专利名称：太阳能-地源热泵耦合式沼气池供暖系统及运行控制方法
技术领域：
本发明属于新能源开发应用领域，涉及的是一种供热系统，具体涉及一种是将太 阳能-地源热泵耦合式沼气池供暖系统及运行控制方法。
背景技术：
化石能源的渐趋枯竭，使得世界上很多国家开始将目光聚集到新生能源领域。厌 氧发酵产沼气技术作为一种生物质废弃物利用方式，即可回收能源又可解决环境污染问 题，因此受到了各国政府的高度重视。在我国，到2005年底，全国户用沼气达到1800万户， 年生产沼气约69亿立方米。同时，已建养殖场沼气工程3500处，全国已建成的大中型沼气 工程700处。然而，目前沼气工程产业化还面临着诸多难题，其中最大的难题之一是如何保证 冬季低温环境下正常、满负荷产气。沼气常温发酵需要在15°C以上，中温发酵需要在35°C 上下，高温发酵需要在55°C上下。研究表明对同一种沼气原料在35°C条件下一个月的沼 气产气总量相当于15°C条件下12个月的产气总量。因此，适宜的温度是保证沼气发酵工艺 高效稳定运行的关键。目前，我国大中型沼气工程基本上都采用中温发酵工艺，即维持发酵 池内温度在35士2°C范围内。为维持发酵池内温度在35士2°C范围内，往往需要对沼气工程配备一套加温系统。 目前，常见的沼气池加温方式有燃池式加温、电加热、化石能源热水锅炉加热、沼气锅炉加 温、沼气发电余热加温、太阳能加热和地源热泵加热等多种方式。燃池式加温是一种设置在 地下的进行燃料阴燃的地坑，这种方法的特点是一次性投入低质燃料即可燃烧一个冬季， 无需人工管理，比较适用于户用型沼气工程；电加温技术以消耗高品位电能为代价，节能性 不高；化石能源热水锅炉污染环境，能量利用率低；沼气锅炉对设备和操作技术要求比较 高；沼气发电余热加温主要和沼气热电联产工程结合，一般只应用于大型沼气工程；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，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，加热不稳定；地源热泵加温具有很好的节能效果， 但地源热泵长期单一加热模式的运行使得地下温度降低，导致地源热泵COP降低。综合比较现有的沼气池加温技术的优缺点，本发明公开了一种太阳能_地源热泵 耦合式沼气池供暖系统，并对该系统的优化设计及运行控制方法进行了阐述。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多模式自动切换运行的太阳能_地源热泵耦合式沼 气池供暖系统及运行控制方法。本发明从能源梯级利用和系统能效系数(COPs)最大化出发，将太阳能集热技术 与地源热泵技术有效的结合起来，以解决单一的太阳能加温系统在阴雨天、冬天不能满足 沼气池加温要求的问题，以及单一的地源热泵系统常年运行引起的地下温度降低、系统性 能系数降低等问题。所提出的耦合系统优化设计与运行控制方法，很好的解决了太阳能集
4热面积与热泵装机容量优化匹配问题、不同气候条件下耦合系统各模式自动切换最优运行 问题，以达到整个系统从设计到运行的经济、节能、环保的目的。本发明提出的一种太阳能-地源热泵耦合式沼气池供暖系统，由太阳能集热系 统、热泵系统、沼气池加温系统和太阳能地下蓄热系统组成，其中太阳能集热系统包括太阳能全玻璃真空管集热器6、中转蓄热水箱7和集热器热 水循环泵9，中转蓄热水箱第一出水口 7a与集热器热水循环泵9的输入端相连，集热器热水 循环泵9的输出端连接太阳能全玻璃真空管集热器6的输入端，太阳能全玻璃真空管集热 器6的输出端连接中转蓄热水箱第一进水口 7b，构成太阳能集热环路；热泵系统包括热泵主机3、U型地埋管换热器23、中转蓄热水箱7和热泵低温侧循 环泵12，热泵主机蒸发器4出水口通过第二止回阀22后分为两路，一路通过第一电磁阀14 与U型地埋管换热器23的进水管相连，U型地埋管换热器23的回水管通过电动三通阀13 连接热泵低温侧循环泵12的输入端，热泵低温侧循环泵12的输出端连接热泵主机蒸发器 4的进水口，构成热泵第一低温热源环路；另一路通过第二电磁阀15连接中转蓄热水箱第 二出水口 7c，中转蓄热水箱第二进水口 7d通过电动三通阀13连接热泵低温侧循环泵12的 输入端，构成热泵第二低温热源环路；沼气池加温系统包括发酵池1、盘管换热器2、热泵主机3、中转蓄热水箱7、第一加 热循环泵10和第二加热循环泵11，盘管换热器2布置在发酵池1的四周池壁及池底，中转 蓄热水箱第二出水口 7c连接第一加热循环泵10的输入端，第一加热循环泵10的输出端通 过第三电磁阀16连接盘管换热器2的进水口，盘管换热器2的出水口通过第四电磁阀17 连接中转蓄热水箱第二进水口 7d，构成第一加热环路；热泵主机冷凝器5的出水口通过第 一止回阀19连接盘管换热器2的进水口，盘管换热器2的出水口通过第五电磁阀18连接 第二加热循环泵11的输入端，第二加热循环泵11的输出端连接热泵主机冷凝器5的进水 口，构成第二加热环路；中转蓄热水箱7第二出水口 7c连接第二加热环泵11的输入端，第 二加热循环泵11的输出端连接热泵主机冷凝器5的进水口，热泵主机冷凝器5的出水口连 接盘管换热器2的进水口，盘管换热器2的出水口通过第四电磁阀17连接中转蓄热水箱7 的第二进水口 7d，构成第三加热环路；太阳能地下蓄热系统包括第一加热循环泵10、U型地埋管换热器23、中转蓄热水 箱7，中转蓄热水箱第二出水口 7c与第一加热循环泵10的输入端相连，第一加热循环泵10 的输出端依次通过第七电磁阀21、第一电磁阀14与U型地埋管换热器23的进水口相连，U 型地埋管换热器23的出水口经过电动三通阀13接到中转蓄热水箱第二进水口 7d，形成一 个闭合的太阳能地下蓄热回路。本发明中，太阳能全玻璃真空管集热器6的联集箱末端安装有第一温度传感器 24，中转蓄热水箱7中部装有第二温度传感器25，发酵池1中部一侧装有第三温度传感器 26，U型地埋管换热器23 —侧回水干管上装有第四温度传感器27。本发明中，中转蓄热水箱7底部连接有定压膨胀罐8和排污管。本发明提出的太阳能-地源热泵耦合式沼气池供暖系统的运行控制方法，所述系 统有五种运行模式，分别为太阳能直接供暖模式、太阳能-地源热泵串联供暖模式、太阳 能热泵供暖模式、地源热泵单独供暖模式和太阳能地下蓄热模式；其中(1)太阳能直接供暖模式
当发酵池1内温度低于32°C，且中转蓄热水箱7中水温高于50°C时，系统按照太 阳能直接供暖模式运行，第三电磁阀16、第四电磁阀17开启，其余的电磁阀关闭，第一加热 循环泵10开启，其余设备关闭；通过第一加热环路，即水流依次经过中转蓄热水箱7的第 二出水口 7c，第一加热循环泵10、第三电磁阀16、盘管换热器2、第四电磁阀17，最后经中转 蓄热水箱7的第二进水口 7d回到中转蓄热水箱7，使得发酵池1内温度达到设计要求，当发 酵池1内温度高于37°C或中转蓄热水箱7中水温低于45°C，该模式停止运行；(2)太阳能_地源热泵串联供暖模式当发酵池1内温度低于32°C，且中转蓄热水箱7中水温低于45°C而高于30°C时， 系统按照太阳能-地源热泵串联供暖模式运行，此时第一电磁阀14、第四电磁阀17、第六电 磁阀20开启，其余电磁阀关闭，电动三通阀13导向连接U型地埋管换热器23 —侧，第二加 热循环泵11、热泵低温侧循环泵12开启，热泵主机3开启，热泵主机3的低温侧按照第一低 温热源环路运行，热泵主机3的高温侧则按照第三加热环路运行为沼气池加热；当发酵池 内温度高于37°C，停止加热，关闭对应的电磁阀、水泵及热泵机组；(3)太阳能热泵供暖模式当发酵池1内温度低于32°C，且中转蓄热水箱7中水温低于30°C而高于地埋管换 热器回水温度时，系统按照太阳能热泵供暖模式运行，即太阳能制备的低温热水当做热泵 的低位热源使用，通过热泵机组制备高温热水为沼气发酵池供暖，第二电磁阀15、第五电磁 阀18开启，电动三通阀13由中转蓄热水箱第二进水口 7d连通至热泵低温侧循环泵12的输 入端，第二加热循环泵11、热泵低温侧循环泵12开启，热泵主机开启；热泵主机的低温侧按 照第二低温热源环路运行，而热泵主机的高温侧按照第二加热环路运行为沼气池加热。当 发酵池内温度高于37°C，停止加热，关闭对应的电磁阀、水泵及热泵机组；(4)地源热泵供暖模式发酵池1内温度低于32°C且中转蓄热水箱7中水温低于地埋管换热器回水温度 时，系统按照地源热泵供暖模式运行。在该模式下，第一电磁阀14、第五电磁阀18开启，电 动三通阀13由U型地埋管换热器23的出口连通至热泵低温侧循环泵12的输入端，第二加 热循环泵11、热泵低温侧循环泵12开启，热泵主机开启。热泵系统的低温侧按照第一低温 热源环路运行，而热泵主机的高温侧按照第二加热环路运行为沼气池加热。当发酵池内温 度高于37°C，停止加热，关闭对应的电磁阀、水泵及热泵机组；(5)太阳能地下蓄热模式发酵池1内温度高于35°C且中转蓄热水箱7中水温高于70°C时，系统按照太阳能 地下蓄热模式运行，第一电磁阀14、第七电磁阀21开启，电动三通阀13由U型地埋管换热 器23的出口连通至中转蓄热水箱第二进水口 7d，第一加热循环泵7开启；在该模式下，通 过U型地埋管换热器23可以将中转蓄热水箱7中的热量转移至地下储存，当中转蓄热水箱 7中的水温降低至50°C时，停止该模式的运行，关闭相应的阀门与水泵。本发明的优点在于1)本发明根据太阳能集热器所能制备热水的温度梯度，结合蒸发器进水温度与热 泵机组COP的关系曲线，将太阳能-地源热泵耦合系统划分为多种运行模式(尤其是将太 阳能热泵模式和太阳能_热泵串联模式划分开来)，能够最大化的利用低品位的太阳能和 地热能，显著的提高了热泵机组及系统的制热效率，具有明显的节能效果。
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2)针对沼气池常年需要供暖这一特点，提出了将太阳能与地源热泵有效的结合起 来，能够充分发挥二者的优势，弥补相互的缺点。通过能源的互补，很好的解决了太阳能加 热不稳定和地源热泵长期运行效率降低这两大问题。该系统能够长期高效稳定的为沼气发 酵池供暖。具有长期的经济和环境效益。
图1为本发明的太阳能_地源热泵耦合式沼气池供暖系统组成结构示意图。图中标号1为发酵池，2为盘管换热器，3为热泵主机，4 热泵主机蒸发器，5为热 泵主机冷凝器，6为太阳能全玻璃真空管集热器，7为中转蓄热水箱，7a为中转蓄热水箱第 一出水口，7b为中转蓄热水器第一进水口，7c为中转蓄热水箱第二出水口，7d为中转蓄热 水箱第二进水口，8为定压膨胀罐，9为集热器热水循环泵，10、11、12为分别为第一加热循 环泵、第二加热循环泵和热泵低温侧循环泵，13为电动三通阀，14、15、16、17、18、20和21分 别为第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、第四电磁阀、第五电磁阀、第六电磁阀和第七电 磁阀，19、22分别为第一止回阀和第二止回阀，23为U型地埋管换热器，24、25、26和27分别 为第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器和第四温度传感器。
具体实施例方式
下面通过实施例结合附图进一步说明本发明。实施例1 针对某一有效容积为69. 3m3的全混式发酵池，本发明选用了四个共计 26m2集热面积的太阳能全玻璃真空管集热模块，并将四个集热模块串联组成一个太阳能全 玻璃真空管集热器；中转蓄热水箱为圆柱形闭式承压保温水箱，设计承压能力为0. 6MPa, 实际承压0. 2Mpa，保温要求达到水箱内水的温降小于1°C /天；所用热泵机组为地源/水源 热泵机组，其名义制热量为18. 3kff ；U型地埋管换热器由5个Φ 25*2. 8的PE单U型管并联 组成，地埋管的垂直深度为IOOm ；盘管换热器为Φ 25*2. 8的PERT管绕制而成，布置在发酵 池的四壁及池底，盘管总长为200m。如图1所示，本发明的太阳能-地源热泵耦合式沼气池供暖系统由太阳能集热系 统、热泵系统、沼气池加温系统、太阳能地下蓄热系统组成。其中太阳能集热系统包括太阳能全玻璃真空管集热器6、中转蓄热水箱7和集热器热 水循环泵9，转蓄热水箱7共有两对进出水口，分别为第一出水口 7a，第一进水口 7b，第二出 水口 7c，第二进水口 7d，对称的分布在水箱的上下部，水箱的底部连接有定压膨胀罐8，用 于系统的定压和承受水箱中水受热后的膨胀量。中转蓄热水箱第一出水口 7a与集热器热 水循环泵9的输入端相连，集热器热水循环泵9的输出端连接太阳能全玻璃真空管集热器 6的输入端，太阳能全玻璃真空管集热器6的输出端连接中转蓄热水箱第一进水口 7b，构成 太阳能集热环路；集热器热水循环泵9从中转蓄热水箱7下部第一出水口 7a吸取中转蓄热 水箱7中的水进入太阳能全玻璃真空管集热器6，在此被加热后再由中转蓄热水箱7上部第 一进水口 7b回到中转蓄热水箱7中，如此不断的循环来制备高温热水并储存于中转蓄热水 箱7中。热泵系统包括热泵主机3、U型地埋管换热器23、中转蓄热水箱7和热泵低温侧循 环泵12。本发明的热泵系统有两个可供选择的低温热源环路，分别为第一低温热源环路和第二低温热源环路，其中第一低温热源环路热泵主机蒸发器4的出水口依次通过第二止回阀22、第一电 磁阀14与U型地埋管换热器23的进水口连接，U型地埋管换热器23的出水口通过电动三 通阀13连接热泵低温侧循环泵12的输入端，热泵低温侧循环泵12的输出端与热泵主机蒸 发器4的进水口相连，如此构成一个以地热能为基础的热泵系统第一低温热源环路。第二低温热源环路热泵主机蒸发器4 —第二止回阀22 —第二电磁阀15 —中转 蓄热水箱7 —电动三通阀13 —热泵低温侧循环泵12 —热泵主机蒸发器4，如此构成一个以 太阳能为基础的热泵系统第二低温热源环路。本发明的沼气池加温系统包括发酵池1、盘管换热器2、热泵主机冷凝器5、中转蓄 热水箱7、第一加热循环泵10和第二加热循环泵11。其中，盘管换热器2布置在发酵池1 内，所述的沼气池加温系统有三个可供选择的加热环路，分别为第一加热环路中转蓄热水箱第二出水口 7c连接第一加热循环泵10的输入端，第 一加热循环泵10的输出端通过第三电磁阀16连接盘管换热器2的进水口，盘管换热器2 的出水口通过第四电磁阀17连接中转蓄热水箱第二进水口 7d，构成第一加热环路；第二加热环路热泵主机冷凝器5的出水口通过第一止回阀19连接盘管换热器2 的进水口，盘管换热器2的出水口通过第五电磁阀18连接第二加热循环泵11的输入端，第 二加热循环泵11的输出端连接热泵主机冷凝器5的进水口，构成第二加热环路；第三加热环路中转蓄热水箱7第二出水口 7c通过第六电磁阀20连接第二加热 环泵11的输入端，第二加热循环泵11的输出端连接热泵主机冷凝器5的进水口，热泵主机 冷凝器5的出水口连接盘管换热器2的进水口，盘管换热器2的出水口通过第四电磁阀17 连接中转蓄热水箱7的第二进水口 7d，构成第三加热环路。盘管换热器2采用Φ 25*2. 8的PERT管，盘管间距200mm，盘管长度为200m。为了 强化盘管换热器2中的热媒与发酵料液的热传递，需要在发酵池内安装搅拌装置。在本发 明中，沼气池加温系统的加温热源可以来自由太阳能集热器6制备的储存在中转蓄热水箱 7中的高温热水或由热泵主机3制备的高温热水。太阳能地下蓄热系统主要是将春秋夏季太阳辐射强度较好时供暖系统用不完的 那部分热量通过U型地埋管换热器23储存到地下，以此恢复土壤温度，保证地源热泵能长 期高效稳定的运行。它包括第一加热循环泵10、U型地埋管换热器23、中转蓄热水箱7、第 七电磁阀21、第一电磁阀14及电动三通阀13，中转蓄热水箱第二出水口 7c与第一加热循 环泵10的输入端相连，第一加热循环泵10的输出端依次通过第七电磁阀21、第一电磁阀 14与U型地埋管换热器23的进水口相连，U型地埋管换热器23的出水口经过电动三通阀 13接到中转蓄热水箱第二进水口 7d，形成一个闭合的太阳能地下蓄热回路。所述太阳能全玻璃真空管集热器6的联集箱末端安装有第一温度传感器24，中转 蓄热水箱7中部装有第二温度传感器25，发酵池1中部一侧装有第三温度传感器26，U型 地埋管换热器23 —侧回水干管上装有第四温度传感器27。所述中转蓄热水箱7底部连接有定压膨胀罐8和排污管。太阳能-地源热泵耦合式沼气池供暖系统的运行控制方法，所述系统有五种运行 模式分别为太阳能直接供暖模式；太阳能-地源热泵串联供暖模式；太阳能热泵供暖模 式；地源热泵单独供暖模式和太阳能地下蓄热模式；所述系统的运行控制分为三个子系统
8的运行控制太阳能集热系统运行控制、沼气池加温系统运行控制和太阳能地下蓄热系统 控制。其中1)太阳能集热系统运行控制本发明采用温差法控制太阳能集热系统的运行，在每组串联的太阳能全玻璃真空 管集热器6的联集箱的末端安装一个DS18B20第一温度传感器24，中转蓄热水箱7的中部 装一个DS18B20第二温度传感器25。如果DS18B20第一温度传感器24与DS18B20第二温 度传感器25的温差大于6 °C时，集热器加热循环泵9开启，中转蓄热水箱7中的水被集热器 不断的加热。当二者的温差小于3°C时集热器加热循环泵9停止。2)沼气池加温系统运行控制根据中转蓄热水箱中的温度和当地地埋管回水温度，沼气池加温系统可以分别按 照太阳能直接供暖模式、太阳能_地源热泵串联供暖模式、太阳能热泵供暖模式、地源热泵 供暖模式多种模式运行。各模式的运行控制方法如下(1)太阳能直接供暖模式当发酵池1内温度低于32°C，且中转蓄热水箱7中水温高于50°C时，系统按照太 阳能直接供暖模式运行，第三电磁阀16、第四电磁阀17开启，其余的电磁阀关闭，第一加热 循环泵10开启，其余设备(包括水泵、热泵等)关闭。通过第一加热环路，即水流依次经 过中转蓄热水箱7的第二出水口 7c，第一加热循环泵10、第三电磁阀16、盘管换热器2、第 四电磁阀17，最后经中转蓄热水箱7的第二进水口 7d回到中转蓄热水箱7，使得发酵池内 温度达到设计要求，当发酵池内温度高于37°C或中转蓄热水箱7中水温低于45°C，该模式 停止运行；(2)太阳能_地源热泵串联供暖模式当发酵池内温度低于32°C，且中转蓄热水箱7中水温低于45°C而高于30°C时，系 统按照太阳能-地源热泵串联供暖模式运行，此时第一电磁阀14、第四电磁阀17、第六电磁 阀20开启，其余电磁阀关闭，电动三通阀13导向连接U型地埋管换热器23 —侧，第二加热 循环泵11、热泵低温侧循环泵12开启，热泵主机3开启，热泵主机的低温侧按照前面所述的 第一低温热源环路运行，而热泵主机的高温侧则按照前面所述的第二加热环路运行为沼气 池加热；当发酵池内温度高于37°C，停止加热，关闭对应的电磁阀、水泵及热泵机组；(3)太阳能热泵供暖模式当发酵池内温度低于32°C，且中转蓄热水箱7中水温低于30°C而高于地埋管换热 器回水温度时，系统按照太阳能热泵供暖模式运行，即太阳能制备的低温热水当做热泵的 低位热源使用，通过热泵机组制备高温热水为沼气发酵池供暖，第二电磁阀15、第五电磁阀 18开启，电动三通阀13由中转蓄热水箱第二进水口 7d连通至热泵低温侧循环泵12的输入 端，第二加热循环泵11、热泵低温侧循环泵12开启，热泵主机开启；热泵主机的低温侧按照 前面所述的第二低温热源环路运行，而热泵主机的高温侧则按照前面所述的第一加热环路 运行为沼气池加热。当发酵池内温度高于37°C，停止加热，关闭对应的电磁阀、水泵及热泵 机组；(4)地源热泵供暖模式发酵池内温度低于32°C且中转蓄热水箱7中水温低于地埋管换热器回水温度时， 系统按照地源热泵供暖模式运行。在该模式下，第一电磁阀14、第五电磁阀18开启，电动三通阀13由U型地埋管换热器23的出口连通至热泵低温侧循环泵12的输入端，第二加热循 环泵11、热泵低温侧循环泵12开启，热泵主机开启。热泵系统的低温侧按照前面所述的第 一低温热源环路运行，而热泵主机的高温侧则按照前面所述的第一加热环路运行为沼气池 加热。当发酵池内温度高于37°C，停止加热，关闭对应的电磁阀、水泵及热泵机组。(5)太阳能地下蓄热控制模式发酵池内温度高于35°C且中转蓄热水箱7中水温高于70°C时，系统按照太阳能 地下蓄热模式运行。此时，第一电磁阀14、第七电磁阀21开启，电动三通阀13由U型地埋 管换热器23的出口连通至中转蓄热水箱第二进水口 7d，第一加热循环泵7开启；在该模式 下，通过U型地埋管换热器23可以将中转蓄热水箱7中的热量转移至地下储存，当中转蓄 热水箱7中的水温降低至50°C时，停止该模式的运行，关闭相应的阀门与水泵。
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权利要求
一种太阳能 地源热泵耦合式沼气池供暖系统，其特征在于由太阳能集热系统、热泵系统、沼气池加温系统和太阳能地下蓄热系统组成，其中太阳能集热系统包括太阳能全玻璃真空管集热器(6)、中转蓄热水箱(7)和集热器热水循环泵(9)，中转蓄热水箱第一出水口(7a)与集热器热水循环泵(9)的输入端相连，集热器热水循环泵(9)的输出端连接太阳能全玻璃真空管集热器(6)的输入端，太阳能全玻璃真空管集热器(6)的输出端连接中转蓄热水箱第一进水口(7b)，构成太阳能集热环路；热泵系统包括热泵主机(3)、U型地埋管换热器(23)、中转蓄热水箱(7)和热泵低温侧循环泵(12)，热泵主机蒸发器(4)出水口通过第二止回阀(22)后分为两路，一路通过第一电磁阀(14)与U型地埋管换热器(23)的进水管相连，U型地埋管换热器(23)的回水管通过电动三通阀(13)连接热泵低温侧循环泵(12)的输入端，热泵低温侧循环泵(12)的输出端连接热泵主机蒸发器(4)的进水口，构成热泵第一低温热源环路；另一路通过第二电磁阀(15)连接中转蓄热水箱第二出水口(7c)，中转蓄热水箱第二进水口(7d)通过电动三通阀(13)连接热泵低温侧循环泵(12)的输入端，构成热泵第二低温热源环路；沼气池加温系统包括发酵池(1)、盘管换热器(2)、热泵主机(3)、中转蓄热水箱(7)、第一加热循环泵(10)和第二加热循环泵(11)，盘管换热器(2)布置在发酵池(1)的四周池壁及池底，中转蓄热水箱第二出水口(7c)连接第一加热循环泵(10)的输入端，第一加热循环泵(10)的输出端通过第三电磁阀(16)连接盘管换热器(2)的进水口，盘管换热器(2)的出水口通过第四电磁阀(17)连接中转蓄热水箱第二进水口(7d)，构成第一加热环路；热泵主机冷凝器(5)的出水口通过第一止回阀(19)连接盘管换热器(2)的进水口，盘管换热器(2)的出水口通过第五电磁阀(18)连接第二加热循环泵(11)的输入端，第二加热循环泵(11)的输出端连接热泵主机冷凝器(5)的进水口，构成第二加热环路；中转蓄热水箱(7)第二出水口(7c)连接第二加热环泵(11)的输入端，第二加热循环泵(11)的输出端连接热泵主机冷凝器(5)的进水口，热泵主机冷凝器(5)的出水口连接盘管换热器(2)的进水口，盘管换热器(2)的出水口通过第四电磁阀(17)连接中转蓄热水箱(7)的第二进水口(7d)，构成第三加热环路；太阳能地下蓄热系统包括第一加热循环泵(10)、U型地埋管换热器(23)、中转蓄热水箱(7)，中转蓄热水箱第二出水口(7c)与第一加热循环泵(10)的输入端相连，第一加热循环泵(10)的输出端依次通过第七电磁阀(21)、第一电磁阀(14)与U型地埋管换热器(23)的进水口相连，U型地埋管换热器(23)的出水口经过电动三通阀(13)接到中转蓄热水箱第二进水口(7d)，形成一个闭合的太阳能地下蓄热回路。
2.根据权利要求1所述的太阳能-地源热泵耦合式沼气池供暖系统，其特征在于太阳 能全玻璃真空管集热器(6)的联集箱末端安装有第一温度传感器(24)，中转蓄热水箱(7) 中部装有第二温度传感器(25)，发酵池(1)中部一侧装有第三温度传感器(26)，U型地埋 管换热器(23) —侧回水干管上装有第四温度传感器(27)。
3.根据权利要求1所述的太阳能_地源热泵耦合式沼气池供暖系统，其特征在于中转 蓄热水箱(7)底部连接有定压膨胀罐(8)和排污管。
4.一种权利要求1所述的太阳能_地源热泵耦合式沼气池供暖系统的运行控制方法， 其特征在于所述系统有五种运行模式，分别为太阳能直接供暖模式、太阳能-地源热泵串 联供暖模式、太阳能热泵供暖模式、地源热泵单独供暖模式和太阳能地下蓄热模式；其中(1)太阳能直接供暖模式当发酵池(1)内温度低于32°C，且中转蓄热水箱(7)中水温高于50°C时，系统按照太 阳能直接供暖模式运行，第三电磁阀(16)、第四电磁阀(17)开启，其余的电磁阀关闭，第一 加热循环泵(10)开启，其余设备关闭；通过第一加热环路，即水流依次经过中转蓄热水箱 (7)的第二出水口(7c)，第一加热循环泵(10)、第三电磁阀(16)、盘管换热器(2)、第四电磁 阀(17)，最后经中转蓄热水箱(7)的第二进水口(7d)回到中转蓄热水箱(7)，使得发酵池 ⑴内温度达到设计要求，当发酵池⑴内温度高于37°C或中转蓄热水箱(7)中水温低于 45 °C，该模式停止运行；(2)太阳能-地源热泵串联供暖模式当发酵池(1)内温度低于32°C，且中转蓄热水箱(7)中水温低于45°C而高于30°C时， 系统按照太阳能-地源热泵串联供暖模式运行，第一电磁阀(14)、第四电磁阀(17)、第六电 磁阀(20)开启，其余电磁阀关闭，电动三通阀(13)导向连接U型地埋管换热器(23) —侧， 第二加热循环泵(11)、热泵低温侧循环泵(12)开启，热泵主机(3)开启，热泵主机(3)的低 温侧按照权利要求1所述的第一低温热源环路运行，热泵主机(3)的高温侧则按照权利要 求1所述的第三加热环路运行为沼气池加热；当发酵池内温度高于37°C，停止加热，关闭对 应的电磁阀、水泵及热泵机组；(3)太阳能热泵供暖模式当发酵池(1)内温度低于32°C，且中转蓄热水箱(7)中水温低于30°C而高于U型地埋 管换热器(23)回水温度时，系统按照太阳能热泵供暖模式运行，即太阳能制备的低温热 水当做热泵的低位热源使用，通过热泵机组制备高温热水为沼气发酵池供暖，第二电磁阀 (15)、第五电磁阀(18)开启，电动三通阀(13)由中转蓄热水箱第二进水口(7d)连通至热 泵低温侧循环泵(12)的输入端，第二加热循环泵(11)、热泵低温侧循环泵(12)开启，热泵 主机开启；热泵主机的低温侧按照权利要求1所述的第二低温热源环路运行，而热泵主机 的高温侧则按照权利要求1所述的第二加热环路运行为沼气池加热。当发酵池内温度高于 37°C，停止加热，关闭对应的电磁阀、水泵及热泵机组；(4)地源热泵供暖模式发酵池(1)内温度低于32°C且中转蓄热水箱(7)中水温低于U型地埋管换热器(23) 回水温度时，系统按照地源热泵供暖模式运行。在该模式下，第一电磁阀(14)、第五电磁阀 (18)开启，电动三通阀(13)由U型地埋管换热器(23)的出口连通至热泵低温侧循环泵 (12)的输入端，第二加热循环泵(11)、热泵低温侧循环泵(12)开启，热泵主机(3)开启；热 泵系统的低温侧按照权利要求1所述的第一低温热源环路运行，而热泵主机的高温侧则按 照权利要求1所述的第二加热环路运行为沼气池加热；当发酵池内温度高于37°C，停止加 热，关闭对应的电磁阀、水泵及热泵机组；(5)太阳能地下蓄热模式发酵池(1)内温度高于35°C且中转蓄热水箱(7)中水温高于70°C时，系统按照太阳能 地下蓄热模式运行，第一电磁阀(14)、第七电磁阀(21)开启，电动三通阀(13)由U型地埋 管换热器(23)的出口连通至中转蓄热水箱第二进水口(7d)，第一加热循环泵(7)开启；在 该模式下，通过U型地埋管换热器(23)将中转蓄热水箱(7)中的热量转移至地下储存，当 中转蓄热水箱(7)中的水温降低至50°C时，停止该模式的运行，关闭相应的阀门与水泵。
全文摘要
本发明属于新能源开发应用领域，具体涉及一种太阳能-地源热泵耦合式沼气池供暖系统及其运行控制方法，根据太阳能集热器所能制备热水的温度梯度，结合热泵机组COP与蒸发器进水温度的关系曲线，将太阳能-地源热泵耦合式沼气池供暖系统划分为太阳能直接供暖、太阳能-地源热泵串联供暖、太阳能热泵供暖、地源热泵单独供暖、太阳能地下蓄热等五种运行模式。本发明充分的利用低品位的太阳能和地热能，显著的提高了热泵机组及系统的制热效率，能够长期高效稳定的为沼气发酵池供暖，具有长期的经济和环境效益。
文档编号C12M1/34GK101974415SQ20101027284
公开日2011年2月16日 申请日期2010年9月2日 优先权日2010年9月2日
发明者张迪, 朱洪光, 石惠娴, 裴晓梅, 雷勇 申请人:同济大学