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。根据两家相关欧亿·体育（中国）有限公司 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%。相关欧亿·体育（中国）有限公司显示,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