寒区沼气工程热能损耗分布规律及节能途径探讨

刘建禹，杨胜明，贺佳贝，邓斯文，隋 新



寒区沼气工程热能损耗分布规律及节能途径探讨

刘建禹1,2，杨胜明1，贺佳贝1，邓斯文1，隋 新1

（1. 东北农业大学工程学院，哈尔滨 150030； 2. 农业部生猪养殖设施工程重点实验室，哈尔滨 150030）

热能损耗是制约沼气工程在北方寒冷地区发展的瓶颈问题。全面系统分析沼气工程全年热能损耗，探寻其分布规律，是实现沼气工程节能降耗的基础和前提，也是全面科学评价沼气工程加热系统合理有效地利用能源，提高能源利用率的依据。沼气工程热能损耗主要包括工程新投入的发酵原料温升所需的耗热量和厌氧发酵反应器的传热耗热量2部分。该文以月为单位建立了沼气工程各项热能损耗的计算模型，并将模型应用到黑龙江省哈尔滨市一中温厌氧发酵的沼气工程中，获得了沼气工程全年各月热能损耗量。结果表明，在厌氧发酵反应器各月的总热能损耗中，厌氧发酵反应器围护结构的传热耗热量占总耗热量的比例约为70%～90%，厌氧发酵反应器节能的关键在于围护结构的节能，减小反应器的体形系数，增大围护结构导热热阻，可有效降低厌氧发酵反应器能耗；在各月沼气工程的总热能损耗中，发酵原料温升能耗占沼气工程总能耗的比例约为85%～95%，此项能耗是沼气工程加热系统能源消耗过程中的薄弱环节，回收沼气工程排出沼液中的余热，是实现沼气工程节能降耗的有效途径；通过对各月沼气工程产能与总热能损耗的对比分析，沼气工程热能损耗量占产能量的比例约为15%～37%，沼气工程在保证正常的中温厌氧发酵的情况下，产能量远大于热能损耗量，在北方寒冷地区实现沼气工程正能输出是可能的。该文研究结果可为今后全面科学合理评价沼气工程用能状况，减少用能过程的损失和浪费，实现沼气工程低能耗、高产能提供参考依据。

热能；损耗；节能；沼气工程；有效传热系数；产能

0 引 言

随着化石能源的日益枯竭和生态环境问题的日趋严重，沼气工程作为以厌氧发酵为主要技术环节，集有机废弃物处理、清洁能源生产、资源化利用为一体的系统工程越来越受到重视[1-2]。目前，沼气工程多采用中温厌氧发酵技术，发酵的温度范围一般在30～40 ℃之间[3-5]。若使沼气工程全年连续正常运行，保持恒定、高效的产气率，必须对沼气工程采取加热保温措施，维持沼气工程稳定厌氧发酵温度。根据调查研究发现，在北方寒冷地区，冬季大部分沼气工程未按中温厌氧发酵所要求的温度运行，甚至停止运行，沼气工程没有发挥其应有的作用。造成的主要原因是北方寒冷地区冬季自然环境温度较低，沼气工程运行过程中热能损耗较高，对沼气工程进行加热需要消耗大量的能源，运行成本增大，热能损耗问题已成为制约沼气工程在北方寒冷地区发展的瓶颈[4-8]。对沼气工程热能损耗的分析和研究，是实现沼气工程加热过程节能降耗的基础和前提，也是全面科学评价沼气工程加热系统合理有效地利用能源，提高能源利用率的依据。只有经过较为准确的热能损耗分析，才能在保证沼气工程厌氧发酵温度的前提下，避免不必要的能源浪费。因此，有必要对沼气工程的热能损耗进行全面系统分析，探寻沼气工程热能损耗分布的规律，明确沼气工程节能降耗的方向，寻求降低沼气工程热能损耗的途径。

目前，工程上采用的加热能耗的计算方法主要有2大类。一类是建立在非稳态传热理论基础上的动态能耗模拟法。此法对传热各种影响因素考虑较细，计算结果较为准确，但计算过程过于复杂。另一类是建立在稳态传热理论基础上的静态能耗分析法。此法比较简单、操作性强，在工程实际中主要采用静态能耗分析法[9-11]。目前，在采用静态能耗分析法计算厌氧发酵反应器耗热量时，一般仅考虑由反应器内外温差引起的热损失，未考虑到由太阳辐射引起的得热以及由天空辐射引起的热损失，使得计算结果不够精确[12-14]。有效传热系数法是将上述3部分得失热量的总和作为净热损失的一种能耗计算方法，此法主要用于建筑领域的能耗计算。由于厌氧发酵反应器不同于一般工业与民用建筑，本文在已建立的厌氧发酵反应器一维稳态传热模型的基础上，结合有效传热系数法，建立沼气工程供热能耗计算模型。

沼气工程热能损耗主要包括工程新投入的发酵原料温升所需的耗热量和厌氧发酵反应器的传热耗热量两部分。本文以月为单位建立沼气工程各项热能损耗的计算模型，并依据黑龙江省哈尔滨地区一沼气工程实例，对沼气工程全年的热能损耗进行分析和研究。

1 沼气工程热能损耗计算模型

1.1 发酵原料温度升高所需耗热量

研究表明，厌氧发酵反应器内的发酵温度应保持稳定，波动范围一天不宜超过±2 ℃[15-17]。发酵原料温度一般低于发酵温度，为了避免冷原料与反应器内热料直接混合造成发酵温度波动，发酵原料在投入反应器前应加热至发酵温度。每月发酵原料温升所需耗热量的计算公式为

式中L为发酵系统每天进料量，t/d；f为发酵原料的比热容，kJ/(kg·K)；f为厌氧发酵温度，℃；L为发酵原料的初始温度，℃；为每月份天数，d；1 000为单位换算系数（1 t=1 000 kg）。

1.2 厌氧发酵反应器的传热耗热量

厌氧发酵反应器传热耗热量是指为了维持稳定的厌氧发酵温度，加热系统向反应器供给的热量。根据能量守恒定律，反应器的热平衡方程式为

h+n+j=f+g+w+c（2）

式中h为加热系统的供热量；n为发酵产生的生物反应热；j为发酵料液进入反应器带入的能量；f为反应器围护结构的传热耗热量；g为干沼气排出反应器带走的显热损失；w为反应器内水分蒸发热损失；c为发酵料液排出反应器带走的能量，单位均为kJ。

由于反应器进、出料液体积流量相等、温度相同，并且料液发酵反应前后密度、比热容变化不大[18-19]，故j≈c。考虑到厌氧微生物的活性不够强，释放的热量很少，n可忽略不计[17,20]。因此，式（2）可简化为

h=f+g+w（3）

1.2.1 厌氧发酵反应器围护结构的传热耗热量

对于建造于地面上的厌氧发酵反应器，其围护结构的传热耗热量为由反应器内外温差引起的热损失f1、由太阳辐射引起的得热f2以及由天空辐射引起的热损失f33部分传热的代数和，即为围护结构的净热损失。每月反应器围护结构传热耗热量的计算公式为

式中K为反应器各围护结构传热系数，W/(m2·K)；A为反应器各围护结构面积，m2；w为月平均室外温度，℃；86.4为单位换算系数（1 W·d=24×3 600/1 000=86.4 kJ）。

由于反应器太阳辐射得热和向天空辐射热损失计算过程繁琐，为了便于工程计算，引入有效传热系数，即围护结构两侧流体在单位温差作用下，单位面积在单位时间内的净热损失[21-22]。根据有效传热系数的定义，式（4）可改写为

厌氧发酵反应器围护结构传热耗热量主要由反应器侧壁面、顶部和底部3部分传热耗热量构成。

1）反应器侧壁有效传热系数

式中1为反应器侧壁的传热系数，W/(m2·K)；yd为太阳辐射当量温度，℃。

目前沼气工程中的厌氧发酵反应器大多数为圆柱体，由于反应器的高度远大于壁厚，因此可将反应器侧壁视为无限长圆筒壁。考虑反应器内部空间分为有料液和无料液两部分，反应器侧壁传热系数应分别计算。对于有料液部分的壁面，假设反应器内发酵料液温度一致，以侧壁外表面为基准的传热系数11计算公式为

式中d为反应器侧壁围护结构第层材料对应的内径，m；d+1为反应器侧壁围护结构第层材料对应的外径，m；为反应器侧壁围护结构第层材料的导热系数，W/(m·K)；d+1为反应器外围直径，m；w为反应器围护结构外表面传热系数，W/(m2·K)。

对于无料液部分的壁面，以侧壁外表面为基准的传热系数12计算公式为

式中1为反应器的内部直径，m；n为反应器围护结构内表面传热系数，取8.7 W/(m2·K)[25]。

2）反应器顶部有效传热系数

式中kt为天空辐射当量温度，℃。由于计算不同地区的天空辐射当量温度很困难，在实际工程中水平面kt一般近似取3.5～4.0 ℃[24-25]。

若将反应器顶部近似看作无限大平壁，其传热系数2的计算公式为

式中为反应器顶部围护结构各层材料的厚度，m；为反应器顶部围护结构各层材料的导热系数，W/(m·K)。

式（6）和式（9）中，太阳辐射当量温度计算公式为[21-24]

式中为反应器外表面的太阳辐射强度（包括直射和散射辐射），W/m2；为反应器外表面的太阳辐射吸收系数。

3）反应器底部负荷系数

其中

式中3为反应器底部的面积，m2；0为反应器的当量半径，m；f为反应器的内半径，m；f为反应器的壁面厚度，m；1、2为反应器底层内外结构不同时反应器内外底面的当量厚度，m；为反应器地基各层材料的厚度，m；为反应器地基各层材料的导热系数，W/(m·K)；为土壤的导热系数，取0.93 W/(m·K)[25-27]。

1.2.2 水分蒸发热损失

每月反应器内水分蒸发热损失按下式计算[28]

式中为流出反应器的沼气流中水蒸气的质量流量，kg/d；v为厌氧发酵温度下水的汽化潜热，J/kg；p为厌氧发酵温度下水蒸气的比定压热容，J/(kg·K)；0.001为单位换算系数（1 J=0.001 kJ）。

沼气流中水蒸气的质量流量采用如下计算公式

式中为反应器的有效容积，m3；为沼气中CH4的体积分数（干基）；v为甲烷的容积产气率，m3/（m3·d）；为沼气中水的分子分数。其中

1.2.3 干沼气排出带走的显热损失

每月干沼气排出反应器所带走的显热损失按下式计算[28]

2 工程实例及热能损耗计算

2.1 工程实例及原始数据

本研究是基于黑龙江省哈尔滨市一中温厌氧发酵的沼气工程，工程日设计处理牛粪便40 t，建有容积为100 m³的室内配料池一座，容积为1 000 m3的室外地上厌氧发酵反应器一座，容积为700 m3的沼渣沼液存储池一座，容积为500 m3双膜干式储气柜一座。厌氧发酵温度为35 ℃，发酵料液总固体浓度（total solid，TS）为8%。沼气工程供热系统流程如图1所示。

1.配料池 2.循环泵 3.换热器 4.循环泵 5.厌氧发酵反应器 6.盘管式换热器 7.循环泵 8.热源

厌氧发酵反应器的结构如图2所示，其设计参数见表1。

1.厌氧反应器 2.地基（C30混凝土） 3.地基基础（C15混凝土） 4.反应器内壁（搪瓷钢板） 5.保温层（苯板） 6.彩钢板

表1 厌氧发酵反应器设计参数

哈尔滨市室外气象资料见表2。其中，温度和风速数据来源于黑龙江省气象台，数据的统计年限为1981年1月1日至2010年12月31日；其他数据来源于参考文献[29]和[30]。

表2 哈尔滨地区气象参数

注：w为月平均室外温度，℃；为月平均室外风速，m·s-1；t为水平面太阳总辐射月平均日辐射照量，MJ·m-2·d-1；tvs为南向垂直面太阳总辐射月平均日辐射照量，MJ·m-2·d-1；tvE，w为东、西向垂直面太阳总辐射月平均日辐射照量，MJ·m-2·d-1；tvN为北向垂直面太阳总辐射月平均日辐射照量，MJ·m-2·d-1。

Note:wis monthly average outdoor temperature,℃；is monthly average outdoor wind speed, m·s-1；tis monthly mean daily solar radiation of total solar radiation on horizontal surface, MJ·m-2·d-1;tvsis monthly mean daily solar radiation of the southern vertical plane, MJ·m-2·d-1;tvE，wis monthly mean daily solar radiation of east and west vertical solar radiation, MJ·m-2·d-1;tvNis monthly mean daily solar radiation of the northern vertical plane, MJ·m-2·d-1.

不同风速下，反应器围护结构外表面传热系数的数值见表3。

表3 不同风速下反应器围护结构外表面传热系数[31]

2.2 热能损耗计算

2.2.1 发酵原料温度升高所需耗热量

发酵原料温升每月所需能耗按式（1）计算，其中，牛粪发酵原料总固体浓度（TS）为8%时，其比热容取3.9 kJ/(kg·K)[18-19]；当月平均温度低于5 ℃时，L取5 ℃，其余各月L取月平均温度。计算结果见表4。

2.2.2 厌氧发酵反应器的传热耗热量

根据厌氧发酵反应器设计参数和哈尔滨市室外气象资料，按式（3）－式（19）计算可得到厌氧发酵反应器各部分的每月传热耗热量。其中，v取2417.8×103J/kg；p取1.867×103J/（kg·K）；取0.6；v取0.6 m3/(m3·d)。计算结果见表5。

表4 发酵原料温升各月累计能耗统计

表5 厌氧发酵反应器各部分的传热耗热量

2.2.3 沼气工程总热能损耗量

沼气工程总热能损耗主要由发酵原料温度升高所需耗热量和厌氧发酵反应器传热耗热量2部分组成，根据表4和表5中的数据，计算得到沼气工程各月的总热能损耗量，计算结果见表6。

表6 沼气工程各月总能耗

3 沼气工程节能降耗分析

3.1 厌氧发酵反应器热能损耗分析

根据表5中的数据，绘制出各月厌氧发酵反应器各部分能耗比例的分布图，如图3所示。

图3 各月厌氧发酵反应器每部分能耗比例

由图3可以看出，在厌氧发酵反应器围护结构中保温层采用150 mm苯板条件下，各月厌氧发酵反应器围护结构的传热耗热量占厌氧发酵反应器总耗热量的比例约为70%～90%，厌氧发酵反应器节能的关键在于围护结构的节能。

围护结构热工性能对于降低厌氧发酵反应器能耗起到非常重要的作用。影响反应器围护结构热工性能的主要因素，一是反应器的体形系数，反应器体形系数越小，意味着反应器每单位体积与室外环境接触的面积越小，其传热耗热量也就越小；二是围护结构中保温层材料的厚度和导热系数，保温层的厚度越大，导热系数越小，围护结构导热热阻也越大，反应器能耗就越低。从降低反应器能耗角度出发，选择新型保温材料，确定反应器体形系数和围护结构传热系数的限值应是今后研究低能耗厌氧发酵反应器的主要方向。

3.2 沼气工程总热能损耗分析

根据表4和表5中的数据，绘制出各月沼气工程各部分能耗比例的分布图，如图4所示。

图4 各月沼气工程每部分能耗比例

由图4可以看出，各月发酵原料温升能耗占沼气工程总能耗的比例约为85%～95%，表明此项能耗占沼气工程总热能损耗的绝大部分，是沼气工程加热系统能源消耗过程中的薄弱环节，提高进料温度是降低发酵原料温升能耗的关键。如果厌氧发酵反应器排出沼液中的余热能够全部回收，用于加热发酵原料，则发酵原料温升能耗将减少85%～95%。在今后的沼气工程设计中，回收沼液中的余热，是提高进料温度，降低料液温升能耗的有效途径。

3.3 沼气工程产能与耗能对比分析

中华人民共和国农业行业标准《沼气工程规模分类》（NY/1667-2011）中规定，沼气工程采用中温发酵工艺，池容的产气率大于1.0 m3/(m3·d)，本研究的沼气工程日平均产沼气量取1 000 m3[32-34]。

沼气工程各月产能量换算成标煤质量的计算公式为

式中1为厌氧发酵反应器日产沼气的体积，m3；s为沼气的热值，按沼气中甲烷体积分数为60%，取21 544 kJ/m3[35]；c为标准煤的热值，取29 307.6 kJ/kg[36]。

以燃煤锅炉为例，沼气工程各月耗能量换算成标煤质量的计算公式为

式中为沼气工程各月总能耗，其数值见表6；c为锅炉的燃烧效率，取0.7。

由式（20）和式（21）计算得出沼气工程各月产能与热能损耗分布如图5所示。

图5 沼气工程各月产能与耗能标煤质量分布图

由图5可以得出，在哈尔滨地区，各月沼气工程热能损耗量占产能量的比例约为15%～37%，产能量远大于热能损耗量。沼气工程运行能耗除了热能损耗外，还包括搅拌装置、料液泵、加热系统循环泵等动力设备所消耗的电能，以及加热系统管路散热损失等。在上述沼气工程实例中，以最冷的一月份为例，沼气工程每日电能消耗量为60～70 kWh，其能耗仅为热能损耗的3.9%～4.5%。另外，加热系统管路距离较短，并且管道外面敷设有保温层，管路散热损失较小。根据城市供热管网设计规范中的规定，供热管路散损失占总热能损耗的1%。这表明在北方寒冷地区，沼气工程在保障正常的中温厌氧发酵的情况下，沼气工程实现正能输出是可能的。

3.4 节能途径探讨

在厌氧发酵反应器各月的总热能损耗中，厌氧发酵反应器围护结构的传热耗热量占总耗热量的比例约为70%～90%，厌氧发酵反应器节能的关键在于围护结构的节能，减小反应器的体形系数，增大围护结构导热热阻，可有效降低厌氧发酵反应器能耗。在沼气工程总的热能损耗中，各月发酵原料温升能耗占沼气工程总热能损耗的比例约为85%～95%，是沼气工程热能损耗中的薄弱环节。回收沼气工程排出沼液中的余热，提升发酵原料初始温度，是降低沼气工程热能损耗的有效途径。

4 结 论

本文在建立沼气工程各项热能损耗计算模型的基础上，以黑龙江省哈尔滨市某中温厌氧发酵沼气工程为例，对沼气工程全年的热能损耗进行了计算和分析，得到结论如下：

1）在厌氧发酵反应器总的热能损耗中，各月厌氧发酵反应器围护结构的传热耗热量占反应器总耗热量的比例约为70%～90%，是厌氧发酵反应器节能降耗的关键所在。减小反应器的体形系数，增大围护结构导热热阻，是降低厌氧发酵反应器能耗的有效措施。

2）在沼气工程总的热能损耗中，各月发酵原料温升能耗占沼气工程总热能损耗的比例约为85%～95%，是沼气工程热能损耗中的薄弱环节。回收沼气工程排出沼液中的余热，提升发酵原料初始温度，是降低沼气工程热能损耗的有效途径。

3）通过对厌氧发酵反应器为1 000 m3，池容产气率为1.0 m3/(m3·d)的沼气工程产能与总热能损耗对比分析，在哈尔滨地区，各月沼气工程热能损耗量占产能量的比例约为15%～37%，表明在北方寒冷地区实现沼气工程正能输出是可能的。

[1] 赵玲，刘庆玉，牛卫生，等. 沼气工程发展现状与问题探讨[J]. 农机化研究，2011(4)：242－245.

Zhao Ling, Liu Qingyu, Niu Weisheng, et al. Development status and problems of biogas engineering[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2011(4): 242－245. (in Chinese with English abstract)

[2] 齐岳. 沼气工程建设手册[M]. 北京：化学工业出版社，2013.

[3] 沙微. 寒区厌氧发酵反应器动态传热特性与能耗预测研究[D]. 哈尔滨：东北农业大学，2013.

Sha Wei. Study on Dynamic Heat Transfer Characteristics and Energy Consumption Prediction of Anaerobic Fermentation Reactor in Cold Regions[D]. Harbin: Northeast Agricultural University, 2013. (in Chinese with English abstract)

[4] 浦小东，邓良伟，尹勇，等. 大中型沼气工程不同加热方式的经济效益分析[J]. 农业工程学报，2010，26(7)：281－284.

Pu Xiaodong, Deng Liangwei, Yin Yong, et al. Economic benefit analysis of different heating methods for large and medium sized biogas projects[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE), 2010, 26(7): 281－284. (in Chinese with English abstract)

[5] 李文哲. 生物质能源工程[M]. 北京：中国农业出版社，2013.

[6] 刘建禹，樊美婷，刘科．高寒地区沼气发酵料液加热增温装置传热特性[J].农业工程学报，2011，27(2)：298－301.

Liu Jianyu, Fan Meiting, Liu Ke. Heat transfer characteristics of heating and heating device for biogas fermentation slurry in Alpine Region[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2011, 27(2): 298－301. (in Chinese with English abstract)

[7] 谢祖琪，庹洪章，余满江，等. 沼气工程加热方式对发酵料液温度场的影响[J].西南农业学报，2011，24(4)：1576－1583.

Xie Zuqi, Tuo Hongzhang, Yu Manjiang, et al. Influence of biogas engineering heating mode on temperature field of fermentation feed liquid[J]. Southwest Agricultural Journal, 2011, 24(4): 1576－1583. (in Chinese with English abstract)

[8] 陈泽兴，刘建禹，李文涛. 寒区沼气发酵地源热泵增温系统的初步研究[J].农机化研究，2011，33(3)：219－222.

Chen Zexing, Liu Jianyu, Li Wentao. Preliminary study on biogas fermentation temperature increasing system of ground source heat pump in cold regions[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2011, 33(3): 219－222. (in Chinese with English abstract)

[9] 张继良. 传统民居建筑热过程研究[D]. 西安：西安建筑科技大学，2006.

Zhang Jiliang. Study on the Thermal Process of Traditional Residential Buildings[D]. Xi’an: Xian University of Architecture and Technology, 2006. (in Chinese with English abstract)

[10] 柴保双. 寒冷地区建筑能耗分析与预测[D]. 保定：华北电力大学，2007.

Chai Baoshuang. Analysis and Prediction of Building Energy Consumption in Cold Regions[D]. Baoding: North China Electric Power University, 2007. (in Chinese with English abstract)

[11] 陆耀庆. 供暖通风设计手册[M]. 北京：中国建筑工业出版社，1987：120－128.

[12] 孙静. 严寒地区利用太阳能加热制沼气的实验研究[D]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学，2011.

Sun Jing. Experimental Study on Biogas Heating in Cold Regions Using Solar Energy[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2011. (in Chinese with English abstract)

[13] Ali Beba. Analysis of a solar-heated biogas fermenter[J]. Solar Energy, 1988, 40(3): 281－287.

[14] Gérard Merlin, Franois Kohler．Importance of heat transfer in an anaerobic digestion plant in a continental climate context[J]. Bioresource Technology, 2012, 124: 59－67.

[15] Xu W. Research Report on the Development of Ground Source Heat Pump Technology in China[J]. Beijing: Architecture and Building Press, 2013.

[16] Akpinar E K, Hepbasli A. A comparative study on exergetic assessment of two ground-source (geothermal) heat pump systems for residential applications[J]. Build Environ, 2005, 42: 2004－2013.

[17] 周晓俭. 厌氧发酵系统温度的选择和热量平衡[J]. 环境科学研究，1992，5(1)：30－35.

Zhou Xiaojian. Temperature selection and heat balance in anaerobic fermentation system[J]. Environmental Science Research, 1992, 5(1): 30－35. (in Chinese with English abstract)

[18] 陈泽兴. 寒区大型沼气工程地源热泵加热增温系统的试验研究[D]. 哈尔滨：东北农业大学，2011.

Chen Zexing. Experimental Study on Heating and Heating System of Ground Source Heat Pump for Large Scale Biogas Projects in Cold Regions[D]. Harbin: Northeast Agricultural University, 2011. (in Chinese with English abstract)

[19] 朱坤展，刘建禹. 牛粪发酵原料流变特性与表观粘度研究[J]. 农机化研究，2016(12)：260－263.

Zhu Kunzhan, Liu Jianyu. Rheological properties and apparent viscosity of raw materials for cow dung fermentation[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2016(12): 260－263. (in Chinese with English abstract)

[20] 杨茜，鞠美庭，李维尊. 秸秆厌氧消化产甲烷的研究进展[J]. 农业工程学报，2016，32(14)：232－242.

Yang Xi, Ju Meiting, Li Weizun. Research Progress on methane production by anaerobic digestion of straw[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(14): 232－242. (in Chinese with English abstract)

[21] 杨善勤. 民用建筑节能设计手册[M]. 北京：中国建筑工业出版社，1997.

[22] 杨善勤. 用有效传热系数法估算采暖耗热量及进行建筑节能设计[J].建筑科学，1986(2)：55－65.

Yang Shanqin. Estimation of heating consumption and design of building energy efficiency by effective heat transfer coefficient method[J]. Architecture Science, 1986(2): 55－65. (in Chinese with English abstract)

[23] 朱新荣，杨柳. 西藏自治区城市围护结构传热系数的修正系数[J].清华大学学报，2008，48(9)：1381－1384.

Zhu Xinrong, Yang Liu. Correction coefficient of heat transfer coefficient of enclosure structure in Tibet Autonomous Region[J]. Journal of Tsinghua University, 2008, 48(9): 1381－1384. (in Chinese with English abstract)

[24] 徐刚. 太阳辐射基础数据的研究及其应用[D]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学，2002. Xu Gang. Research and Application of Basic Solar Radiation Data[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2002. (in Chinese with English abstract)

[25] 刘建禹，陈泽兴. 厌氧发酵反应器一维稳态传热模型的建立与验证[J].农业工程学报，2012，28(17)：217－222.

Liu Jianyu, Chen Zexing. Establishment and verification of one dimensional steady state heat transfer model for anaerobic fermentation reactor[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(17): 217－222. (in Chinese with English abstract)

[26] 隋新. 寒区沼气工程能耗分析与节能技术研究[D]. 哈尔滨：东北农业大学，2015.

Sui Xin. Energy Consumption Analysis and Energy Saving Technology Research of Biogas Engineering in Cold Regions[D]. Harbin: Northeast Agricultural University, 2015. (in Chinese with English abstract)

[27] 邢慧娟，秦朝葵，张杨峻，等. 大中型沼气工程热工行为分析[J]. 热科学与技术，2013，12(3)：272－276.

Xing Huijuan, Qin Chaokui, Zhang Yangjun, et al. Analysis of thermal behavior of large and medium-sized biogas engineering[J]. Thermal Science and Technology, 2013, 12(3): 272－276. (in Chinese with English abstract)

[28] 谷大田. 厌氧消化器热量需要及最佳几何尺寸确定[J]. 成都科技大学学报，1987，35(3)：59－74.

Gu Datian. Determination of heat demand and optimum geometric size of anaerobic digester[J]. Journal of Chengdu University of Science and Technology, 1987, 35(3): 59－74. (in Chinese with English abstract)

[29] 何梓年. 太阳能热利用[M].合肥：中国科学技术大学出版社，2009.

[30] 李元哲. 被动式太阳房热工设计手册[M]. 北京：清华大学出版社，1993.

[31] 清华大学等编. 空气调节[M]. 北京：中国建筑工业出版，1981.

[32] 王晓娇. 混合原料沼气厌氧发酵影响因素分析及工艺优化[J]. 杨凌：西北农林科技大学，2013.

Wang Xiaojiao. Analysis of factors affecting anaerobic fermentation of mixed raw materials and process optimization[J]. Yangling: Northwest A&F University, 2013. (in Chinese with English abstract)

[33] Alvarez R, Villca S, Liden G. Biogas production from llama and cow manure at high altitude[J]. Biomass and Bioenergy, 30(1): 66－75.

[34] Pang Y Z, Liu Y P, Li X J, et al. Improving biodegrade ability and biogas production of corn stover through sodium hydroxide solid state pretreatment[J]. Energy and Feuls, 2008, 22(4): 2761－2766.

[35] 任南琪，王爱杰. 厌氧生物技术原理与应用[M]. 北京：化学工业出版社，2004.

[36] 项新耀. 工程㶲分析方法[M]. 北京：石油工业出版社，1990.

Thermal energy loss distribution and energy saving ways of biogas engineering in cold regions

Liu Jianyu1,2, Yang Shengming1, He Jiabei1, Deng Siwen1, Sui Xin1

(1.150030,; 2150030,)

Thermal loss is a bottleneck problem that restricts the development of biogas engineering in the cold areas of the north. A comprehensive and systematic analysis of biogas project annual thermal loss and exploring its distribution rule is the basis and premise of realizing the energy conservation and consumption of biogas projects. It is also the basis for the comprehensively and scientifically evaluating the reasonable and effective energy use for the biogas engineering heating system and improving the utilization rate of energy. The thermal energy loss of biogas projects mainly includes the heat consumption required for the temperature rise of the newly invested fermentation raw materials and the heat transfer heat consumption of anaerobic fermentation reactor. This paper establishes a monthly calculation model for thermal energy loss of biogas projects, and applies it to a middle temperature anaerobic fermentation biogas project in Harbin City, Heilongjiang Province, and obtains the thermal energy loss of the biogas project in each month. The results show that heat transfer heat consumption of the anaerobic fermentation reactor envelope structure accounts for 70% to 90% of the total heat consumption in the total heat loss of the anaerobic fermentation reactor, the key to energy saving of anaerobic fermentation reactors is the energy conservation of the envelope structure. Reducing the body shape coefficient of the reactor and increasing the thermal resistance of the envelope structure can effectively reduce the energy consumption of the anaerobic fermentation reactor. In the total heat loss of biogas projects in each month, the energy consumption of fermentation raw materials accounts for 85% to 95% of the total energy consumption of biogas projects, it is a weak link in the energy consumption of the heating system for biogas projects, so recover waste heat from biogas slurry is an effective way to achieve energy conservation and consumption reduction of biogas projects. The loss of thermal energy in biogas projects accounts for 15% to 37% of the energy production through a comparative analysis of the monthly production capacity of biogas projects and the total heat loss. In the case of normal anaerobic fermentation, the energy production of biogas projects is far greater than the loss of thermal energy. Therefore, it is possible to achieve the output of biogas engineering in the cold regions of the north. The results of this study can provide a reference for the future comprehensive scientific and rational evaluation of the energy status of the biogas projects, reducing loss and waste in the process of energy use, and achieving low energy consumption and high productivity of biogas projects.

thermal energy;heat loss; energy saving; biogas project; effective heat transfer coefficient; capacity

刘建禹，杨胜明，贺佳贝，邓斯文，隋 新. 寒区沼气工程热能损耗分布规律及节能途径探讨[J]. 农业工程学报，2018，34(22)：220－227. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.22.028 http://www.tcsae.org

Liu Jianyu, Yang Shengming, He Jiabei, Deng Siwen, Sui Xin. Thermalenergy loss distribution and energy saving ways of biogas engineering in cold regions[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(22): 220－227. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.22.028 http://www.tcsae.org

2018-05-30

2018-10-15

黑龙江省科技攻关项目：寒区厌氧发酵地源热增温技术的研究（GA09B503-1）

刘建禹，教授，主要从事农业生物环境与能源工程的教学和科研工作。Email：2198214363@qq.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.22.028

TK523

A

1002-6819(2018)-22-0220-08