本實用新型涉及沼氣池，特別涉及一種恒溫發(fā)酵沼氣池的太陽能-熱泵聯(lián)合加熱系統(tǒng)。

背景技術：

沼氣發(fā)酵是沼氣工程的核心環(huán)節(jié)，是一個復雜的微生物作用過程，而發(fā)酵料液溫度及其控制對沼氣發(fā)酵過程具有很大的影響。可再生能源具有清潔無污染的優(yōu)點，是沼氣池料液厭氧發(fā)酵的理想增溫能源。

中國專利CN200810163449.4提出一種中高溫發(fā)酵罐的太陽能恒溫輔助加熱系統(tǒng)，該系統(tǒng)以太陽能為主要熱源，主要由太陽能集熱系統(tǒng)、原料加熱系統(tǒng)和厭氧發(fā)酵罐恒溫加熱系統(tǒng)等組成，具有能源利用率高、優(yōu)先并充分利用太陽能、儲熱方式更為合理等優(yōu)點。但也存在一些不足：一是沼液經酸化池后輸入發(fā)酵罐的溫度較低，需在發(fā)酵罐內增溫；二是發(fā)酵罐沼液增溫供熱管道內熱水需要較高的溫度，以保證加熱盤管有較高的傳熱效率，但提高增溫熱水溫度會導致太陽能集熱器和熱泵的熱效率降低；三是利用盤管在沼氣池內加溫會導致沼液的溫度均勻性差，不利于沼氣發(fā)酵，且加熱盤管安裝在沼氣池內部表面易結垢，降低傳熱效率。

中國專利CN204138656U提出一種集裝箱模塊式沼氣池，集裝箱內設有罐體，罐體與集裝箱之間設有支撐架，罐體外部纏繞有加熱水管，罐體兩端分別設有進料口及排料口，罐體內部設有攪動軸，攪動軸的一端設有電機。該沼氣池具有使用方便、安裝快捷、降低成本、方便運輸、減少碳堆積的優(yōu)點。但是，該系統(tǒng)罐體與集裝箱之間有間隔，加熱水管在罐體外部，經酸化池后輸入沼氣池的沼液溫度較低，沼液加熱需要溫度較高的熱水，而且向罐體外部的散熱大,罐體與集裝箱之間的間隔影響水管向罐體內沼液傳熱。

技術實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的是：提供一種基于酸化池、廢液池和水箱聯(lián)合儲熱的低溫恒溫加熱、及相變材料（簡稱PCM）模塊保溫的恒溫發(fā)酵沼氣池的太陽能-熱泵聯(lián)合加熱系統(tǒng)，體積小、熱效率高。

為實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用如下技術方案：

一種恒溫發(fā)酵沼氣池的太陽能-熱泵聯(lián)合加熱系統(tǒng)，包括太陽能集熱系統(tǒng)、沼氣池恒溫保溫加熱系統(tǒng)、原料加熱系統(tǒng)和控制器，

所述太陽能集熱系統(tǒng)包括太陽能集熱器組、儲熱水箱、太陽能-酸化池加熱器、酸化池、廢液池加熱器、廢液池，由三個分系統(tǒng)組成：第一分系統(tǒng)，所述太陽能集熱器組的輸出端通過第一循環(huán)管道、第九循環(huán)管道連通所述儲熱水箱上部第一進水口，儲熱水箱下部第一出水口通過第八循環(huán)管道、第七循環(huán)管道與所述太陽能集熱器組的輸入端相連，第七循環(huán)管道上設有第一循環(huán)水泵，當太陽能集熱器組的出口端溫度高于儲熱水箱設定溫度時，所述控制器啟動第一三通轉換閥連通第一循環(huán)管道和第九循環(huán)管道，第一分系統(tǒng)運行；第二分系統(tǒng)，太陽能集熱器組通過所述第一循環(huán)管道、所述第一三通轉換閥、所述第二循環(huán)管道和第五循環(huán)管道連接到所述太陽能-酸化池加熱器的輸入端，太陽能-酸化池加熱器的輸出端通過第六循環(huán)管道連接到第七循環(huán)管道進入太陽能集熱器組的輸入端，第五循環(huán)管道上設有第三電磁閥和第三循環(huán)水泵，當太陽能比較充足，儲熱水箱內熱水溫度達到儲熱水箱設定溫度時，所述控制器啟動第一三通轉換閥連通第一循環(huán)管道和第二循環(huán)管道，同時啟動第三電磁閥，第二分系統(tǒng)運行；第三分系統(tǒng)，太陽能集熱器組通過所述第一循環(huán)管道、第一三通轉換閥、第二循環(huán)管道和第四循環(huán)管道連接到所述廢液池加熱器的輸入端，廢液池加熱器的輸出端通過第三循環(huán)管道連接到所述第七循環(huán)管道進入太陽能集熱器組的輸入端，當酸化池中的料液溫度達到酸化池設定溫度時，所述控制器啟動第一三通轉換閥連通第一循環(huán)管道和第二循環(huán)管道，同時關閉第三電磁閥，啟動第二電磁閥，第三分系統(tǒng)運行，所述第四循環(huán)管道上設有第二電磁閥和第二循環(huán)水泵，所述第三循環(huán)管道、所述第六循環(huán)管道、所述第七循環(huán)管道和所述第八循環(huán)管道之間通過四通連接；

所述沼氣池恒溫保溫加熱系統(tǒng)包括第一熱泵換熱器、沼氣池、外置恒溫加熱器、儲熱水箱、第一熱泵、PCM模塊、保溫層，所述儲熱水箱下部第三出水口通過第十一循環(huán)管道連通所述外置恒溫加熱器的進水口，所述外置恒溫加熱器的出水口通過第十循環(huán)管道連通儲熱水箱的上部第三進水口，所述第十循環(huán)管道上設有第八循環(huán)水泵和第五電磁閥；外置恒溫加熱器的加熱管緊貼沼氣池壁，在外置恒溫加熱器外面有一層保溫層，所述保溫層內側均勻布置PCM模塊；所述第一熱泵高溫端的兩個水管接口分別連接儲熱水箱上部第二進水口和儲熱水箱下部第二出水口，所述第一熱泵的低溫端低溫水入口通過第十二循環(huán)管道連接廢液池中的第一熱泵換熱器的低溫水出口，第一熱泵的低溫水出口通過第十三循環(huán)管道連接所述第一熱泵換熱器的低溫水入口，第一熱泵與所述儲熱水箱上部第二進水口的連接管道上設有第一電磁閥，第一熱泵與儲熱水箱下部第二出水口的連接管道上設有第九循環(huán)水泵，所述第十二循環(huán)管道上設有第十循環(huán)水泵；

所述原料加熱系統(tǒng)包括所述太陽能-酸化池加熱器、第二熱泵、第二熱泵換熱器、廢液池加熱器、所述廢液池、余熱換熱器、熱泵-酸化池加熱器、酸化池，廢液從所述沼氣池的出料口通過出料管道連接所述余熱換熱器的輸入端，換熱后經余熱換熱器的輸出端進入所述廢液池，所述出料管道上設有第七水泵；所述第二熱泵的低溫水入口和低溫水出口分別連接所述第二熱泵換熱器的低溫水出口和低溫水入口，第二熱泵的高溫水出口連接所述熱泵-酸化池加熱器的高溫水入口，第二熱泵的高溫水入口連接熱泵-酸化池加熱器的高溫水出口，第二熱泵與熱泵-酸化池加熱器的高溫水入口連接管道上設有第四循環(huán)水泵，第二熱泵與熱泵-酸化池加熱器的高溫水出口連接管道上設有第四電磁閥，第二熱泵與所述第二熱泵換熱器的連接管道上設有第五循環(huán)水泵，新鮮料液進入所述酸化池加熱后通過進料管道從沼氣池的進料口進入沼氣池，所述進料管道上設有第六水泵。

所述保溫層采用加氣混凝土塊、泡沫混凝土塊、聚苯板或者聚氨酯。

所述相變材料模塊采用十二水磷酸-氫鈉，封裝成圓臺狀的模塊。

與現(xiàn)有技術相比，本實用新型的有益效果是：1、利用酸化池、廢液池與儲熱水箱三個部分聯(lián)合儲存太陽能熱量，太陽能集熱器組首先給儲熱水箱加熱，直至達到儲熱水箱加熱設定溫度，其次加熱酸化池中的沼液，直至酸化池中的沼液達到沼液發(fā)酵溫度，最后加熱廢液池中的廢液，三者同時用來儲存太陽能可以將太陽能熱量分散儲存，減小太陽能集熱系統(tǒng)儲熱水箱體積，酸化池儲存的太陽能初步加熱進入沼氣池中的沼液，達不到沼液發(fā)酵溫度時利用第二熱泵吸收廢液池中的熱量傳遞給酸化池進一步加熱，廢液池作為儲存太陽能的第三個部分吸收太陽能熱量后溫度升高可以提高第二熱泵的熱效率；2、改發(fā)酵罐內沼液增溫為發(fā)酵罐外保溫加熱，沼液在進入沼氣池前已經在酸化池中加熱到發(fā)酵溫度，沼氣池只需要保持沼氣池內部沼液溫度維持恒定即可，這樣可降低儲熱水箱提供給沼氣池換熱器中的熱水溫度，提高太陽能集熱器的集熱效率，外置恒溫加熱器在沼氣池外均勻排布可使沼氣池內沼液溫度更為均勻；3、采用PCM模塊和外保溫層改善發(fā)酵罐保溫性能和沼氣池溫度穩(wěn)定性。

附圖說明

圖1 為本實用新型結構示意圖；

圖2 為保溫層橫切面圖。

具體實施方式

如圖1和圖2所示，一種恒溫發(fā)酵沼氣池的太陽能-熱泵聯(lián)合加熱系統(tǒng)，包括太陽能集熱系統(tǒng)、沼氣池恒溫保溫加熱系統(tǒng)、原料加熱系統(tǒng)和控制器。沼氣池總容量是500m³，酸化池容量是75m³，廢液池容量是1000m³，太陽能集熱器面積是60m²，第一熱泵和第二熱泵額定功率均為4kw，沼氣池內部溫度在夏季可設置為55℃，冬季設置為35℃。

夏季整個控制方式與冬季的區(qū)別僅僅在于設定溫度的不同，在夏季，沼氣池和酸化池的設定溫度均為55℃，儲熱水箱設定溫度是57℃；在冬季，沼氣池和酸化池的設定溫度均為35℃，儲熱水箱設定溫度是37℃。以冬季為例說明具體實施方式。

太陽能集熱系統(tǒng)包括太陽能集熱器組1、儲熱水箱14、太陽能-酸化池加熱器2、酸化池10、廢液池加熱器5、廢液池7，包括三個分系統(tǒng)，采用溫差方式運行，將太陽能集熱器組收集到的熱量用熱水方式分別儲存在儲熱水箱、酸化池和廢液池中。

當太陽能集熱器組1的出口端溫度高于37℃時，所述控制器啟動第一三通轉換閥S1連通第一循環(huán)管道K1和第九循環(huán)管道K9，第一分系統(tǒng)運行。

第一分系統(tǒng)，太陽能集熱器組首先給儲熱水箱加熱儲能。太陽能集熱器組1輸出的熱水經第一循環(huán)管道K1、第九循環(huán)管道K9、儲熱水箱14的上部第一進水口14a進入儲熱水箱14，儲熱水箱14下部第一出水口14b通過第八循環(huán)管道K8、第七循環(huán)管道K7與太陽能集熱器組1的輸入端相通，第七循環(huán)管道K7上設有第一循環(huán)水泵B1，集熱水按上述回路進行流動，直到儲熱水箱14內的熱水溫度達到37℃。

當太陽能比較充足，儲熱水箱14內熱水溫度達到37℃時，所述控制器啟動第一三通轉換閥S1連通第一循環(huán)管道K1和第二循環(huán)管道K2，同時啟動第三電磁閥D3，第二分系統(tǒng)運行。

第二分系統(tǒng)，太陽能集熱器組給酸化池加熱儲能。太陽能集熱器組1中的熱水經第一循環(huán)管道K1、第一三通轉換閥S1、第二循環(huán)管道K2、第五循環(huán)管道K5進入太陽能-酸化池加熱器2的輸入端2a，太陽能-酸化池加熱器2的輸出端2b連接第六循環(huán)管道K6、第七循環(huán)管道K7進入太陽能集熱器組1的輸入端，第五循環(huán)管道K5上設有第三電磁閥D3和第三循環(huán)水泵B3，直到酸化池10內的料液溫度達到35℃。

當酸化池10中的料液溫度達到酸化池設定溫度35℃時，所述控制器啟動第一三通轉換閥S1連通第一循環(huán)管道K1和第二循環(huán)管道K2，同時關閉第三電磁閥D3，啟動第二電磁閥D2，第三分系統(tǒng)運行。

第三分系統(tǒng)，太陽能集熱器組給廢液池加熱儲能。太陽能集熱器組1中的熱水經第一循環(huán)管道K1、第一三通轉換閥S1、第二循環(huán)管道K2、第四循環(huán)管道K4進入廢液池加熱器5的輸入端5a，廢液池加熱器5的輸出端5b通過第三循環(huán)管道K3、第七循環(huán)管道K7進入太陽能集熱器組1的輸入端，第四循環(huán)管道K4上設有第二電磁閥D2和第二循環(huán)水泵B2。第三循環(huán)管道K3、第六循環(huán)管道K6、第七循環(huán)管道K7和第八循環(huán)管道K8之間通過四通連接。

通過如下運行方式，對沼氣池進行恒溫保溫：

沼氣池恒溫保溫加熱系統(tǒng)包括第一熱泵換熱器6、沼氣池11、外置恒溫加熱器12、儲熱水箱14、第一熱泵13、PCM模塊16、保溫層17，當儲熱水箱14的熱水溫度達到37℃且外置恒溫加熱器12的出水口12a處的溫度低于35℃時所述控制器啟動第五電磁閥D5，熱水從儲熱水箱14下部第三出水口14f經第十一循環(huán)管道K11、第五電磁閥D5第八循環(huán)水泵B8進入外置恒溫加熱器12的進水口12b，外置恒溫加熱器12出水口12a通過第十循環(huán)管道K10進入儲熱水箱14的上部第三進水口14e，第十循環(huán)管道K10上設有第八循環(huán)水泵B8和第五電磁閥D5。

當太陽能不足，儲熱水箱14中的熱水溫度低于37℃時，所述控制器啟動第一電磁閥D1和第一熱泵13，儲熱水箱14中的水經下部第二出水口14d進入第一熱泵13，經熱泵加熱后從儲熱水箱14上部第二進水口14c進入儲熱水箱14。第一熱泵13低溫端低溫水入口13a通過第十二循環(huán)管道K12連接廢液池7中的第一熱泵換熱器6的低溫水出口6a，第一熱泵13低溫水出口13b通過第十三循環(huán)管道K13連接第一熱泵換熱器6的低溫水入口6b，第一熱泵13與儲熱水箱14上部第二進水口14c的連接管道上設有第一電磁閥D1，第一熱泵13與儲熱水箱14下部第二出水口14d的連接管道上設有第九循環(huán)水泵B9，第十二循環(huán)管道K12上設有第十循環(huán)水泵B10。

沼氣池外置恒溫加熱器12的換熱盤管外有一層保溫層17，保溫層17選用加氣混凝土塊、泡沫混凝土塊、聚苯板或者聚氨酯，并且保溫層17上均勻排布PCM模塊16，PCM模塊16由相變材料制成，封裝成圓臺狀的模塊，上下底圓直徑分別為40mm和65mm，高為25mm。可選擇相變溫度與沼氣池發(fā)酵溫度相近的相變材料，本例中選取十二水磷酸-氫鈉。

當外置恒溫加熱器12換熱盤管溫度達到PCM模塊16相變溫度35℃時，PCM模塊16吸熱產生相變由固態(tài)變成液態(tài)，儲存熱量；當外界供熱不足，外置恒溫加熱器12換熱盤管溫度低于PCM模塊16的相變溫度35℃時，PCM模塊16固化逐漸放熱，維持沼氣池溫度場穩(wěn)定。

通過如下運行方式對原料進行加熱：

原料加熱系統(tǒng)包括所述太陽能-酸化池加熱器2、第二熱泵3、第二熱泵換熱器4、所述廢液池7、余熱換熱器8、熱泵-酸化池加熱器9、酸化池10，原料加熱在酸化池10中完成，一部分從太陽能-酸化池加熱器2處得熱，其他部分熱量的獲得來自余熱換熱器8和熱泵-酸化池加熱器3。沼氣池廢液從沼氣池11的出料口11b通過出料管道L2進入余熱換熱器8的輸入端8a，經過換熱后由余熱換熱器8的輸出端8b進入廢液池7，出料管道L2上設有第七水泵B7。

當酸化池10中料液溫度低于35℃時，所述控制器啟動第四電磁閥D4和第二熱泵3。第二熱泵3的低溫水入口3c和低溫水出口3d分別連接第二熱泵換熱器4的低溫水出口4a和低溫水入口4b，第二熱泵3的高溫水出口3a連接熱泵-酸化池加熱器9的高溫水入口9a，第二熱泵3的高溫水入口3b連接熱泵-酸化池加熱器9的高溫水出口9b，第二熱泵3與熱泵-酸化池加熱器9的高溫水入口9a連接管道上設有第四循環(huán)水泵B4，第二熱泵3與熱泵-酸化池加熱器9的高溫水出口9b連接管道上設有第四電磁閥D4，第二熱泵3與第二熱泵換熱器4的連接管道上設有第五循環(huán)水泵B5，新鮮料液進入酸化池10加熱后通過進料管道L1從沼氣池11的進料口11a進入沼氣池，進料管道L1上設有第六水泵B6。

各三通轉換閥、循環(huán)水泵、電磁閥均由檢測控制系統(tǒng)進行自動控制，從而實現(xiàn)熱水按照不同的回路自動流通。