專利名稱：一種用地源/空氣源熱泵途徑加溫沼氣池的系統和控制方法
技術領域：
本發明屬于節能領域，涉及地源熱泵/空氣源熱泵技術，尤其涉及一種用地源/空 氣源熱泵途徑加溫沼氣池的系統和控制方法。
背景技術：
沼氣是適合在中國農村推廣利用的可再生能源。但是寒冷季節沼氣池產氣量很 少，甚至不產氣的問題，嚴重制約了沼氣在農村的使用和推廣，其主要原因是環境溫度過 低，降低了沼氣發酵微生物的活性。在一定溫度范圍內，溫度對發酵效率具有正向促進作用，所以合理控制溫度在未 來沼氣工程中是非常必要的。一般情況下，沼氣細菌在8 60°C范圍內都能進行發酵。10 26°C為常溫發酵區。在這個溫度條件下，池容產氣率可達0. 15 0. 30m3/(m3 -d)(池容產氣 率指沼氣池單位體積每天生產的沼氣量)；28 38°C為中溫發酵區(最適溫度為35°C)，池 容產氣率可達1. Om3/(m3 -d)左右；46 60°C為高溫發酵區，池容產氣率可達2. 0 2. 5m3/ (m3· d)。因此，如果有一種加溫方法，能使沼氣池的池溫在寒冷季節達到并保持在一個適 宜的水平，就能保證沼氣的產氣量。目前沼氣池加溫方式主要有以下6種電加溫、太陽能加溫、化石能源熱水鍋爐加 溫、沼氣鍋爐加溫、沼氣發電余熱加溫和燃池式加溫。電加溫技術采用電加熱器加熱熱水，通過熱水在沼氣池中循環管內的流動來加溫 發酵料液的。但該方法卻以消耗高品位電能為代價，節能性不高；太陽能加溫系統是通過 太陽能集熱系統完成熱能的采集和傳輸，由太陽能熱水通過換熱器加溫料液。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；化石能源熱水鍋爐加溫是以燃 燒煤炭、石油等燃料的熱水鍋爐為熱源，通過換熱設備對發酵料液加溫。但是燃料的燃燒會 產生大量的煙塵和有害氣體，污染環境，同時能量利用率不高；沼氣鍋爐加溫是燃燒系統自 身產生的一部分沼氣，燃燒產生的高溫煙氣在反應器底部管道中流動，進而給沼氣池加溫， 該方法加溫效率高，同時對設備和操作技術要求比較高；沼氣發電余熱加溫是在沼氣熱電 聯產工程中，發電機組發電的同時燃氣內燃機將排放將近600°C的氣體，高溫氣體中含有大 量的余熱，通過余熱回收系統中的換熱器用余熱加溫發酵原料，一般只應用于大型沼氣工 程；燃池式加溫是一種設置在地下的進行燃料陰燃的地坑，池中燃料進行慢燃，池蓋和池壁 表面根據調節可保持在中溫發酵所需溫度。這種方法一次性投入低質燃料即可燃燒一個冬 季，無需人工管理，一般用于戶用型沼氣工程。以上加溫方式各有優缺點，但從中等規模養殖場廢水治理工程實際出發，目前尚 沒有比較經濟合理、節能環保的加溫方式。
發明內容
本發明的目的在于提供一種用地源/空氣源熱泵途徑加溫沼氣池的系統和控制方法。即以地熱能和空氣熱能為熱源，通過地源熱泵/空氣源熱泵加溫系統對料液進行加 溫。在保證產氣率的前提下，提高了能源利用率并降低了建設成本。其中地源熱泵主要在 寒冷季節使用，而空氣源熱泵主要在溫暖季節使用，避開空氣源熱泵可能會結露結霜的寒 冷季節使用。本發明的工作原理如下在寒冷季節，把室外平均溫度連續十天低于20°C，啟用 地源熱泵機組把地下土壤與循環水進行熱交換；當室外溫度連續十天高于20°C，啟用空氣 源熱泵機組把空氣與沼氣池循環水進行熱交換并且當地下平均溫度低于17°C是補充地下 熱量。進而使循環水溫度提高，再通過對地源熱泵/空氣源熱泵輸入少量的高品位電能， 實現低溫位熱能向高溫位轉移，進而使得地源熱泵機組/空氣源熱泵機組出水溫度達45°C 左右，熱水在熱盤管中，以輻射和對流的方式與沼氣池中發酵原料進行熱交換，使沼氣池溫 度保持在中溫發酵范圍內。安裝溫度自動控制裝置現實溫度自控，當沼氣池內溫度降低到 35°C以下時，地源熱泵/空氣源熱泵機組自動啟動，通過消耗電能把地下水的熱量轉移到 沼氣池中熱盤管內的熱水中，再對發酵原料加溫；當地源/空氣源熱泵機組的進、出水溫差 滿足7. 5 °C并且沼氣池的溫度在35 °C時，地源/空氣源熱泵機組將自動停止工作。本發明提出的用地源/空氣源熱泵途徑加溫沼氣池的系統，由地下環路10、風冷 設備9、地源/空氣源熱泵公用機組以及控制系統組成，其中地源/空氣源熱泵公用機組包括壓縮機6和冷凝器7 ；第一蒸發器5、壓縮機6、冷 凝器7和第二蒸發器8依次通過管道連接，形成閉式通道；第一蒸發器5的輸出端連接地下 環路10，輸入端連接地源側電磁閥1，第一蒸發器5通過空氣源側電磁閥2連接風冷設備9 形成閉式通道；地下環路10輸出端與地源側電磁閥1連接的管路上接有第一電磁閥3，第 一電磁閥3另一端連接冷凝器7輸入端，地下環路10的輸入端通過第二電磁閥4連接冷凝 器7的輸出端；控制系統由環境溫度傳感器11、土壤平均溫度傳感器12、地源熱泵機組出水溫度 傳感器13、地源熱泵機組進水溫度傳感器14、沼氣池溫度傳感器15、信號發生器、執行器、 單片機25和電腦26組成；環境溫度傳感器11通過第一信號發生器16連接單片機25，地 源側電磁閥1通過第一執行器21連接單片機25構成閉合回路；空氣源側電磁閥2通過第 二執行器22連接單片機25構成閉合回路；第一電磁閥3通過第三執行器23連接單片機 25構成閉合回路；第二電磁閥4通過第四執行器24連接單片機25構成閉合回路；土壤平 均溫度傳感器12通過第二信號發生器17連接單片機25的輸入端，地源熱泵機組出水溫度 傳感器13通過第三信號發生器18連接單片機25的輸入端，地源熱泵機組進水溫度傳感器 14通過第四信號發生器19連接單片機25的輸入端，沼氣池溫度傳感器15通過第五信號發 生器20連接單片機25的輸入端；單片機25連接電腦26。本發明中，所述地下環路10為地埋管和閥門，所述風冷設備9為風機。本發明提出的用地源/空氣源熱泵途徑加溫沼氣池的控制方法，具體步驟如下(1)環境溫度傳感器11采集溫度信號通過第一信號發生器16發出相應的數字信 號并傳輸給單片機25，經過單片機25的數字轉換記錄在電腦26中，采用相應的程序分析溫 度數據，當程序發現環境平均溫度連續十天低于20°C時，發出控制指令，執行器操作相應指 令實現地源側電磁閥1開啟，源側電磁閥2、第一電磁閥3和第二電磁閥4關閉，此時以地下 土壤為熱源的工作模式；當以地下土壤為熱源的工作模式進行時，機組并非連續運行。地源熱泵機組進水溫度傳感器14、地源熱泵機組出水溫度傳感器13和沼氣池溫度傳感器15采 集溫度信號分別通過第四信號發生器19、第三信號發生器18和第五信號發生器20發出相 應的數字信號傳輸給單片機25，并轉輸給電腦26，如果電腦26程序發現地源熱泵機組進、 出水溫差滿足7. 5°C，且沼氣池的溫度在35°C時發出指令，執行器實行操作動作，使得地源 側電磁閥1、空氣源側電磁閥2、第一電磁閥3和第二電磁閥4均關閉，從而實現加溫系統停 止加熱；(2)環境溫度傳感器11采集溫度信號通過第一信號發生器16發出相應的數字信 號并傳輸給單片機25，經過單片機25的數字轉換記錄在電腦26中，相應的程序分析溫度數 據，當程序發現環境平均溫度連續十天高于20°C時，發出控制指令，執行器操作相應指令實 現空氣源側電磁閥2開啟，地源側電磁閥1、第一電磁閥3和第二電磁閥4均關閉，此時以室 外空氣為熱源的工作模式；當以室外空氣為熱源的工作模式進行時，機組并非連續運行。地 源熱泵機組進水溫度傳感器14、地源熱泵機組出水溫度傳感器13和沼氣池溫度傳感器15 采集溫度信號分別通過第四信號發生器19、第三信號發生器18和第五信號發生器20發出 相應的數字信號傳輸給單片機25，并轉輸給電腦26，如果電腦26程序發現地源熱泵機進、 出水溫差滿足7. 5°C，且沼氣池的溫度在35°C時發出指令，執行器實行操作動作，使得地源 側電磁閥1、空氣源側電磁閥2、第一電磁閥3和第二電磁閥4均關閉，從而實現加溫系統停 止加熱；(3)環境溫度傳感器11和土壤平均溫度傳感器12采集溫度信號分別通過第一信 號發生器16、第二信號發生器17發出相應的數字信號并傳輸給單片機25，經過單片機25 的數字轉換記錄在電腦26中，相應的程序分析溫度數據，當程序發現環境平均溫度連續十 天高于20°C，且土壤平均溫度低于17°C時發出控制指令，空氣源側電磁閥2開啟，地源側電 磁閥1、第一電磁閥3和第二電磁閥4關閉，工作2小時后電腦26程序發出指令，執行器發 出動作，實現空氣源側電磁閥2、第一電磁閥3和第二電磁閥4開啟，地源側電磁閥1關閉， 此時用室外空氣熱量補充地下熱量。本發明的優點(1)采用本發明的地源熱泵/空氣源熱泵途徑加溫沼氣池技術，可 以采用現場組裝即能便捷實現，結構簡單，實用安全方便；(2)地源熱泵/空氣源熱泵加溫 系統能自動運行，操作簡單，很好的利用了土壤熱量，能耗小；(3)無需燃料，沒有污染，不 受天氣影響。
圖1為地源熱泵/空氣源熱泵途徑加溫沼氣池系統框圖。圖2為圖1為地源熱泵/空氣源熱泵途徑加溫沼氣池系統的控制系統框圖。圖中標號1為地源側電磁閥；2為空氣源側電磁閥；3為第一電磁閥；4為第二電 磁閥；5為第一蒸發器；6為壓縮機；7為冷凝器；8為第二蒸發器；9為風冷設備；10為地下 環路；11為環境溫度傳感器；12為土壤平均溫度傳感器；13為地源熱泵機組出水溫度傳感 器；14為地源熱泵機組進水溫度傳感器；15為沼氣池溫度傳感器；16-20分別為第一信號 發生器、第二信號發生器、第三信號發生器、第四信號發生器和第五信號發生器；21-24分 別為第一執行器、第二執行器、第三執行器和第四執行器；25為單片機(數據采集板)；26 為電腦。
具體實施例方式
下面通過實施例結合附圖進一步描述本發明。實施例1 如圖1-圖2所示，本系統由地下環路10、風冷設備9、地源/空氣源熱泵 公用機組以及控制系統組成，控制系統中的控制參數采集部分包括環境溫度傳感器11、土 壤平均溫度傳感器12、地源熱泵機組出水溫度傳感器13、地源熱泵機組進水溫度傳感器14 和沼氣池溫度傳感器15，均為DS18B20溫度傳感器采集溫度信號。控制系統中沼氣池溫度 控制部分由信號發生器、執行器、單片機25和電腦26組成，單片機25和電腦26之間通過 R232接口信號線連接，其余部分均由信號線直接相連，實現自動控制。地下環路10是地埋 管和一些閥門，風冷設備9為一個風機，這兩者在加熱模式中充當機組四大件(冷凝器7、壓 縮機6、第一蒸發器5和第二蒸發器8)中蒸發器；機組公用部分由壓縮機6和冷凝器7組 成，是兩種不同機組加溫模式的公用部分。第一蒸發器5、壓縮機6、冷凝器7和第二蒸發器 8依順序由銅管連接起來，形成閉式通道；制冷劑在其中流動，以逆卡諾原理循環實現為沼 氣池加溫。控制系統主要通過控制電磁閥的開啟與關閉，來控制整個系統的開啟與關閉、運 行模式的切換等。第一蒸發器5的輸出端連接地下環路10，輸入端連接地源側電磁閥1，第 一蒸發器5通過空氣源側電磁閥2連接風冷設備9形成閉式通道；地下環路10輸出端與地 源側電磁閥1連接的管路上接有第一電磁閥3，第一電磁閥3另一端連接冷凝器7輸入端， 地下環路10的輸入端通過第二電磁閥4連接冷凝器7的輸出端。空氣源熱泵系統每天開啟4個小時，其中2個小時用來給沼氣池加溫，另外2個小 時用來把空氣熱量傳送到地下，以補充寒冷季節從地下抽取的熱量。控制系統包括控制參數采集系統、沼氣池溫度控制系統和加溫模式切換控制系 統。1、控制參數采集系統由沼氣池溫度、沼氣池熱盤管進出水溫差和環境平均溫度控 制。采集儀器為溫度傳感器和單片機，境溫度傳感器11、土壤平均溫度傳感器12、地源熱泵 機組出水溫度傳感器13、地源熱泵機組進水溫度傳感器14和沼氣池溫度傳感器15均通過 信號線與單片機25連接，將數字信號傳送到單片機25，進而電腦26控制平臺相應的數據采 集和分析平臺接收到控制信號后執行設定的控制模式而實現控制功能。2、沼氣池溫度控制系統工作模式為控制參數采集系統采集沼氣池的溫度和熱盤 管進、出水溫差后，如果進、出水溫差滿足7. 5°C并且沼氣池的溫度在35°C時，加溫系統停 止加熱，反之，加溫系統啟動。3、控制參數采集系統采集室外平均溫度、地下土壤平均溫度等來變換加溫模式。 加溫模式有以下3種1)當環境平均溫度連續十天低于20°C時，地源側電磁閥1開啟，空氣源側電磁閥 2、第一電磁閥3和第二電磁閥4關閉，此時以地下土壤為熱源的工作模式；2)當環境平均溫度連續十天高于200C時空氣源側電磁閥2開啟，地源側電磁閥1、 第一電磁閥3和第二電磁閥4關閉，此時以室外空氣為熱源的工作模式；3)當環境平均溫度連續十天高于20°C并且地下土壤平均溫度低于17°C時，空氣 源側電磁閥2開啟，地源側電磁閥1、第一電磁閥3和第二電磁閥4關閉，工作2小時后切換 為開啟空氣源側電磁閥2、第一電磁閥3和第二電磁閥4，關閉地源側電磁閥1，此時用室外空氣熱量補充地下熱量。本發明中，沼氣池在加溫系統的作用下溫度能保持在(35士2) °C左右，在中溫發酵 的范圍，產氣率可以保持在0.6m3/(m3*d)左右。有時發酵溫度可以到達35°C，產氣率達到 1. Im3/ (m3 · d)。本發明中，地源熱泵機組制熱效率(COP)保持在3. 6左右，系統COP為2. 7左右， 系統的一次能耗較小，一次能源利用系數可達到0. 84，與電熱膜加溫系統相比節能率為 63%。將上述系統用于擁有300頭存欄豬，日產氣量為36m3，供30家用戶實用的小型集 中供氣工程，該沼氣池有效容積為69. 3m3。沼氣池內部尺寸為3.8mX3.8mX4.8m(長X 寬X高)，在池底和池壁加7cm厚的閉泡聚苯泡沫板的保溫隔熱材料，減弱了沼氣池與大 地、空氣的熱傳導。沼氣池頂部覆蓋塑料薄膜保溫，覆蓋面大于池面以利于保溫。在沼氣池 內壁沿墻壁鋪設加溫盤管用于加熱。加溫盤管采用Φ 25*2. 8的PERT管材，盤管總長200m， 盤管間距200mm。為了加快料液熱傳遞，改善加溫效果，在沼氣池安裝了攪拌裝置。在沼氣池 一側壁中間距池底高0. 8m處安裝一臺攪拌機進行攪拌。攪拌機的參數是額定功率2. 5kw, 額定工作頻率是50Hz，轉速740r/min。地源熱泵機組為10. 2kw/380Vo其中地源熱泵系統平均每天工作1. 5h，間歇運行，可以緩解地下土壤溫度場的熱 失衡。沼氣池溫度保持在(32士2) °C左右，產氣率可以保持在0. 6m3/(m3 · d)左右，是國 家標準規定值0. 2 0. 4m3/ (m3 · d)的1. 5 3倍。
權利要求
一種用地源/空氣源熱泵途徑加溫沼氣池的系統，由地下環路(10)、風冷設備(9)、地源/空氣源熱泵公用機組以及控制系統組成，其特征在于地源/空氣源熱泵公用機組包括壓縮機(6)和冷凝器(7)；第一蒸發器(5)、壓縮機(6)、冷凝器(7)和第二蒸發器(8)依次通過管道連接，形成閉式通道；第一蒸發器(5)的輸出端連接地下環路(10)，輸入端連接地源側電磁閥(1)，第一蒸發器(5)通過空氣源側電磁閥(2)連接風冷設備(9)形成閉式通道；地下環路(10)輸出端與地源側電磁閥(1)連接的管路上接有第一電磁閥(3)，第一電磁閥(3)另一端連接冷凝器(7)輸入端，地下環路(10)的輸入端通過第二電磁閥4連接冷凝器(7)的輸出端；控制系統由環境溫度傳感器(11)、土壤平均溫度傳感器(12)、地源熱泵機組出水溫度傳感器(13)、地源熱泵機組進水溫度傳感器(14)、沼氣池溫度傳感器(15)、信號發生器、執行器、單片機(25)和電腦(26)組成；環境溫度傳感器(11)通過第一信號發生器(16)連接單片機(25)，地源側電磁閥(1)通過第一執行器(21)連接單片機(25)構成閉合回路；空氣源側電磁閥(2)通過第二執行器(22)連接單片機(25)構成閉合回路；第一電磁閥(3)通過第三執行器(23)連接單片機(25)構成閉合回路；第二電磁閥(4)通過第四執行器(24)連接單片機(25)構成閉合回路；土壤平均溫度傳感器(12)通過第二信號發生器(17)連接單片機(25)的輸入端，地源熱泵機組出水溫度傳感器(13)通過第三信號發生器(18)連接單片機(25)的輸入端，地源熱泵機組進水溫度傳感器(14)通過第四信號發生器(19)連接單片機(25)的輸入端，沼氣池溫度傳感器(15)通過第五信號發生器(20)連接單片機(25)的輸入端；單片機(25)連接電腦(26)。
2.根據權利要求1所述的用地源/空氣源熱泵途徑加溫沼氣池的系統，其特征在于所 述地下環路(10)為地埋管和閥門，所述風冷設備(9)為風機。
3.—種如權利要求1所述的用地源/空氣源熱泵途徑加溫沼氣池的系統的控制方法， 其特征在于具體步驟如下(1)環境溫度傳感器(11)采集溫度信號通過第一信號發生器(16)發出相應的數字信 號并傳輸給單片機(25)，經過單片機(25)的數字轉換記錄在電腦(26)中，采用相應的程序 分析溫度數據，當程序發現環境平均溫度連續十天低于20°C時，發出控制指令，執行器操作 相應指令實現地源側電磁閥(1)開啟，源側電磁閥(2)、第一電磁閥(3)和第二電磁閥⑷ 關閉，此時以地下土壤為熱源的工作模式；當以地下土壤為熱源的工作模式進行時，機組并 非連續運行；地源熱泵機組進水溫度傳感器(14)、地源熱泵機組出水溫度傳感器(13)和沼 氣池溫度傳感器(15)采集溫度信號分別通過第四信號發生器(19)、第三信號發生器(18) 和第五信號發生器(20)發出相應的數字信號傳輸給單片機(25)，并轉輸給電腦(26)，如果 電腦(26)程序發現地源熱泵機組進、出水溫差滿足7. 5°C，且沼氣池的溫度在35°C時發出 指令，執行器實行操作動作，使得地源側電磁閥(1)、空氣源側電磁閥(2)、第一電磁閥(3) 和第二電磁閥(4)均關閉，從而實現加溫系統停止加熱；(2)環境溫度傳感器(11)采集溫度信號通過第一信號發生器(16)發出相應的數字 信號并傳輸給單片機(25)，經過單片機(25)的數字轉換記錄在電腦(26)中，相應的程序 分析溫度數據，當程序發現環境平均溫度連續十天高于20°C時，發出控制指令，執行器操作 相應指令實現空氣源側電磁閥(2)開啟，地源側電磁閥(1)、第一電磁閥(3)和第二電磁閥 (4)均關閉，此時以室外空氣為熱源的工作模式；當以室外空氣為熱源的工作模式進行時，機組并非連續運行；地源熱泵機組進水溫度傳感器(14)、地源熱泵機組出水溫度傳感器 (13)和沼氣池溫度傳感器(15)采集溫度信號分別通過第四信號發生器(19)、第三信號發 生器(18)和第五信號發生器(20)發出相應的數字信號傳輸給單片機(25)，并轉輸給電腦 (26)，如果電腦(26)程序發現地源熱泵機進、出水溫差滿足7. 5°C，且沼氣池的溫度在35°C 時發出指令，執行器實行操作動作，使得地源側電磁閥(1)、空氣源側電磁閥(2)、第一電磁 閥(3)和第二電磁閥(4)均關閉，從而實現加溫系統停止加熱；(3)環境溫度傳感器(11)和土壤平均溫度傳感器(12)采集溫度信號分別通過第一信 號發生器(16)、第二信號發生器(17)發出相應的數字信號并傳輸給單片機(25)，經過單片 機(25)的數字轉換記錄在電腦(26)中，相應的程序分析溫度數據，當程序發現環境平均溫 度連續十天高于20°C，且土壤平均溫度低于17°C時發出控制指令，空氣源側電磁閥(2)開 啟，地源側電磁閥(1)、第一電磁閥⑶和第二電磁閥⑷關閉，工作2小時后電腦(26)程 序發出指令，執行器發出動作，實現空氣源側電磁閥(2)、第一電磁閥(3)和第二電磁閥(4) 開啟，地源側電磁閥(1)關閉，此時用室外空氣熱量補充地下熱量。
全文摘要
本發明屬于節能領域，具體涉及一種地源/空氣源熱泵途徑加溫沼氣池的系統和控制方法，系統由地下環路、風冷設備、地源/空氣源熱泵公用機組以及控制系統組成，控制方法為當室外平均溫度連續十天低于20℃，啟用地源熱泵機組進行熱交換；當室外溫度連續十天高于20℃，啟用空氣源熱泵機組進行熱交換。當沼氣池內溫度降低到35℃以下時，地源/空氣源熱泵機組自動啟動，通過消耗電能把地下水的熱量轉移到沼氣池中熱盤管內的熱水中；當地源/空氣源熱泵機組的進、出水溫差滿足7.5℃并且沼氣池的溫度在35℃時，地源/空氣源熱泵機組將自動停止工作。本發明以中等規模發酵工程為對象，探索出一種在保證產氣率的前提下提高了能源利用率并降低了建設成本的新型加溫系統和控制方法，該方法不僅節能效益高而且環保效果佳。
文檔編號C12M1/107GK101974420SQ20101027657
公開日2011年2月16日 申請日期2010年9月9日 優先權日2010年9月9日
發明者朱洪光, 王韜, 石惠嫻, 裴曉梅 申請人:同濟大學