CN103234272A - 一种车库式干式发酵加温系统与运行控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种车库式干式发酵加温系统与运行控制方法。本发明基于对干式厌氧发酵过程中微生物自热产生的热量的利用、辅助加热器产生热水的部分利用、能源的梯级综合利用和系统能耗系数（COPs）的理念，采用螺旋盘管换热器对最不利工况下引入的室外空气进行预热，辅助加热器应用电锅炉对辅助加热环路进行加热，空气源热泵机组提升低品位热源（空气）为高品位热，提出了可以实现空气源热泵直接加热和空气源热泵-电锅炉联合供热加温模式的一种用于车库式干式厌氧发酵的加温系统。所提出的系统运行控制方法，解决了不同气候条件下各系统模式自动切换最优运行问题，以达到整个系统运行的经济、节能与环保，有助于快速推动干式厌氧发酵工程的发展和产业化进程。

Description

一种车库式干式发酵加温系统与运行控制方法

技术领域

本发明属于新能源开发与节能应用领域，具体涉及一种车库式干式发酵加温系统与运行控制方法。

背景技术

随着中国经济的发展，城市化进程的突飞猛进，城市垃圾产量也与日俱增，成为制约城市健康发展的重要因素之一。城市有机垃圾处理的方式很多，其中以卫生填埋、堆肥、焚烧和厌氧消化处理较为常见。厌氧消化可减少有机垃圾的污染和二氧化碳的排放量，占地少，对环境的二次污染相对较小，同时能产生沼气，在能源匮乏的今天，越来越受关注。

厌氧消化工艺分为湿法和干法发酵两种。与湿法发酵相比，干法发酵具有占地小，加热能耗低、预处理要求低、有机负荷高等诸多优点。近些年来，针对有机垃圾特点开发的车库式干发酵技术取得了巨大的进展，在德国，车库式干发酵处理市政有机垃圾技术已经成熟，能够保证在干物质浓度较高的情况下正常发酵，产生沼气和有机肥料。可以预见，大力推广应用车库式干发酵技术，对于解决目前城市有机垃圾的环境污染和城市能源供应问题具有不可替代的重要作用。

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，应用于高温发酵出现余热不足的情况；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。以上各方法均不适用于干式发酵系统。

目前对于车库式干式发酵的加温系统中没有将电锅炉加热和空气源热泵结合起来的。专利申请号为200810141177.8，专利名称为一种利用秸秆干式发酵生产沼气的工艺，提供了秸秆干式发酵生产沼气过程中的4个步骤，使干式发酵高效运行，沼渣经加工做成有机肥料，不会对环境造成任何污染。专利申请号为200810022547.6，专利名称为户用秸秆干式发酵产沼气的装置和方法，采用秸秆干发酵技术，减少了湿式厌氧发酵产沼气中沼液处理的困难，也使沼气容积产气率提高，降低了沼气池建设成本与减少了沼气池占地面积，同时解决了秸秆干法发酵中质流与物质交换的困难。

因此，探索一种加温技术使得干式厌氧发酵工程化亟待解决的关键问题。

发明内容

本发明的目的在于一种车库式干式发酵加温系统及运行控制方法。

本发明基于对干式厌氧发酵过程中微生物自热产生的热量的利用、辅助加热器产生热水的部分利用、能源的梯级综合利用和系统能耗系数（COPs）的理念，采用螺旋盘管换热器对最不利工况下引入的室外空气进行预热，辅助加热器应用电锅炉对辅助加热环路进行加热，空气源热泵机组提升低品位热源（空气）为高品位热，提出了可以实现空气源热泵直接加热和空气源热泵-电锅炉联合供热加温模式的一种用于车库式干式厌氧发酵的加温系统。所提出的系统运行控制方法，解决了不同气候条件下各系统模式自动切换最优运行问题，以达到整个系统运行的经济、节能与环保，有助于快速推动干式厌氧发酵工程的发展和产业化进程。

本发明提出的车库式干式发酵加温系统，所述加温系统由空气源低位热源环路、电锅炉-空气源热泵联合供热环路、空气源热泵单独供热环路组成，其中，以空气源低位热源为主要能量来源，电锅炉加热作为辅助加热能量的来源；

空气源低位热源环路由空气预热水箱13、第九电磁阀25、蒸发器 2、风机9和第一电磁阀17依次连接组成；空气预热水箱13的输出端通过第九电磁阀25连接蒸发器2的输入端，蒸发器2的输出端依次和风机9、第一电磁阀17连接；

电锅炉-空气源热泵联合供热环路由第三电磁阀19、第六电磁阀22、电锅炉加热器12、第五电磁阀21、补水器15、放气阀16、第四电磁阀20、车库式干式发酵室4、第一水泵10、第二电磁阀18和冷凝器3组成，冷凝器3的输出端依次通过第三电磁阀19、第六电磁阀22、电锅炉加热器12、第四电磁阀20和车库式干式发酵室4的输入端连接，车库式干式发酵室4的输出端依次通过第一水泵10、第二电磁阀18和冷凝器3的输入端连接；

空气源热泵单独供热环路由第三电磁阀19、旁通阀14、车库式干式发酵室4、第一水泵10、第二电磁阀18和冷凝器 3组成，冷凝器3的输出端依次通过第三电磁阀19、旁通阀14和车库式干式发酵室4的输入端连接，车库式干式发酵室4的输出端依次通过第一水泵10、第二电磁阀18和冷凝器3的输入端连接；

蒸发器 2和冷凝器3分别连接热泵主机1。

本发明中，所述空气预热器13的末端安装有第一温度传感器6，冷凝器3的出口安装有第二温度传感器6，车库式干式发酵室4的入口处安装有第三温度传感器7，车库式干式发酵室4的出口处安装有第四温度传感器8。

本发明中，所述空气预热水箱13的底部安装有第十电磁阀26，电锅炉加热器12的顶部安装有第五电磁阀21，补水器15和电锅炉加热器12的侧面安装有排气管16，电锅炉加热器12底部安装有第二水泵11，第二水泵11通过第八电磁阀24和管道连接至空气预热水箱13。

本发明中，空气预热水箱13和车库式干式发酵室4及各管道都设有保温层，保证每天温度降低不超过3℃。

本发明中，车库式干式发酵室4内的盘管换热器管材为耐腐蚀HDPE。

本发明提出的车库式干式厌氧发酵加温系统的运行控制方法，根据第一温度传感器5、第二温度传感器6、第三温度传感器7、第四温度传感器8的温度值，控制2种不同的加温模式，即空气源热泵直接加温模式，空气源热泵-电锅炉联合加温模式：

（1）空气源热泵直接加温模式

当车库式干式发酵室4中的第四温度传感器8温度低于35℃，控制冷凝器 3的出口处第二温度传感器6温度不低于55℃，系统按照空气源热泵直接加温模式运行：第三电磁阀19、旁通阀14、第二电磁阀18、第九电磁阀25、第一电磁阀17开启，其他的电池阀关闭；第一水泵10开启；热泵主机1开启；风机9开启；其余设备全部关闭；通过空气源热泵单独供热环路与空气源低位热源环路，当车库式干式发酵室4中的第四温度传感器8温度高于或等于35℃时，该加温模式停止运行；

（2）空气源热泵-电锅炉联合加温模式

该加温模式分为两种情况：

1）当第一温度传感器5温度低于0℃，车库式干式发酵室4中的第四温度传感器8温度低于35℃，冷凝器 3侧的出口第二温度传感器6温度低于55℃，开启空气源热泵-电锅炉联合加温模式，该模式包括了通过电锅炉产生的部分热水对引入空气的预热：第九电磁阀25、第一电磁阀17、第十电磁阀26、第八电磁阀24、第三电磁阀19、第六电磁阀22、第五电磁阀21、第四电磁阀20、第二电磁阀18开启；风机9开启；第一水泵10和第二水泵11开启；排气管16开启；电锅炉加热器13开启；热泵主机1开启；其余设备关闭；通过电锅炉-空气源热泵联合供热环路与空气源低位热源环路，当第一温度传感器5温度大于0℃，第四温度传感器8温度高于或等于35℃且第三温度传感器7温度不低于55℃时，该模式停止运行；

2）当第一温度传感器5温度高于0℃，车库式干式发酵室4中的第四温度传感器8温度低于35℃，冷凝器 3侧的出口第二温度传感器6温度低于55℃，开启空气源热泵-电锅炉联合加温模式，该模式不包括通过电锅炉产生的部分热水对引入空气的预热：第九电磁阀25、第一电磁阀17、第三电磁阀19、第六电磁阀22、第五电磁阀21、第四电磁阀20和第二电磁阀18开启；风机9开启；第一水泵10开启；排气管16开启；电锅炉加热器12开启；热泵主机1开启；其余设备关闭；通过电锅炉-空气源热泵联合供热环路与空气源低位热源环路，当第四温度传感器8温度高于或等于35℃且第三温度传感器7温度不低于55℃时，该模式停止运行。

本发明中，空气源低位热源环路空气预热水箱13的设置，利用电锅炉加热器12产生的部分热水对引入空气进行预热，解决了冬季最不利工况下空气源热泵除霜的问题，保证了空气源热泵蒸发器侧的换热效率与正常的运行。

本发明的优点：

1本发明针对空气源热泵在最不利工况下存在结霜，影响换热效率的特点，提出了在空气源低位热源环路上设置13-空气预热水箱。通过对引入空气的预热，有效地解决了除霜的问题，保障了空气源热泵在最不利工况下的正常运行。2

2本发明有机地采用了空气源热泵加温系统为主，电锅炉加温为辅的能源利用，充分地体现了节能的要求，缓解了系统对环境造成的热污染。

3本发明提出的用于车库式干发酵的空气源热泵-电锅炉联合加温系统及运行控制方法为干式厌氧发酵提供一种节能、环保、经济的加温方式，可以实现沼气工程的自控控制与无人管理，减少人力投资，有助有快速推动车库干式发酵沼气工程的发展与产业化进程。

4本发明通过将用于车库式干式厌氧发酵的空气源热泵-电锅炉联合加温系统划分为多种运行模式，最大化的利用了空气源低位热源，能够显著的提高热泵机组和系统的制热效率， 达到显著的节能环保的作用。

附图说明

图1为本发明用于车库式干式发酵的空气源热泵-电锅炉联合加温系统的组成结构示意图。

 图中标号：1为热泵主机，2为蒸发器，3为冷凝器，4为车库式干式发酵室，5为第一温度传感器，6为第二温度传感器，7为第三温度传感器，8为第四温度传感器，9为风机，10、11为第一热泵、第二热泵，12为电锅炉加热器，13为空气预热水箱，14为旁通阀，15为补水器，16为排气管，17、18、19、20、21、22、23、24、25和26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、第七电磁阀、第八电磁阀、第九电磁阀和第十电磁阀。

具体实施方式

  下面通过实例结合附图进一步说明本发明。

  实施例1：本实例采用的车库式干式发酵池有效容积为120m³。池体为立方体，内部尺寸为（长×宽×高）10m×4m×3m，池壁为厚20cm的混凝土，池底为地面，在池壁采用厚度为70mm聚氨酯保温板作为保温隔热材料，发酵池顶部采用50mm聚氨酯保温板作为保温隔热材料，覆盖面为50m²，沿发酵池内壁铺设加温盘管换热器，加温盘管采用直径25×2.0的PERT管材，盘管总长125m，盘管间距150mm。为了加快料液热传递，改善加温效果，发酵池采用循环沼液喷淋方式。

   所选的热泵主机1为KFYRS-10IIEUK-R-3HP，此干发酵以一个月为周期，月初三天进行有氧堆肥，并为车库式干式发酵室4提供部分热量。由计算可知最不利工况的月份是1月，需供热4.91kW，5月到9月供热量的数值为负，表示有氧堆肥产生的热量已经满足该月干式发酵所需的全部热量。因此空气源热泵一年工作7个月。

如图1，上述主要设备组成的一种用于车库式干式发酵的空气源热泵-电锅炉联合加温系统可分为空气源低位热源环路、电锅炉-空气源热泵联合供热环路、空气源热泵单独供热环路。

空气源低位热源环路由空气预热水箱13，第一温度传感器5，第九电磁阀25，蒸发器2，风机9和第一电磁阀17组成。空气预热水箱13有1个入水口和1个出水口，分别为空气预热水箱入水口13a和空气预热水箱出水口13b，入水口与出水口均位于空气预热水箱13的底部。室外空气通过管道与空气预热水箱13的入口端相连，空气预热水箱13的出口端经过第九电磁阀25连接至风机9的入口端，风机9的出口端经过第一电磁阀17与室外大气相连，构成空气源低位热源环路。

电锅炉-空气源热泵联合供热环路由第二温度传感器6、第三电磁阀19、第六电磁阀22、电锅炉加热器12、第五电磁阀21、补水器15、放气阀16、第四电磁阀20、第三温度传感器7、车库式干式发酵室4、第四温度传感器8、第一水泵10、第二电磁阀18和冷凝器3组成。该环路依次通过第三电磁阀19、第六电磁阀22、电锅炉加热器12、第四电磁阀20、车库式干式发酵室4、第一水泵10、第二电磁阀18和冷凝器 3。冷凝器 3侧的出口端经过第三电磁阀19、22-电池阀连接至电锅炉加热器12的入口端，电锅炉加热器12的出口端经过第四电磁阀20、车库式干式发酵室4连接至第一水泵10的入口端，第一水泵10的出口端经过第二电磁阀18与冷凝器 3侧入口端相连，构成电锅炉-空气源热泵联合供热环路。

空气源热泵单独供热环路由第二温度传感器6、第三电磁阀19、旁通阀14、第三温度传感器7、车库式干式发酵室4、第四温度传感器8、第一水泵10、第二电磁阀18和冷凝器 3组成，该环路依次通过第三电磁阀19，旁通阀14，车库式干式发酵室4，第一水泵10，第二电磁阀18，空气源热泵冷凝器侧3侧。空气源热泵冷凝器侧3侧的出口端经过第三电磁阀19、旁通阀14、车库式干式发酵室4连接至第一水泵10的入口端，第一水泵10的出口端经过第二电磁阀18与空气源热泵冷凝器侧3侧入口端相连，构成空气源热泵单独供热环路。

加温系统控制2种不同的加温模式，即空气源热泵直接加温模式，空气源热泵-电锅炉联合加温模式：

（1）空气源热泵直接加温模式

当车库式干式发酵室4中的第四温度传感器8温度低于35℃，空气源热泵冷凝器侧3侧的出口第二温度传感器6温度不低于55℃，系统按照空气源热泵直接加温模式运行：第三电磁阀19，旁通阀14，第二电磁阀18，第九电磁阀25，17-电磁阀开启，其他的电池阀关闭；第一水泵10开启；热泵主机1开启；风机9开启。其余设备全部关闭。通过所述空气源热泵单独供热环路与空气源低位热源环路，当车库式干式发酵室4中的第四温度传感器8温度高于或等于35℃时，该加温模式停止运行。

（2）空气源热泵-电锅炉联合加温模式

该加温模式分为两种情况：

1）当第一温度传感器5温度低于0℃，车库式干式发酵室4中的第四温度传感器8温度低于35℃，冷凝器3侧的出口第二温度传感器6温度低于55℃，开启空气源热泵-电锅炉联合加温模式（该模式包括了通过电锅炉产生的部分热水对引入空气的预热）：第九电磁阀25，第一电磁阀17，第十电磁阀26，第八电磁阀24，第三电磁阀19，第六电磁阀22，第五电磁阀21，第四电磁阀20，第二电磁阀18开启；风机9开启；第一水泵10，第二水泵11开启；排气管16开启；电锅炉加热器16开启；热泵主机1开启；其余设备关闭。通过所述电锅炉-空气源热泵联合供热环路与空气源低位热源环路，当第一温度传感器5温度大于0℃，第四温度传感器8温度高于或等于35℃且第三温度传感器7温度不低于55℃时，该模式停止运行。

2）当第一温度传感器5温度高于0℃，车库式干式发酵室4中的第四温度传感器8温度低于35℃，冷凝器3侧的出口第二温度传感器6温度低于55℃，开启空气源热泵-电锅炉联合加温模式（该模式不包括通过电锅炉产生的部分热水对引入空气的预热）：第九电磁阀25，第一电磁阀17，第三电磁阀19，第六电磁阀22，第五电磁阀21，第四电磁阀20，第二电磁阀18开启；风机9开启；第一水泵10；排气管16开启；电锅炉加热器12开启；热泵主机1开启；其余设备关闭。通过所述电锅炉-空气源热泵联合供热环路与空气源低位热源环路，当第四温度传感器8温度高于或等于35℃且第三温度传感器7温度不低于55℃时，该模式停止运行。

Claims (6)

1.一种车库式干式发酵加温系统，所述加温系统由空气源低位热源环路、电锅炉-空气源热泵联合供热环路、空气源热泵单独供热环路组成，其特征在于，以空气源低位热源为主要能量来源，电锅炉加热作为辅助加热能量的来源；

空气源低位热源环路由空气预热水箱(13)、第九电磁阀(25)、蒸发器(2)、风机(9)和第一电磁阀(17)依次连接组成；空气预热水箱(13)的输出端通过第九电磁阀(25)连接蒸发器(2)的输入端，蒸发器(2)的输出端依次和风机(9)、第一电磁阀(17)连接；

电锅炉-空气源热泵联合供热环路由第三电磁阀(19)、第六电磁阀(22)、电锅炉加热器(12)、第五电磁阀(21)、补水器(15)、放气阀(16)、第四电磁阀(20)、车库式干式发酵室(4)、第一水泵(10)、第二电磁阀(18)和冷凝器(3)组成，冷凝器(3)的输出端依次通过第三电磁阀(19)、第六电磁阀(22)、电锅炉加热器(12)、第四电磁阀(20)和车库式干式发酵室(4)的输入端连接，车库式干式发酵室(4)的输出端依次通过第一水泵(10)、第二电磁阀(18)和冷凝器(3)的输入端连接；

空气源热泵单独供热环路由第三电磁阀(19)、旁通阀(14)、车库式干式发酵室(4)、第一水泵(10)、第二电磁阀(18)和冷凝器 (3)组成，冷凝器(3)的输出端依次通过第三电磁阀(19)、旁通阀(14)和车库式干式发酵室(4)的输入端连接，车库式干式发酵室(4)的输出端依次通过第一水泵(10)、第二电磁阀(18)和冷凝器(3)的输入端连接；

蒸发器(2)和冷凝器(3)分别连接热泵主机(1)。

2.根据权利要求1所述的车库式干式厌氧发酵加温系统，其特征在于所述空气预热器(13)的末端安装有第一温度传感器(5)，冷凝器(3)的出口安装有第二温度传感器(6)，车库式干式发酵室(4)的入口处安装有第三温度传感器(7)，车库式干式发酵室(4)的出口处安装有第四温度传感器(8)。

3.根据权利要求1所述的车库式干式厌氧发酵加温系统，其特征在于所述空气预热水箱(13)的底部安装有第十电磁阀(26)，电锅炉加热器(12)的顶部安装有第五电磁阀(21)，补水器(15)和电锅炉加热器(12)的侧面安装有排气管(16)，电锅炉加热器(12)底部安装有第二水泵(11)，第二水泵(11)通过第八电磁阀(24)和管道连接至空气预热水箱(13)。

4.根据权利要求1所述的车库式干式厌氧发酵加温系统，其特征在于空气预热水箱(13)和车库式干式发酵室(4)及各管道都设有保温层，保证每天温度降低不超过3℃。

5.根据权利要求1所述的车库式干式厌氧发酵加温系统，其特征在于车库式干式发酵室(4)内的盘管换热器管材为耐腐蚀HDPE。

6.一种如权利要求1所述的车库式干式厌氧发酵加温系统的运行控制方法，其特征在于根据第一温度传感器(5)、第二温度传感器(6)、第三温度传感器(7)、第四温度传感器(8)的温度值，控制2种不同的加温模式，即空气源热泵直接加温模式，空气源热泵-电锅炉联合加温模式：

（1）空气源热泵直接加温模式

当车库式干式发酵室(4)中的第四温度传感器(8)温度低于35℃，控制冷凝器 (3)的出口处第二温度传感器(6)温度不低于55℃，系统按照空气源热泵直接加温模式运行：第三电磁阀(19)、旁通阀(14)、第二电磁阀(18)、第九电磁阀(25)、第一电磁阀(17)开启，其他的电池阀关闭；第一水泵(10)开启；热泵主机(1)开启；风机(9)开启；其余设备全部关闭；通过权利要求1所述空气源热泵单独供热环路与空气源低位热源环路，当车库式干式发酵室(4)中的第四温度传感器(8)温度高于或等于35℃时，该加温模式停止运行；

（2）空气源热泵-电锅炉联合加温模式

该加温模式分为两种情况：

1）当第一温度传感器(5)温度低于0℃，车库式干式发酵室(4)中的第四温度传感器(8)温度低于35℃，冷凝器(3)侧的出口第二温度传感器(6)温度低于55℃，开启空气源热泵-电锅炉联合加温模式，该模式包括了通过电锅炉产生的部分热水对引入空气的预热：第九电磁阀(25)、第一电磁阀(17)、第十电磁阀(26)、第八电磁阀(24)、第三电磁阀(19)、第六电磁阀(22)、第五电磁阀(21)、第四电磁阀(20)、第二电磁阀(18)开启；风机(9)开启；第一水泵(10)和第二水泵(11)开启；排气管(16)开启；电锅炉加热器(13)开启；热泵主机(1)开启；其余设备关闭；通过如权利要求1所述电锅炉-空气源热泵联合供热环路与空气源低位热源环路，当第一温度传感器(5)温度大于0℃，第四温度传感器(8)温度高于或等于35℃且第三温度传感器(7)温度不低于55℃时，该模式停止运行；

2）当第一温度传感器(5)温度高于0℃，车库式干式发酵室(4)中的第四温度传感器(8)温度低于35℃，冷凝器(3)侧的出口第二温度传感器(6)温度低于55℃，开启空气源热泵-电锅炉联合加温模式，该模式不包括通过电锅炉产生的部分热水对引入空气的预热：第九电磁阀(25)、第一电磁阀(17)、第三电磁阀(19)、第六电磁阀(22)、第五电磁阀(21)、第四电磁阀(20)和第二电磁阀(18)开启；风机(9)开启；第一水泵(10)开启；排气管(16)开启；电锅炉加热器(12)开启；热泵主机(1)开启；其余设备关闭；通过如权利要求1所述电锅炉-空气源热泵联合供热环路与空气源低位热源环路，当第四温度传感器(8)温度高于或等于35℃且第三温度传感器(7)温度不低于55℃时，该模式停止运行。

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