CN105420084A - 太阳能耦合生物发酵及鸡舍供温水系统 - Google Patents
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Abstract
一种太阳能耦合生物发酵及鸡舍供温水系统，其特征在于所述系统包括太阳能集热系统、发酵系统和鸡舍供温水系统，所述的太阳能集热系统包括太阳能集热器、热交换器、与保温水箱，所述热交换器的吸热管路和散热管路分别位于太阳能集热器和保温水箱中，所述发酵系统包括具有池内热交换器的沼气池，所述沼气池分别具有出料口、加料口和用于将产生的沼气导出的导气管，所述池内热交换器包括位于沼气池内部的加热管道和位于沼气池外部的进水口与回水口，所述鸡舍供温水系统安装在鸡舍中，所述鸡舍供温水系统包括沼气炉、鸡粪收集槽，温水储箱、补水箱。
Description
技术领域
本发明涉及利用太阳能蓄热保证沼气池发酵温度为鸡舍供温水的循环系统。
背景技术
近年来，生物质厌氧发酵技术(即沼气发酵)有效解决了农村地区燃料短缺的问题。随着人们生活水平的提高，对肉类食品的需求逐年上升，因此集中在乡村周围的大型养殖企业也越来越多，利用牲畜的粪便产生沼气发电或向周围农户供气已经成为解决污染和清洁能源供给的主要手段。沼气发酵的能够稳定产气的关键在于温度，而现有的沼气池在低温季节如冬季时不能正常运行，影响了沼气的推广应用。而如果利用传统的加热方法不仅成本过高，而且还会产生新的污染。而在禽类饲养尤其是养鸡中过程中，一方面由于鸡肠道较短，大量的营养物质，随粪便排出，造成鸡粪的有机质含量与其他牲畜粪便相比更高，因此进行腐熟处理的难度更大，在冬季尤其难于处理会造成很大的污染，另一方面鸡饮用冷水会造成抵抗力下降，及体重增加较慢，故而在养鸡时要为鸡提供温水作为饮用水。而在我国北方广大农村，即使在冬季利用太阳能集热器，也能实现太阳能的利用。因此提供一种能够既能提高冬季等寒冷季节沼气池温度，又能为养鸡提供温水的设备系统成为现有技术中亟待解决的问题。
发明内容
为解决现有技术的中的问题，本发明采用的技术方案是
提供一种太阳能耦合生物发酵及鸡舍供温水系统，其特征在于所述系统包括太阳能集热系统、发酵系统和鸡舍供温水系统
所述的太阳能集热系统包括太阳能集热器1、热交换器2、与保温水箱3，所述热交换器的吸热管路和散热管路分别位于太阳能集热器和保温水箱中，
所述发酵系统包括具有池内热交换器6的沼气池23，所述沼气池分别具有出料口4、加料口7和用于将产生的沼气导出的导气管18，所述池内热交换器包括位于沼气池内部的加热管道和位于沼气池外部的进水口与回水口，
所述鸡舍供温水系统安装在鸡舍中，所述鸡舍供温水系统包括沼气炉8、鸡粪收集槽9，温水储箱12、补水箱13；所述鸡粪收集槽用于将鸡粪收集以加入沼气池的加料口中，沼气炉与用于加热补水箱中的水，温水储箱的进水口连接进水三通管件14并通过进水三通管件的一端与补水箱的出水口连接，温水储箱的回水口连接回水三通管件15并通过回水三通管件的一端与补水箱的回水口连接，温水储箱还具有放水口，能够利用重力通过放水口为鸡舍供温水，
保温水箱的出水口通过出水三通换向阀分别与池内热交换器的进水口和进水三通管件的一端以管道相连接，
保温水箱的回水口通过回水三通换向阀分别与池内热交换器的回水口和回水三通管件的一端以管道相连接，
进水三通管件到温水储箱进水口之间的管道上安装有用于向温水储箱内进水的温水储箱进水泵和温水储箱控制阀305，补水箱回水口到回水三通管件之间管道上的装有补水箱回水控制阀304，补水箱出水口到进水三通管件之间的管道上装有补水箱出水控制阀306，
回水三通换向阀到池内热交换器的进水口之间的管道上安装池内热交换器循环泵，所述的保温水箱和补水箱均具用于向系统内补水的加水口。
所述的太阳能耦合生物发酵及鸡舍供温水系统，其特征在于温水储箱与补水箱的空间位置布局和进、回水口与进、出水口设置能够使沼气炉加热补水箱的水时，温水储箱与补水箱中的水可以进行自然循环。
所述的太阳能耦合生物发酵及鸡舍供温水系统，其特征在于补水箱和沼气炉为可拆卸的。
所述的太阳能耦合生物发酵及鸡舍供温水系统，其特征在于太阳能集热系统的热交换器的吸热管路和散热管路之间具有热交换器控制阀301，用于开启或截断循环工质在吸热管路和散热管路之间的循环流动；热交换器的吸热管路最高处安装有集热器排气阀501；
所述的保温水箱和补水箱的加水口分别安装保温水箱进水阀401与补水箱进水阀403，分别用于控制箱保湿水箱和补水箱中补水；
所述沼气池具有保温层5，导气管中间位置具有储气装置19，储气装置上装有沼气压力表502，储气装置前后的导气管上分别装有沼气前控制阀302和沼气后控制阀303，用于控制沼气流量；所述温水储箱的放水口安装有出水阀402，用于控制温水储箱的放水流量；
所述的太阳能耦合生物发酵及鸡舍供温水系统，其特征在于所述鸡舍包括笼架10、通风口11，鸡粪收集槽9安装在笼架下方，鸡粪收集槽末端下方即为沼气池23的进料口7。
本发明提供太阳能耦合生物发酵及鸡舍供温水系统与现有技术相比具有以下有益效果
1)能够实现沼气池的持续稳定高效运行，在不同的季节，可以分别采用太阳能集热器及沼气炉作为系统热源，从而保证了沼气池可以稳定的工作在适宜的温度下，如将沼气池全年温度控制在35℃时，10m3的新型储热型沼气池日产气量为8.5m3/d，约为普通保温沼气池产气量的2倍。产生的沼气不仅可以作为加热补水箱的热源，也可以满足人类日常生活，同时也可以利用禽类养殖产生的粪便进行沼气发酵，不但利用了太阳能，节约了能源，更通过保证沼气池的高发酵效率，使沼气池消化农业、养殖业生产中生产的生物质废弃物的能力达到最大限度的发挥，更好的实现生态循环
2)能够通过太阳能集热器高效利用太阳能资源，产生的热水除了为沼气池保温外，还可以为鸡禽提供饮水等日常其他需要。保证在冬季或者夜晚、阴天等温度较低的气象条件下沼气池内发酵菌仍然能够保持高效发酵的适宜温度。避免了再使用其他加热手段对能源和费用的消耗。
3)通过太阳能与沼气发酵的耦合提高了系统运行效率。由于太阳能只能在白天利用，因此传统的利用太阳能供热的系统都没有解决好夜间的供热问题。且由于鸡的生理特点，在夜间一般不需要饮水，夜间沼气用户的用气量也较少，而本系统中正好可以利用这一时段产生的沼气作为系统热源保持沼气池的高效率运行，降低了成本和能源消耗，又解决了太阳能供热系统无法解决的夜间供热问题。且通过系统硬件布局的设计利用温差产生的密度差实现部分条件下自然循环，减少泵的开启时间，可以进一步降低系统能耗和运行费用。
4)将补水箱与沼气炉设计为可拆卸的，在日照充足的非低温季节可以将这两个部件拆除，进一步增加鸡舍的空间，提高鸡舍空间的利用率。
5)本发明提供的系统，结构简单合理，运转模式明确且各模式间容易切换，既可以采用分户安装，手动操作，在大规模应用时也易于进行自动化控制。
附图说明
图1为本发明太阳能耦合生物发酵及鸡舍供温水系统的整体结构图。
图中：1、太阳能集热器，2、热交换器，3、保温水箱，4、出料口，5、保温层，6、热交换器，7、出料口，8、沼气炉，9、鸡粪收集槽，10、笼架，11、通风口，12、温水储箱，13、补水箱，14、进水三通管件，15、回水三通管件、18、导气管，19、储气装置，23、沼气池，101、出水三通换向阀，102、回水三通换向阀，201、温水储箱进水泵，202、池内热交换器循环泵，301热交换器控制阀，302沼气前控制阀，303、沼气后控制阀，304、补水箱回水控制阀，305、温水储箱控制阀，306、补水箱出水控制阀，401、保温水箱补水阀，402、出水阀，403、补水箱进水阀，501、集热器排气阀，502、沼气压力表。
具体实施方式
下面结合附图进一步叙述本发明。
本发明为太阳能耦合生物发酵及鸡舍供温水系统(简称系统，参见图1)，其特征在于主要包括三部分：太阳能集热系统，发酵系统，鸡舍供温水系统。
所述的太阳能集热系统包括太阳能集热器1、热交换器2、与保温水箱3，所述热交换器的吸热管路和散热管路分别位于太阳能集热器和保温水箱中，热交换器管路中的循环工质在太阳能加热器和保温水箱中循环完成对保温水箱中储水的加热，
所述发酵系统包括具有池内热交换器6的沼气池23，所述沼气池分别具有出料口4、加料口7和用于将产生的沼气导出的导气管18，所述池内热交换器包括位于沼气池内部的加热管道和位于沼气池外部的进水口与回水口，
所述鸡舍供温水系统安装在鸡舍中，所述鸡舍供温水系统包括沼气炉8、鸡粪收集槽9，温水储箱12、补水箱13；所述鸡粪收集槽用于将鸡粪收集以加入沼气池的加料口中，，沼气炉与用于加热补水箱中的水，温水储箱的进水口连接进水三通管件14并通过进水三通管件的一端与补水箱的出水口连接，温水储箱的回水口连接回水三通管件15并通过回水三通管件的一端与补水箱的回水口连接，温水储箱与鸡舍补水箱的空间位置布局和进、回水口设置能够使沼气炉加热补水箱的水时，温水储箱与补水箱中的水可以进行自然循环，温水储箱还具有放水口，能够利用重力通过放水口为鸡舍供温水，
保温水箱的出水口通过出水三通换向阀分别与池内热交换器的进水口和进水三通管件的一端以管道相连接，
保温水箱的回水口通过回水三通换向阀分别与池内热交换器的回水口和回水三通管件的一端以管道相连接，
进水三通管件到温水箱进水口之间的管道上安装有用于向温水储箱内进水的温水储箱进水泵201和温水储箱控制阀305，补水箱回水口到回水三通管件之间管道上的装有补水箱回水控制阀304，补水箱出水口到进水三通管件之间的管道上装有补水箱出水控制阀306，
回水三通换向阀到池内热交换器的进水口之间的管道上安装池内热交换器循环泵，所述的保温水箱和补水箱均具有加水口，从加水口中向系统内补水。
实施例
太阳能集热系统的热交换器的吸热管路和散热管路之间具有热交换器控制阀301，用于开启或截断循环工质在吸热管路和散热管路之间的循环流动；热交换器的吸热管路最高处安装有集热器排气阀501；
所述的保温水箱和补水箱的加水口分别安装保温水箱进水阀401与补水箱进水阀403，分别用于控制箱保湿水箱和补水箱中补水；
所述沼气池具有保温层5，导气管中间位置具有储气装置19，储气装置上装有沼气压力表502，储气装置前后的导气管上分别装有沼气前控制阀302和沼气后控制阀303，用于控制沼气流量；
所述温水储箱的放水口安装有出水阀402，用于控制温水储箱的放水流量；于补水箱和沼气炉为可拆卸的
所述鸡舍包括笼架10、通风口11，鸡粪收集槽9安装在笼架下方，鸡粪收集槽末端下方即为沼气池23的进料口7。
本发明实施例中太阳能耦合生物发酵及鸡舍供温水系统整体结构示意图如图1示。
太阳能耦合生物发酵及鸡舍供温水系统(以下简称“系统”)的运行原理概述如下：
1、系统利用太阳能集热器采集热量，循环工质在热交换器中位于太阳能集热器中的吸热管路和位于保温水箱中的散热管路间循环并加热保温水箱中的水。
2、系统利用沼气炉加热补水箱中的水，并可以通过补水箱与温水储箱中的温水自然循环，使温水储箱中的温水保持在适宜禽类饮用的温度范围内(30-40℃)。
3)通过控制进水三通换向阀和回水三通换向阀的管路联通情况切换，分为以下几种状态
3.1)保温水箱的进回水口分别与池内热交换器的进回水口联通，此状态下保温水箱中的水可以在池内热交换器与保温水箱中循环，完成对沼气池内沼液的加热；
3.2)保温水箱的进回水口分别与温水储箱的进回水口联通，此状态下保温水箱中的水可以在池内热交换器与保温水箱中循环，完成对沼气池内沼液的加热；
3.3)池内热交换器的进水口和进水三通管件的一端联通，池内热交换器的回水口和回水三通管件的一端联通，此状态下通过沼气炉加热补水箱中水作为系统热水来源，当关闭补水箱回水控制阀并开启补水箱出水控制阀、温水储箱进水泵和温水储箱控制阀时，可将补水箱中的水向温水储箱中强制补入；关闭温水储箱进水泵和温水储箱控制阀，并开启补水箱回水控制阀与补水箱出水控制阀时，可以使补水箱中的流向池内热交换器，并可以开启池内热交换器循环泵进行强制循环。
下面结合这四种运行模式详述本系统原理。因在实际运行过程中，沼气池的目标温度T1和温水储箱中的目标水温T2基本一致，因此可以设定一个共同的预设温度T0＝T1＝T2。
(1)沼气池温度和保温水箱温度均低于T0时。低温季节且连续日照不足会导致这类情况的出现，此时将进水三通换向阀和回水三通换向阀的管路联通状态切换至池内热交换器的进水口和进水三通管件的一端联通，池内热交换器的回水口和回水三通管件的一端联通(即运行原理概述中3.3)所述状态)，以沼气炉使用储气装置中蓄存的沼气燃烧加热补水箱中的水作为系统热源，具体分为几种情况：
(1.1)全自然循环，即关闭池内热交换器循环泵和温水储箱进水泵，开启补水箱回水控制阀与补水箱出水控制阀和温水储箱控制阀，同时关闭出水阀，并将温水储箱中的水位加至高过温水储箱进水口，此时因密度差和高度差的原因，池内热交换器、温水储水箱12和补水箱13中的水发生自然循环，温水储箱和池内热交换器中的可水温不断升高，
(1.2)强制沼气池加热，关闭温水储箱进水泵和温水储箱控制阀，并开启补水箱回水控制阀与补水箱出水控制阀时，可以使补水箱中的流向池内热交换器，并可以开启池内热交换器循环泵进行强制循环，快速加热沼液，促进沼气反应。
(1.3)强制温水储箱补水，关闭补水箱回水控制阀并开启补水箱出水控制阀、温水储箱进水泵和温水储箱控制阀时，可将补水箱中的水向温水储箱中强制补入，迅速提高温水储箱中的水温。
(2)沼气池温度低于T0且保温水箱高于T0时。这种状态一般处于低温季节日照较充足的情况，将进水三通换向阀和回水三通换向阀的管路联通状态切换至保温水箱的进回水口分别与池内热交换器的进回水口联通，开启池内热交换器循环泵，保温水箱中的热水进入池内热交换器为沼气池加热至沼气池温度达到T0后，可以关闭池内热交换器循环泵进行自然循环以维持沼气池的温度。
(3)沼气池和保温水箱温度均高于T0。这种状态一般处于非低温季节且日照较充足的情况，将进水三通换向阀和回水三通换向阀的管路联通状态切换至保温水箱的进回水口分别与温水储箱的进回水口联通，开启温水储箱进水泵与温水储箱控制阀，关闭补水箱回水控制阀与补水箱出水控制阀，通过保湿水箱向温水储箱供水，同时开启保温水箱补水阀401为保温水箱3补水。温水储箱中的水为禽类补充日常饮水，可以连续或间歇通过出水阀放出。在日照充足的非低温季节，可以将沼气炉与补水箱卸去，以提高鸡舍的空间利用率，可以只将补水箱卸去，将沼气炉用于日常使用。
在实际运行中可以手动或通过自动控制系统在上述几种运行模式间接切换，在保证沼气池温度的前提下，向温水储箱中提供温水，用于鸡舍养殖禽类的饮水和其他用途。
采用本发明提供的太阳能耦合生物发酵及鸡舍供温水系统，可以全年将沼气池中发酵温度控制在适宜发酵的温度范围，如将沼气池全年温度控制在35℃时，10m3的新型储热型沼气池日产气量为8.5m3/d，约为普通保温沼气池产气量的2倍。本系统高效利用太阳能资源，产生的热水为沼气池发酵菌提供一个舒适的环境同时产生对于热量的水为鸡禽提供饮水等日常其他需要。保证在冬季或者夜晚、阴天等温度较低的气象条件下沼气池内发酵菌仍然能够保持高效发酵的适宜温度。产生的沼气不仅可以加热补水箱中的水也可以满足人类日常生活，同时也可以利用禽类养殖产生的粪便进行沼气发酵，不但利用了太阳能，节约了能源，更通过保证沼气池的高发酵效率，使沼气池消化农业、养殖业生产中生产的生物质废弃物的能力达到最大限度的发挥，更好的实现生态循环，尤其适用于广大北方农村原来沼气池无法全年高效率运行的地区。
以本发系统配备10m3的沼气池为例进行计算：
10m3的沼气池以日产气量为8.5m3，则年产气量约3060m3，折合标准煤为2185.758kg，经济价值为1748.6元；如果使用沼气获得有效热的电力替代计算年沼气产量折合成6544.1856kwh电力,经济价值3520.77元。
10m3沼气池每年产沼渣沼液约16～20m3。如果作为有机肥料则其直接经济效益为16000～20000元(每吨沼渣约1000元)。
10m3的沼气池年产气量3060m3，如果用这些沼气全部代替薪柴燃烧，则可以替代3.829t薪柴相当于节约林地0.314hm2环保效益巨大。
使用沼气可以大幅度减少CO2、SO2以及氮氧化物的排放，相比于燃煤，10m3新型储热沼气池每年可以比燃烧传统能源减少10％的CO2排放量，减少1860kg的SO2排放，减少约14.64kg氮氧化物排放，大大降低了有害气体的排放，起到了良好的减排效果。
本发明未述及之处适用于现有技术。
Claims (5)
1.一种太阳能耦合生物发酵及鸡舍供温水系统，其特征在于所述系统包括太阳能集热系统、发酵系统和鸡舍供温水系统
所述的太阳能集热系统包括太阳能集热器、热交换器、与保温水箱，所述热交换器的吸热管路和散热管路分别位于太阳能集热器和保温水箱中，
所述发酵系统包括具有池内热交换器的沼气池，所述沼气池分别具有出料口、加料口和用于将产生的沼气导出的导气管，所述池内热交换器包括位于沼气池内部的加热管道和位于沼气池外部的进水口与回水口，
所述鸡舍供温水系统安装在鸡舍中，所述鸡舍供温水系统包括沼气炉、鸡粪收集槽，温水储箱、补水箱；所述鸡粪收集槽用于将鸡粪收集以加入沼气池的加料口中，沼气炉与用于加热补水箱中的水，温水储箱的进水口连接进水三通管件并通过进水三通管件的一端与补水箱的出水口连接，温水储箱的回水口连接回水三通管件并通过回水三通管件的一端与补水箱的回水口连接，温水储箱还具有放水口，能够利用重力通过放水口为鸡舍供温水，
保温水箱的出水口通过出水三通换向阀分别与池内热交换器的进水口和进水三通管件的一端以管道相连接，
保温水箱的回水口通过回水三通换向阀分别与池内热交换器的回水口和回水三通管件的一端以管道相连接，
进水三通管件到温水储箱进水口之间的管道上安装有用于向温水储箱内进水的温水储箱进水泵和温水储箱控制阀，补水箱回水口到回水三通管件之间管道上的装有补水箱回水控制阀，补水箱出水口到进水三通管件之间的管道上装有补水箱出水控制阀，
回水三通换向阀到池内热交换器的进水口之间的管道上安装池内热交换器循环泵，所述的保温水箱和补水箱均具用于向系统内补水的加水口。
2.如权利要求1所述的太阳能耦合生物发酵及鸡舍供温水系统，其特征在于温水储箱与补水箱的空间位置布局和进、回水口与进、出水口设置能够使沼气炉加热补水箱的水时，温水储箱与补水箱中的水可以进行自然循环。
3.如权利要求1所述的太阳能耦合生物发酵及鸡舍供温水系统，其特征在于补水箱和沼气炉为可拆卸的。
4.如权利要求1所述的太阳能耦合生物发酵及鸡舍供温水系统，其特征在于太阳能集热系统的热交换器的吸热管路和散热管路之间具有热交换器控制阀，用于开启或截断循环工质在吸热管路和散热管路之间的循环流动；热交换器的吸热管路最高处安装有集热器排气阀；
所述的保温水箱和补水箱的加水口分别安装保温水箱进水阀与补水箱进水阀，分别用于控制箱保湿水箱和补水箱中补水；
所述沼气池具有保温层，导气管中间位置具有储气装置，储气装置上装有沼气压力表，储气装置前后的导气管上分别装有沼气前控制阀和沼气后控制阀，用于控制沼气流量；所述温水储箱的放水口安装有出水阀，用于控制温水储箱的放水流量。
5.如权利要求1～4任一所述的太阳能耦合生物发酵及鸡舍供温水系统，其特征在于所述鸡舍包括笼架、通风口，鸡粪收集槽安装在笼架下方，鸡粪收集槽末端下方即为沼气池的进料口。
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