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侯新培1，翟国勋1，侯新月2，佐淑红3(1. 东北农业大学黑龙江，哈尔滨 150030；2. 黑龙江省水利科学院，黑龙江哈尔滨 150001；3.
黑龙江省水利高等专科学校，黑龙江哈尔滨 150080)
摘要
“五位一体”生态能源系统的研究是以日光节能温室为单元，以太阳能为主要动力，以沼气综合利用为纽带，以取得经济、生态和社会效益为目的的一种集约化农业生产模式。它能使能流、物流做到科学转换和高效利用，使经济、生态实现良性循环，足一种先进的农业生产方式。
关键词：农业工程；“五位一体”；理论研究；生态能源；节能日光温室；燃池；沼气池
1、引言
农业是国民经济的基础产业，保障农业的可持续发展和世界的食物安全是全球性的永恒主题。20世纪后半期，随着农业的高速发展、耕地和灌溉面积的扩大、物质与化学产品投入的大量增加以及各种能源的大量投入，造成了农业水土流失、生态环境恶化、生物品种减少的状况，引起了国际社会的严重关切。改变这一现状已成为推动技术创新、实现农业可持续发展的重要驱动力。
“五位一体”生态能源系统的研究是以日光节能温室为单元，以太阳能为主要动力，以沼气综合利用为纽带，以取得经济、生态和社会效益为目的的一种集约化农业生产模式。该工程依据生态学原理，将温室、猪舍、沼气池、厕所、太阳能热水器、节能炉具及节水灌溉等设施合理配置，把种植、养殖、生物质能转换、新能源开发、常规能源的节约与土肥等技术融于一体，使能流、物流做到科学转换和高效利用，使经济、生态实现良性循环。
2、国内外研究概况
2.1
国外概况
1975年，美国召开了能源发展会议，会议特别注重生物质能的开发与利用，同时也提出开发太阳能和风能的设想。美国在全国各地建立了一些综合能源自给示范农场，以实际行动探索能源自给的可能性。
1974年，
日本制定了新能源开发的“日光计划”。1984年8月，由日本产业技术审议会的节能技术开发部通过了有关节约能源技术政策的“月光计划”。这两个计划的共同目的在于：通过开发本国的新能源和制定节能技术措施，在一定的范围内解决生产和生活用能源。
自1985年起，联合国开发计划署开始在欧洲12个国家进行一项综合能源系统的试验，其目的是帮助这些国家改善农村能源的管理和解决能源供应问题。
2.2
国内概况
自改革开放以来，我国农村经济得到了迅速的发展，与此同时，也引起商品能源(煤炭、石油、电力)的消耗量猛增。譬如，1990年商品能源消费量为2.35亿t标煤、比1980年的1.0亿t年均增长10%多，而同期我国商品能源的产量年增5.3%。这说明，农村消费商品能源物质的利用和调控环境的能力将日益增强，从而导致基于传统能源利用思想的革命，将注入新能源开发与利用的技术思想扩展到养殖、种植、空间与立体的技术体系。例如在我国北方，以地膜覆盖为重要内容的旱作农业和塑料大棚+沼气+厕所+猪舍“四位一体”的生态农业模式取得了明显的效果；又如北京市留民营村“鸡(兔)—猪—沼气—菜(花)”的小型家庭式循环系统；在南方出现了江西赣州、广西恭城的“猪—沼—果”模式；再如南京古泉生态农场“种—养—沼气”三结合模式。
3、研究的主要内容
在一栋长55m、宽7m的日光节能温室一侧建6m×6m的猪舍，并在猪舍下面建一个容积为6~10m3的沼气池，燃池包在沼气池外围；在猪舍外面建一个1.5m×1.2m的室内厕所；厕所下水道和沼气池进料口相连接；在厕所上方设置一个小水箱用于洗浴、畜禽饮用及冲刷厕所；在太阳能工作间屋顶上安装1台太阳能热水器，供沼气池增温和农户洗浴之用，其余330m2的面积为温室；沼气池里安装换热器，利用循环泵把太阳能热水器中的热水输入换热器内，为沼气池增温，以利于料液降解和提高产气量；沼气池出料间安装1台污泥泵，用作搅拌和出料用；在距池底0.4m高度安装一个温度计，以观察池内温度。“五位一体”平面图如图1所示，“五位一体”剖面图如图2所示。
(1)温室：温室的使用而积为360m2，建筑面积为396.5m2。墙体围护结构为复合结构，骨架为钢骨架。
(2)沼气池：沼气池的建造除严格执行国标中的小型沼气池建设标准外，采取了保温、增温和搅拌3种措施。沼气池的池壁为砖砌体，池底和池顶采用现浇混凝土，池底下采用15~20cm的陶粒作保温层，沼气池壁周围用塑膜封闭的12cm厚苯板保温。增温采用太阳能热水器增温方法。加热过程通过太阳能热水器经沼气池内加热器完成。搅拌措施采用污泥泵在出料口和进料口之间循环完成。
(3)猪舍及厕所：猪舍建造在日光温室的一侧，其使用面积为30m2；在猪舍外边建一个1.5m×1.2m的室内厕所；厕所下水道和沼气池进料口相连接；在厕所上方设置一个小水箱用于洗浴、畜禽饮用及冲刷厕所。
(4)燃池：燃池为包围沼气池的圆形结构，他的净宽0.6m、高1.5m，是一种给沼气池增温的设施。燃料由外层向中心燃烧，是“反燃”的燃烧法，无烟且燃烧安全。其增温、除湿、节能效果明显，室内外温差可达25°~30℃，采暖效果明显。温室内陆温、气温稳定，地温普遍比普通温室高3°~5℃；温室除湿效果明显，夜间温室内湿度降低10%~20%左右。
4、效益分析
根据日光温室生产情况的统计，每平方米的毛收入40~60元。由于农村能源生态致富模式把能流和物流进行了合理转换，使温室内的生态环境良好，有利于蔬菜生长，按每平方米获利50元计算，则每栋获利16500元；沼气高效肥使蔬菜每千克增值0.3元，每栋温室年产蔬菜7000kg，则每栋温室年增净效益为7000×0.3＝2100元。养猪效益为：每年饲养3茬猪，每茬16头猪，每头净效益为100元、100元／头×48头＝4800元。沼气池产生的沼气用于生活炊事，全年产气0.6×10×365＝2190m3，相当于2.19t煤，炉且热效率提高20%；每吨煤140元，则沼气的净效益为：
140×2.19×(+20%)＝368元。每栋每年节水40t，每吨0.5元，则节水效益为0.5×40＝20元／栋。
农村能源生态致富模式的总效益16500+2100+4800+368+20=23788(元)
5、研究的意义
(1)体现了能源的综合利用。农村能源生态致富模式充分利用太阳能和开发生物质能，实现了能源深度开发和综合利用，是一项技术集约化程度较高的先进农业生产致富技术。
(2)有效地进行有机废弃物处理与再生利用，采用厌氧技术使有机废弃物变废为宝，使之进入沼气池高温发酵产生一种清洁能源，作为农业的肥料、饲料和燃料。
(3)具有良好的经济、生态、环保效益。各种生物种群与生产、生活环境有机地结合在一起，增加了可再生能源的供应量，减少了二氧化碳和氮氧化物的排放，实现了农业可持续发展；水土流失状况得到有效控制，土壤有机质含量明显提高，生态环境趋向良性循环；农民人均收入有较大幅度提高，农民生活条件有较大改善，进一步促进了农村经济的发展。
(4)把沼气池建在温室内，解决了我国北方冬季不产气的问题。
(5)用燃池给沼气池增温，解决了我国北方冬季产气少的问题，实现了温室增温，为种植与养殖提供了适宜的生长环境。基于以上几点的讨论，开发“五位一体”生态能源系统
具有很好的现实意义。而把这种燃池用于沼气池的供暖系统中，又为生物质燃气的应用提供了一种新的模式，即一种环保的、可持续利用的、高品位的、高效率的能源利用的发展模式。
近年来，利用节能日光温室和大棚发展蔬菜、花卉及养猪生产在黑龙江省已很普遍，面积达3333.33hm2以上。但是，“五位一体”生态能源系统还是个新课题。目前，黑龙江省有“三位一体”、“四位一体”生态模式，尚无将燃池用于给沼气池增温的研究。利用节能4日光温室进行沼气池、燃池的开发，无疑为北方寒冷地区解决了沼气池冬季不产气或产气少的难题，可见“五位一体”生态能源系统项目具有很好的开发前景。 | 
