專利名稱：太陽能-地源熱泵耦合式沼氣池供暖系統(tǒng)及運行控制方法
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，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°C以上，中溫發(fā)酵需要在35°C 上下，高溫發(fā)酵需要在55°C上下。研究表明對同一種沼氣原料在35°C條件下一個月的沼 氣產(chǎn)氣總量相當(dāng)于15°C條件下12個月的產(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士2°C范圍內(nèi)。為維持發(fā)酵池內(nèi)溫度在35士2°C范圍內(nèi)，往往需要對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，這種方法的特點是一次性投入低質(zhì)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；電加溫技術(shù)以消耗高品位電能為代價，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 實現(xiàn)自動運行，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，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)，并對該系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計及運行控制方法進(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切換運行的太陽能_地源熱泵耦合式沼 氣池供暖系統(tǒng)及運行控制方法。本發(fā)明從能源梯級利用和系統(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)計與運行控制方法，很好的解決了太陽能集
4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)各模式自動切換最優(yōu)運行 問題，以達(dá)到整個系統(tǒng)從設(shè)計到運行的經(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；沼氣池加溫系統(tǒng)包括發(fā)酵池1、盤管換熱器2、熱泵主機(jī)3、中轉(zhuǎn)蓄熱水箱7、第一加 熱循環(huán)泵10和第二加熱循環(huán)泵11，盤管換熱器2布置在發(fā)酵池1的四周池壁及池底，中轉(zhuǎn) 蓄熱水箱第二出水口 7c連接第一加熱循環(huán)泵10的輸入端，第一加熱循環(huán)泵10的輸出端通 過第三電磁閥16連接盤管換熱器2的進(jìn)水口，盤管換熱器2的出水口通過第四電磁閥17 連接中轉(zhuǎn)蓄熱水箱第二進(jìn)水口 7d，構(gòu)成第一加熱環(huán)路；熱泵主機(jī)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(jìn)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(huán)泵11的輸入端，第二加熱循環(huán)泵11的輸出端連接熱泵主機(jī)冷凝器5的進(jìn)水 口，構(gòu)成第二加熱環(huán)路；中轉(zhuǎn)蓄熱水箱7第二出水口 7c連接第二加熱環(huán)泵11的輸入端，第 二加熱循環(huán)泵11的輸出端連接熱泵主機(jī)冷凝器5的進(jìn)水口，熱泵主機(jī)冷凝器5的出水口連 接盤管換熱器2的進(jìn)水口，盤管換熱器2的出水口通過第四電磁閥17連接中轉(zhuǎn)蓄熱水箱7 的第二進(jìn)水口 7d，構(gòu)成第三加熱環(huán)路；太陽能地下蓄熱系統(tǒng)包括第一加熱循環(huán)泵10、U型地埋管換熱器23、中轉(zhuǎn)蓄熱水 箱7，中轉(zhuǎn)蓄熱水箱第二出水口 7c與第一加熱循環(huán)泵10的輸入端相連，第一加熱循環(huán)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(jìn)水口相連，U 型地埋管換熱器23的出水口經(jīng)過電動三通閥13接到中轉(zhuǎn)蓄熱水箱第二進(jìn)水口 7d，形成一 個閉合的太陽能地下蓄熱回路。本發(fā)明中，太陽能全玻璃真空管集熱器6的聯(lián)集箱末端安裝有第一溫度傳感器 24，中轉(zhuǎn)蓄熱水箱7中部裝有第二溫度傳感器25，發(fā)酵池1中部一側(cè)裝有第三溫度傳感器 26，U型地埋管換熱器23 —側(cè)回水干管上裝有第四溫度傳感器27。本發(fā)明中，中轉(zhuǎn)蓄熱水箱7底部連接有定壓膨脹罐8和排污管。本發(fā)明提出的太陽能-地源熱泵耦合式沼氣池供暖系統(tǒng)的運行控制方法，所述系 統(tǒng)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(lián)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(dāng)發(fā)酵池1內(nèi)溫度低于32°C，且中轉(zhuǎn)蓄熱水箱7中水溫高于50°C時，系統(tǒng)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(guān)閉，第一加熱 循環(huán)泵10開啟，其余設(shè)備關(guān)閉；通過第一加熱環(huán)路，即水流依次經(jīng)過中轉(zhuǎn)蓄熱水箱7的第 二出水口 7c，第一加熱循環(huán)泵10、第三電磁閥16、盤管換熱器2、第四電磁閥17，最后經(jīng)中轉(zhuǎn) 蓄熱水箱7的第二進(jìn)水口 7d回到中轉(zhuǎn)蓄熱水箱7，使得發(fā)酵池1內(nèi)溫度達(dá)到設(shè)計要求，當(dāng)發(fā) 酵池1內(nèi)溫度高于37°C或中轉(zhuǎn)蓄熱水箱7中水溫低于45°C，該模式停止運行；(2)太陽能_地源熱泵串聯(lián)供暖模式當(dāng)發(fā)酵池1內(nèi)溫度低于32°C，且中轉(zhuǎn)蓄熱水箱7中水溫低于45°C而高于30°C時， 系統(tǒng)按照太陽能-地源熱泵串聯(lián)供暖模式運行，此時第一電磁閥14、第四電磁閥17、第六電 磁閥20開啟，其余電磁閥關(guān)閉，電動三通閥13導(dǎo)向連接U型地埋管換熱器23 —側(cè)，第二加 熱循環(huán)泵11、熱泵低溫側(cè)循環(huán)泵12開啟，熱泵主機(jī)3開啟，熱泵主機(jī)3的低溫側(cè)按照第一低 溫?zé)嵩喘h(huán)路運行，熱泵主機(jī)3的高溫側(cè)則按照第三加熱環(huán)路運行為沼氣池加熱；當(dāng)發(fā)酵池 內(nèi)溫度高于37°C，停止加熱，關(guān)閉對應(yīng)的電磁閥、水泵及熱泵機(jī)組；(3)太陽能熱泵供暖模式當(dāng)發(fā)酵池1內(nèi)溫度低于32°C，且中轉(zhuǎn)蓄熱水箱7中水溫低于30°C而高于地埋管換 熱器回水溫度時，系統(tǒng)按照太陽能熱泵供暖模式運行，即太陽能制備的低溫?zé)崴?dāng)做熱泵 的低位熱源使用，通過熱泵機(jī)組制備高溫?zé)崴疄檎託獍l(fā)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(zhuǎn)蓄熱水箱第二進(jìn)水口 7d連通至熱泵低溫側(cè)循環(huán)泵12的輸 入端，第二加熱循環(huán)泵11、熱泵低溫側(cè)循環(huán)泵12開啟，熱泵主機(jī)開啟；熱泵主機(jī)的低溫側(cè)按 照第二低溫?zé)嵩喘h(huán)路運行，而熱泵主機(jī)的高溫側(cè)按照第二加熱環(huán)路運行為沼氣池加熱。當(dāng) 發(fā)酵池內(nèi)溫度高于37°C，停止加熱，關(guān)閉對應(yīng)的電磁閥、水泵及熱泵機(jī)組；(4)地源熱泵供暖模式發(fā)酵池1內(nèi)溫度低于32°C且中轉(zhuǎn)蓄熱水箱7中水溫低于地埋管換熱器回水溫度 時，系統(tǒng)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(cè)循環(huán)泵12的輸入端，第二加 熱循環(huán)泵11、熱泵低溫側(cè)循環(huán)泵12開啟，熱泵主機(jī)開啟。熱泵系統(tǒng)的低溫側(cè)按照第一低溫 熱源環(huán)路運行，而熱泵主機(jī)的高溫側(cè)按照第二加熱環(huán)路運行為沼氣池加熱。當(dāng)發(fā)酵池內(nèi)溫 度高于37°C，停止加熱，關(guān)閉對應(yīng)的電磁閥、水泵及熱泵機(jī)組；(5)太陽能地下蓄熱模式發(fā)酵池1內(nèi)溫度高于35°C且中轉(zhuǎn)蓄熱水箱7中水溫高于70°C時，系統(tǒng)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(zhuǎn)蓄熱水箱第二進(jìn)水口 7d，第一加熱循環(huán)泵7開啟；在該模式下，通 過U型地埋管換熱器23可以將中轉(zhuǎn)蓄熱水箱7中的熱量轉(zhuǎn)移至地下儲存，當(dāng)中轉(zhuǎn)蓄熱水箱 7中的水溫降低至50°C時，停止該模式的運行，關(guān)閉相應(yīng)的閥門與水泵。本發(fā)明的優(yōu)點在于1)本發(fā)明根據(jù)太陽能集熱器所能制備熱水的溫度梯度，結(jié)合蒸發(fā)器進(jìn)水溫度與熱 泵機(jī)組COP的關(guān)系曲線，將太陽能-地源熱泵耦合系統(tǒng)劃分為多種運行模式(尤其是將太 陽能熱泵模式和太陽能_熱泵串聯(lián)模式劃分開來)，能夠最大化的利用低品位的太陽能和 地?zé)崮?，顯著的提高了熱泵機(jī)組及系統(tǒng)的制熱效率，具有明顯的節(jié)能效果。
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2)針對沼氣池常年需要供暖這一特點，提出了將太陽能與地源熱泵有效的結(jié)合起 來，能夠充分發(fā)揮二者的優(yōu)勢，彌補(bǔ)相互的缺點。通過能源的互補(bǔ)，很好的解決了太陽能加 熱不穩(wěn)定和地源熱泵長期運行效率降低這兩大問題。該系統(tǒng)能夠長期高效穩(wěn)定的為沼氣發(fā) 酵池供暖。具有長期的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。


圖1為本發(fā)明的太陽能_地源熱泵耦合式沼氣池供暖系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)示意圖。圖中標(biāo)號1為發(fā)酵池，2為盤管換熱器，3為熱泵主機(jī)，4 熱泵主機(jī)蒸發(fā)器，5為熱 泵主機(jī)冷凝器，6為太陽能全玻璃真空管集熱器，7為中轉(zhuǎn)蓄熱水箱，7a為中轉(zhuǎn)蓄熱水箱第 一出水口，7b為中轉(zhuǎn)蓄熱水器第一進(jìn)水口，7c為中轉(zhuǎn)蓄熱水箱第二出水口，7d為中轉(zhuǎn)蓄熱 水箱第二進(jìn)水口，8為定壓膨脹罐，9為集熱器熱水循環(huán)泵，10、11、12為分別為第一加熱循 環(huán)泵、第二加熱循環(huán)泵和熱泵低溫側(cè)循環(huán)泵，13為電動三通閥，14、15、16、17、18、20和21分 別為第一電磁閥、第二電磁閥、第三電磁閥、第四電磁閥、第五電磁閥、第六電磁閥和第七電 磁閥，19、22分別為第一止回閥和第二止回閥，23為U型地埋管換熱器，24、25、26和27分別 為第一溫度傳感器、第二溫度傳感器、第三溫度傳感器和第四溫度傳感器。
具體實施例方式
下面通過實施例結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明。實施例1 針對某一有效容積為69. 3m3的全混式發(fā)酵池，本發(fā)明選用了四個共計 26m2集熱面積的太陽能全玻璃真空管集熱模塊，并將四個集熱模塊串聯(lián)組成一個太陽能全 玻璃真空管集熱器；中轉(zhuǎn)蓄熱水箱為圓柱形閉式承壓保溫水箱，設(shè)計承壓能力為0. 6MPa, 實際承壓0. 2Mpa，保溫要求達(dá)到水箱內(nèi)水的溫降小于1°C /天；所用熱泵機(jī)組為地源/水源 熱泵機(jī)組，其名義制熱量為18. 3kff ；U型地埋管換熱器由5個Φ 25*2. 8的PE單U型管并聯(lián) 組成，地埋管的垂直深度為IOOm ；盤管換熱器為Φ 25*2. 8的PERT管繞制而成，布置在發(fā)酵 池的四壁及池底，盤管總長為200m。如圖1所示，本發(fā)明的太陽能-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)、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，轉(zhuǎn)蓄熱水箱7共有兩對進(jìn)出水口，分別為第一出水口 7a，第一進(jìn)水口 7b，第二出 水口 7c，第二進(jìn)水口 7d，對稱的分布在水箱的上下部，水箱的底部連接有定壓膨脹罐8，用 于系統(tǒng)的定壓和承受水箱中水受熱后的膨脹量。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；集熱器熱水循環(huán)泵9從中轉(zhuǎn)蓄熱水箱7下部第一出水口 7a吸取中轉(zhuǎn)蓄熱 水箱7中的水進(jìn)入太陽能全玻璃真空管集熱器6，在此被加熱后再由中轉(zhuǎn)蓄熱水箱7上部第 一進(jìn)水口 7b回到中轉(zhuǎn)蓄熱水箱7中，如此不斷的循環(huán)來制備高溫?zé)崴Υ嬗谥修D(zhuǎn)蓄熱水 箱7中。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。本發(fā)明的熱泵系統(tǒng)有兩個可供選擇的低溫?zé)嵩喘h(huán)路，分別為第一低溫?zé)嵩喘h(huán)路和第二低溫?zé)嵩喘h(huán)路，其中第一低溫?zé)嵩喘h(huán)路熱泵主機(jī)蒸發(fā)器4的出水口依次通過第二止回閥22、第一電 磁閥14與U型地埋管換熱器23的進(jìn)水口連接，U型地埋管換熱器23的出水口通過電動三 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的輸出端與熱泵主機(jī)蒸 發(fā)器4的進(jìn)水口相連，如此構(gòu)成一個以地?zé)崮転榛A(chǔ)的熱泵系統(tǒng)第一低溫?zé)嵩喘h(huán)路。第二低溫?zé)嵩喘h(huán)路熱泵主機(jī)蒸發(fā)器4 —第二止回閥22 —第二電磁閥15 —中轉(zhuǎn) 蓄熱水箱7 —電動三通閥13 —熱泵低溫側(cè)循環(huán)泵12 —熱泵主機(jī)蒸發(fā)器4，如此構(gòu)成一個以 太陽能為基礎(chǔ)的熱泵系統(tǒng)第二低溫?zé)嵩喘h(huán)路。本發(fā)明的沼氣池加溫系統(tǒng)包括發(fā)酵池1、盤管換熱器2、熱泵主機(jī)冷凝器5、中轉(zhuǎn)蓄 熱水箱7、第一加熱循環(huán)泵10和第二加熱循環(huán)泵11。其中，盤管換熱器2布置在發(fā)酵池1 內(nèi)，所述的沼氣池加溫系統(tǒng)有三個可供選擇的加熱環(huán)路，分別為第一加熱環(huán)路中轉(zhuǎn)蓄熱水箱第二出水口 7c連接第一加熱循環(huán)泵10的輸入端，第 一加熱循環(huán)泵10的輸出端通過第三電磁閥16連接盤管換熱器2的進(jìn)水口，盤管換熱器2 的出水口通過第四電磁閥17連接中轉(zhuǎn)蓄熱水箱第二進(jìn)水口 7d，構(gòu)成第一加熱環(huán)路；第二加熱環(huán)路熱泵主機(jī)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(jìn)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(huán)泵11的輸入端，第 二加熱循環(huán)泵11的輸出端連接熱泵主機(jī)冷凝器5的進(jìn)水口，構(gòu)成第二加熱環(huán)路；第三加熱環(huán)路中轉(zhuǎn)蓄熱水箱7第二出水口 7c通過第六電磁閥20連接第二加熱 環(huán)泵11的輸入端，第二加熱循環(huán)泵11的輸出端連接熱泵主機(jī)冷凝器5的進(jìn)水口，熱泵主機(jī) 冷凝器5的出水口連接盤管換熱器2的進(jìn)水口，盤管換熱器2的出水口通過第四電磁閥17 連接中轉(zhuǎn)蓄熱水箱7的第二進(jìn)水口 7d，構(gòu)成第三加熱環(huán)路。盤管換熱器2采用Φ 25*2. 8的PERT管，盤管間距200mm，盤管長度為200m。為了 強(qiáng)化盤管換熱器2中的熱媒與發(fā)酵料液的熱傳遞，需要在發(fā)酵池內(nèi)安裝攪拌裝置。在本發(fā) 明中，沼氣池加溫系統(tǒng)的加溫?zé)嵩纯梢詠碜杂商柲芗療崞?制備的儲存在中轉(zhuǎn)蓄熱水箱 7中的高溫?zé)崴蛴蔁岜弥鳈C(jī)3制備的高溫?zé)崴?。太陽能地下蓄熱系統(tǒng)主要是將春秋夏季太陽輻射強(qiáng)度較好時供暖系統(tǒng)用不完的 那部分熱量通過U型地埋管換熱器23儲存到地下，以此恢復(fù)土壤溫度，保證地源熱泵能長 期高效穩(wěn)定的運行。它包括第一加熱循環(huán)泵10、U型地埋管換熱器23、中轉(zhuǎn)蓄熱水箱7、第 七電磁閥21、第一電磁閥14及電動三通閥13，中轉(zhuǎn)蓄熱水箱第二出水口 7c與第一加熱循 環(huán)泵10的輸入端相連，第一加熱循環(huán)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(jìn)水口相連，U型地埋管換熱器23的出水口經(jīng)過電動三通閥 13接到中轉(zhuǎn)蓄熱水箱第二進(jìn)水口 7d，形成一個閉合的太陽能地下蓄熱回路。所述太陽能全玻璃真空管集熱器6的聯(lián)集箱末端安裝有第一溫度傳感器24，中轉(zhuǎn) 蓄熱水箱7中部裝有第二溫度傳感器25，發(fā)酵池1中部一側(cè)裝有第三溫度傳感器26，U型 地埋管換熱器23 —側(cè)回水干管上裝有第四溫度傳感器27。所述中轉(zhuǎn)蓄熱水箱7底部連接有定壓膨脹罐8和排污管。太陽能-地源熱泵耦合式沼氣池供暖系統(tǒng)的運行控制方法，所述系統(tǒng)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(lián)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；所述系統(tǒng)的運行控制分為三個子系統(tǒng)
8的運行控制太陽能集熱系統(tǒng)運行控制、沼氣池加溫系統(tǒng)運行控制和太陽能地下蓄熱系統(tǒng) 控制。其中1)太陽能集熱系統(tǒng)運行控制本發(fā)明采用溫差法控制太陽能集熱系統(tǒng)的運行，在每組串聯(lián)的太陽能全玻璃真空 管集熱器6的聯(lián)集箱的末端安裝一個DS18B20第一溫度傳感器24，中轉(zhuǎn)蓄熱水箱7的中部 裝一個DS18B20第二溫度傳感器25。如果DS18B20第一溫度傳感器24與DS18B20第二溫 度傳感器25的溫差大于6 °C時，集熱器加熱循環(huán)泵9開啟，中轉(zhuǎn)蓄熱水箱7中的水被集熱器 不斷的加熱。當(dāng)二者的溫差小于3°C時集熱器加熱循環(huán)泵9停止。2)沼氣池加溫系統(tǒng)運行控制根據(jù)中轉(zhuǎn)蓄熱水箱中的溫度和當(dāng)?shù)氐芈窆芑厮疁囟?，沼氣池加溫系統(tǒng)可以分別按 照太陽能直接供暖模式、太陽能_地源熱泵串聯(lián)供暖模式、太陽能熱泵供暖模式、地源熱泵 供暖模式多種模式運行。各模式的運行控制方法如下(1)太陽能直接供暖模式當(dāng)發(fā)酵池1內(nèi)溫度低于32°C，且中轉(zhuǎn)蓄熱水箱7中水溫高于50°C時，系統(tǒng)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(guān)閉，第一加熱 循環(huán)泵10開啟，其余設(shè)備(包括水泵、熱泵等)關(guān)閉。通過第一加熱環(huán)路，即水流依次經(jīng) 過中轉(zhuǎn)蓄熱水箱7的第二出水口 7c，第一加熱循環(huán)泵10、第三電磁閥16、盤管換熱器2、第 四電磁閥17，最后經(jīng)中轉(zhuǎn)蓄熱水箱7的第二進(jìn)水口 7d回到中轉(zhuǎn)蓄熱水箱7，使得發(fā)酵池內(nèi) 溫度達(dá)到設(shè)計要求，當(dāng)發(fā)酵池內(nèi)溫度高于37°C或中轉(zhuǎn)蓄熱水箱7中水溫低于45°C，該模式 停止運行；(2)太陽能_地源熱泵串聯(lián)供暖模式當(dāng)發(fā)酵池內(nèi)溫度低于32°C，且中轉(zhuǎn)蓄熱水箱7中水溫低于45°C而高于30°C時，系 統(tǒng)按照太陽能-地源熱泵串聯(lián)供暖模式運行，此時第一電磁閥14、第四電磁閥17、第六電磁 閥20開啟，其余電磁閥關(guān)閉，電動三通閥13導(dǎo)向連接U型地埋管換熱器23 —側(cè)，第二加熱 循環(huán)泵11、熱泵低溫側(cè)循環(huán)泵12開啟，熱泵主機(jī)3開啟，熱泵主機(jī)的低溫側(cè)按照前面所述的 第一低溫?zé)嵩喘h(huán)路運行，而熱泵主機(jī)的高溫側(cè)則按照前面所述的第二加熱環(huán)路運行為沼氣 池加熱；當(dāng)發(fā)酵池內(nèi)溫度高于37°C，停止加熱，關(guān)閉對應(yīng)的電磁閥、水泵及熱泵機(jī)組；(3)太陽能熱泵供暖模式當(dāng)發(fā)酵池內(nèi)溫度低于32°C，且中轉(zhuǎn)蓄熱水箱7中水溫低于30°C而高于地埋管換熱 器回水溫度時，系統(tǒng)按照太陽能熱泵供暖模式運行，即太陽能制備的低溫?zé)崴?dāng)做熱泵的 低位熱源使用，通過熱泵機(jī)組制備高溫?zé)崴疄檎託獍l(fā)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(zhuǎn)蓄熱水箱第二進(jìn)水口 7d連通至熱泵低溫側(cè)循環(huán)泵12的輸入 端，第二加熱循環(huán)泵11、熱泵低溫側(cè)循環(huán)泵12開啟，熱泵主機(jī)開啟；熱泵主機(jī)的低溫側(cè)按照 前面所述的第二低溫?zé)嵩喘h(huán)路運行，而熱泵主機(jī)的高溫側(cè)則按照前面所述的第一加熱環(huán)路 運行為沼氣池加熱。當(dāng)發(fā)酵池內(nèi)溫度高于37°C，停止加熱，關(guān)閉對應(yīng)的電磁閥、水泵及熱泵 機(jī)組；(4)地源熱泵供暖模式發(fā)酵池內(nèi)溫度低于32°C且中轉(zhuǎn)蓄熱水箱7中水溫低于地埋管換熱器回水溫度時， 系統(tǒng)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(cè)循環(huán)泵12的輸入端，第二加熱循 環(huán)泵11、熱泵低溫側(cè)循環(huán)泵12開啟，熱泵主機(jī)開啟。熱泵系統(tǒng)的低溫側(cè)按照前面所述的第 一低溫?zé)嵩喘h(huán)路運行，而熱泵主機(jī)的高溫側(cè)則按照前面所述的第一加熱環(huán)路運行為沼氣池 加熱。當(dāng)發(fā)酵池內(nèi)溫度高于37°C，停止加熱，關(guān)閉對應(yīng)的電磁閥、水泵及熱泵機(jī)組。(5)太陽能地下蓄熱控制模式發(fā)酵池內(nèi)溫度高于35°C且中轉(zhuǎn)蓄熱水箱7中水溫高于70°C時，系統(tǒng)按照太陽能 地下蓄熱模式運行。此時，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(zhuǎn)蓄熱水箱第二進(jìn)水口 7d，第一加熱循環(huán)泵7開啟；在該模式 下，通過U型地埋管換熱器23可以將中轉(zhuǎn)蓄熱水箱7中的熱量轉(zhuǎn)移至地下儲存，當(dāng)中轉(zhuǎn)蓄 熱水箱7中的水溫降低至50°C時，停止該模式的運行，關(guān)閉相應(yīng)的閥門與水泵。
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權(quán)利要求
一種太陽能 地源熱泵耦合式沼氣池供暖系統(tǒng)，其特征在于由太陽能集熱系統(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；沼氣池加溫系統(tǒng)包括發(fā)酵池(1)、盤管換熱器(2)、熱泵主機(jī)(3)、中轉(zhuǎn)蓄熱水箱(7)、第一加熱循環(huán)泵(10)和第二加熱循環(huán)泵(11)，盤管換熱器(2)布置在發(fā)酵池(1)的四周池壁及池底，中轉(zhuǎn)蓄熱水箱第二出水口(7c)連接第一加熱循環(huán)泵(10)的輸入端，第一加熱循環(huán)泵(10)的輸出端通過第三電磁閥(16)連接盤管換熱器(2)的進(jìn)水口，盤管換熱器(2)的出水口通過第四電磁閥(17)連接中轉(zhuǎn)蓄熱水箱第二進(jìn)水口(7d)，構(gòu)成第一加熱環(huán)路；熱泵主機(jī)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(jìn)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(huán)泵(11)的輸入端，第二加熱循環(huán)泵(11)的輸出端連接熱泵主機(jī)冷凝器(5)的進(jìn)水口，構(gòu)成第二加熱環(huán)路；中轉(zhuǎn)蓄熱水箱(7)第二出水口(7c)連接第二加熱環(huán)泵(11)的輸入端，第二加熱循環(huán)泵(11)的輸出端連接熱泵主機(jī)冷凝器(5)的進(jìn)水口，熱泵主機(jī)冷凝器(5)的出水口連接盤管換熱器(2)的進(jìn)水口，盤管換熱器(2)的出水口通過第四電磁閥(17)連接中轉(zhuǎn)蓄熱水箱(7)的第二進(jìn)水口(7d)，構(gòu)成第三加熱環(huán)路；太陽能地下蓄熱系統(tǒng)包括第一加熱循環(huán)泵(10)、U型地埋管換熱器(23)、中轉(zhuǎn)蓄熱水箱(7)，中轉(zhuǎn)蓄熱水箱第二出水口(7c)與第一加熱循環(huán)泵(10)的輸入端相連，第一加熱循環(huán)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(jìn)水口相連，U型地埋管換熱器(23)的出水口經(jīng)過電動三通閥(13)接到中轉(zhuǎn)蓄熱水箱第二進(jìn)水口(7d)，形成一個閉合的太陽能地下蓄熱回路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽能-地源熱泵耦合式沼氣池供暖系統(tǒng)，其特征在于太陽 能全玻璃真空管集熱器(6)的聯(lián)集箱末端安裝有第一溫度傳感器(24)，中轉(zhuǎn)蓄熱水箱(7) 中部裝有第二溫度傳感器(25)，發(fā)酵池(1)中部一側(cè)裝有第三溫度傳感器(26)，U型地埋 管換熱器(23) —側(cè)回水干管上裝有第四溫度傳感器(27)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽能_地源熱泵耦合式沼氣池供暖系統(tǒng)，其特征在于中轉(zhuǎn) 蓄熱水箱(7)底部連接有定壓膨脹罐(8)和排污管。
4.一種權(quán)利要求1所述的太陽能_地源熱泵耦合式沼氣池供暖系統(tǒng)的運行控制方法， 其特征在于所述系統(tǒng)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(lián)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(dāng)發(fā)酵池(1)內(nèi)溫度低于32°C，且中轉(zhuǎn)蓄熱水箱(7)中水溫高于50°C時，系統(tǒng)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(guān)閉，第一 加熱循環(huán)泵(10)開啟，其余設(shè)備關(guān)閉；通過第一加熱環(huán)路，即水流依次經(jīng)過中轉(zhuǎn)蓄熱水箱 (7)的第二出水口(7c)，第一加熱循環(huán)泵(10)、第三電磁閥(16)、盤管換熱器(2)、第四電磁 閥(17)，最后經(jīng)中轉(zhuǎn)蓄熱水箱(7)的第二進(jìn)水口(7d)回到中轉(zhuǎn)蓄熱水箱(7)，使得發(fā)酵池 ⑴內(nèi)溫度達(dá)到設(shè)計要求，當(dāng)發(fā)酵池⑴內(nèi)溫度高于37°C或中轉(zhuǎn)蓄熱水箱(7)中水溫低于 45 °C，該模式停止運行；(2)太陽能-地源熱泵串聯(lián)供暖模式當(dāng)發(fā)酵池(1)內(nèi)溫度低于32°C，且中轉(zhuǎn)蓄熱水箱(7)中水溫低于45°C而高于30°C時， 系統(tǒng)按照太陽能-地源熱泵串聯(lián)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(guān)閉，電動三通閥(13)導(dǎo)向連接U型地埋管換熱器(23) —側(cè)， 第二加熱循環(huán)泵(11)、熱泵低溫側(cè)循環(huán)泵(12)開啟，熱泵主機(jī)(3)開啟，熱泵主機(jī)(3)的低 溫側(cè)按照權(quán)利要求1所述的第一低溫?zé)嵩喘h(huán)路運行，熱泵主機(jī)(3)的高溫側(cè)則按照權(quán)利要 求1所述的第三加熱環(huán)路運行為沼氣池加熱；當(dāng)發(fā)酵池內(nèi)溫度高于37°C，停止加熱，關(guān)閉對 應(yīng)的電磁閥、水泵及熱泵機(jī)組；(3)太陽能熱泵供暖模式當(dāng)發(fā)酵池(1)內(nèi)溫度低于32°C，且中轉(zhuǎn)蓄熱水箱(7)中水溫低于30°C而高于U型地埋 管換熱器(23)回水溫度時，系統(tǒng)按照太陽能熱泵供暖模式運行，即太陽能制備的低溫?zé)?水當(dāng)做熱泵的低位熱源使用，通過熱泵機(jī)組制備高溫?zé)崴疄檎託獍l(fā)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(zhuǎn)蓄熱水箱第二進(jìn)水口(7d)連通至熱 泵低溫側(cè)循環(huán)泵(12)的輸入端，第二加熱循環(huán)泵(11)、熱泵低溫側(cè)循環(huán)泵(12)開啟，熱泵 主機(jī)開啟；熱泵主機(jī)的低溫側(cè)按照權(quán)利要求1所述的第二低溫?zé)嵩喘h(huán)路運行，而熱泵主機(jī) 的高溫側(cè)則按照權(quán)利要求1所述的第二加熱環(huán)路運行為沼氣池加熱。當(dāng)發(fā)酵池內(nèi)溫度高于 37°C，停止加熱，關(guān)閉對應(yīng)的電磁閥、水泵及熱泵機(jī)組；(4)地源熱泵供暖模式發(fā)酵池(1)內(nèi)溫度低于32°C且中轉(zhuǎn)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(tǒng)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(cè)循環(huán)泵 (12)的輸入端，第二加熱循環(huán)泵(11)、熱泵低溫側(cè)循環(huán)泵(12)開啟，熱泵主機(jī)(3)開啟；熱 泵系統(tǒng)的低溫側(cè)按照權(quán)利要求1所述的第一低溫?zé)嵩喘h(huán)路運行，而熱泵主機(jī)的高溫側(cè)則按 照權(quán)利要求1所述的第二加熱環(huán)路運行為沼氣池加熱；當(dāng)發(fā)酵池內(nèi)溫度高于37°C，停止加 熱，關(guān)閉對應(yīng)的電磁閥、水泵及熱泵機(jī)組；(5)太陽能地下蓄熱模式發(fā)酵池(1)內(nèi)溫度高于35°C且中轉(zhuǎn)蓄熱水箱(7)中水溫高于70°C時，系統(tǒng)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(zhuǎn)蓄熱水箱第二進(jìn)水口(7d)，第一加熱循環(huán)泵(7)開啟；在 該模式下，通過U型地埋管換熱器(23)將中轉(zhuǎn)蓄熱水箱(7)中的熱量轉(zhuǎn)移至地下儲存，當(dāng) 中轉(zhuǎn)蓄熱水箱(7)中的水溫降低至50°C時，停止該模式的運行，關(guān)閉相應(yīng)的閥門與水泵。
全文摘要
本發(fā)明屬于新能源開發(fā)應(yīng)用領(lǐng)域，具體涉及一種太陽能-地源熱泵耦合式沼氣池供暖系統(tǒng)及其運行控制方法，根據(jù)太陽能集熱器所能制備熱水的溫度梯度，結(jié)合熱泵機(jī)組COP與蒸發(fā)器進(jìn)水溫度的關(guān)系曲線，將太陽能-地源熱泵耦合式沼氣池供暖系統(tǒng)劃分為太陽能直接供暖、太陽能-地源熱泵串聯(lián)供暖、太陽能熱泵供暖、地源熱泵單獨供暖、太陽能地下蓄熱等五種運行模式。本發(fā)明充分的利用低品位的太陽能和地?zé)崮?，顯著的提高了熱泵機(jī)組及系統(tǒng)的制熱效率，能夠長期高效穩(wěn)定的為沼氣發(fā)酵池供暖，具有長期的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。
文檔編號C12M1/34GK101974415SQ20101027284
公開日2011年2月16日 申請日期2010年9月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月2日
發(fā)明者張迪, 朱洪光, 石惠嫻, 裴曉梅, 雷勇 申請人:同濟(jì)大學(xué)