[發明專利]太陽能熱泵厭氧消化池加熱系統與運行控制方法

無效

• 申請號: 201210096826.3
• 申請日: 2012-04-05
• 公開（公告）號: CN102635978A
• 公開（公告）日: 2012-08-15
• 發明（設計）人: 石惠嫻;朱洪光;尚昱霖;胡美琴;黃超
• 申請（專利權）人: 同濟大學
• 主分類號: F25B30/06
• 分類號: F25B30/06;F24J2/00;F25B49/00;C12M1/107;C12Q3/00
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 張磊

技術領域

本發明屬于新能源開發與節能技術應用領域，具體涉及一種太陽能熱泵厭氧消化池加熱系統與運行控制方法。

背景技術

隨著經濟的快速發展，能源安全、氣候變暖、環境污染等問題日益嚴峻，使世界各國開始將目光聚集到新能源領域，積極探索可持續能源技術。沼氣作為一種綠色清潔可再生能源具有極大的開發利用潛力。

厭氧消化產沼氣技術作為一種生物質廢棄物利用技術，既可回收能源又可解決環境污染問題，因此受到了各國政府的高度重視。在我國，黨中央、國務院高度重視農村沼氣建設。2004年至2010年，連續7個中共中央一號文件都對加快農村沼氣發展提出了具體要求；2006年安排支持農村沼氣建設的財政資金超過15億元，2008年戶用沼氣池65億元，2009年在沼氣項目建設管理和配套產品招標工作中新增130億元。截至2009年8月，全國農村戶用沼氣己達3050萬戶，各類農業廢棄物處理沼氣工程3.95萬處。2010年，全國將有4000萬農戶用上沼氣，達到適宜農戶的30%?左右；規模化養殖場中的大中型沼氣工程總數達4700處左右，達適宜畜禽養殖場總數的39%左右。由此可以看出，厭氧消化產沼氣技術市場前景十分廣闊。

沼氣消化對溫度要求嚴格，在適宜的溫度范圍內才能達到較高的產氣率，溫度過低微生物活性降低，溫度過高微生物失活，都會導致產氣率降低，且對消化池內日溫度波動要求不大于3℃。沼氣消化溫度可以分為常溫消化（10-26℃）、中溫消化（28-38℃）和高溫消化（46-60℃）三個階段。對同一種沼氣原料在35℃?條件下一個月的沼氣產氣總量相當于15℃條件下12個月的產氣總量，而發酵溫度維持在55℃時沼氣的日產量約為35℃時的3-5倍。?因此，在環境溫度和進料溫度低于35℃或55℃時，為了維持消化物料溫度在消化最適溫度左右，提高沼氣產量，就需要補充大量的熱量，所以，大中型沼氣工程必須配備一套加熱系統。

目前，常見的沼氣池加熱方式有：燃池式加熱、電加熱、化石能源熱水鍋爐加熱、沼氣鍋爐加熱、沼氣發電余熱加熱、太陽能加熱和地源熱泵加熱等多種方式。燃池式加熱是一種設置在地下的進行燃料陰燃的地坑，這種方法的特點是一次性投入低質燃料即可燃燒一個冬季，無需人工管理，比較適用于戶用型沼氣工程；電加熱技術以消耗高品位電能為代價，節能性不高；化石能源熱水鍋爐污染環境，能量利用率低；沼氣鍋爐對設備和操作技術要求比較高；沼氣發電余熱加熱主要和沼氣熱電聯產工程結合，一般只應用于大型沼氣工程，應用于高溫消化出現余熱不足的情況；太陽能加熱系統是通過太陽能集熱系統完成熱能的采集和傳輸，該系統節能環保、操作簡單，可實現自動運行，但易受天氣狀況的影響，加熱不穩定；地源熱泵加熱具有很好的節能效果，但地源熱泵長期單一加熱模式的運行使得地下溫度降低，導致地源熱泵COP降低。可見，沒有一種加熱方式占有絕對的優勢，亟待開發一種經濟、環保、節能的加熱系統。

因此，探索一種高效、穩定、節能的加熱技術使得厭氧消化物料維持在適當的消化溫度，是目前厭氧消化工程化亟待解決的關鍵問題。

發明內容

本發明的目的在于將太陽能熱泵加熱技術應用到厭氧消化沼氣發酵工程中，并為其設計一套運行控制方法，便于操作和管理。

本發明將太陽能熱利用技術和熱泵技術結合起來，應用到厭氧消化沼氣發酵工程中，采用全玻璃真空管集熱器收集太陽能，熱泵機組提升低品位熱源為高品位熱，提出了可以實現太陽能直接加熱模式和太陽能熱泵加熱模式的厭氧消化池加熱系統。所提出的系統運行控制方法，解決了不同氣候條件下系統各模式自動切換最優運行問題，以達到整個系統運行的經濟、節能與高效運行，有助于推動沼氣工程的快速發展與產業化進程。

本發明提出的太陽能熱泵厭氧消化加熱系統，由太陽能集熱系統、熱泵低位熱源系統和厭氧消化池熱泵加熱系統組成，其中：

太陽能集熱系統由全玻璃太陽能真空管集熱器9、太陽能集熱器熱水循環泵10和蓄熱水箱6組成。蓄熱水箱第一出水口6c通過太陽能集熱器熱水循環泵10和管道連接全玻璃太陽能真空管集熱器9的進水口，全玻璃太陽能真空管集熱器9的出水口連接蓄熱水箱第一進水口6a，構成太陽能集熱水環路。