当前世界环境

介绍

在世界范围内，可再生能源在各国能源结构中的重要性日益提高。不断增长的人口加上对家庭和工业需求的不断增加，给能源部门带来了巨大的压力。全球变暖、臭氧层损耗、气候变化等环境问题;保证常规能源的利用，并强调在能源结构中需要清洁燃料。¹这个问题在印度这样的发展中经济体更为严重。印度是世界第二大人口大国，主要依靠煤炭能源。^2，3

可持续能源一直是减少常规能源负面影响的政策框架的主要必要条件。可再生能源，如太阳能、风能、生物质能、潮汐能、波浪能和地热能，可作为替代能源或与常规能源结合使用，以减少这些影响的程度。^4、5在印度，煤炭消费的增加对生态造成了重大影响，因为煤炭储量的开采和消费的残留物。此外，高灰分煤质量低劣也是造成周边地区空气污染恶化的原因之一。为了克服这些问题，利用基于其可用性的替代非常规资源是可行的解决方案。在印度的情景中，由于印度的全球太阳辐射事件在1200至2300千瓦时/米之间，因此大多数地区都有充足的太阳能²每年约有300个晴朗晴天。^{6, 7, 8, 9, 10, 11}

由于建筑物在其整个生命周期(建造、使用和拆除)中需要大量的能源投入，因此建筑物的能源消耗可能是优化消耗的可行领域。研究指出，全球30- 40%的能源是由建筑消耗的，而温室气体排放量的40- 50%是由建筑消耗的。通过选择合适的材料和技术，包括可再生能源和提高能源效率的电气设备，可以最大限度地减少建筑物的负足迹。通过这些主动和/或被动技术来优化能源消耗，从长远来看，可以节省能源，实现经济和环境的可持续性。^{12、13、14、15}

在各个领域开设各种课程的大学可以通过促进多学科研究来保护环境，在该领域发挥更大的作用。大学行政当局可透过鼓励学生采取政策，例如回收废物、节约能源、善用自然资源、加强绿化，以及在设计、建造及营运楼宇时采用环保原则，向学生宣传环境可持续发展的概念。^{16、17、18、19}Jain和Pant(2010)在印度新德里TERI大学进行的研究工作;通过对其校园的案例研究，提出了大学环境管理的模式。研究主要集中在考虑ISO 14001指南。在校园进行有效环境管理的工作中，确定的关键领域是废物管理和能源效率。^20.考虑到上述几点，目前的工作主要集中在优化JUET校园内名为Annapurna bhawan的建筑的能耗，该建筑用于为校园学生烹饪和提供食物。

研究区域

本文讨论的研究领域是由Jaiprakash Sewa Sansthan (JSS)建立的Jaypee工程技术大学(JUET)。JUET位于印度中央邦古纳区阿格拉-孟买国道上的Raghogarh。大学占地125英亩，校园内有学生宿舍和教职员工宿舍，可容纳3000多名学生。目前，学校在工程和科学领域开设了研究生、研究生和博士学位课程。由教学楼、居住区、食堂、购物中心和宿舍组成的大学建筑布局如图1所示。本研究考虑使用Annapurna bhawan(图1中表示为Mess)来优化利用生物质和太阳能的建筑能源利用，原因如下:

大学建筑的设计方式增强了自然通风和空气流动，为建筑公用事业提供了能源效率。此外，学校有更大的植物覆盖面积，雨水收集系统(通过湖泊收集各地的雨水，图1)，并在校园内再利用生活废水。

大学有三个用餐区，两个厨房(学生和工作人员分开使用)，产生食物垃圾(蔬菜和水果皮，丢弃的食物);此外，校园内的住宅区、蔬菜杂货店和咖啡馆增加了校园产生的大量有机废物，为生产性公用事业提供了好处。从不同来源产生的废物被分开收集，这提供了方便的废物分类的优点。

大学的烹饪模式大多是机械化的(能源耗尽)，突出了非传统能源替代的必要性。

该大学所在的地区被中央邦贸易和投资促进公司确定为太阳能发电的潜在地区，辐射范围为5.6- 5.8千瓦时/平方米/天，日照时间更长。²¹

图1:大学校园平面图 点击此处查看图

研究中提出了以下目标

分析JUET安纳普尔纳巴万现有能源利用情景;了解发展节能建筑的可行方案。

评估校园内产生的食物垃圾是否有潜力兴建沼气厂。

研究在适当的应用中利用太阳能的好处。

分析和比较所得结果，以决定发展节能建筑的可能选择。

方法

这项工作已广泛开展，如图2所示。

图2:采用的方法 在研究中 点击此处查看图

样品收集

在居民区，固体废物每天早上挨家挨户收集。从不同住宅区收集的废物在运输前被转移到大垃圾桶;在此节骨眼，通过将所有箱子倒在地上收集代表性样品;样品充分混合后。然后将样本分成四等分，再将四等分的样本分成四等分，得到代表性样本。如果有混乱，则在下午为学生准备餐后收集样本，其中包括准备早餐和午餐产生的食物垃圾。

图3:从居民区和学生食堂厨房收集垃圾 点击此处查看图

方法22

所有的废物样本立即分析，以确定在源头本身的废物组成，使用弹簧秤。对于从垃圾中收集的样本，进一步分析食物垃圾，以估计其特性，以便进行有益的处理和利用。对餐厨垃圾样品进行水分、pH、挥发分、固定碳等参数分析。

垃圾成分

通过从代表性样品中分离不同馏分并对这些馏分称重来分析单个成分。

水分含量

在1050℃烘箱干燥1小时后，以质量变化百分比来测定水分含量。

挥发分和固定碳含量

挥发分(和固定碳含量)由600℃时的燃烧损失测定⁰在马弗炉中加热两小时。通过去除挥发物后的可燃残留物来估算固定碳含量。

pH值

pH值测量采用数字pH计(玻璃电极)，将10g固体废物溶解于500ml蒸馏水中，静置5分钟。

数据收集

烹饪区(供学生和工作人员使用)被发现是食物浪费的主要来源，其形式是蔬菜皮、水果皮等。数据的收集跨度为一年，以适应学生在假期期间的数量变化。工作日平均每天生产100公斤，假期平均每天生产15公斤。从居民区来看，每天的食物浪费量约为100公斤。自助餐厅和蔬菜杂货店等来源每天提供少量。

为了了解利用太阳能应用的可行性，本研究采用了Pandey在研究区域收集的温度数据et al .,（2015）²⁶采用大学环境工程实验室现有的envitech风监测仪(wm271)。这些数据是作者全年每天收集的(每小时数据)。将收集到的数据应用于根据一年中温度为25的天数来估计晴天的天数^oC(此温度被认为是光伏组件在高于此值的温度下以其额定效率运行)。太阳能的转换是通过太阳能电池进行的，许多这样的电池连接在一起形成一个光伏组件。光伏组件可以是独立的、并网的或混合系统。将直流电转换成交流电需要逆变器。光伏组件的性能按照25℃的工作温度进行评级^oC, AM 1.5的光谱分布，入射太阳辐照度为100w /m²．²⁸

沼气设备

为此研制了沼气池，池筒容量为200升(如图4所示)。对滚筒进行了检查，以确保均匀的内表面，随后增加了进出口安排。在第一次试验中，测试分两次进行;沼气池是由从食堂、食堂、住宅区和蔬菜杂货店等来源收集的有机废物开始的，这些有机废物按发电量的比例收集(主要90%来自住宅区和食堂，10%来自杂货店和咖啡馆，各占同等数量)。在第二次试验中，只有主要由蔬菜和水果皮组成的废渣在消化池中进行厌氧消化。为使厌氧消化满意，固体浓度维持在每100份浆料9份。⁹每隔一天监测pH至24天，并采用注射器法评估沼气质量潜力。注射器法通过吸收CO来测定厌氧消化过程中产生的甲烷气体浓度₂氢氧化钠液体中的气体。每隔一天使用注射器定期收集样品，注射器的出口通过管连接到烧杯中的NaOH液体。吸收CO后剩余的气体体积₂估计为甲烷的体积。它还与火焰的亮度进行了检查，以了解甲烷气体的释放。²³在温度变化小且大部分时间处于室温的条件下，对反应器的性能进行了研究。

图4:厌氧消化器 用于研究 点击此处查看图

结果与讨论

废物样本分析

从居民区收集的废物样本的个别组成表明，有机废物的优势高达65%(如图5所示)。从垃圾中收集的样本主要由食物垃圾组成，其中蔬菜和水果皮的比例高达90%，仅观察到少量其他包装材料，塑料和纸张。

图5:住宅区产生的个别废物组成 点击此处查看图

从食堂采集的餐厨垃圾样本分析结果显示厌氧消化的可行性(如表1所示)，并将所得值与标准规定的理想范围进行比较。²⁴厌氧分解分酸生成和甲烷生成两个阶段进行。pH对于获得所需的结果起着重要的作用。²⁵观察到废物的pH值在中性范围内，为厌氧分解过程中的波动提供了最佳条件。

表1:食堂有机废弃物取样结果

厌氧消化器的工作

在研究中，pH通常是厌氧消化过程中的限制步骤，但在试验1中发现pH的影响更大，影响了过程的效率。结果表明，发酵8 d后，pH值由7.1降至5.2。即使在10天结束时，产生的气体仍显示出轻微的蓝色火焰，表明CO占主导地位₂气体。注射器检测结果也显示CO含量较高₂在那个时候。甲烷气体体积在14天后增加(即大于总气体释放量的50%)，在22天后下降。在试验2中，由于pH值波动较小，系统的效率有所提高。8天后，pH值从7.3变化到6.1，但在整个研究过程中，观察到的主要差异是甲烷气体的产量(即大于50%)，12天后观察到，从体积上看，与试验1相比，产气率要高得多。12天后，观察到明亮的火焰，注射器中的液位表明CO的吸收较少₂表明甲烷的成分更高。

造成沼气组成和pH值变化的主要原因是:在试验2中，从混乱中收集的废物完全由水果和蔬菜皮组成，而在试验1中，废物成分不同，除了果皮，包装食品，含有黄油，奶酪和其他惰性成分的废弃食品，如纸盘，包装盖子或塑料等。虽然垃圾处理只考虑食物垃圾的部分，但水分含量的变化和微量其他部分的存在;是影响厌氧分解速率的主要参数。该研究指出，通过对这些污染源实施双仓制，以减少其他成分的影响，有效利用是可行的。沼气池运行良好，保持最佳运行参数，可实现连续生产。

太阳能潜力

Pandey收集的数据结果et al。, (2015)²⁶建议平均值为6小时(温度25以上)^oC)在300个晴天被观察到。国家太阳辐射数据库收集的区域平均太阳辐射数据²⁷建议潜力为5.6- 5.8千瓦时每平方米。图6显示了所有月份的温度日变化，图中所示的数据是在每个月的第三周随机收集的。结果表明，全年温度相当有利，有利于生产利用。4月、5月和6月温度在25℃以上，利用潜力最大^o温度持续约8小时，而在11月至2月较冷的月份，这种情况最少。除了转换为电能外，还可以扩展到热水器、炊具等领域。

Annapurna bhawan的屋顶总面积为2378平方米，现场检查和测量表明，50-60%的面积可用于太阳能电池板安装(即1307.9平方米)。可用区域以黄色表示，未着色区域表示存在管道/机械等，如图7所示，蓝色和绿色阴影表示存在植被和喷泉。某些区域没有被认为是被水箱遮蔽的。研究估计，利用光伏组件每月可发电多达19,000台，从而节省能源和减少碳足迹。

图6:不同月份的日间气温变化26 点击此处查看图

图7:Annapurna bhawan上空可利用的屋顶面积 点击此处查看图

结论与讨论

本文概述了利用生物质能和太阳能将现有建筑改造成节能建筑的可行性。以下是研究得出的结论:

研究区温度是有效适用于太阳能和生物质能利用的有用参数。

目前，与传统液化石油气烹饪结合使用的节能设备有:洗碗机、切割机、研磨机、剥皮机、锅炉厂、杀虫机、烤面包机、烤箱、冷库等;这可以很好地补充沼气和太阳能电器，提供生态和经济效益。

从垃圾中产生的食物垃圾表明通过生化转化具有更高的可行性。在有利的操作参数(如pH值和水分含量)下，使用厌氧消化池进行生化转化可以显著减少建筑物中液化石油气的消耗。安装1000升容量的沼气厂将有助于每月更换4482.76升液化石油气，因此每月约节省141864.73印度卢比。

安装光伏组件的可用屋顶面积为1307.9 m²将有助于减少电力消耗每月约19015个单位。大学有独立的变电站;因此，太阳能光伏发电模块的合并可以直接连接到电网。在安纳普尔纳邦安装沼气和太阳能利用设备，每月节省约25万卢比(通过减少电力和液化石油气消耗)。

安装节能的被动式灯具进一步优化了电力消耗。采用这些做法可以带来资源的可持续利用、更好的环境质量、对学生的激励以及整体运营和维护成本的降低等优势。

建议

本研究讨论了可纳入发展节能建筑的可行方案。本研究没有考虑到以下几个方面，需要进一步研究:

选择合适的太阳能组件，提供广泛的应用，从太阳能炊具到热水器和发电，可以安装在建筑物及其方向。

被动式节能装置的范围及其提高能源效率的相关效益。

由于校园内植物覆盖面积较大，研究可以进一步扩展到利用某些类型的园林废物与食物废物结合作为生物消化原料。

考虑到季节变化，对大气温度对工艺参数的影响的理解可以很好地扩展本研究。

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