[發明專利]太陽能-地源熱泵耦合式沼氣池供暖系統及運行控制方法

有效

• 申請號: 201010272846.2
• 申請日: 2010-09-02
• 公開（公告）號: CN101974415A
• 公開（公告）日: 2011-02-16
• 發明（設計）人: 石惠嫻;朱洪光;雷勇;裴曉梅;張迪
• 申請（專利權）人: 同濟大學
• 主分類號: C12M1/36
• 分類號: C12M1/36;C12M1/34;C12M1/107;F24J2/05;F24J2/34;F24J2/40;F24H4/02
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 張磊

1.一種太陽能-地源熱泵耦合式沼氣池供暖系統，其特征在于：由太陽能集熱系統、熱泵系統、沼氣池加溫系統和太陽能地下蓄熱系統組成，其中：

太陽能集熱系統包括太陽能全玻璃真空管集熱器(6)、中轉蓄熱水箱(7)和集熱器熱水循環泵(9)，中轉蓄熱水箱第一出水口(7a)與集熱器熱水循環泵(9)的輸入端相連，集熱器熱水循環泵(9)的輸出端連接太陽能全玻璃真空管集熱器(6)的輸入端，太陽能全玻璃真空管集熱器(6)的輸出端連接中轉蓄熱水箱第一進水口(7b)，構成太陽能集熱環路；

熱泵系統包括熱泵主機(3)、U型地埋管換熱器(23)、中轉蓄熱水箱(7)和熱泵低溫側循環泵(12)，熱泵主機蒸發器(4)出水口通過第二止回閥(22)后分為兩路，一路通過第一電磁閥(14)與U型地埋管換熱器(23)的進水管相連，U型地埋管換熱器(23)的回水管通過電動三通閥(13)連接熱泵低溫側循環泵(12)的輸入端，熱泵低溫側循環泵(12)的輸出端連接熱泵主機蒸發器(4)的進水口，構成熱泵第一低溫熱源環路；另一路通過第二電磁閥(15)連接中轉蓄熱水箱第二出水口(7c)，中轉蓄熱水箱第二進水口(7d)通過電動三通閥(13)連接熱泵低溫側循環泵(12)的輸入端，構成熱泵第二低溫熱源環路；

沼氣池加溫系統包括發酵池(1)、盤管換熱器(2)、熱泵主機(3)、中轉蓄熱水箱(7)、第一加熱循環泵(10)和第二加熱循環泵(11)，盤管換熱器(2)布置在發酵池(1)的四周池壁及池底，中轉蓄熱水箱第二出水口(7c)連接第一加熱循環泵(10)的輸入端，第一加熱循環泵(10)的輸出端通過第三電磁閥(16)連接盤管換熱器(2)的進水口，盤管換熱器(2)的出水口通過第四電磁閥(17)連接中轉蓄熱水箱第二進水口(7d)，構成第一加熱環路；熱泵主機冷凝器(5)的出水口通過第一止回閥(19)連接盤管換熱器(2)的進水口，盤管換熱器(2)的出水口通過第五電磁閥(18)連接第二加熱循環泵(11)的輸入端，第二加熱循環泵(11)的輸出端連接熱泵主機冷凝器(5)的進水口，構成第二加熱環路；中轉蓄熱水箱(7)第二出水口(7c)連接第二加熱環泵(11)的輸入端，第二加熱循環泵(11)的輸出端連接熱泵主機冷凝器(5)的進水口，熱泵主機冷凝器(5)的出水口連接盤管換熱器(2)的進水口，盤管換熱器(2)的出水口通過第四電磁閥(17)連接中轉蓄熱水箱(7)的第二進水口(7d)，構成第三加熱環路；

太陽能地下蓄熱系統包括第一加熱循環泵(10)、U型地埋管換熱器(23)、中轉蓄熱水箱(7)，中轉蓄熱水箱第二出水口(7c)與第一加熱循環泵(10)的輸入端相連，第一加熱循環泵(10)的輸出端依次通過第七電磁閥(21)、第一電磁閥(14)與U型地埋管換熱器(23)的進水口相連，U型地埋管換熱器(23)的出水口經過電動三通閥(13)接到中轉蓄熱水箱第二進水口(7d)，形成一個閉合的太陽能地下蓄熱回路。

2.根據權利要求1所述的太陽能-地源熱泵耦合式沼氣池供暖系統，其特征在于太陽能全玻璃真空管集熱器(6)的聯集箱末端安裝有第一溫度傳感器(24)，中轉蓄熱水箱(7)中部裝有第二溫度傳感器(25)，發酵池(1)中部一側裝有第三溫度傳感器(26)，U型地埋管換熱器(23)一側回水干管上裝有第四溫度傳感器(27)。

3.根據權利要求1所述的太陽能-地源熱泵耦合式沼氣池供暖系統，其特征在于中轉蓄熱水箱(7)底部連接有定壓膨脹罐(8)和排污管。

4.一種權利要求1所述的太陽能-地源熱泵耦合式沼氣池供暖系統的運行控制方法，其特征在于所述系統有五種運行模式，分別為：太陽能直接供暖模式、太陽能-地源熱泵串聯供暖模式、太陽能熱泵供暖模式、地源熱泵單獨供暖模式和太陽能地下蓄熱模式；其中：

(1)太陽能直接供暖模式

當發酵池(1)內溫度低于32℃，且中轉蓄熱水箱(7)中水溫高于50℃時，系統按照太陽能直接供暖模式運行，第三電磁閥(16)、第四電磁閥(17)開啟，其余的電磁閥關閉，第一加熱循環泵(10)開啟，其余設備關閉；通過第一加熱環路，即：水流依次經過中轉蓄熱水箱(7)的第二出水口(7c)，第一加熱循環泵(10)、第三電磁閥(16)、盤管換熱器(2)、第四電磁閥(17)，最后經中轉蓄熱水箱(7)的第二進水口(7d)回到中轉蓄熱水箱(7)，使得發酵池(1)內溫度達到設計要求，當發酵池(1)內溫度高于37℃或中轉蓄熱水箱(7)中水溫低于45℃，該模式停止運行；

(2)太陽能-地源熱泵串聯供暖模式

當發酵池(1)內溫度低于32℃，且中轉蓄熱水箱(7)中水溫低于45℃而高于30℃時，系統按照太陽能-地源熱泵串聯供暖模式運行，第一電磁閥(14)、第四電磁閥(17)、第六電磁閥(20)開啟，其余電磁閥關閉，電動三通閥(13)導向連接U型地埋管換熱器(23)一側，第二加熱循環泵(11)、熱泵低溫側循環泵(12)開啟，熱泵主機(3)開啟，熱泵主機(3)的低溫側按照權利要求1所述的第一低溫熱源環路運行，熱泵主機(3)的高溫側則按照權利要求1所述的第三加熱環路運行為沼氣池加熱；當發酵池內溫度高于37℃，停止加熱，關閉對應的電磁閥、水泵及熱泵機組；

(3)太陽能熱泵供暖模式

當發酵池(1)內溫度低于32℃，且中轉蓄熱水箱(7)中水溫低于30℃而高于U型地埋管換熱器(23)回水溫度時，系統按照太陽能熱泵供暖模式運行，即：太陽能制備的低溫熱水當做熱泵的低位熱源使用，通過熱泵機組制備高溫熱水為沼氣發酵池供暖，第二電磁閥(15)、第五電磁閥(18)開啟，電動三通閥(13)由中轉蓄熱水箱第二進水口(7d)連通至熱泵低溫側循環泵(12)的輸入端，第二加熱循環泵(11)、熱泵低溫側循環泵(12)開啟，熱泵主機開啟；熱泵主機的低溫側按照權利要求1所述的第二低溫熱源環路運行，而熱泵主機的高溫側則按照權利要求1所述的第二加熱環路運行為沼氣池加熱。當發酵池內溫度高于37℃，停止加熱，關閉對應的電磁閥、水泵及熱泵機組；

(4)地源熱泵供暖模式

發酵池(1)內溫度低于32℃且中轉蓄熱水箱(7)中水溫低于U型地埋管換熱器(23)回水溫度時，系統按照地源熱泵供暖模式運行。在該模式下，第一電磁閥(14)、第五電磁閥(18)開啟，電動三通閥(13)由U型地埋管換熱器(23)的出口連通至熱泵低溫側循環泵(12)的輸入端，第二加熱循環泵(11)、熱泵低溫側循環泵(12)開啟，熱泵主機(3)開啟；熱泵系統的低溫側按照權利要求1所述的第一低溫熱源環路運行，而熱泵主機的高溫側則按照權利要求1所述的第二加熱環路運行為沼氣池加熱；當發酵池內溫度高于37℃，停止加熱，關閉對應的電磁閥、水泵及熱泵機組；

(5)太陽能地下蓄熱模式

發酵池(1)內溫度高于35℃且中轉蓄熱水箱(7)中水溫高于70℃時，系統按照太陽能地下蓄熱模式運行，第一電磁閥(14)、第七電磁閥(21)開啟，電動三通閥(13)由U型地埋管換熱器(23)的出口連通至中轉蓄熱水箱第二進水口(7d)，第一加熱循環泵(7)開啟；在該模式下，通過U型地埋管換熱器(23)將中轉蓄熱水箱(7)中的熱量轉移至地下儲存，當中轉蓄熱水箱(7)中的水溫降低至50℃時，停止該模式的運行，關閉相應的閥門與水泵。