[發(fā)明專利]太陽能-地源熱泵耦合式沼氣池供暖系統(tǒng)及運(yùn)行控制方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201010272846.2
• 申請(qǐng)日: 2010-09-02
• 公開（公告）號(hào): CN101974415A
• 公開（公告）日: 2011-02-16
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 石惠嫻;朱洪光;雷勇;裴曉梅;張迪
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 同濟(jì)大學(xué)
• 主分類號(hào): C12M1/36
• 分類號(hào): 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

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于新能源開發(fā)應(yīng)用領(lǐng)域，涉及的是一種供熱系統(tǒng)，具體涉及一種是將太陽能-地源熱泵耦合式沼氣池供暖系統(tǒng)及運(yùn)行控制方法。

背景技術(shù)

化石能源的漸趨枯竭，使得世界上很多國家開始將目光聚集到新生能源領(lǐng)域。厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣技術(shù)作為一種生物質(zhì)廢棄物利用方式，即可回收能源又可解決環(huán)境污染問題，因此受到了各國政府的高度重視。在我國，到2005年底，全國戶用沼氣達(dá)到1800萬戶，年生產(chǎn)沼氣約69億立方米。同時(shí)，已建養(yǎng)殖場沼氣工程3500處，全國已建成的大中型沼氣工程700處。

然而，目前沼氣工程產(chǎn)業(yè)化還面臨著諸多難題，其中最大的難題之一是如何保證冬季低溫環(huán)境下正常、滿負(fù)荷產(chǎn)氣。沼氣常溫發(fā)酵需要在15℃以上，中溫發(fā)酵需要在35℃上下，高溫發(fā)酵需要在55℃上下。研究表明：對(duì)同一種沼氣原料在35℃條件下一個(gè)月的沼氣產(chǎn)氣總量相當(dāng)于15℃條件下12個(gè)月的產(chǎn)氣總量。因此，適宜的溫度是保證沼氣發(fā)酵工藝高效穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。目前，我國大中型沼氣工程基本上都采用中溫發(fā)酵工藝，即維持發(fā)酵池內(nèi)溫度在35±2℃范圍內(nèi)。

為維持發(fā)酵池內(nèi)溫度在35±2℃范圍內(nèi)，往往需要對(duì)沼氣工程配備一套加溫系統(tǒng)。目前，常見的沼氣池加溫方式有：燃池式加溫、電加熱、化石能源熱水鍋爐加熱、沼氣鍋爐加溫、沼氣發(fā)電余熱加溫、太陽能加熱和地源熱泵加熱等多種方式。燃池式加溫是一種設(shè)置在地下的進(jìn)行燃料陰燃的地坑，這種方法的特點(diǎn)是一次性投入低質(zhì)燃料即可燃燒一個(gè)冬季，無需人工管理，比較適用于戶用型沼氣工程；電加溫技術(shù)以消耗高品位電能為代價(jià)，節(jié)能性不高；化石能源熱水鍋爐污染環(huán)境，能量利用率低；沼氣鍋爐對(duì)設(shè)備和操作技術(shù)要求比較高；沼氣發(fā)電余熱加溫主要和沼氣熱電聯(lián)產(chǎn)工程結(jié)合，一般只應(yīng)用于大型沼氣工程；太陽能加溫系統(tǒng)是通過太陽能集熱系統(tǒng)完成熱能的采集和傳輸，該系統(tǒng)節(jié)能環(huán)保、操作簡單，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)運(yùn)行，但易受天氣狀況的影響，加熱不穩(wěn)定；地源熱泵加溫具有很好的節(jié)能效果，但地源熱泵長期單一加熱模式的運(yùn)行使得地下溫度降低，導(dǎo)致地源熱泵COP降低。

綜合比較現(xiàn)有的沼氣池加溫技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，本發(fā)明公開了一種太陽能-地源熱泵耦合式沼氣池供暖系統(tǒng)，并對(duì)該系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)及運(yùn)行控制方法進(jìn)行了闡述。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種多模式自動(dòng)切換運(yùn)行的太陽能-地源熱泵耦合式沼氣池供暖系統(tǒng)及運(yùn)行控制方法。

本發(fā)明從能源梯級(jí)利用和系統(tǒng)能效系數(shù)(COPs)最大化出發(fā)，將太陽能集熱技術(shù)與地源熱泵技術(shù)有效的結(jié)合起來，以解決單一的太陽能加溫系統(tǒng)在陰雨天、冬天不能滿足沼氣池加溫要求的問題，以及單一的地源熱泵系統(tǒng)常年運(yùn)行引起的地下溫度降低、系統(tǒng)性能系數(shù)降低等問題。所提出的耦合系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)與運(yùn)行控制方法，很好的解決了太陽能集熱面積與熱泵裝機(jī)容量優(yōu)化匹配問題、不同氣候條件下耦合系統(tǒng)各模式自動(dòng)切換最優(yōu)運(yùn)行問題，以達(dá)到整個(gè)系統(tǒng)從設(shè)計(jì)到運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)、節(jié)能、環(huán)保的目的。

本發(fā)明提出的一種太陽能-地源熱泵耦合式沼氣池供暖系統(tǒng)，由太陽能集熱系統(tǒng)、熱泵系統(tǒng)、沼氣池加溫系統(tǒng)和太陽能地下蓄熱系統(tǒng)組成，其中：

太陽能集熱系統(tǒng)包括太陽能全玻璃真空管集熱器6、中轉(zhuǎn)蓄熱水箱7和集熱器熱水循環(huán)泵9，中轉(zhuǎn)蓄熱水箱第一出水口7a與集熱器熱水循環(huán)泵9的輸入端相連，集熱器熱水循環(huán)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(zhuǎn)蓄熱水箱第一進(jìn)水口7b，構(gòu)成太陽能集熱環(huán)路；

熱泵系統(tǒng)包括熱泵主機(jī)3、U型地埋管換熱器23、中轉(zhuǎn)蓄熱水箱7和熱泵低溫側(cè)循環(huán)泵12，熱泵主機(jī)蒸發(fā)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(jìn)水管相連，U型地埋管換熱器23的回水管通過電動(dòng)三通閥13連接熱泵低溫側(cè)循環(huán)泵12的輸入端，熱泵低溫側(cè)循環(huán)泵12的輸出端連接熱泵主機(jī)蒸發(fā)器4的進(jìn)水口，構(gòu)成熱泵第一低溫?zé)嵩喘h(huán)路；另一路通過第二電磁閥15連接中轉(zhuǎn)蓄熱水箱第二出水口7c，中轉(zhuǎn)蓄熱水箱第二進(jìn)水口7d通過電動(dòng)三通閥13連接熱泵低溫側(cè)循環(huán)泵12的輸入端，構(gòu)成熱泵第二低溫?zé)嵩喘h(huán)路；