专利名称：太阳能热泵厌氧消化池加热系统与运行控制方法
技术领域：
本发明属于新能源开发与节能技术应用领域，具体涉及一种太阳能热泵厌氧消化池加热系统与运行控制方法。
背景技术：
随着经济的快速发展，能源安全、气候变暖、环境污染等问题日益严峻，使世界各国开始将目光聚集到新能源领域，积极探索可持续能源技术。沼气作为一种绿色清洁可再生能源具有极大的开发利用潜力。厌氧消化产沼气技术作为一种生物质废弃物利用技术，既可回收能源又可解决环境污染问题，因此受到了各国政府的高度重视。在我国，党中央、国务院高度重视农村沼气建设。2004年至2010年，连续7个中共中央一号文件都对加快农村沼气发展提出了具体要求；2006年安排支持农村沼气建设的财政资金超过15亿元，2008年户用沼气池65亿元，2009年在沼气项目建设管理和配套产品招标工作中新增130亿元。截至2009年8月，全国农村户用沼气己达3050万户，各类农业废弃物处理沼气工程3. 95万处。2010年，全国将有4000万农户用上沼气，达到适宜农户的30%左右；规模化养殖场中的大中型沼气工程总数达4700处左右，达适宜畜禽养殖场总数的39%左右。由此可以看出，厌氧消化产沼气技术市场前景十分广阔。沼气消化对温度要求严格，在适宜的温度范围内才能达到较高的产气率，温度过低微生物活性降低，温度过高微生物失活，都会导致产气率降低，且对消化池内日温度波动要求不大于3°C。沼气消化温度可以分为常温消化(10-26°C )、中温消化(28-38°C )和高温消化(46-60°C)三个阶段。对同一种沼气原料在35°C条件下一个月的沼气产气总量相当于15°C条件下12个月的产气总量,而发酵温度维持在55°C时沼气的日产量约为35°C时的3-5倍。因此，在环境温度和进料温度低于35°C或55°C时，为了维持消化物料温度在消化最适温度左右，提高沼气产量，就需要补充大量的热量，所以，大中型沼气工程必须配备一套加热系统。目前，常见的沼气池加热方式有燃池式加热、电加热、化石能源热水锅炉加热、沼气锅炉加热、沼气发电余热加热、太阳能加热和地源热泵加热等多种方式。燃池式加热是一种设置在地下的进行燃料阴燃的地坑，这种方法的特点是一次性投入低质燃料即可燃烧一个冬季，无需人工管理，比较适用于户用型沼气工程；电加热技术以消耗高品位电能为代价，节能性不高；化石能源热水锅炉污染环境，能量利用率低；沼气锅炉对设备和操作技术要求比较高；沼气发电余热加热主要和沼气热电联产工程结合，一般只应用于大型沼气工程，应用于高温消化出现余热不足的情况；太阳能加热系统是通过太阳能集热系统完成热能的采集和传输，该系统节能环保、操作简单，可实现自动运行，但易受天气状况的影响，力口热不稳定；地源热泵加热具有很好的节能效果，但地源热泵长期单一加热模式的运行使得地下温度降低，导致地源热泵COP降低。可见，没有一种加热方式占有绝对的优势，亟待开发一种经济、环保、节能的加热系统。
因此，探索一种高效、稳定、节能的加热技术使得厌氧消化物料维持在适当的消化温度，是目前厌氧消化工程化亟待解决的关键问题。
发明内容
本发明的目的在于将太阳能热泵加热技术应用到厌氧消化沼气发酵工程中，并为其设计一套运行控制方法，便于操作和管理。本发明将太阳能热利用技术和热泵技术结合起来，应用到厌氧消化沼气发酵工程中，采用全玻璃真空管集热器收集太阳能，热泵机组提升低品位热源为高品位热，提出了可以实现太阳能直接加热模式和太阳能热泵加热模式的厌氧消化池加热系统。所提出的系统运行控制方法，解决了不同气候条件下系统各模式自动切换最优运行问题，以达到整个系统运行的经济、节能与高效运行，有助于推动沼气工程的快速发展与产业化进程。本发明提出的太阳能热泵厌氧消化加热系统，由太阳能集热系统、热泵低位热源系统和厌氧消化池热泵加热系统组成，其中
太阳能集热系统由全玻璃太阳能真空管集热器9、太阳能集热器热水循环泵10和蓄热水箱6组成。蓄热水箱第一出水口 6c通过太阳能集热器热水循环泵10和管道连接全玻璃太阳能真空管集热器9的进水口，全玻璃太阳能真空管集热器9的出水口连接蓄热水箱第一进水口 6a，构成太阳能集热水环路。热泵低位热源系统由蓄热水箱6、热泵机组蒸发器侧循环泵11、板式换热器8、板式换热器循环泵14和热泵机组蒸发器5组成。蓄热水箱第二出水口 6b通过板式换热器循环泵14和管道连接板式换热器热端入口 8a，板式换热器热端出口 Sc连接蓄热水箱第二进水口 6d，构成板换循环环路；板式换热器冷端出口 8d通过第一电磁阀15、热泵机组蒸发器侧循环泵11和管道连接热泵机组蒸发器5的入口，热泵机组蒸发器5的出口连接板式换热器冷端入口 Sb，构成热泵低位热源环路。厌氧消化池热泵加热系统包括厌氧消化池I、位于厌氧消化池I内的盘管换热器
2、热泵机组3、蓄热水箱6、热泵机组冷凝器侧循环泵12和厌氧消化池加热循环泵13。厌氧消化池加热系统包括两个加热环路，第一个加热环路水流方向板式换热器冷端出口 8d通过第三电磁阀17、太阳能直供泵13、盘管换热器2、第四电磁阀18和管道连接板式换热器冷端入口 Sb ;第二个加热环路水流方向热泵机组冷凝器4出口依次通过盘管换热器2、第二电磁阀16、热泵机组冷凝器侧循环泵12和管道连接热泵机组冷凝器4进口。本发明中，全玻璃太阳能集热器9由若干组集热器模块组成；位于全玻璃太阳能集热器9末端的联集箱内安装有第一温度传感器21，用以测量太阳能集热器内瞬时温度；蓄热水箱6中部装有第二温度传感器22，用以测量蓄热水箱内的瞬时温度；厌氧消化池I中部装有第三温度传感器23，用以测量发酵池内的瞬时温度；在发酵池附近外界环境中设有第四温度传感器24，用以测量环境温度。本发明中，蓄热水箱6底部连接有排污管和截止阀20，蓄热水箱6通过顶部浮球阀19自动控制系统补水。本发明中，厌氧消化池I和蓄热水箱6外均设有保温材料，保证每天即使不加热，发酵池和蓄热水箱内温度下降不会超过3°C。本发明中，厌氧消化池I内的盘管换热器2管材为耐腐蚀性强，导热性能好的PE、管。本发明提出的太阳能温度热泵厌氧消化加热系统的运行控制方法，所述太阳能集热系统的运行采用温差控制法，当第一温度传感器21与第二温度传感器22的温差大于5°C时，太阳能集热器热水循环泵10开启，当第一温度传感器26与第二温度传感器27的温差小于2°C时，太阳能集热器热水循环泵10停止；根据第二温度传感器22、第三温度传感器23和第四温度传感器24的温度值，控制2种不同的加热模式，其中
1.太阳能直接加热模式
当蓄热水箱6中的第二温度传感器22温度大于35°C，且与厌氧消化池I中的第三温度传感器23温差大于8°C，系统按照太阳能直接加热模式运行；此时，第三电磁阀17和第四电磁阀18开启，其余电磁阀关闭；太阳能集热器热水循环泵10和太阳能直供泵13开启；其余设备全关闭；当蓄热水箱6中的第二温度传感器22温度低于30°C，或者与厌氧消化池I中的第三温度传感器23温差小于5°C，该加热模式停止运行；
2.太阳能热泵加热模式
当蓄热水箱6中的第二温度传感器22温度高于15°C，低于30°C，且设定的发酵温度(一般中温发酵为35°C)与厌氧消化池I中的第四温度传感器23的温差高于2°C开启太阳能热泵加热模式；此时，第一电磁阀15、第二电磁阀16，太阳能集热器热水循环泵10、板式换热器循环泵14、热泵机组冷凝器侧循环泵12、热泵机组蒸发器侧循环泵11和热泵机组3开启，其他设备都关闭；当蓄热水箱6中的第二温度传感器22低于10°C，或者厌氧消化池I中的第四温度传感器23的温度与设定的发酵温度的温差高于2°C，此加热模式停止运行。本发明的优点
I)本发明将热泵技术和太阳能热利用技术有效的结合起来，并应用在厌氧消化沼气发酵工程中，非常符合消化池常年需要加热的特点，最大化的利用了太阳能，能够显著的提高热泵机组和加热系统的制热效率，达到显著的节能作用。2)本发明中，将太阳能的热量存储在蓄热水箱中，可以弥补太阳能不稳定，易受天气情况影响的缺陷，延长了太阳能热泵的运行时间，增加了系统的稳定性和可靠性。3)本发明中，对消化池、蓄热水箱、管路都进行了保温，可以很大程度上减少消化系统的热负荷，进而可以减小太阳能集热器集热面积、热泵的装机容量和加热系统的运行费用。4)本发明提出的太阳能热泵厌氧消化加热系统及运行控制方法为厌氧消化提供一种节能、环保、经济的加热方式，可以实现沼气工程的自动控制与无人管理，减少人力投资，有助有推动沼气工程的快速发展与产业化进程。
图I为本发明太阳能热泵厌氧消化加热系统组成结构示意图。图中标号1为厌氧消化池，2为盘管换热器，3为热泵机组，4为热泵机组冷凝器，5为热泵机组蒸发器，6为蓄热水箱，6a为蓄热水箱第一进水口，6b为蓄热水箱第二出水口，6c为蓄热水箱第一出水口，6d为蓄热水箱第二进水口，7为定压罐,8为板式换热器,8a为板式换热器热端入口，8b板式换热器冷端入口，8c为板式换热器热端出口，8d板式换热器冷端出口口，9为全玻璃太阳能真空管集热器，10为太阳能集热器热水循环泵，11为热泵机、组蒸发器侧循环泵，12为热泵机组冷凝器侧循环泵，13为太阳能直供泵，14为板式换热器循环泵，15、16、17、18分别为第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、第四电磁阀，19为浮球阀，20为排污阀，21、22、23和24分别为第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器和第四温度传感器。
具体实施例方式下面结合附图I和附图2对本发明的具体实施方式
作进一步描述
实施例I :本实例采用的厌氧消化池I有效容积15m3。池体为圆柱形，有效容积15m3，内部尺寸为(直径X高度)Φ2. 76m X 2. 52m，池壁和池底为厚5mm的碳钢，在池底采用厚度为50mm的挤塑聚苯乙烯泡沫板(XPS)，在池壁采用厚度为50mm的PE保温板保温隔热材料。 消化池顶部覆盖专用沼气顶膜保温，覆盖面为7m2。沿厌氧消化池I内壁和池底铺设加热盘管换热器2，盘管换热器2采用Φ 20 X 2. O的PERT管材，分三组，盘管总长120m，盘管间距150mm。为了加快料液热传递，改善加热效果，在厌氧消化池I上下部分别安装了搅拌装置。在厌氧消化池I 一侧壁中间距池底高O. 5m处安装一台搅拌机，在厌氧消化池另一侧距顶O. 7m处安装一台搅拌机。搅拌机的参数是额定功率I. lkw，额定工作频率是50Hz，转速1400r/min。二级消化池中部安装Φ 25 X 2. O的PERT管60m，换热温差10°C时换热量约为5kW。本实例采用3个模块串联组成采光面积约为Sm2太阳能集热装置，每个全玻璃太阳能真空管集热器9由型号Φ58Χ2000 (外径X长度)全玻璃太阳能真空管33根组成。太阳能蓄热水箱6采用容积为Im3的双层不锈钢聚氨酯发泡保温水箱。所选的热泵机组3为水-水式热泵机组型号MSRL024WH(L)C，额定制热量6. 9kW，额定制热输入功率为I. 9kff,制冷剂为R22，最高出水温度可以达到50°C。如图I所述，上述主要设备组成的太阳能热泵厌氧消化加热系统，由太阳能集热系统、热泵低位热源系统和厌氧消化池加热系统组成，具体如下
太阳能集热系统由全玻璃太阳能真空管集热器9、太阳能集热器热水循环泵10和蓄热水箱6组成。系统流程蓄热水箱第一出水口 6c与太阳能集热器热水循环泵10的输入端相连，太阳能集热器热水循环泵10的输出端连接全玻璃太阳能真空管集热器9的输入端,全玻璃太阳能真空管集热器9的输出端连接蓄热水箱第一进水口 6a，构成太阳能集热环路。太阳能集热器热水循环泵10从蓄热水箱6c吸取水进入到太阳能真空管集热器9中被加热后，从蓄热水箱上部第一入口 6a进入到蓄热水箱，如此循环制取高温热水。热泵低位热源系统由蓄热水箱6、热泵机组蒸发器侧循环泵11、板式换热器8、板式换热器循环泵14和热泵机组蒸发器5组成。蓄热水箱6的顶部装有浮球阀19，可以自动对蓄热水箱进行补水；蓄热水箱6的底部装有排污管与截止阀20，平时关闭阀门，需要排水和排污时打开阀门。板换循环环路依次通过蓄热水箱第二出水口 6b、板式换热器循环泵14、板式换热器热端入口 8a,板式换热器热端出口 8c、蓄热水箱第二进水口 6d。热泵低位热源环路依次通过板式换热器冷端出口 8d、第一电磁阀15、热泵机组蒸发器侧循环泵11、热泵机组蒸发器5，最后再回到板式换热器冷端入口 Sb。通过蓄热水箱6可以将白天用不了的太阳能蓄存起来，到晚上或者阴雨天时可以继续开启热泵进行加热；通过板式换热器可以将太阳能制取的热水中的热量传给热泵蒸发器，保证了热泵加热系统的正常运行。
厌氧消化池加热系统包括厌氧消化池I、盘管换热器2、热泵机组3、蓄热水箱6、热泵机组冷凝器侧循环泵12和太阳能直供泵13。厌氧消化池加热系统包括两个加热环路。第一个加热环路水流方向板式换热器冷端出口 8d、第三电磁阀17、太阳能直供泵13、盘管换热器2、第四电磁阀18、板式换热器冷端入口 Sb。第二个加热环路水流方向热泵机组冷凝器4、盘管换热器2、第二电磁阀16、热泵机组冷凝器侧循环泵12、热泵机组冷凝器4。太阳能集热系统运行采用温差控制法，太阳能全玻璃真空管集热器9联集箱的末端安装第一温度传感器21，蓄热水箱6中部装有第三温度传感器22。第一温度传感器21与第二温度传感器22的温差大于5°C时，太阳能集热器热水循环泵10开启，当二者的温差小于2°C时太阳能集热器热水循环泵10停止。 太阳能热泵厌氧消化加热系统的运行控制方法，主要是根据第二温度传感器22、第三温度传感器23和第四温度传感器24的温度值，控制2种不同的加热模式，其中
I、太阳能直接加热模式
当蓄热水箱6中的第二温度传感器22温度大于35°C，且与厌氧消化池I中的第三温度传感器23温差大于8°C，系统按照太阳能直接加热模式运行。此时，第三、四电磁阀17和18开启，其他的电磁阀关闭；太阳能循环泵10和太阳能直供泵13开启；其余设备全关闭。当蓄热水箱6中的第二温度传感器22温度低于30°C，或者与厌氧消化池I中的第三温度传感器23温差小于5°C该加热模式停止运行。2、太阳能热泵加热模式
当蓄热水箱6中的第二温度传感器22温度高于15°C，低于30°C，且设定的发酵温度(一般中温发酵为35°C)与厌氧消化池I中的第四温度传感器23的温差高于2°C，开启太阳能热泵加热模式。此时，第一电磁阀15、第二电磁阀16，太阳能循环泵10、板式换热器循环泵14、热泵机组冷凝器侧循环泵12、热泵机组蒸发器侧循环泵11，热泵机组3开启，其他设备都关闭。当蓄热水箱6中的第二温度传感器22低于10°C，或者厌氧消化池I中的第四温度传感器23的温度与设定的消化温度的温差高于2°C，此加热模式停止运行。上述加热系统和运行控制方法在本实例的应用表明太阳能热泵厌氧消化加热系统能够保证消化池温度35±2°C，是一种高效、稳定、节能的厌氧消化池加热系统。
权利要求
1.一种太阳能热泵厌氧消化池加热系统，由太阳能集热系统、热泵低位热源系统和厌氧消化池热泵加热系统组成，其特征在于 太阳能集热系统由全玻璃太阳能真空管集热器(9)、太阳能集热器热水循环泵(10)和蓄热水箱(6 )组成；蓄热水箱第一出水口( 6c )通过太阳能集热器热水循环泵(IO )和管道连接全玻璃太阳能真空管集热器(9)的进水口，全玻璃太阳能真空管集热器(9)的出水口连接蓄热水箱第一进水口(6a)，构成太阳能集热水环路； 热泵低位热源系统由蓄热水箱(6)、热泵机组蒸发器侧循环泵(11)、板式换热器(8)、板式换热器循环泵(14)和热泵机组蒸发器(5)组成；蓄热水箱第二出水口(6b)通过板式换热器循环泵(14)和管道连接板式换热器热端入口(8a)，板式换热器热端出口(Sc)连接蓄热水箱第二进水口(6d)，构成板换循环环路；板式换热器冷端出口(8d)通过第一电磁阀(15)、热泵机组蒸发器侧循环泵(11)和管道连接热泵机组蒸发器(5)的入口，热泵机组蒸发器(5)的出口连接板式换热器冷端入口(Sb)，构成热泵低位热源环路； 厌氧消化池热泵加热系统包括厌氧消化池(I)、位于厌氧消化池(I)内的盘管换热器(2)、热泵机组(3)、蓄热水箱(6)、热泵机组冷凝器侧循环泵(12)和厌氧消化池加热循环泵(13);厌氧消化池加热系统包括两个加热环路，第一个加热环路水流方向板式换热器冷端出口(8d)通过第三电磁阀(17)、太阳能直供泵(13)、盘管换热器(2)、第四电磁阀(18)和管道连接板式换热器冷端入口(8b);第二个加热环路水流方向热泵机组冷凝器(4)出口依次通过盘管换热器(2)、第二电磁阀(16)、热泵机组冷凝器侧循环泵(12)和管道连接热泵机组冷凝器(4)进口。
2.根据权利要求I所述的太阳能热泵厌氧消化池加热系统，其特征在于所述全玻璃太阳能集热器(9)由若干组集热器模块组成；位于全玻璃太阳能集热器(9)末端的联集箱内安装有第一温度传感器(21)，用以测量太阳能集热器内瞬时温度；蓄热水箱(6)中部装有第二温度传感器(22)，用以测量蓄热水箱内的瞬时温度；厌氧消化池(I)中部装有第三温度传感器(23)，用以测量发酵池内的瞬时温度；在发酵池附近外界环境中设有第四温度传感器(24)，用以测量环境温度。
3.根据权利要求I所述的太阳能热泵厌氧消化池加热系统，其特征在于蓄热水箱(6)底部连接有排污管和截止阀(20 )，蓄热水箱(6 )通过顶部浮球阀(19 )自动控制系统补水。
4.根据权利要求I所述的太阳能热泵厌氧消化池加热系统，其特征在于厌氧消化池(I)和蓄热水箱(6)外均设有保温材料，保证每天即使不加热，发酵池和蓄热水箱内温度下降不会超过3 °C。
5.根据权利要求I所述的太阳能热泵厌氧消化加热系统，其特征在于厌氧消化池(I)内的盘管换热器(2)管材为耐腐蚀性强，导热性能好的PE管。
6.一种如权利要求I所述的太阳能热泵厌氧消化池加热系统的运行控制方法，其特征在于所述太阳能集热系统的运行采用温差控制法，当第一温度传感器(21)与第二温度传感器(22)的温差大于5°C时，太阳能集热器热水循环泵(10)开启，当第一温度传感器(26)与第二温度传感器(27)的温差小于2°C时，太阳能集热器热水循环泵(10)停止；根据第二温度传感器(22)、第三温度传感器(23)和第四温度传感器(24)的温度值，控制2种不同的加热模式，其中 (I)太阳能直接加热模式当蓄热水箱(6)中的第二温度传感器(22)温度大于35°C，且与厌氧消化池(I)中的第三温度传感器(23)温差大于8°C，系统按照太阳能直接加热模式运行；此时，第三电磁阀(17)和第四电磁阀(18)开启，其余电磁阀关闭；太阳能集热器热水循环泵(10)和太阳能直供泵(13)开启；其余设备全关闭；当蓄热水箱(6)中的第二温度传感器(22)温度低于30°C，或者与厌氧消化池(I)中的第三温度传感器(23)温差小于5°C，该加热模式停止运行； (2)太阳能热泵加热模式 当蓄热水箱(6)中的第二温度传感器(22)温度高于15°C，低于30°C，且设定的发酵温度，中温发酵为35°C，与厌氧消化池(I)中的第四温度传感器(23)的温差高于2°C开启太阳能热泵加热模式；此时，第一电磁阀(15)、第二电磁阀(16)，太阳能集热器热水循环泵(10)、板式换热器循环泵(14)、热泵机组冷凝器侧循环泵(12)、热泵机组蒸发器侧循环泵(11)和热泵机组(3)开启，其他设备都关闭；当蓄热水箱(6)中的第二温度传感器(22)低于10°C，或者厌氧消化池(I)中的第四温度传感器(23)的温度与设定的发酵温度的温差高于2 °C，此加热模式停止运行。
全文摘要
本发明属于新能源开发与节能技术应用领域，具体涉及一种太阳能热泵厌氧消化池加热系统与运行控制方法。本发明将太阳能热利用技术和热泵技术相结合，应用到沼气工程加热系统中，采用全玻璃真空管集热器收集太阳能，热泵机组提升低品位热为高品位热，提出了可以实现太阳能直接加热模式和太阳能热泵加热模式的厌氧发酵池加热系统。所提出的系统运行控制方法，解决了不同气候条件下各系统模式自动切换最优运行问题，以达到整个系统的稳定、高效、节能运行，有助于推动沼气工程的快速发展与产业化进程。
文档编号C12Q3/00GK102635978SQ20121009682
公开日2012年8月15日 申请日期2012年4月5日 优先权日2012年4月5日
发明者尚昱霖, 朱洪光, 石惠娴, 胡美琴, 黄超 申请人:同济大学