鹽城地區(qū)農(nóng)村居民利用沼氣供熱的可行性分析

吳春輝，楊坤麗

(西南交通大學(xué)建筑學(xué)院，四川成都 610031)

沼氣是各種有機(jī)物在與空氣相隔絕時，在一定的溫度、濕度、濃度、酸堿度條件下，經(jīng)過某些厭氧微生物的分解代謝而生成的一種可燃性氣體，主要成分是甲烷和二氧化碳，其中可燃物甲烷(CH4)占總氣體體積約為50%～70%，二氧化碳約占30%～50%［1］7。沼氣是目前發(fā)現(xiàn)的唯一一種全生命周期意義上的碳負(fù)凈排放燃料，對減排溫室氣體具有十分重要的意義。

我國的戶用沼氣技術(shù)在全世界是領(lǐng)先的，鹽城農(nóng)村地區(qū)在20 世紀(jì)70年代已開始使用沼氣。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，生產(chǎn)沼氣的實用原料不斷拓展，戶用沼氣的產(chǎn)量也在不斷上升，經(jīng)歷了不足、夠用到剩余三個階段，沼氣應(yīng)用越來越受到農(nóng)民的歡迎。隨著農(nóng)民集中居住程度的提高，正從單戶獨(dú)池向聯(lián)戶沼氣、大中型沼氣和服務(wù)網(wǎng)點發(fā)展。根據(jù)當(dāng)?shù)氐膶嶋H情況，沼氣必將成為鹽城農(nóng)村能源的一支重要力量。但目前農(nóng)民使用沼氣主要在炊事方面，極少數(shù)用于照明，更沒有用于供熱。為拓展沼氣的使用空間，降低農(nóng)民的生活成本，本文對農(nóng)村居民住宅利用沼氣提供冬季供熱的可行性進(jìn)行分析研究。

1 鹽城地區(qū)發(fā)展沼氣的優(yōu)勢

鹽城，是江蘇省省轄市中面積最大的市，位于江蘇省中部偏東地域，瀕臨黃海，全市總面積1.7×104km2，其中耕地面積77.82×104hm2，河湖水面1300 km2，沿海灘涂總面積4550 km2。全國第六次人口普查全市戶籍人口為820.3728萬人，位列江蘇省第二。其中，居住在鄉(xiāng)村的人口為348.8萬人，占48.05%。2010年地區(qū)人均生產(chǎn)總值達(dá)4500 美元，全市農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值和農(nóng)民人均純收入，在全國地級市中位居第一。

1.1 當(dāng)?shù)啬茉唇Y(jié)構(gòu)有利于沼氣的發(fā)展

鹽城目前并沒有本地的常規(guī)能源資源可利用，煤炭完全是異地生產(chǎn)通過物流輸入。已探明石油天然氣蘊(yùn)藏量800×108m3還在地下沒有開發(fā)，電能的大部分需要從外地調(diào)度補(bǔ)充。農(nóng)民傳統(tǒng)使用的生活能源主要是生物能源，輔以電、煤炭、液化氣和太陽能。鹽城農(nóng)村生物能源資源主要有四種:農(nóng)作物秸稈、人畜糞便、草類和薪柴。2006年鹽城市農(nóng)業(yè)普查資料顯示:鹽城農(nóng)村居民生活日用炊事能源已有較大改變，雖然許多農(nóng)戶仍以柴草為主，但使用電能和液化氣的農(nóng)戶逐年在增多，特別是液化氣的用量增長迅猛，不同地區(qū)農(nóng)村居民家庭炊事能源的使用差異較大。隨著液化氣價格的不斷攀升，沼氣等可再生能源正從幕后的研究試點逐漸走向開發(fā)利用的前臺。

1.2 當(dāng)?shù)匕l(fā)展沼氣具有一定的基礎(chǔ)

鹽城是一個農(nóng)業(yè)大市，畜牧業(yè)是當(dāng)?shù)氐膫鹘y(tǒng)產(chǎn)業(yè)，2010年全市生豬飼養(yǎng)量1061×104頭，優(yōu)質(zhì)家禽飼養(yǎng)量2.85×104只，每年產(chǎn)生的秸稈有1000×104t 左右，河湖邊、灘涂上的雜草薪柴更是不計其數(shù)，這些生物能源，加上城鄉(xiāng)垃圾、固液污物，都是生產(chǎn)沼氣的良好原料。

鹽城有使用沼氣的經(jīng)驗，管理體制相對完善，擁有專業(yè)的科研開發(fā)人員、專職技術(shù)操作工人和配套的機(jī)械。農(nóng)民的經(jīng)濟(jì)條件能提供保證，思想意識也積極配合沼氣的推廣，當(dāng)?shù)貧夂驅(qū)φ託馍a(chǎn)也比較適宜，獨(dú)立研發(fā)的秸稈聯(lián)戶沼氣工程于2009年10月已點火成功，這些因素對當(dāng)?shù)氐恼託獍l(fā)展提供了有力的支撐。

1.3 國家政策的扶持

我國政府歷來重視引導(dǎo)和支持沼氣建設(shè)，不僅在政府工作報告中明確寫有發(fā)展沼氣的條文，許多領(lǐng)導(dǎo)還親臨沼氣建設(shè)現(xiàn)場指導(dǎo)工作。特別是2003年后，中央有關(guān)農(nóng)村工作和清潔能源的文件中基本都提到要發(fā)展沼氣的問題，如2006年中央一號文件指出，“要加快農(nóng)村能源建設(shè)步伐，在適宜地區(qū)積極推廣沼氣、秸稈氣化、小水電、太陽能、風(fēng)力發(fā)電等清潔能源技術(shù)。”

僅國家中央財政對沼氣產(chǎn)業(yè)的補(bǔ)助，2000年為2500 萬元，2001年為1.31 億元，2002年為3.1 億元。從2003年起，國家在農(nóng)村基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中設(shè)立了“國債資金農(nóng)村沼氣項目”，一年投入10 億元資金補(bǔ)助支持農(nóng)村沼氣建設(shè)，這個數(shù)目逐年增加，至今對農(nóng)村沼氣建設(shè)的投入資金已經(jīng)高達(dá)242億元，各省、市、縣也不同程度撥出專項資金支持沼氣建設(shè)，僅江蘇省政府2010年對沼氣項目的扶持就達(dá)2.2 億元。

在這些政策的扶持下，加上當(dāng)?shù)氐臈l件和基礎(chǔ)，鹽城沼氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，全市戶用沼氣池的數(shù)量占到全省總數(shù)的四分之一。

2 鹽城沼氣的使用情況

2008年3月，鹽城全市戶用沼氣池已達(dá)6.85×104座，2009 和2010 兩年中，鹽城除了興建3×104座戶用沼氣池外，還興建了一批沼氣物管站、沼氣村和生活污水凈化沼氣池，有的村家用沼氣率已達(dá)70%以上。

2.1 單戶獨(dú)池

鹽城傳統(tǒng)的農(nóng)村家庭戶獨(dú)自使用的沼氣池，容積通常有6 m3、8 m3、10 m3三種。最常用的8 m3的沼氣池2010年的造價在2200 元左右，國家和省的補(bǔ)助是每池1500 元，農(nóng)戶建一座沼氣池自己只需出資700 元左右。

目前鹽城正大力推廣戶用秸稈沼氣技術(shù)，一戶8 m3的秸稈固體發(fā)酵沼氣池，一次性投料約400 kg 左右的秸稈和2 kg 的“沼氣1號”，可連續(xù)產(chǎn)氣達(dá)180 d。

這些沼氣池年產(chǎn)沼氣量約400 m3，可供一個5 口之家全年的生活用能，每年能為農(nóng)戶節(jié)省1000 多元的燃料費(fèi)用。

2.2 聯(lián)戶沼氣

單池獨(dú)戶所用的沼氣池占地面積較大，對集中居住的緊湊型場地不很有利，聯(lián)戶沼氣為集中居住的農(nóng)民解決了這樣的問題。

一種是全秸稈聯(lián)戶沼氣工程，這是在結(jié)合以前建設(shè)單戶型小容積沼氣池的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，通過腐熟、發(fā)酵、壓縮等系列技術(shù)手段，以秸稈為原料制成沼氣，并通過集中管網(wǎng)，統(tǒng)一輸送到農(nóng)戶家中，成為中心村集中居住區(qū)實用的清潔能源。

另一種可考慮采用多戶多池聯(lián)建的形式，根據(jù)不同的沼氣原料建造不同的沼氣池，各池均用管道向總管輸送沼氣，總管再通過支管計量向各家庭用戶提供沼氣。根據(jù)各池的沼氣產(chǎn)量，操作人員可以進(jìn)行總的供氣調(diào)節(jié)，有條件的最好采用儲氣柜，以保證沼氣氣壓的穩(wěn)定和供氣的連續(xù)性。

這兩種形式不僅能有效地解決秸稈利用的出路問題，也使一些糞源不足、不便建沼氣池的農(nóng)戶用上清潔能源，還可避免戶用沼氣池在檢修時的暫停供氣，最大程度地滿足農(nóng)戶連續(xù)用氣的需求。聯(lián)戶沼氣工程采用市場化運(yùn)作、物業(yè)化管理的運(yùn)營模式，有專業(yè)的沼氣工負(fù)責(zé)生產(chǎn)，集中向農(nóng)戶供氣。

2.3 大中型沼氣和服務(wù)網(wǎng)點

比聯(lián)戶供氣更進(jìn)一步的大中型沼氣和服務(wù)網(wǎng)點現(xiàn)在也正在快速發(fā)展，通過管網(wǎng)將沼氣輸送給各家各戶，進(jìn)行集中供氣，使得集中居住的農(nóng)村居民能夠象城鎮(zhèn)居民使用管道燃?xì)庖粯邮褂谜託?。? m3沼氣售價0.8～1 元，1個月的花費(fèi)也就30 元左右，比使用液化氣至少便宜了一半還多。

3 農(nóng)民住宅利用沼氣進(jìn)行冬季供熱的可行性分析

鹽城地區(qū)位于地理緯度32°34'～34°28'之間，地處夏熱冬冷地區(qū)，冬季的平均氣溫在－1.5℃～5.3℃，極端最低氣溫為－17.3℃。傳統(tǒng)農(nóng)居沒有良好的保溫措施，冬季室內(nèi)外溫差小，根本無法達(dá)到室內(nèi)18℃的居住熱舒適性。在冬季，一般居民沒有采暖的生活習(xí)慣，少數(shù)需要供熱的家庭以電和煤為主。隨著人民生活水平的提高，冬季需要供熱的住宅數(shù)量在逐年增加，采用沼氣供熱大有發(fā)展前途。

3.1 農(nóng)居冬季供熱需求量的計算

以當(dāng)?shù)匾粦艮r(nóng)村居民住宅為例，分析其冬季供熱的需求量。圖1 是該住宅的建筑模型。

圖1 農(nóng)戶住宅建筑模型

3.1.1 建筑概況

地理位置:鹽城(實際地點為射陽，北緯=33.77°，東經(jīng)=120.26°)。

氣候分區(qū):夏熱冬冷。建筑名稱:農(nóng)民集中居住住宅。建筑朝向:南。

建筑體形:點式。建筑結(jié)構(gòu)類型:磚混結(jié)構(gòu)。體形系數(shù):0.55。

節(jié)能計算總建筑面積:268.00 m2。建筑總體積:804.00 m3。

建筑表面積:445.00 m2。建筑層數(shù):3 層，層高3 m。建筑物高度:9 m。

外窗、外墻狀況見表1。

表1 全樓外窗、外墻面積匯總

3.1.2 住宅的構(gòu)造

屋面類型(自上而下):水泥砂漿(20 mm)+鋼筋混凝土(100 mm)+石灰水泥砂漿(20 mm)，太陽輻射吸收系數(shù)0.50。

外墻類型(自外至內(nèi)):水泥砂漿(20 mm)+KP1 空心磚(240 mm)+石灰，水泥，砂，砂漿(20 mm)，太陽輻射吸收系數(shù)0.50。

冷橋柱類型:水泥砂漿(20 mm)+鋼筋混凝土(240 mm)+石灰水泥砂漿(20 mm)。

冷橋樓板類型:水泥砂漿(20 mm)+鋼筋混凝土(100 mm)。

外窗類型:塑料型材單層玻璃窗(5 mm 單層玻璃)，傳熱系數(shù)4.70 W/(m2K)，自身遮陽系數(shù)0.93，氣密性為4 級，水密性為3 級，可見光透射比0.40。

3.1.3 計算分析

以《江蘇省居住建筑熱環(huán)境和節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(DGJ 32/J 71－2008)為判定依據(jù)，用PKPM 軟件對其進(jìn)行能耗情況分析，通過計算得到的農(nóng)民住宅冬季供熱的單位能耗為59.85 kWh/m2。

考慮當(dāng)?shù)鼐用竦膶嶋H生活情況，按三個臥室供熱來計算，3×4×4=48 m2，考慮人員滯留時間率為80%，則冬季供熱用電總能耗為59.85×48×80 % =2298.24 kWh。

根據(jù)能源換算系數(shù)，電力當(dāng)量1 kWh=0.1229 標(biāo)準(zhǔn)煤，沼氣1 m3=0.714 標(biāo)準(zhǔn)煤［1］224，則沼氣1 m3=0.714÷0.1229=5.81 kWh。因此，若改用沼氣來供熱，則冬季供熱的沼氣需求量為2298.24÷5.81=395.57 m3。

3.2 沼氣產(chǎn)量的分析

從上文可知，農(nóng)民修建一個8 m3沼氣池，自身投入需要700 元，使用壽命約20年，年產(chǎn)沼氣400 m3。調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，沼氣原料充分并且沼氣池維護(hù)良好的一些農(nóng)戶，其沼氣產(chǎn)量均高于常規(guī)，除滿足5 口之家的日常能源使用之外都有所剩余。

如果是采用聯(lián)戶沼氣、大中型沼氣或服務(wù)網(wǎng)點的形式使用沼氣，那么，沼氣的來源和數(shù)量就更能得到保證，只是單價約為0.8～1.0 元/m3。

3.3 經(jīng)濟(jì)分析比較

電能作為優(yōu)質(zhì)的二級能源用于供熱是不經(jīng)濟(jì)的，天然氣作為一次性能源，隨著數(shù)量的日益減少，價格也會不斷攀升。而沼氣作為可再生能源，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，不僅來源穩(wěn)定，產(chǎn)量也會不斷增加，其價格總體可以保持穩(wěn)定，甚至?xí)兴陆怠?/p>

3.3.1 與用電比較

按目前當(dāng)?shù)仉妰r0.5283 元/kWh，沼氣單價0.8 元/m3計算，一戶農(nóng)民住宅冬季供熱用電費(fèi)用為0.5283×2298.24=1214.16 元，改用沼氣后的費(fèi)用為0.8×395.57=316.46 元，即僅冬季供熱一項，每年可節(jié)約費(fèi)用897.7 元。

如果使用沼氣供熱，即使按目前的技術(shù)水平，對于單戶獨(dú)池的農(nóng)民，只要再多建一個沼氣池，沼氣產(chǎn)量就完全能滿足冬季的室內(nèi)供熱，并且一次投入700 元，與用電相比較，當(dāng)年就能收回投資。

對于聯(lián)戶沼氣、大中型沼氣和服務(wù)網(wǎng)點的用戶來說，除開戶費(fèi)300～400 元外，也就是每年花費(fèi)300 多元就能保證一個冬季的室內(nèi)供熱，比用電要節(jié)省800 多元。

3.3.2 與管道天然氣比較

鹽城市管道天然氣，市區(qū)價格為開戶費(fèi)3000 元、售價1.8 元/m3，其余各縣城為開戶費(fèi)4000 元左右、售價3～4元/m3不等，因為管道鋪設(shè)初期投資高，目前還沒有在鄉(xiāng)鎮(zhèn)推廣使用，更不用說農(nóng)村了。而目前農(nóng)村使用沼氣的用戶，開戶費(fèi)300～400 元，售價0.8～1 元/m3，雖然天然氣的發(fā)熱量大約是沼氣的1.86 倍，但使用沼氣仍然比天然氣有很大的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。

4 結(jié) 論

鹽城地區(qū)使用沼氣為農(nóng)民住宅進(jìn)行冬季供熱，從供熱需求量、沼氣產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益的角度分析是切實可行的。

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