在我国寒冷的北方地区,冬季环境温度较低,产气量受温度的影响较大,产率较低,有时会出现不产气的情况甚至发酵罐冻裂。传统的沼气池埋在地下,建造麻烦、出料困难、搅拌困难且产气率也不高,这样制约了沼气发酵的推广。针对以上问题,本课题主要是从简单、便利、保温性能良好的角度结合利用太阳能增温保温措施设计了一套地上式户用太阳能沼气发酵系统。首先,基于呼浩特气象条件下,对沼气发酵系统进行了理论设计。依据农村一家五口人用气量需求设计了容积为31.5m的沼气池,计算了系统在冬季运行且发酵温度达30℃时,池体总的热负荷及匹配的太阳能集热器面积、换热盘管的面积。然后利用数值模拟的方法对换热盘管在沼气池内的布置方式进行了优化设计,应用Fulent软件模拟了在重力影响下换热器加热沼气池的温度分布特性,研究了三种布置方式的盘管对温度场的影响,结果表明分段相间布置且底部加密的盘管要比其他方式加热速度快且池内温度分布更均匀。基于理论设计和优化的基础上,建设了沼气发酵系统实验台,对分段相间且底部加密布置盘管加热沼气池的模拟进行了实验验证。结果显示,二者结果基本吻合,变化趋势相仿。固模拟计算值可信。为今后换热器优化提供了一种可靠的数值模拟方法。最后将发酵系统装置置于冬季环境进行试验研究,通过测试分析实际运行过程中系统各部分温度的变化规律,得出:恒温阶段,在晴天池内温度基本在2℃范围内波动。符合沼气发酵温度不可波动太大的要求。在连续两天的阴天情况下,池内温度虽在不断下降,但在一天内温度下降也在2℃范围,对产气效果不会造成太大影响。因此只要不遇上连续的阴天天气或极端恶劣的天气情况,发酵池内料液温度不会波动太大,能够使发酵温度稳定在一定的范围。说明发酵系统的加热效果、保温效果良好,有较强的抗环境干扰力。本系统可以保证沼气发酵在冬季正常运行,如果想要使系统在更加稳定的温度条件下运行,需在恶劣环境情况下增加保温措施或增加其他的辅助加热。