专利名称：一种用地源/空气源热泵途径加温沼气池的系统和控制方法
技术领域：
本发明属于节能领域，涉及地源热泵/空气源热泵技术，尤其涉及一种用地源/空 气源热泵途径加温沼气池的系统和控制方法。
背景技术：
沼气是适合在中国农村推广利用的可再生能源。但是寒冷季节沼气池产气量很 少，甚至不产气的问题，严重制约了沼气在农村的使用和推广，其主要原因是环境温度过 低，降低了沼气发酵微生物的活性。在一定温度范围内，温度对发酵效率具有正向促进作用，所以合理控制温度在未 来沼气工程中是非常必要的。一般情况下，沼气细菌在8 60°C范围内都能进行发酵。10 26°C为常温发酵区。在这个温度条件下，池容产气率可达0. 15 0. 30m3/(m3 -d)(池容产气 率指沼气池单位体积每天生产的沼气量)；28 38°C为中温发酵区(最适温度为35°C)，池 容产气率可达1. Om3/(m3 -d)左右；46 60°C为高温发酵区，池容产气率可达2. 0 2. 5m3/ (m3· d)。因此，如果有一种加温方法，能使沼气池的池温在寒冷季节达到并保持在一个适 宜的水平，就能保证沼气的产气量。目前沼气池加温方式主要有以下6种电加温、太阳能加温、化石能源热水锅炉加 温、沼气锅炉加温、沼气发电余热加温和燃池式加温。电加温技术采用电加热器加热热水，通过热水在沼气池中循环管内的流动来加温 发酵料液的。但该方法却以消耗高品位电能为代价，节能性不高；太阳能加温系统是通过 太阳能集热系统完成热能的采集和传输，由太阳能热水通过换热器加温料液。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；化石能源热水锅炉加温是以燃 烧煤炭、石油等燃料的热水锅炉为热源，通过换热设备对发酵料液加温。但是燃料的燃烧会 产生大量的烟尘和有害气体，污染环境，同时能量利用率不高；沼气锅炉加温是燃烧系统自 身产生的一部分沼气，燃烧产生的高温烟气在反应器底部管道中流动，进而给沼气池加温， 该方法加温效率高，同时对设备和操作技术要求比较高；沼气发电余热加温是在沼气热电 联产工程中，发电机组发电的同时燃气内燃机将排放将近600°C的气体，高温气体中含有大 量的余热，通过余热回收系统中的换热器用余热加温发酵原料，一般只应用于大型沼气工 程；燃池式加温是一种设置在地下的进行燃料阴燃的地坑，池中燃料进行慢燃，池盖和池壁 表面根据调节可保持在中温发酵所需温度。这种方法一次性投入低质燃料即可燃烧一个冬 季，无需人工管理，一般用于户用型沼气工程。以上加温方式各有优缺点，但从中等规模养殖场废水治理工程实际出发，目前尚 没有比较经济合理、节能环保的加温方式。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用地源/空气源热泵途径加温沼气池的系统和控制方法。即以地热能和空气热能为热源，通过地源热泵/空气源热泵加温系统对料液进行加 温。在保证产气率的前提下，提高了能源利用率并降低了建设成本。其中地源热泵主要在 寒冷季节使用，而空气源热泵主要在温暖季节使用，避开空气源热泵可能会结露结霜的寒 冷季节使用。本发明的工作原理如下在寒冷季节，把室外平均温度连续十天低于20°C，启用 地源热泵机组把地下土壤与循环水进行热交换；当室外温度连续十天高于20°C，启用空气 源热泵机组把空气与沼气池循环水进行热交换并且当地下平均温度低于17°C是补充地下 热量。进而使循环水温度提高，再通过对地源热泵/空气源热泵输入少量的高品位电能， 实现低温位热能向高温位转移，进而使得地源热泵机组/空气源热泵机组出水温度达45°C 左右，热水在热盘管中，以辐射和对流的方式与沼气池中发酵原料进行热交换，使沼气池温 度保持在中温发酵范围内。安装温度自动控制装置现实温度自控，当沼气池内温度降低到 35°C以下时，地源热泵/空气源热泵机组自动启动，通过消耗电能把地下水的热量转移到 沼气池中热盘管内的热水中，再对发酵原料加温；当地源/空气源热泵机组的进、出水温差 满足7. 5 °C并且沼气池的温度在35 °C时，地源/空气源热泵机组将自动停止工作。本发明提出的用地源/空气源热泵途径加温沼气池的系统，由地下环路10、风冷 设备9、地源/空气源热泵公用机组以及控制系统组成，其中地源/空气源热泵公用机组包括压缩机6和冷凝器7 ；第一蒸发器5、压缩机6、冷 凝器7和第二蒸发器8依次通过管道连接，形成闭式通道；第一蒸发器5的输出端连接地下 环路10，输入端连接地源侧电磁阀1，第一蒸发器5通过空气源侧电磁阀2连接风冷设备9 形成闭式通道；地下环路10输出端与地源侧电磁阀1连接的管路上接有第一电磁阀3，第 一电磁阀3另一端连接冷凝器7输入端，地下环路10的输入端通过第二电磁阀4连接冷凝 器7的输出端；控制系统由环境温度传感器11、土壤平均温度传感器12、地源热泵机组出水温度 传感器13、地源热泵机组进水温度传感器14、沼气池温度传感器15、信号发生器、执行器、 单片机25和电脑26组成；环境温度传感器11通过第一信号发生器16连接单片机25，地 源侧电磁阀1通过第一执行器21连接单片机25构成闭合回路；空气源侧电磁阀2通过第 二执行器22连接单片机25构成闭合回路；第一电磁阀3通过第三执行器23连接单片机 25构成闭合回路；第二电磁阀4通过第四执行器24连接单片机25构成闭合回路；土壤平 均温度传感器12通过第二信号发生器17连接单片机25的输入端，地源热泵机组出水温度 传感器13通过第三信号发生器18连接单片机25的输入端，地源热泵机组进水温度传感器 14通过第四信号发生器19连接单片机25的输入端，沼气池温度传感器15通过第五信号发 生器20连接单片机25的输入端；单片机25连接电脑26。本发明中，所述地下环路10为地埋管和阀门，所述风冷设备9为风机。本发明提出的用地源/空气源热泵途径加温沼气池的控制方法，具体步骤如下(1)环境温度传感器11采集温度信号通过第一信号发生器16发出相应的数字信 号并传输给单片机25，经过单片机25的数字转换记录在电脑26中，采用相应的程序分析温 度数据，当程序发现环境平均温度连续十天低于20°C时，发出控制指令，执行器操作相应指 令实现地源侧电磁阀1开启，源侧电磁阀2、第一电磁阀3和第二电磁阀4关闭，此时以地下 土壤为热源的工作模式；当以地下土壤为热源的工作模式进行时，机组并非连续运行。地源热泵机组进水温度传感器14、地源热泵机组出水温度传感器13和沼气池温度传感器15采 集温度信号分别通过第四信号发生器19、第三信号发生器18和第五信号发生器20发出相 应的数字信号传输给单片机25，并转输给电脑26，如果电脑26程序发现地源热泵机组进、 出水温差满足7. 5°C，且沼气池的温度在35°C时发出指令，执行器实行操作动作，使得地源 侧电磁阀1、空气源侧电磁阀2、第一电磁阀3和第二电磁阀4均关闭，从而实现加温系统停 止加热；(2)环境温度传感器11采集温度信号通过第一信号发生器16发出相应的数字信 号并传输给单片机25，经过单片机25的数字转换记录在电脑26中，相应的程序分析温度数 据，当程序发现环境平均温度连续十天高于20°C时，发出控制指令，执行器操作相应指令实 现空气源侧电磁阀2开启，地源侧电磁阀1、第一电磁阀3和第二电磁阀4均关闭，此时以室 外空气为热源的工作模式；当以室外空气为热源的工作模式进行时，机组并非连续运行。地 源热泵机组进水温度传感器14、地源热泵机组出水温度传感器13和沼气池温度传感器15 采集温度信号分别通过第四信号发生器19、第三信号发生器18和第五信号发生器20发出 相应的数字信号传输给单片机25，并转输给电脑26，如果电脑26程序发现地源热泵机进、 出水温差满足7. 5°C，且沼气池的温度在35°C时发出指令，执行器实行操作动作，使得地源 侧电磁阀1、空气源侧电磁阀2、第一电磁阀3和第二电磁阀4均关闭，从而实现加温系统停 止加热；(3)环境温度传感器11和土壤平均温度传感器12采集温度信号分别通过第一信 号发生器16、第二信号发生器17发出相应的数字信号并传输给单片机25，经过单片机25 的数字转换记录在电脑26中，相应的程序分析温度数据，当程序发现环境平均温度连续十 天高于20°C，且土壤平均温度低于17°C时发出控制指令，空气源侧电磁阀2开启，地源侧电 磁阀1、第一电磁阀3和第二电磁阀4关闭，工作2小时后电脑26程序发出指令，执行器发 出动作，实现空气源侧电磁阀2、第一电磁阀3和第二电磁阀4开启，地源侧电磁阀1关闭， 此时用室外空气热量补充地下热量。本发明的优点(1)采用本发明的地源热泵/空气源热泵途径加温沼气池技术，可 以采用现场组装即能便捷实现，结构简单，实用安全方便；(2)地源热泵/空气源热泵加温 系统能自动运行，操作简单，很好的利用了土壤热量，能耗小；(3)无需燃料，没有污染，不 受天气影响。
图1为地源热泵/空气源热泵途径加温沼气池系统框图。图2为图1为地源热泵/空气源热泵途径加温沼气池系统的控制系统框图。图中标号1为地源侧电磁阀；2为空气源侧电磁阀；3为第一电磁阀；4为第二电 磁阀；5为第一蒸发器；6为压缩机；7为冷凝器；8为第二蒸发器；9为风冷设备；10为地下 环路；11为环境温度传感器；12为土壤平均温度传感器；13为地源热泵机组出水温度传感 器；14为地源热泵机组进水温度传感器；15为沼气池温度传感器；16-20分别为第一信号 发生器、第二信号发生器、第三信号发生器、第四信号发生器和第五信号发生器；21-24分 别为第一执行器、第二执行器、第三执行器和第四执行器；25为单片机(数据采集板)；26 为电脑。
具体实施例方式
下面通过实施例结合附图进一步描述本发明。实施例1 如图1-图2所示，本系统由地下环路10、风冷设备9、地源/空气源热泵 公用机组以及控制系统组成，控制系统中的控制参数采集部分包括环境温度传感器11、土 壤平均温度传感器12、地源热泵机组出水温度传感器13、地源热泵机组进水温度传感器14 和沼气池温度传感器15，均为DS18B20温度传感器采集温度信号。控制系统中沼气池温度 控制部分由信号发生器、执行器、单片机25和电脑26组成，单片机25和电脑26之间通过 R232接口信号线连接，其余部分均由信号线直接相连，实现自动控制。地下环路10是地埋 管和一些阀门，风冷设备9为一个风机，这两者在加热模式中充当机组四大件(冷凝器7、压 缩机6、第一蒸发器5和第二蒸发器8)中蒸发器；机组公用部分由压缩机6和冷凝器7组 成，是两种不同机组加温模式的公用部分。第一蒸发器5、压缩机6、冷凝器7和第二蒸发器 8依顺序由铜管连接起来，形成闭式通道；制冷剂在其中流动，以逆卡诺原理循环实现为沼 气池加温。控制系统主要通过控制电磁阀的开启与关闭，来控制整个系统的开启与关闭、运 行模式的切换等。第一蒸发器5的输出端连接地下环路10，输入端连接地源侧电磁阀1，第 一蒸发器5通过空气源侧电磁阀2连接风冷设备9形成闭式通道；地下环路10输出端与地 源侧电磁阀1连接的管路上接有第一电磁阀3，第一电磁阀3另一端连接冷凝器7输入端， 地下环路10的输入端通过第二电磁阀4连接冷凝器7的输出端。空气源热泵系统每天开启4个小时，其中2个小时用来给沼气池加温，另外2个小 时用来把空气热量传送到地下，以补充寒冷季节从地下抽取的热量。控制系统包括控制参数采集系统、沼气池温度控制系统和加温模式切换控制系 统。1、控制参数采集系统由沼气池温度、沼气池热盘管进出水温差和环境平均温度控 制。采集仪器为温度传感器和单片机，境温度传感器11、土壤平均温度传感器12、地源热泵 机组出水温度传感器13、地源热泵机组进水温度传感器14和沼气池温度传感器15均通过 信号线与单片机25连接，将数字信号传送到单片机25，进而电脑26控制平台相应的数据采 集和分析平台接收到控制信号后执行设定的控制模式而实现控制功能。2、沼气池温度控制系统工作模式为控制参数采集系统采集沼气池的温度和热盘 管进、出水温差后，如果进、出水温差满足7. 5°C并且沼气池的温度在35°C时，加温系统停 止加热，反之，加温系统启动。3、控制参数采集系统采集室外平均温度、地下土壤平均温度等来变换加温模式。 加温模式有以下3种1)当环境平均温度连续十天低于20°C时，地源侧电磁阀1开启，空气源侧电磁阀 2、第一电磁阀3和第二电磁阀4关闭，此时以地下土壤为热源的工作模式；2)当环境平均温度连续十天高于200C时空气源侧电磁阀2开启，地源侧电磁阀1、 第一电磁阀3和第二电磁阀4关闭，此时以室外空气为热源的工作模式；3)当环境平均温度连续十天高于20°C并且地下土壤平均温度低于17°C时，空气 源侧电磁阀2开启，地源侧电磁阀1、第一电磁阀3和第二电磁阀4关闭，工作2小时后切换 为开启空气源侧电磁阀2、第一电磁阀3和第二电磁阀4，关闭地源侧电磁阀1，此时用室外空气热量补充地下热量。本发明中，沼气池在加温系统的作用下温度能保持在(35士2) °C左右，在中温发酵 的范围，产气率可以保持在0.6m3/(m3*d)左右。有时发酵温度可以到达35°C，产气率达到 1. Im3/ (m3 · d)。本发明中，地源热泵机组制热效率(COP)保持在3. 6左右，系统COP为2. 7左右， 系统的一次能耗较小，一次能源利用系数可达到0. 84，与电热膜加温系统相比节能率为 63%。将上述系统用于拥有300头存栏猪，日产气量为36m3，供30家用户实用的小型集 中供气工程，该沼气池有效容积为69. 3m3。沼气池内部尺寸为3.8mX3.8mX4.8m(长X 宽X高)，在池底和池壁加7cm厚的闭泡聚苯泡沫板的保温隔热材料，减弱了沼气池与大 地、空气的热传导。沼气池顶部覆盖塑料薄膜保温，覆盖面大于池面以利于保温。在沼气池 内壁沿墙壁铺设加温盘管用于加热。加温盘管采用Φ 25*2. 8的PERT管材，盘管总长200m， 盘管间距200mm。为了加快料液热传递，改善加温效果，在沼气池安装了搅拌装置。在沼气池 一侧壁中间距池底高0. 8m处安装一台搅拌机进行搅拌。搅拌机的参数是额定功率2. 5kw, 额定工作频率是50Hz，转速740r/min。地源热泵机组为10. 2kw/380Vo其中地源热泵系统平均每天工作1. 5h，间歇运行，可以缓解地下土壤温度场的热 失衡。沼气池温度保持在(32士2) °C左右，产气率可以保持在0. 6m3/(m3 · d)左右，是国 家标准规定值0. 2 0. 4m3/ (m3 · d)的1. 5 3倍。
权利要求
一种用地源/空气源热泵途径加温沼气池的系统，由地下环路(10)、风冷设备(9)、地源/空气源热泵公用机组以及控制系统组成，其特征在于地源/空气源热泵公用机组包括压缩机(6)和冷凝器(7)；第一蒸发器(5)、压缩机(6)、冷凝器(7)和第二蒸发器(8)依次通过管道连接，形成闭式通道；第一蒸发器(5)的输出端连接地下环路(10)，输入端连接地源侧电磁阀(1)，第一蒸发器(5)通过空气源侧电磁阀(2)连接风冷设备(9)形成闭式通道；地下环路(10)输出端与地源侧电磁阀(1)连接的管路上接有第一电磁阀(3)，第一电磁阀(3)另一端连接冷凝器(7)输入端，地下环路(10)的输入端通过第二电磁阀4连接冷凝器(7)的输出端；控制系统由环境温度传感器(11)、土壤平均温度传感器(12)、地源热泵机组出水温度传感器(13)、地源热泵机组进水温度传感器(14)、沼气池温度传感器(15)、信号发生器、执行器、单片机(25)和电脑(26)组成；环境温度传感器(11)通过第一信号发生器(16)连接单片机(25)，地源侧电磁阀(1)通过第一执行器(21)连接单片机(25)构成闭合回路；空气源侧电磁阀(2)通过第二执行器(22)连接单片机(25)构成闭合回路；第一电磁阀(3)通过第三执行器(23)连接单片机(25)构成闭合回路；第二电磁阀(4)通过第四执行器(24)连接单片机(25)构成闭合回路；土壤平均温度传感器(12)通过第二信号发生器(17)连接单片机(25)的输入端，地源热泵机组出水温度传感器(13)通过第三信号发生器(18)连接单片机(25)的输入端，地源热泵机组进水温度传感器(14)通过第四信号发生器(19)连接单片机(25)的输入端，沼气池温度传感器(15)通过第五信号发生器(20)连接单片机(25)的输入端；单片机(25)连接电脑(26)。
2.根据权利要求1所述的用地源/空气源热泵途径加温沼气池的系统，其特征在于所 述地下环路(10)为地埋管和阀门，所述风冷设备(9)为风机。
3.—种如权利要求1所述的用地源/空气源热泵途径加温沼气池的系统的控制方法， 其特征在于具体步骤如下(1)环境温度传感器(11)采集温度信号通过第一信号发生器(16)发出相应的数字信 号并传输给单片机(25)，经过单片机(25)的数字转换记录在电脑(26)中，采用相应的程序 分析温度数据，当程序发现环境平均温度连续十天低于20°C时，发出控制指令，执行器操作 相应指令实现地源侧电磁阀(1)开启，源侧电磁阀(2)、第一电磁阀(3)和第二电磁阀⑷ 关闭，此时以地下土壤为热源的工作模式；当以地下土壤为热源的工作模式进行时，机组并 非连续运行；地源热泵机组进水温度传感器(14)、地源热泵机组出水温度传感器(13)和沼 气池温度传感器(15)采集温度信号分别通过第四信号发生器(19)、第三信号发生器(18) 和第五信号发生器(20)发出相应的数字信号传输给单片机(25)，并转输给电脑(26)，如果 电脑(26)程序发现地源热泵机组进、出水温差满足7. 5°C，且沼气池的温度在35°C时发出 指令，执行器实行操作动作，使得地源侧电磁阀(1)、空气源侧电磁阀(2)、第一电磁阀(3) 和第二电磁阀(4)均关闭，从而实现加温系统停止加热；(2)环境温度传感器(11)采集温度信号通过第一信号发生器(16)发出相应的数字 信号并传输给单片机(25)，经过单片机(25)的数字转换记录在电脑(26)中，相应的程序 分析温度数据，当程序发现环境平均温度连续十天高于20°C时，发出控制指令，执行器操作 相应指令实现空气源侧电磁阀(2)开启，地源侧电磁阀(1)、第一电磁阀(3)和第二电磁阀 (4)均关闭，此时以室外空气为热源的工作模式；当以室外空气为热源的工作模式进行时，机组并非连续运行；地源热泵机组进水温度传感器(14)、地源热泵机组出水温度传感器 (13)和沼气池温度传感器(15)采集温度信号分别通过第四信号发生器(19)、第三信号发 生器(18)和第五信号发生器(20)发出相应的数字信号传输给单片机(25)，并转输给电脑 (26)，如果电脑(26)程序发现地源热泵机进、出水温差满足7. 5°C，且沼气池的温度在35°C 时发出指令，执行器实行操作动作，使得地源侧电磁阀(1)、空气源侧电磁阀(2)、第一电磁 阀(3)和第二电磁阀(4)均关闭，从而实现加温系统停止加热；(3)环境温度传感器(11)和土壤平均温度传感器(12)采集温度信号分别通过第一信 号发生器(16)、第二信号发生器(17)发出相应的数字信号并传输给单片机(25)，经过单片 机(25)的数字转换记录在电脑(26)中，相应的程序分析温度数据，当程序发现环境平均温 度连续十天高于20°C，且土壤平均温度低于17°C时发出控制指令，空气源侧电磁阀(2)开 启，地源侧电磁阀(1)、第一电磁阀⑶和第二电磁阀⑷关闭，工作2小时后电脑(26)程 序发出指令，执行器发出动作，实现空气源侧电磁阀(2)、第一电磁阀(3)和第二电磁阀(4) 开启，地源侧电磁阀(1)关闭，此时用室外空气热量补充地下热量。
全文摘要
本发明属于节能领域，具体涉及一种地源/空气源热泵途径加温沼气池的系统和控制方法，系统由地下环路、风冷设备、地源/空气源热泵公用机组以及控制系统组成，控制方法为当室外平均温度连续十天低于20℃，启用地源热泵机组进行热交换；当室外温度连续十天高于20℃，启用空气源热泵机组进行热交换。当沼气池内温度降低到35℃以下时，地源/空气源热泵机组自动启动，通过消耗电能把地下水的热量转移到沼气池中热盘管内的热水中；当地源/空气源热泵机组的进、出水温差满足7.5℃并且沼气池的温度在35℃时，地源/空气源热泵机组将自动停止工作。本发明以中等规模发酵工程为对象，探索出一种在保证产气率的前提下提高了能源利用率并降低了建设成本的新型加温系统和控制方法，该方法不仅节能效益高而且环保效果佳。
文档编号C12M1/107GK101974420SQ20101027657
公开日2011年2月16日 申请日期2010年9月9日 优先权日2010年9月9日
发明者朱洪光, 王韬, 石惠娴, 裴晓梅 申请人:同济大学