專利名稱：太陽能-地源熱泵耦合式沼氣池供暖系統及運行控制方法
技術領域：
本發明屬于新能源開發應用領域，涉及的是一種供熱系統，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及運行控制方法。
背景技術：
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域。厭 氧發酵產沼氣技術作為一種生物質廢棄物利用方式，即可回收能源又可解決環境污染問 題，因此受到了各國政府的高度重視。在我國，到2005年底，全國戶用沼氣達到1800萬戶， 年生產沼氣約69億立方米。同時，已建養殖場沼氣工程3500處，全國已建成的大中型沼氣 工程700處。然而，目前沼氣工程產業化還面臨著諸多難題，其中最大的難題之一是如何保證 冬季低溫環境下正常、滿負荷產氣。沼氣常溫發酵需要在15°C以上，中溫發酵需要在35°C 上下，高溫發酵需要在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 氣產氣總量相當于15°C條件下12個月的產氣總量。因此，適宜的溫度是保證沼氣發酵工藝 高效穩定運行的關鍵。目前，我國大中型沼氣工程基本上都采用中溫發酵工藝，即維持發酵 池內溫度在35士2°C范圍內。為維持發酵池內溫度在35士2°C范圍內，往往需要對沼氣工程配備一套加溫系統。 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置在 地下的進行燃料陰燃的地坑，這種方法的特點是一次性投入低質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；電加溫技術以消耗高品位電能為代價，節能性 不高；化石能源熱水鍋爐污染環境，能量利用率低；沼氣鍋爐對設備和操作技術要求比較 高；沼氣發電余熱加溫主要和沼氣熱電聯產工程結合，一般只應用于大型沼氣工程；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，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，加熱不穩定；地源熱泵加溫具有很好的節能效果， 但地源熱泵長期單一加熱模式的運行使得地下溫度降低，導致地源熱泵COP降低。綜合比較現有的沼氣池加溫技術的優缺點，本發明公開了一種太陽能_地源熱泵 耦合式沼氣池供暖系統，并對該系統的優化設計及運行控制方法進行了闡述。

發明內容
本發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 氣池供暖系統及運行控制方法。本發明從能源梯級利用和系統能效系數(COPs)最大化出發，將太陽能集熱技術 與地源熱泵技術有效的結合起來，以解決單一的太陽能加溫系統在陰雨天、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常年運行引起的地下溫度降低、系統性 能系數降低等問題。所提出的耦合系統優化設計與運行控制方法，很好的解決了太陽能集
4熱面積與熱泵裝機容量優化匹配問題、不同氣候條件下耦合系統各模式自動切換最優運行 問題，以達到整個系統從設計到運行的經濟、節能、環保的目的。本發明提出的一種太陽能-地源熱泵耦合式沼氣池供暖系統，由太陽能集熱系 統、熱泵系統、沼氣池加溫系統和太陽能地下蓄熱系統組成，其中太陽能集熱系統包括太陽能全玻璃真空管集熱器6、中轉蓄熱水箱7和集熱器熱 水循環泵9，中轉蓄熱水箱第一出水口 7a與集熱器熱水循環泵9的輸入端相連，集熱器熱水 循環泵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的輸出端連接中轉蓄熱水箱第一進水口 7b，構成太陽能集熱環路；熱泵系統包括熱泵主機3、U型地埋管換熱器23、中轉蓄熱水箱7和熱泵低溫側循 環泵12，熱泵主機蒸發器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 連接熱泵低溫側循環泵12的輸入端，熱泵低溫側循環泵12的輸出端連接熱泵主機蒸發器 4的進水口，構成熱泵第一低溫熱源環路；另一路通過第二電磁閥15連接中轉蓄熱水箱第 二出水口 7c，中轉蓄熱水箱第二進水口 7d通過電動三通閥13連接熱泵低溫側循環泵12的 輸入端，構成熱泵第二低溫熱源環路；沼氣池加溫系統包括發酵池1、盤管換熱器2、熱泵主機3、中轉蓄熱水箱7、第一加 熱循環泵10和第二加熱循環泵11，盤管換熱器2布置在發酵池1的四周池壁及池底，中轉 蓄熱水箱第二出水口 7c連接第一加熱循環泵10的輸入端，第一加熱循環泵10的輸出端通 過第三電磁閥16連接盤管換熱器2的進水口，盤管換熱器2的出水口通過第四電磁閥17 連接中轉蓄熱水箱第二進水口 7d，構成第一加熱環路；熱泵主機冷凝器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 第二加熱循環泵11的輸入端，第二加熱循環泵11的輸出端連接熱泵主機冷凝器5的進水 口，構成第二加熱環路；中轉蓄熱水箱7第二出水口 7c連接第二加熱環泵11的輸入端，第 二加熱循環泵11的輸出端連接熱泵主機冷凝器5的進水口，熱泵主機冷凝器5的出水口連 接盤管換熱器2的進水口，盤管換熱器2的出水口通過第四電磁閥17連接中轉蓄熱水箱7 的第二進水口 7d，構成第三加熱環路；太陽能地下蓄熱系統包括第一加熱循環泵10、U型地埋管換熱器23、中轉蓄熱水 箱7，中轉蓄熱水箱第二出水口 7c與第一加熱循環泵10的輸入端相連，第一加熱循環泵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的進水口相連，U 型地埋管換熱器23的出水口經過電動三通閥13接到中轉蓄熱水箱第二進水口 7d，形成一 個閉合的太陽能地下蓄熱回路。本發明中，太陽能全玻璃真空管集熱器6的聯集箱末端安裝有第一溫度傳感器 24，中轉蓄熱水箱7中部裝有第二溫度傳感器25，發酵池1中部一側裝有第三溫度傳感器 26，U型地埋管換熱器23 —側回水干管上裝有第四溫度傳感器27。本發明中，中轉蓄熱水箱7底部連接有定壓膨脹罐8和排污管。本發明提出的太陽能-地源熱泵耦合式沼氣池供暖系統的運行控制方法，所述系 統有五種運行模式，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
當發酵池1內溫度低于32°C，且中轉蓄熱水箱7中水溫高于50°C時，系統按照太 陽能直接供暖模式運行，第三電磁閥16、第四電磁閥17開啟，其余的電磁閥關閉，第一加熱 循環泵10開啟，其余設備關閉；通過第一加熱環路，即水流依次經過中轉蓄熱水箱7的第 二出水口 7c，第一加熱循環泵10、第三電磁閥16、盤管換熱器2、第四電磁閥17，最后經中轉 蓄熱水箱7的第二進水口 7d回到中轉蓄熱水箱7，使得發酵池1內溫度達到設計要求，當發 酵池1內溫度高于37°C或中轉蓄熱水箱7中水溫低于45°C，該模式停止運行；(2)太陽能_地源熱泵串聯供暖模式當發酵池1內溫度低于32°C，且中轉蓄熱水箱7中水溫低于45°C而高于30°C時， 系統按照太陽能-地源熱泵串聯供暖模式運行，此時第一電磁閥14、第四電磁閥17、第六電 磁閥20開啟，其余電磁閥關閉，電動三通閥13導向連接U型地埋管換熱器23 —側，第二加 熱循環泵11、熱泵低溫側循環泵12開啟，熱泵主機3開啟，熱泵主機3的低溫側按照第一低 溫熱源環路運行，熱泵主機3的高溫側則按照第三加熱環路運行為沼氣池加熱；當發酵池 內溫度高于37°C，停止加熱，關閉對應的電磁閥、水泵及熱泵機組；(3)太陽能熱泵供暖模式當發酵池1內溫度低于32°C，且中轉蓄熱水箱7中水溫低于30°C而高于地埋管換 熱器回水溫度時，系統按照太陽能熱泵供暖模式運行，即太陽能制備的低溫熱水當做熱泵 的低位熱源使用，通過熱泵機組制備高溫熱水為沼氣發酵池供暖，第二電磁閥15、第五電磁 閥18開啟，電動三通閥13由中轉蓄熱水箱第二進水口 7d連通至熱泵低溫側循環泵12的輸 入端，第二加熱循環泵11、熱泵低溫側循環泵12開啟，熱泵主機開啟；熱泵主機的低溫側按 照第二低溫熱源環路運行，而熱泵主機的高溫側按照第二加熱環路運行為沼氣池加熱。當 發酵池內溫度高于37°C，停止加熱，關閉對應的電磁閥、水泵及熱泵機組；(4)地源熱泵供暖模式發酵池1內溫度低于32°C且中轉蓄熱水箱7中水溫低于地埋管換熱器回水溫度 時，系統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循環泵12的輸入端，第二加 熱循環泵11、熱泵低溫側循環泵12開啟，熱泵主機開啟。熱泵系統的低溫側按照第一低溫 熱源環路運行，而熱泵主機的高溫側按照第二加熱環路運行為沼氣池加熱。當發酵池內溫 度高于37°C，停止加熱，關閉對應的電磁閥、水泵及熱泵機組；(5)太陽能地下蓄熱模式發酵池1內溫度高于35°C且中轉蓄熱水箱7中水溫高于70°C時，系統按照太陽能 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的出口連通至中轉蓄熱水箱第二進水口 7d，第一加熱循環泵7開啟；在該模式下，通 過U型地埋管換熱器23可以將中轉蓄熱水箱7中的熱量轉移至地下儲存，當中轉蓄熱水箱 7中的水溫降低至50°C時，停止該模式的運行，關閉相應的閥門與水泵。本發明的優點在于1)本發明根據太陽能集熱器所能制備熱水的溫度梯度，結合蒸發器進水溫度與熱 泵機組COP的關系曲線，將太陽能-地源熱泵耦合系統劃分為多種運行模式(尤其是將太 陽能熱泵模式和太陽能_熱泵串聯模式劃分開來)，能夠最大化的利用低品位的太陽能和 地熱能，顯著的提高了熱泵機組及系統的制熱效率，具有明顯的節能效果。
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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合起 來，能夠充分發揮二者的優勢，彌補相互的缺點。通過能源的互補，很好的解決了太陽能加 熱不穩定和地源熱泵長期運行效率降低這兩大問題。該系統能夠長期高效穩定的為沼氣發 酵池供暖。具有長期的經濟和環境效益。


圖1為本發明的太陽能_地源熱泵耦合式沼氣池供暖系統組成結構示意圖。圖中標號1為發酵池，2為盤管換熱器，3為熱泵主機，4 熱泵主機蒸發器，5為熱 泵主機冷凝器，6為太陽能全玻璃真空管集熱器，7為中轉蓄熱水箱，7a為中轉蓄熱水箱第 一出水口，7b為中轉蓄熱水器第一進水口，7c為中轉蓄熱水箱第二出水口，7d為中轉蓄熱 水箱第二進水口，8為定壓膨脹罐，9為集熱器熱水循環泵，10、11、12為分別為第一加熱循 環泵、第二加熱循環泵和熱泵低溫側循環泵，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
下面通過實施例結合附圖進一步說明本發明。實施例1 針對某一有效容積為69. 3m3的全混式發酵池，本發明選用了四個共計 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組成一個太陽能全 玻璃真空管集熱器；中轉蓄熱水箱為圓柱形閉式承壓保溫水箱，設計承壓能力為0. 6MPa, 實際承壓0. 2Mpa，保溫要求達到水箱內水的溫降小于1°C /天；所用熱泵機組為地源/水源 熱泵機組，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 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，布置在發酵 池的四壁及池底，盤管總長為200m。如圖1所示，本發明的太陽能-地源熱泵耦合式沼氣池供暖系統由太陽能集熱系 統、熱泵系統、沼氣池加溫系統、太陽能地下蓄熱系統組成。其中太陽能集熱系統包括太陽能全玻璃真空管集熱器6、中轉蓄熱水箱7和集熱器熱 水循環泵9，轉蓄熱水箱7共有兩對進出水口，分別為第一出水口 7a，第一進水口 7b，第二出 水口 7c，第二進水口 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 于系統的定壓和承受水箱中水受熱后的膨脹量。中轉蓄熱水箱第一出水口 7a與集熱器熱 水循環泵9的輸入端相連，集熱器熱水循環泵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的輸出端連接中轉蓄熱水箱第一進水口 7b，構成 太陽能集熱環路；集熱器熱水循環泵9從中轉蓄熱水箱7下部第一出水口 7a吸取中轉蓄熱 水箱7中的水進入太陽能全玻璃真空管集熱器6，在此被加熱后再由中轉蓄熱水箱7上部第 一進水口 7b回到中轉蓄熱水箱7中，如此不斷的循環來制備高溫熱水并儲存于中轉蓄熱水 箱7中。熱泵系統包括熱泵主機3、U型地埋管換熱器23、中轉蓄熱水箱7和熱泵低溫側循 環泵12。本發明的熱泵系統有兩個可供選擇的低溫熱源環路，分別為第一低溫熱源環路和第二低溫熱源環路，其中第一低溫熱源環路熱泵主機蒸發器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連接熱泵低溫側循環泵12的輸入端，熱泵低溫側循環泵12的輸出端與熱泵主機蒸 發器4的進水口相連，如此構成一個以地熱能為基礎的熱泵系統第一低溫熱源環路。第二低溫熱源環路熱泵主機蒸發器4 —第二止回閥22 —第二電磁閥15 —中轉 蓄熱水箱7 —電動三通閥13 —熱泵低溫側循環泵12 —熱泵主機蒸發器4，如此構成一個以 太陽能為基礎的熱泵系統第二低溫熱源環路。本發明的沼氣池加溫系統包括發酵池1、盤管換熱器2、熱泵主機冷凝器5、中轉蓄 熱水箱7、第一加熱循環泵10和第二加熱循環泵11。其中，盤管換熱器2布置在發酵池1 內，所述的沼氣池加溫系統有三個可供選擇的加熱環路，分別為第一加熱環路中轉蓄熱水箱第二出水口 7c連接第一加熱循環泵10的輸入端，第 一加熱循環泵10的輸出端通過第三電磁閥16連接盤管換熱器2的進水口，盤管換熱器2 的出水口通過第四電磁閥17連接中轉蓄熱水箱第二進水口 7d，構成第一加熱環路；第二加熱環路熱泵主機冷凝器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連接第二加熱循環泵11的輸入端，第 二加熱循環泵11的輸出端連接熱泵主機冷凝器5的進水口，構成第二加熱環路；第三加熱環路中轉蓄熱水箱7第二出水口 7c通過第六電磁閥20連接第二加熱 環泵11的輸入端，第二加熱循環泵11的輸出端連接熱泵主機冷凝器5的進水口，熱泵主機 冷凝器5的出水口連接盤管換熱器2的進水口，盤管換熱器2的出水口通過第四電磁閥17 連接中轉蓄熱水箱7的第二進水口 7d，構成第三加熱環路。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 強化盤管換熱器2中的熱媒與發酵料液的熱傳遞，需要在發酵池內安裝攪拌裝置。在本發 明中，沼氣池加溫系統的加溫熱源可以來自由太陽能集熱器6制備的儲存在中轉蓄熱水箱 7中的高溫熱水或由熱泵主機3制備的高溫熱水。太陽能地下蓄熱系統主要是將春秋夏季太陽輻射強度較好時供暖系統用不完的 那部分熱量通過U型地埋管換熱器23儲存到地下，以此恢復土壤溫度，保證地源熱泵能長 期高效穩定的運行。它包括第一加熱循環泵10、U型地埋管換熱器23、中轉蓄熱水箱7、第 七電磁閥21、第一電磁閥14及電動三通閥13，中轉蓄熱水箱第二出水口 7c與第一加熱循 環泵10的輸入端相連，第一加熱循環泵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的進水口相連，U型地埋管換熱器23的出水口經過電動三通閥 13接到中轉蓄熱水箱第二進水口 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的聯集箱末端安裝有第一溫度傳感器24，中轉 蓄熱水箱7中部裝有第二溫度傳感器25，發酵池1中部一側裝有第三溫度傳感器26，U型 地埋管換熱器23 —側回水干管上裝有第四溫度傳感器27。所述中轉蓄熱水箱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的運行控制方法，所述系統有五種運行 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；所述系統的運行控制分為三個子系統
8的運行控制太陽能集熱系統運行控制、沼氣池加溫系統運行控制和太陽能地下蓄熱系統 控制。其中1)太陽能集熱系統運行控制本發明采用溫差法控制太陽能集熱系統的運行，在每組串聯的太陽能全玻璃真空 管集熱器6的聯集箱的末端安裝一個DS18B20第一溫度傳感器24，中轉蓄熱水箱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，集熱器加熱循環泵9開啟，中轉蓄熱水箱7中的水被集熱器 不斷的加熱。當二者的溫差小于3°C時集熱器加熱循環泵9停止。2)沼氣池加溫系統運行控制根據中轉蓄熱水箱中的溫度和當地地埋管回水溫度，沼氣池加溫系統可以分別按 照太陽能直接供暖模式、太陽能_地源熱泵串聯供暖模式、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發酵池1內溫度低于32°C，且中轉蓄熱水箱7中水溫高于50°C時，系統按照太 陽能直接供暖模式運行，第三電磁閥16、第四電磁閥17開啟，其余的電磁閥關閉，第一加熱 循環泵10開啟，其余設備(包括水泵、熱泵等)關閉。通過第一加熱環路，即水流依次經 過中轉蓄熱水箱7的第二出水口 7c，第一加熱循環泵10、第三電磁閥16、盤管換熱器2、第 四電磁閥17，最后經中轉蓄熱水箱7的第二進水口 7d回到中轉蓄熱水箱7，使得發酵池內 溫度達到設計要求，當發酵池內溫度高于37°C或中轉蓄熱水箱7中水溫低于45°C，該模式 停止運行；(2)太陽能_地源熱泵串聯供暖模式當發酵池內溫度低于32°C，且中轉蓄熱水箱7中水溫低于45°C而高于30°C時，系 統按照太陽能-地源熱泵串聯供暖模式運行，此時第一電磁閥14、第四電磁閥17、第六電磁 閥20開啟，其余電磁閥關閉，電動三通閥13導向連接U型地埋管換熱器23 —側，第二加熱 循環泵11、熱泵低溫側循環泵12開啟，熱泵主機3開啟，熱泵主機的低溫側按照前面所述的 第一低溫熱源環路運行，而熱泵主機的高溫側則按照前面所述的第二加熱環路運行為沼氣 池加熱；當發酵池內溫度高于37°C，停止加熱，關閉對應的電磁閥、水泵及熱泵機組；(3)太陽能熱泵供暖模式當發酵池內溫度低于32°C，且中轉蓄熱水箱7中水溫低于30°C而高于地埋管換熱 器回水溫度時，系統按照太陽能熱泵供暖模式運行，即太陽能制備的低溫熱水當做熱泵的 低位熱源使用，通過熱泵機組制備高溫熱水為沼氣發酵池供暖，第二電磁閥15、第五電磁閥 18開啟，電動三通閥13由中轉蓄熱水箱第二進水口 7d連通至熱泵低溫側循環泵12的輸入 端，第二加熱循環泵11、熱泵低溫側循環泵12開啟，熱泵主機開啟；熱泵主機的低溫側按照 前面所述的第二低溫熱源環路運行，而熱泵主機的高溫側則按照前面所述的第一加熱環路 運行為沼氣池加熱。當發酵池內溫度高于37°C，停止加熱，關閉對應的電磁閥、水泵及熱泵 機組；(4)地源熱泵供暖模式發酵池內溫度低于32°C且中轉蓄熱水箱7中水溫低于地埋管換熱器回水溫度時， 系統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循環泵12的輸入端，第二加熱循 環泵11、熱泵低溫側循環泵12開啟，熱泵主機開啟。熱泵系統的低溫側按照前面所述的第 一低溫熱源環路運行，而熱泵主機的高溫側則按照前面所述的第一加熱環路運行為沼氣池 加熱。當發酵池內溫度高于37°C，停止加熱，關閉對應的電磁閥、水泵及熱泵機組。(5)太陽能地下蓄熱控制模式發酵池內溫度高于35°C且中轉蓄熱水箱7中水溫高于70°C時，系統按照太陽能 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的出口連通至中轉蓄熱水箱第二進水口 7d，第一加熱循環泵7開啟；在該模式 下，通過U型地埋管換熱器23可以將中轉蓄熱水箱7中的熱量轉移至地下儲存，當中轉蓄 熱水箱7中的水溫降低至50°C時，停止該模式的運行，關閉相應的閥門與水泵。
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權利要求
一種太陽能 地源熱泵耦合式沼氣池供暖系統，其特征在于由太陽能集熱系統、熱泵系統、沼氣池加溫系統和太陽能地下蓄熱系統組成，其中太陽能集熱系統包括太陽能全玻璃真空管集熱器(6)、中轉蓄熱水箱(7)和集熱器熱水循環泵(9)，中轉蓄熱水箱第一出水口(7a)與集熱器熱水循環泵(9)的輸入端相連，集熱器熱水循環泵(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)的輸出端連接中轉蓄熱水箱第一進水口(7b)，構成太陽能集熱環路；熱泵系統包括熱泵主機(3)、U型地埋管換熱器(23)、中轉蓄熱水箱(7)和熱泵低溫側循環泵(12)，熱泵主機蒸發器(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)連接熱泵低溫側循環泵(12)的輸入端，熱泵低溫側循環泵(12)的輸出端連接熱泵主機蒸發器(4)的進水口，構成熱泵第一低溫熱源環路；另一路通過第二電磁閥(15)連接中轉蓄熱水箱第二出水口(7c)，中轉蓄熱水箱第二進水口(7d)通過電動三通閥(13)連接熱泵低溫側循環泵(12)的輸入端，構成熱泵第二低溫熱源環路；沼氣池加溫系統包括發酵池(1)、盤管換熱器(2)、熱泵主機(3)、中轉蓄熱水箱(7)、第一加熱循環泵(10)和第二加熱循環泵(11)，盤管換熱器(2)布置在發酵池(1)的四周池壁及池底，中轉蓄熱水箱第二出水口(7c)連接第一加熱循環泵(10)的輸入端，第一加熱循環泵(10)的輸出端通過第三電磁閥(16)連接盤管換熱器(2)的進水口，盤管換熱器(2)的出水口通過第四電磁閥(17)連接中轉蓄熱水箱第二進水口(7d)，構成第一加熱環路；熱泵主機冷凝器(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)連接第二加熱循環泵(11)的輸入端，第二加熱循環泵(11)的輸出端連接熱泵主機冷凝器(5)的進水口，構成第二加熱環路；中轉蓄熱水箱(7)第二出水口(7c)連接第二加熱環泵(11)的輸入端，第二加熱循環泵(11)的輸出端連接熱泵主機冷凝器(5)的進水口，熱泵主機冷凝器(5)的出水口連接盤管換熱器(2)的進水口，盤管換熱器(2)的出水口通過第四電磁閥(17)連接中轉蓄熱水箱(7)的第二進水口(7d)，構成第三加熱環路；太陽能地下蓄熱系統包括第一加熱循環泵(10)、U型地埋管換熱器(23)、中轉蓄熱水箱(7)，中轉蓄熱水箱第二出水口(7c)與第一加熱循環泵(10)的輸入端相連，第一加熱循環泵(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)的進水口相連，U型地埋管換熱器(23)的出水口經過電動三通閥(13)接到中轉蓄熱水箱第二進水口(7d)，形成一個閉合的太陽能地下蓄熱回路。
2.根據權利要求1所述的太陽能-地源熱泵耦合式沼氣池供暖系統，其特征在于太陽 能全玻璃真空管集熱器(6)的聯集箱末端安裝有第一溫度傳感器(24)，中轉蓄熱水箱(7) 中部裝有第二溫度傳感器(25)，發酵池(1)中部一側裝有第三溫度傳感器(26)，U型地埋 管換熱器(23) —側回水干管上裝有第四溫度傳感器(27)。
3.根據權利要求1所述的太陽能_地源熱泵耦合式沼氣池供暖系統，其特征在于中轉 蓄熱水箱(7)底部連接有定壓膨脹罐(8)和排污管。
4.一種權利要求1所述的太陽能_地源熱泵耦合式沼氣池供暖系統的運行控制方法， 其特征在于所述系統有五種運行模式，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發酵池(1)內溫度低于32°C，且中轉蓄熱水箱(7)中水溫高于50°C時，系統按照太 陽能直接供暖模式運行，第三電磁閥(16)、第四電磁閥(17)開啟，其余的電磁閥關閉，第一 加熱循環泵(10)開啟，其余設備關閉；通過第一加熱環路，即水流依次經過中轉蓄熱水箱 (7)的第二出水口(7c)，第一加熱循環泵(10)、第三電磁閥(16)、盤管換熱器(2)、第四電磁 閥(17)，最后經中轉蓄熱水箱(7)的第二進水口(7d)回到中轉蓄熱水箱(7)，使得發酵池 ⑴內溫度達到設計要求，當發酵池⑴內溫度高于37°C或中轉蓄熱水箱(7)中水溫低于 45 °C，該模式停止運行；(2)太陽能-地源熱泵串聯供暖模式當發酵池(1)內溫度低于32°C，且中轉蓄熱水箱(7)中水溫低于45°C而高于30°C時， 系統按照太陽能-地源熱泵串聯供暖模式運行，第一電磁閥(14)、第四電磁閥(17)、第六電 磁閥(20)開啟，其余電磁閥關閉，電動三通閥(13)導向連接U型地埋管換熱器(23) —側， 第二加熱循環泵(11)、熱泵低溫側循環泵(12)開啟，熱泵主機(3)開啟，熱泵主機(3)的低 溫側按照權利要求1所述的第一低溫熱源環路運行，熱泵主機(3)的高溫側則按照權利要 求1所述的第三加熱環路運行為沼氣池加熱；當發酵池內溫度高于37°C，停止加熱，關閉對 應的電磁閥、水泵及熱泵機組；(3)太陽能熱泵供暖模式當發酵池(1)內溫度低于32°C，且中轉蓄熱水箱(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，系統按照太陽能熱泵供暖模式運行，即太陽能制備的低溫熱 水當做熱泵的低位熱源使用，通過熱泵機組制備高溫熱水為沼氣發酵池供暖，第二電磁閥 (15)、第五電磁閥(18)開啟，電動三通閥(13)由中轉蓄熱水箱第二進水口(7d)連通至熱 泵低溫側循環泵(12)的輸入端，第二加熱循環泵(11)、熱泵低溫側循環泵(12)開啟，熱泵 主機開啟；熱泵主機的低溫側按照權利要求1所述的第二低溫熱源環路運行，而熱泵主機 的高溫側則按照權利要求1所述的第二加熱環路運行為沼氣池加熱。當發酵池內溫度高于 37°C，停止加熱，關閉對應的電磁閥、水泵及熱泵機組；(4)地源熱泵供暖模式發酵池(1)內溫度低于32°C且中轉蓄熱水箱(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循環泵 (12)的輸入端，第二加熱循環泵(11)、熱泵低溫側循環泵(12)開啟，熱泵主機(3)開啟；熱 泵系統的低溫側按照權利要求1所述的第一低溫熱源環路運行，而熱泵主機的高溫側則按 照權利要求1所述的第二加熱環路運行為沼氣池加熱；當發酵池內溫度高于37°C，停止加 熱，關閉對應的電磁閥、水泵及熱泵機組；(5)太陽能地下蓄熱模式發酵池(1)內溫度高于35°C且中轉蓄熱水箱(7)中水溫高于70°C時，系統按照太陽能 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)的出口連通至中轉蓄熱水箱第二進水口(7d)，第一加熱循環泵(7)開啟；在 該模式下，通過U型地埋管換熱器(23)將中轉蓄熱水箱(7)中的熱量轉移至地下儲存，當 中轉蓄熱水箱(7)中的水溫降低至50°C時，停止該模式的運行，關閉相應的閥門與水泵。
全文摘要
本發明屬于新能源開發應用領域，具體涉及一種太陽能-地源熱泵耦合式沼氣池供暖系統及其運行控制方法，根據太陽能集熱器所能制備熱水的溫度梯度，結合熱泵機組COP與蒸發器進水溫度的關系曲線，將太陽能-地源熱泵耦合式沼氣池供暖系統劃分為太陽能直接供暖、太陽能-地源熱泵串聯供暖、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。本發明充分的利用低品位的太陽能和地熱能，顯著的提高了熱泵機組及系統的制熱效率，能夠長期高效穩定的為沼氣發酵池供暖，具有長期的經濟和環境效益。
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 優先權日2010年9月2日
發明者張迪, 朱洪光, 石惠嫻, 裴曉梅, 雷勇 申請人:同濟大學