,通过各Id的换热 器实现供暖的目的。在夏天,把土壤侧的冷量与循环水交换能量,使循环水的 温度降低,通过地源热泵机组把冷量通过养猪大棚的换热器实现交换,从而使 得大棚维持在一定的温度,适合猪的发育生长。同时多余的热量将通过地源热 泵传递给沼气池侧的换热器,使沼气池保持足够高的发酵温度。因为沼气池的 发酵随着温度的升高,发酵的速率加快,有利于沼气的产生。通过这个系统实 现各部分能量的平衡,可以使得到经济效益达到最佳化。 2.2养殖规模的确定 规模化养猪场类型的划分因采用的划分标准不同而异。根据养殖场年出栏 商品肉猪的数量,规模化养殖场可分为3种类型,年出栏10000头以上生猪的 为大型规模化养殖场,年出栏3000-5000头生猪的为中型养殖场,年出栏3000 头以下为小型养殖场,现阶段农村适合规模化养猪属于此类猪场。根据养殖场 的目的是生产任务和经营性质的不同,又可分为母猪专业场、商品肉猪专业场、 自繁殖自养专业场、公猪专业场[52]。 图2.2显示了我国生猪不同规模养殖场的分布图,养殖1~49头猪的养殖场 占总比例的38%,占我国养殖业的比例很大。而规模化的养猪场的比例不高, 因此适合我国养殖业的发展要具有一定规模的养殖场,这样既提高了养殖场的 效率又节约劳动力,为农村经济的发展保证。 河南省生猪养猪场的分布50头以下的占总比例的33.9%;千头以上到万头 的占总比例的35.8%;万头以上占总比例的9%;其中1000-10000头规模化养殖 中,1000~3000头的比例占总的13.4%,30005000头的养殖场占总比例的12.5%。 由于国家政策的支持,中央对生猪养殖补助标准分为4个档次,年出栏 500-999头的养殖场(小区),平均补助投资20万元。年出栏1000~1999头的养 15 2养殖场多能源系统的建立 殖场(小区),平均补助投资40万元。年出栏2000-2999头的养殖场(小区),平均 补助投资60万元。年出栏3000头以上的养殖场(小区),平均补助投资80万元。 3000-100D010000—SQ0OO 50000* 7% 5% , I : is% ^^^^^^^^^^^^ 图2.2 2008年中国生猪规模分布图 Figure 2.2 The distribution of pigs in 2008 本文结合郑州地区实际情况,按年出栏2000头猪规模化养猪场进行分析。 ' 2.3沼气池体积的计算 2.3.1养殖场产类便处理量的估算 以郑州地区规模化养猪年出栏2000头猪为例,计算所需沼气池体积。设计 沼气池的体积时,必须首先获得养殖场異便的排放量。 目前设计沼气池的体积时,必须先得到养猪场的类便的浓度和质量。在规 模化的养殖场里,猪的排泄量的影响因素很多,如猪的大小、数量、环境条件。 将所的因素考虑,无法达到最后的目的。因此,需要通过一定的方法推导出一 个简单、方便的公式,来计算规模化养殖大棚的粪便的处理量和沼气池体积。 根据一些文献得到:猪的粪尿的排放量存在很大的差别。结合英国、口本和上 海等地方的一些资料[53][541得到规模化养猪场粪尿的排放量。如表2.2 2养殖场多能源系统的建立 表2.2规模化养殖场粦尿排放量 Table 2.2 Waste emissions in pig farm ill iJi 类便排放量 尿排放量 d (天) Kg/ (d.头) Kg/ (d.头) i@ 生产母猪 365 5S) Sl 后备母猪 180 2.2 3.5 公猪 公猪 365 3.0 6.9 后备公猪 180 2.2 3.5 仔猪 喃'乳仔猪 0-35 0.5 0,8 断奶仔猪 35-70 1.0 1.4 宵肥猪 90 1.3 2.0 180 2.2 3.5 根据相关的资料表明:猪尿中含水量在97~98%,取平均值97.5。猪粪中含 水量取81.5%。依据规模化养殖场的总结的规律,母猪和后备母猪、公猪与后 备公猪的比例为3:1,通过加权计算母猪和公猪的粪尿中干物质的平均排放量。 生产母猪干物质的排放量: ■'^^1=5.5X(1-0.975)+5.Ox(1-0.815)=1.063/头 (2 i) 后备母猪干物质的排放量: W千2=3.5x(l—0.975)+2.2x(l—0.815)=0.495kg/头 (2 2) 每头母猪干物质的排放量的平均值是通过母猪和后备母猪的排放量的加权 求得: W千X 0.75+2 0.25=0. 921kg/头 (23) 对不同类型猪的排放量进行简化,仔猪排放量的干物质平均值和哺乳仔猪、 断奶仔猪千物质的平均值相等;育肥猪干物质的平均值与取90日龄和180日龄 育肥猪干物质的平均值相等。根据这个简化后的模型,得到不同类型猪干物质 排放量的值。计算结果见表2.3。由一些有关的资料可得,不同规模养殖场的猪 群的配置和存栏数t55],并且根据上述已经计算得到不同种类猪的排放量,从而 计算得到不同规模养殖场总的粪尿干物质的重量。计算结果见表2.4。 17 2养殖场多能源系统的建立 表2.3规模化猪场異尿及其千物质排放量 Table 2.3 Scale pig manure and dry matter emissions ii 日龄(d)爽便排放尿排放量與尿排放 TS排放加权平均 量(kg/ (kg/头)总量(kg/ 量(kg/ 值(kg/ 头) 头) 头) 母猪 生产母猪 365 5.0 5.5 10.5 1.063 0.92】 后备母猪 180 2.2 3.5 5.7 0.495 公猪 公猪 365 3.0 6.9 9.9 0.728 0.670 后备公猪 180 2.2 3.5 5.7 0.495 仔猪 哺乳仔猪 0-35 0.5 0.8 1,3 0J13 0.166 断奶仔猪 35-70 1.0 1.4 2.4 0.219 育肥猪 90 1.3 2.0 3,3 0.291 0.390 〗80 2.17 3.5 5.67 0.489 表2.4年出栏100—10000头的育肥猪存栏数及粦便排放量 Table 2.4 Slaughter herds of 100-10000 head of fattening pigs and faecal emissions 年出栏数 项目 母猪 公猪 仔猪 育肥猪 合计 100头 存栏/头 7 0 20 30 57 TS/ (kg.d) 6,45 0 3.32 11.70 21.45 200头 存栏/头 14 0 40 60 114 TS/ (kg.d) 12.90 0 6.64 23.40 42.91 300头 存栏/头 21 1 61 91 174 TS/ (kg.d) 】9.34 0.670 10.13 35.49 65.59 500头 存栏/头 35 1 ]01 151 288 TS/ (kg.d) 32.24 0,670 ]6.77 58.89 108.5 1000头 存栏/头 71 3 201 302 577 TS/ (kg.d) 65.39 2.01 33.37 117.78 218.41 2500头 存栏/头 177 7 503 754 1441 TS/ (kg.d) 163.02 4.69 83.50 294.06 544.91 10000头 存栏/头 709 27 2010 3015 5763 TS/ (kg.d) 652.99 18.09 333.66 1175.85 2179 a.猪的存栏数与年出栏数的关系 使用最小二乘法对猪的存栏数与年出栏数的关系进行拟合。 设;r~养殖场存栏数,头; 18 2养殖场多能源系统的建立 >^养菹场年出栏数,头; Z—养殖场粪污干物质排放量,(kg.d)。 建立线性方程:x = ai+Zy; (2.4) x = -0.03 + 0.5763>^ 6000 - / 5000 - / y 4000 - Z, \ / ^ 3000 - / ^ / ^ ■ .Z ^ 2000國 1000 - 0 - ,Z 丄I ■ I 1 I 1 I I I I 1 . 0 2000 4000 6000 8000 10000 年出栏数/头 图2.3年出栏数与年存栏数的关系 Fig 2.3 The relationship between slaughter number and the herds b.異尿干物质排放量与年出栏数的关系 不同规模猪场的粪尿干物质排放量对年出栏数的线性方程。 建立的线性方程如下: Z +b3y (2.5) 得到方程:z = —0'1293 + 0'2179;^ 2养殖场多能源系统的建立 2500 「 2000國 y^^ 1500 - X < / ^ z ^ 1000 - / :S Z \g . z 驾 Jg^ p 500 - y 声, 0 2000 4000 6000 8000 10000 ' 年出栏数/头 图2.4年出栏数与干物质的排放量的关系 Fig 2.4 The relationship between the slaughter and the number of dry matter emissions 2500 「 蓬 2000 - ^ 1500 - y^'^^ n . X h 1000 - Z - % 5。。- / ,-/ 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 年存栏数/头 图2.5年存栏数与千物质的排放量的关系 Fig 2.5 The relationship between hand by and the number of dry matter emissions 20 2养殖场多能源系统的建立 C.異便干物质排放量与存栏数的关系 不同规模猪场的粪污干物质排放量Z对存栏数X的关系,如图2.5。 建立回归方程:z = a^、:x (2.6) 得到的线性方程:Z = -0.1179 + 0.378 Ix 2.3.2沼气产量的估算 原料产气率是反映单位质量的原料的产气量。产气率可分为三种,分别是: 理论产气率、实验产气率、实际生产产气率。实际的生产产气率是通过大量实 际的条件获得的或估算。 目前三大有机物质主要是:碳水化合物、脂肪、蛋白质,其中碳、氢、氧 三元素的组成差不多。根据物质的组成和相关的公式可以计算出物质的产气率。 表2.5是三大有机物的沼气理论产气率。 沼气池发酵的料液不可能全被甲烷菌分解,即使被分解也不会都变成沼气。 其中一部分会被微生物自身利用,另一些会变成其它气体,因此实际的产气率 达不到理论产气量。对于一些原料来说,实际的产气量是理论产气量的0.5倍左 右。下表2.6是一些产气量的数据。 表2.5 三大有机物沼气理论产气率 Table 2.5 Gas production rate in three organic methane 有机物种类 成分质量分数% '~~每公斤物质产气量(m3) C02 CH4 C02 CH4 碳水化合物 73 27 0.75 0.73 脂肪 52 27 1.44 1.04 蛋白质 73 27 0.98 0.49 表2.6不同沼气原料的产气率 Table 2.6 Production gas rate of different raw materials of biogas 21 2养殖场多能源系统的建立 原料种类 总固体含量(%) 实验室产气率 生产实际产气率估计 (rn^/kg) (m^/kg) mi 80-90 03 麦草 80~90 0.45 0.3 玉米杆 80~90 0.50 0.3 高粱杆 80~90 0.40 0.3 人粪 18~20 0.50 0.5 鸡粪 30 0.50 0.5 It^ 81-20 045 0.5 原料的产气量与粪尿干物质排放量的关系如下公式所示: Q=^-n'K. (2.7) 式中:^沼气产量,m3/d 原料产气率,即:每千克干物质的产气量m3 7—異便入池率,%。 2.3.3粪便的预处理 养殖场的粪尿中含有大量的粪渣等悬浮物,COD、 BOD、 NH3物质的浓度 很高,粪渔比较粗糙,主要成分是纤维素和半纤维素,还存在猪毛、粪渣及杂 物等。猪的粪便等物质未经处理直接进入沼气池,就会大大地影响了沼气池的 承载能力和处理能力,一年的吋间,粪便沉淀物就会填满了沼气池,造成不能 使用,清理沼气池不仅费力又费时,况且处理沼气池的过程又不安全。根据前 面所述,在进入沼气池前进行预处理,这样不仅能解决沉集物的产生,而且能 增加沼气池的处理能力。 将上式代入得: Q = 0.2m-y'ri'R,(2.8) 粪便的产气率受原料和发酵条件的影响。在不同的温度条件下,沼气池的 产气率有很大的不同,在工程实际中,发酵温度35°C,发酵周期60天条件下, 原料的产气率为0.45rn3/kg。 以年出栏为2000头猪的规模化猪场为对象,设计其粪污处理的厌氧反应器。 22 2养殖场多能源系统的建立 经预处理的粦便的90%送入沼气池处理。 y=2000头 2.3.4沼气容积的确定 发酵池的总体积等于发酵液容积与沼气的储气容积之和。发酵液容积与每 曰处理原料量、料液浓度和水力滞留期等因素有关,可以根据水力滞留期或有 机负荷确定。在沼气池的设计中,沼气池的容积产气率是一个重要的参数。 沼气池容积产气率因发酵工艺、温度以及运行状况不同而有很大的差异 [47~49]。不同原料的产气率是不一样的。其中上海长江农场的地面沼气池以猪类 为原料产气率也可达到1.5m3/(rn3 d)以上。 容积产气率- r (2.9) 式中: 一沼气池消化液容积,m3; 7;, —容积产气率,ni3/(m3.d); t沼气产气量,m3/d。 T, 0.2179x2000x0.45x0.9 ,…3 V, = = 117.7m ' 1.5 V = V,+V, (2.10) 这里取K2=(U)^ 一沼气池的储气体积,m3 消化器中容积经计算确定后,确定消化器的内径和高度:池体半径估算到 沼气池的体积为r=130m3 。消化池的内径为3.5m,深度为3.5m ,得到池体的 体积为134.6m3. 23 2养殖场多能源系统的建立 2.4养殖场面积及结构的确定 目前养殖场的建筑结构比以前的结构有了很大的改观,使用钢架结构和保 层材料(如:聚苯板)建造的养殖场更牢固、更经济。 北京地区近几年来规模化养猪场出现的一种新结构是:拱形钢架结构的建 筑。该建筑的结构特点是:外墙采用370mm,屋顶采用聚苯板材料,这种结构 受力合理、结构简单、节省土建投资,因此这种结构发展很快。有关资料显示, 这种结构比一般的瓦屋面、苇箔吊顶猪舍造价降低102元/m2[56]。 结合这种结构和河南郑州的条件,舍内饲养育肥猪的数量在2000头,简化 后按照一头猪所占的面积为1平方米计算。猪舍的面积可根据一些实际条件计 算得到大约2000m2.建立两个猪舍的长度为70m,跨度为15m屋面为50mm 的聚苯板外加五布五油防水层。猪舍的屋檐高2.5ra。屋顶为圆拱,失高]m。如 图2.6所示。 畜禽舍围护结构最小热阻值,其它国家研究的比较早,其中许多国家根据 本国气候条件提出了最小热阻标准。我国这方面的研究没有一个完整的理论体 系。结合郑州地区的养殖场的实际情况:外墙采用聚苯板保温材料厚度为 100mm,屋顶也采用聚苯板,厚度为50nim。它的导热系数为0.042W/m k。 图2.6养殖大棚的结构 Figure 2,6 The structure of the breeding shed 24 2养殖场多能源系统的建立 35.2 ■ \ I 顶内表而平均温度I 八35,0 - \ ' P \ ^ 348 - \ =1 \國 7^ 34.6 - \ ■K \ ■ s \ <5 34,4 - 靂\ ,■ 34,2 - ■ 34.0 I~■~1~'~~'~'~I~'~'~'~'~~'~~'■~'~■~■~'~' 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 屋顶聚苯板厚度/(mm) 图2.7保温材料与围护结构表面温度的关系 the building envelope 围护结构厚度对猪舍内温度的影响。图2.7显示了对于内表面平均温度,聚 苯板厚度在30-50mm内,厚度每增加lOnim,可是平均温度降低0.3-0.5°(:。厚 度超过50mni后,厚度每增加10mm,平均温度仅降低0.rC。通过以上的分析, 增加厚度对温度的影响已经较小。有关资料表明[56],屋顶聚苯板的厚度为50mni 时,猪舍屋顶的经济性较好。如图2.8所示。外墙厚度考虑到结构等影响因素和 工程实际,将外墙的厚度定为100mm。 300 r g 2。。 Z \\ 100 - 1 ' -—-i i —j ■50 50 fits 0 度 图2.8保温层厚度与经济性的关系 25 2养殖场多能源系统的建立 Figure 2.8 The relationship of insulation thickness and economy 2. 5小结 本章内容主要是:提出养殖大棚、沼气池、地源热泵系统构成一个新系统, 并分析了该系统的工作原理。该系统的目的是地源热泵系统在寒冷的季节为沼 气池和养殖大棚供暖,在炎热的月份为养殖大棚提供冷量。结合郑州地区的实 际条件,确定了养殖场的规模大小。进而确定了养殖大棚的面积及一些养殖大 棚的相关结构。通过养殖场内不同类型猪的比例,得到产生的獎污来确定沼气 池体积。 26 3多能源系统能量计算 3多能源系统的能量计算 地源热泵系统中将土壤看作是一个巨大的蓄热体,冬天系统把热量从土壤 中提取出来,夏天系统把冷量从土壤中提取出来。如果土壤内部中热量与冷量 严重失衡,土壤自身的回复能力不能使土壤的温度维持在一个恒定的范d内, 从而影响热泵的工作效率。因此土壤温度的相对恒定是保障地源热泵系统稳定 运行的前提。只有使地源热泵为猪舍和沼气池提供的热量必须与地源热栗为猪 舍提供的冷量基本上相等时,这样地源热泵从土壤中提取的热量和冷量基本相 等,才能使土壤的温度维持在一个恒定的温度。 地源热泵的工作原理是:冬天时主要用于将土壤的热量搬运到室内,夏天 把室内的热量再搬运到土壤里。它的设计原则是必须保持夏季向地下释放的冷 凝与冬季从地下吸取的热量相等,这样土壤成为一个巨大的蓄热体。 土壤的热平衡问题在地源热泵的运行中影响很大。因为地源热泵(ground source heat pump)具有一些自身的特点而有最佳地区范围,如一些夏热冬冷 且冬夏冷热负荷相当的地区。热量负荷不相等时,就会影响热泵系统的运行效 率。如果在寒冷季节的地区,由于该地区寒冷季节需要的热负荷大于炎热季节 的冷负荷,造成地源热泵系统从土壤的提取热量大于炎热季节向土壤的排放的 热量,导致土壤温度发生变化,结果在冬季使用时地源热泵系统的蒸发温度降 低,地源热泵系统提取热量降低,耗能增加,供热系数下降。有关资料显示: 通常情况下,地埋管换热器周围的土壤温度每降低rc,结果造成制取相同热量 耗能提髙34 %。同理,对于我国大多数的南方地区,由于炎热的季节建筑需 要冷负荷大于冬季供暖需要的热负荷,会造成地下的温度越来越高和热泵系统 的冷凝温度增加,结果制冷量下降,耗能增加。上壤自身的调节不能土壤温度 维持在一个恒定的范围。因此在地源热泵系统中地埋管换热器系统的吸、排负 荷的平衡是系统正常、高效运行的基础。 很多研究资料和实例都表明:土壤中获得的热量与冷量不相等时,当地源 热泵运行前期,通过自然传热的方式土壤温度变化不大。但是随着地源热泵系 统继续运行,土壤的温度会发生较大的变化(温度升高或降低)。结果:地源热 27 3多能源系统能量计算 泵的运行效率下降,导致运行费用的增加,从而不能满足设计条件下供暖和制 冷。 首先分析该系统各部分组成体系的热量与冷量。在不同的条件和满足设计 要求下,计算得到每一部分的能量值。 3.1沼气池散热量的计算[57】 3.1.1 CFD软件简介 计算流体动力学(CFD)是通过计算机数值计算和图像显示,对包含有流体 流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析。CFD可以看做是流动基本方 程(质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律)控制下对流动和传热的数 值模拟。 CFD经过几十年的发展,出现了多种解法。主要包括有限差分法(Finite Difference Method, FDM)、有限体积法(Finite Volume Method, FVM)、有限元 法(Finite Element Method, FEM)。 a. 质量守恒方程 任何流体的流动必须满足质量守恒定律。该定理的定义是:单位时间内, 流体微元体质量的增加等于同一时间问隔内流入该微元体的净质量。得到质量 守恒方程- dp ^ djpu) ^ djpv) ^ djpM') ^ Q 。1) dt dx dy dz 不同的流动状态可将该公式化简为不同的而简化公式。 b. 动量守恒方程 动量守恒定律也是任何流动系统都必须满足的基本定律。定义为:微元体 中的流体的动量对时间的变化率等于外界作用在该微元体上的各种力之和。公 式如下: , + ~p) = -生+ & + ~ + ^ + (3.2) dt dx dx dy dz 28 3多能源系统能量计算 生+ ^ + ~ + ^ + (3.3) dt dy dx dy dz d(pw) 7. , 、 dp 9t 5r 5r^ 八 dt dz dx dy dz 守恒方程 能量守恒定律包含有热交换的流动系统所必须满足的基本定律。定义是: 微元体中能量的增加率等于进入微元体的净热流量加上体力与面力对微元体 所做的功。公式如下: + divipuT) = dfv(― gi-ad{T)) + 5. (3.5) CFD 一般的计算过程是:建立控制方程、确立初始条件及边界条件、划分 计算网格及生成计算节点、建立离散方程、离散初始化和边界条件、给定求解 控制参数、求解离散方程、解是否收敛、显示和输出计算结果。 近十几年来,计算机的快速发展,CFD有了很大的发展,替代了经典力学 中的一些近似计算法和图解法。CFD不仅作为一个研究工具,而且还作为设计 工具在水利工程、土木工程、环境工程、等领域发挥作用。应用的工程机领域 包括: 1. 飞机、航天飞机等结构的优化设计 2. 汽车外形对运行性能和阻力的影响 3. 电子元件的散热 4. 翅片性能的分析及翅片形状的选取及优化 5. 温室内空气流动分布 6. 风载荷对高层建筑物的稳定性及结构性能的影响 7. 泵、风机等旋转机械内部的流体流动 从1981年以来,出现了许多商业软件如:PHOENICS、 CFX STAR-CD 、 FIDIP、 FLUENT等,这些软件的显著的特点是: a. 功能比较全面、实用性强,可以解决各类复杂的问题; b. 拥有易用的前后处理系统及CAD软件的接口能力,便于二次开发; C.有比较完备的容错机制和操作界面; 29 3多能源系统能量计算 d.可在多种操作系统下运行; 目前国内使用广泛的计算流体力学软件之一是:Fluent软件。它可以解决流 体流动和热量传递方面的模拟,进而得到我们需要的结果。Fluent使用有限体积 法(Finite Volume Method),它的基本思路是:将计算区域划分为网格,并使每 个网格点周围有一个互不重复的控制体积;将待解微分方程(控制方程)对每 一个控制体积积分,从而得出一组离散方程。其中未数是网格节点上的因变量。 为了求出控制体积的积分,必须假定直在网格点之间的变化规律。从积分区域 的选取方法看来,有限体积法属于加权余量法中的子域法,从未知解的近似方 法看来,有限体积法属于采用局部近似的离散方法。图3.1显示了, CFD软件基 本程序结构图。 I G&Dmetry … r~ GAMBIT or Mesh Other CAD/CAE .geometry setup Packaaes -2D/3D mesh generation 「ci<^r\ci;jt:3 2D/3D Mesh \ ,丄day =nday n^/or \ Mesh Volume Mesh prePDF \ ■ calculation of PDF '' \ '。。—tables I I FLUENT I ]~—* 1 .mesh impotl and JGud W files . 二』s ,Mesh - tri rr,esh . boundary conditions . 3D tetrahedral mesh ■ material properties . 2D or 3D hybrid mesh -calculation ■ postprocessing Mesh 图3.1基本程序结构 Figure 3,1 Basic structure of the program 使用Fluent时,首先要进行一定的前处理,才可以进行计算。它的使用如 下: ①使用Gambit建立几何模型并对模型进行网格划分。 30 3多能源系统能量计算 ② 打开Fluent求解器。 ③ 检査Mesh文件是否存在问题。 ④ 边界条件的设置 ⑤ 求解计算 ⑥ 显示求解结果 ⑦ 后处理 FLUENT具有强大的功能,与传统的CFD计算方法相比,具有优以下点: (1) 稳定性好,大量的算例与实验符合较好。 (2) 适用范围广,几乎适用于所有与流体相关的领域。 (3) 精度提高,可达到二阶精度。 沼气池的池壁使用发泡水泥,它以动物角质蛋白为主要原料,配以一定的 化工原料,经一系列生产工艺从而得到的一种无污染、环保的强力发泡剂。它 比普通混凝土具有更优越的性质,如抗震性好。发泡水泥经省检测中心实测: 密度为380kg/m3,导热系数为0.087W/(rn.K),抗拉强度为1.2MPa,这些性能均 能满足沼气池的要求[35]。沼气池的结构釆用上一章计算的结果。 3.1.2物理模型的建立 如图3.2是沼气池及其周围土壤的模型图。建造沼气池壁的某一材料表示 为:普通混凝土和发泡水泥。中间是沼气池,周边是土壤。 土壤是由固体、液体、气体三相状态的物质构成,也是一个复杂的多孔介 质。三相状态的物质含量不同,则土壤的物理性质也不同。 而土壤的导热是一个复杂的问题,它受到外界条件的影响,如土壤水分的 影响、环境温度的影响等。需要对一些影响条件进行简化: 】.沼气池与土壤的传热按照稳态导热计算。 2. 忽略沼气池内微生物发酵产生的热量。 3. 沼气池的体积分为发酵体积和储气体积,为了研究的方便,模拟过程中 将沼气池存满料液。 4. 忽略各物体接触间的热阻和土壤中水分的迁移引起的能量传递。 31 3多能源系统能量计算 5.将沼气池的壁面看成一个面热源。 a—材斜^^^^^^■^■^^^^^^^^^.池 :―— ^—- 图3.2沼气池的模型 Fig 3.2 The digesters' model 3.1.3数学模型的建立 土壤的温度随着深度的变化而变化。深度达到一定时,土壤的温度基本保 持不变,但是近地面的土壤受环境的影响很大。结合沼气池的模型,选用柱坐 标传热公式如下: 3 「, 3/(r,'',e,力)d ( dt{r,r,0,z)\ d( dt{r,r,9,z)\ - dt ——Ar~ +—~ A~ +— X~ +(/> = pc—— rdry dr ) r d(j)y 8(/) J dz[^ dz J dr (3.6) 式中- p—土壤密度,kg/m3 c 一土壤比热,kJ/(kg.°C) f一土壤某时刻的瞬间温度,K 32 3多能源系统能量计算 Z—土壤深度,m 义一土壤导热系数,W/(m.°C) r一土壤中某一点到轴心的距离,m 沼气池的传热为三维无内热源的稳态传热,简化后得: 丄〔义,卢(r力)]+ _^f(r,r,M] + 4/r,r'《z)Vo (3.7) rdr y dr J r'd^ [ J dz[ dz 乂 沼气池处于土壤下仅考虑它与土壤的传热计算的区域以沼气池的中心圆 心,半径为15m。沼气池将热量传给土壤,土壤将能量散到大气中。结合实际情 况进行简化模型,将发泡水泥的厚度分别取为250、 300、 350、 400腿和使用钢 筋混凝土外壁为250min,进行模拟计算。 表3.1 土壤、混凝土、发泡水泥的物性参数 Table 3.1 Physical parameters of soiK concrete and foam concrete ~ ~\ 比热(kJ'kg-i 'K—i) 导热系数 密度(kg'm-3)~ (W m'' K'') ±S ~9 2M 2650 发泡水泥 1.046 0.087 380 钢筋混凝土 0£5 0£3 2551 表3.2郑州地区的气象参数 Table 3.2 Meteorological parameters in Zhengzhou 温度 1月份 4月份 7月份 空气平均温度/°C 07 161 27^0 靠近地面土壤的平均温度/°C 1.4 20.3 28.3 沼气池设定温度/'C 30 40 50 沼气池的网格质量对Fluent计算的精度和效率有着重要的影响。网格有结 构化与非结构化网格。结构化网格中结点排列有序,网格的质量好,但适应性 差;非结构网格只能用四面体网格,对于复杂的几何外形,非结构化网格有很 好的适应性。 网格质量的好坏主要取决于几点:网格在求解区域的疏密变化与被求量的 梯度变化相适应;在求解区内单元的变化时光滑的;单元的扭曲度较小,宽高 比不超过1:5。 33 3多能源系统能量计算 本模型中,保温层的结构尺寸小,对不同的区域分别进行网格的划分。其 中有三部分区域:一部分是土壤,一部分是沼气池壁,另一部分是沼气池。分 别对各部分区域进行网格的划分。如下图3.3所示。 图3.3沼气池的网格 Figure 3.3 The grid of digesters 3.1.5边界条件 沼气池的模型是圆柱体,上表面与大气接触,其它面与土壤接触,下表面 与土壤接触。将这几个边界条件的温度与环境温度的变化有关,对这些边界条 件进行一定的简化,简化为第一类边界条件。 表3.1、表3.2为文中用到的参数。为了研究问题的方便,以郑州地区1月 份的温度为例,沼气池的温度设定在:15。C、 25Vs 35V,分析不同材料对沼 气池的散热量影响。模型中土壤的外边界定义为绝热边界,其它边界条件采用 第一类边界条件。在选用某一材料和一定厚度后,采用不同于前面提到的沼气 池的温度,表2考虑到实际发酵过程中,分析沼气池内部温度场时,发酵温度 分别取30°(:、 4CrC、 50°C。 34 3多能源系统能量计算 3.1.6沼气池及周边温度场的分布和模拟分析 a. 不同保温层对沼气池散热量的影响 ^ fl^K iSinB ^ ^viri 混凝土厚度为250mm 发港7《I^II度.tr250n,m 图3.4沼气池及周围土壤温度场分布 Figure 3.4 The digester and temperature distribution around the soil 图3.4为混凝土、发泡水泥的厚度为250mm时,沼气池及周围土壤剖面图。 沼气池的温度设为25°C,由于保温层的材料不同,沼气池对周围土壤影响范围 不同。保温层为混凝土与发泡水泥相比吋,前者内部的大量热量传到土壤中, 导致周围土壤的温度升高。可以得到,因为混凝土的导热系数比发泡水泥的导 热系数大,沼气池向外部散失更多热量,因而使用混凝土的沼气池对周围土壤 的温度影响范围更广。结果沼气池内部的热损失量增加,池内温度不能满足发 酵温度,影响沼气的产量。表3.4显示了沼气池维持一个恒定的温度,使用250mni 发泡水泥建造的沼气池是混凝土的沼气池需要的热量的1/4。因此建立沼气池时, 应该使用满足结构强度且导热系数较小的材料作为沼气池的保温层。 ' b. 不同厚度的保温层对沼气池散热量的影响 以郑州地区1 份的温度为例,沼气池的温度设定在:151:、 25°C、 35°C。保温层厚度不同时,沼气池的散热量也不同。表3.3可以看出:沼气池的 温度恒定时,保温层厚度从250mm增加到400mm,沼气池的散热量逐渐减小。 35 3多能源系统能量计算 但热损失的变化量不大,说明保温层的厚度对散热量的影响较小。 表3.3不同材料及不同厚度保温层的沼气池散热量 Tables.3 The heat of insulation layer of biogas in different materials and different thickness 250mm混凝 250mm发泡 300mni发泡 350mm发泡 400mra发泡 沼气池温度 土的散热量 水泥的散热 水泥的散热 水泥的散热 水泥的散热 /W mm mm 量/w 量/w 15°C 3175.5 680.6 595.4 525.4 463.3 25 °C 5440.0 1167.0 1020,9 901,0 798.0 35°C 7704.4 1653.4 1446.4 1276.6 1130.6 III * I 沼气池的SWi:为15'C : 、- -- 3气池的a度为25'C 8.5 : 、-、 I ―A― mmmtmv 8,0 - * 7.0 - . 襲6.5_ . -人、 £ 6.0 - 、、\ ―、、... :E 5.5 _ 、、、— '.A I 5.0 1 、、、、、 - 3 : 、■、、、 4-0 - 3,0 - 2.5 - _ 2.0 L_l_^_._I_._I_._1_._I_-I_._I, ' . ^ 240 260 280 300 320 340 360 380 400 420 发泡水泥的厚度/mm 图3.5沼气池的单位面积的散热量 Figure 3.5 The heating of unit area in the digester 图3.5直观显示了不同厚度保温层单位面积的散热量。可以看出:沼气池发 酵温度相同时,保温层为发泡水泥,沼气池单位面积的散热量相差不大。考虑 到满足沼气池温度和经济性的要求,同时结合相关的