CN107129928A - 一种多能源互补的冷热沼气联供系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多能源互补的冷热沼气联供系统，由太阳能集热器、储热水箱和循环泵组成的太阳能利用装置，恒温沼气发生器、沼气热水器、沼气净化和储存装置组成的沼气生产利用装置，高温水箱、低温水箱、节流阀、压缩机、蒸发器和冷凝器组成的热泵装置，风机、挡水板、喷淋器、换热器、空气预热器、接水盘、喷淋水箱和喷淋泵组成的能源塔，置于高温水箱中的生产生活热水的换热器等组成；其中的高温水箱与恒温沼气发生器相连，能源塔与高温水箱和低温水箱相连，储热水箱与高温水箱、低温水箱和空气预热器相连，沼气热水器与高温水箱相连，排出的烟气由管道引入空气预热器下部排出。系统在稳定供应冷热沼气的同时还实现能量的高效梯级利用。
Description
技术领域
本发明涉及太阳热能、生物质能和空气热能等可再生能源利用技术领域，特别是涉及一种可应用于夏热冬冷地区的多能源互补的冷热沼气联供系统。
背景技术
能源与环境问题已成为制约社会发展的重要瓶颈，因地制宜开发利用可再生能源满足建筑的多层次用能需求，是缓解能源供应的严峻形势，改善生态环境的有效途径。我国夏热冬冷地区可再生能源受地理、气候和经济等因素的影响，分布特征显著，空气湿度较大导致空气热能相对丰富，太阳能相对欠丰富，阴雨天易发且持续时间长，而生物质能在农村储量丰富。
能源塔热泵技术、太阳能集热技术和生物质厌氧发酵生产沼气技术是利用该地区空气热能、太阳能和生物质能的单项技术。其中能源塔热泵技术是非常适用于夏热冬冷地区的空气热能利用技术，它以能源塔作为热泵的冷热源，负责与空气进行热量交换，在冬季利用冰点低于0℃的介质作为能量的载体，提取蕴藏在低温、高含湿量环境空气中的低品位热能，利用卡诺循环达到制热目的，由于采用了低冰点的工质，不仅吸收显热，还会吸收水蒸气凝结成液体产生的相变潜热，但能源塔热泵的性能依然随环境温度的降低而下降，而且当能源塔换热器表面温度低于空气中水蒸气露点温度且低于0摄氏度时同样会结霜，需要额外的融霜设备和能量，太阳能集热技术是利用太阳能最广泛的技术，但受太阳能间歇性影响巨大，需要配套储热系统，生物质厌氧发酵生产沼气可在10℃～65℃进行，产气速率随温度的提高呈驼峰形，存在两个产沼气高峰：一个在37℃左右，另一个在52℃左右，后者在一定容器中相同时间内处理生物质能力和产沼气量是前者的2～2.5倍，同时，一个高效稳定的沼气生产系统必须保持反应器内的温度恒定，因此，必须要求有热源提供热量，太阳能、各类余热、热泵等都可用作增温热源。
可以看出，这些技术受气候周期性变化和技术条件等因素的制约，均不同程度存在供能单一、稳定性差和能源利用率低等问题。从单项技术上解决这些问题必然导致成本上升，进而影响其推广应用；但将各单项技术进行有机集成，扬长避短，则为满足用户多层次用能需求和实现稳定高效供能提供了可能。
发明内容
基于上述问题，本发明的目的是提供一种可应用于夏热冬冷地区的、太阳能-生物质能-空气热能互补的冷热沼气联供系统，除能连续稳定高效供能外，还能实现能量的高效梯级利用。
本发明的技术方案如下。
多能源互补的冷热沼气联供系统，其特征在于：由太阳能集热器1、储热水箱2和循环泵P1组成的太阳能利用装置，由恒温沼气发生器3、沼气热水器5、沼气净化和储存装置4组成的沼气利用装置，由高温水箱6、低温水箱9、节流阀7、压缩机8、蒸发器H5和冷凝器H6组成的热泵装置，由风机10、挡水板11、喷淋器12、换热器H7、空气预热器H8、接水盘13、喷淋水箱14和喷淋泵P6组成的能源塔，和置于高温水箱6中的生产生活热水的换热器H3等组成。
所述的高温水箱6通过循环泵P3和管道与置于恒温沼气发生器3中的换热器H1相连。
所述的能源塔通过循环水泵P5、阀门V10、阀门V12和管道与高温水箱6相连，还通过循环水泵P5、阀门V11、阀门V13和管道与低温水箱9连接。
所述的储热水箱2通过循环水泵P2、阀门V7和管道与置于高温水箱6中的换热器H2入口相连，换热器H2的出口通过阀门V8、阀门V5、阀门V2和管道与储热水箱2相连，形成回路；储热水箱2还可通过循环水泵P2、阀门V6、阀门V8和管道与置于低温水箱9中的换热器H6的入口相连，换热器H6的出口通过阀门V5、阀门V2和管道与储热水箱2相连，形成回路；储热水箱2还可通过循环水泵P2、阀门V6、阀门V5、阀门V4、阀门V3与与空气预热器H8的入口相连，空气预热器H8的出口通过阀门V1和管道与储热水箱2相连，形成回路；储热水箱2通过循环水泵P2、阀门V7和管道与置于高温水箱6中的换热器H2入口相连，换热器H2的出口通过管道和阀门V9与置于低温水箱9中的换热器H6的入口相连，换热器H6的出口通过阀门V4、阀门V2和管道与储热水箱2相连，形成回路；储热水箱2还通过循环水泵P2、阀门V7和管道与置于高温水箱6中的换热器H2入口相连，换热器H2的出口通过管道和阀门V8、阀门V5、阀门V4、阀门V3和管道与空气预热器H8的入口相连，空气预热器H8的出口通过阀门V1和管道与储热水箱2相连，形成回路；储热水箱2还可通过循环水泵P2、阀门V6、阀门V8和管道与置于低温水箱9中的换热器H6的入口相连，换热器H6的出口通过管道和阀门V3与空气预热器H8的入口相连，空气预热器H8的出口通过阀门V1和管道与储热水箱2相连，形成回路；储热水箱2通过循环水泵P2、阀门V7和管道与置于高温水箱6中的换热器H2入口相连，换热器H2的出口通过管道和阀门V9与置于低温水箱9中的换热器H6的入口相连，换热器H6的出口通过管道和阀门V3与空气预热器H8的入口相连，空气预热器H8的出口通过阀门V1和管道与储热水箱2相连，最终形成回路。
所述的恒温沼气发生器3与沼气净化和储存装置4相连，沼气净化和储存装置4一个出口向用户提供沼气，另一个出口与沼气热水器5相连，沼气热水器5通过管道与高温水箱6相连，沼气热水器5的排烟口通过管道延伸至能源塔内空气预热器H8下部，在排烟管道口E排出。
所述的生产生活热水的换热器H3一端于水源连接，一端向用户提供生活热水；
所述的能源塔设有进风口和出风口，能源塔下部设置有接水盘13，接水盘13通过管道与喷淋水箱14的入口相连，喷淋水箱14的出口通过喷淋泵P6和管道与喷淋器12相连，所述的喷淋器12位于挡水板11和换热器H7之间。
所述的太阳能集热器1可以是真空管集热器，也可以是平板式集热器，或者是其它形式的集热器。
所述的储热水箱2、高温水箱6和低温水箱9设有补水口，外包有保温材料。
所述的恒温沼气发生器3设有进料口和排料口，外包有保温材料。
所述的低温水箱9和换热器H7中的工质在冬季时为防冻液，其它季节为水。
本发明提出的多能源互补的冷热沼气联供系统既可以保证连续稳定供能外，还能实现能量的高效梯级利用。太阳热能可根据热媒温度选择多种利用方式，可依次通过高温水箱、低温水箱和能源塔，也可选择通过其中的两部分或一部分；沼气燃烧排除的高温烟气通向能源塔后加热空气，热量经能源塔热泵吸收后用于供热；夏季系统制冷时热泵冷凝放热加热了沼气反应器而不是排向环境，提高了热泵机组效率的同时也保证了恒温厌氧发酵的高效进行。
附图说明
图1是本发明的系统原理图。
具体实施方式
如图1所示，本发明提出了一种多能源互补的冷热沼气联供系统，由太阳能集热器1、储热水箱2和循环泵P1组成的太阳能利用装置，由恒温沼气发生器3、沼气热水器5、沼气净化和储存装置4组成的沼气利用装置，由高温水箱6、低温水箱9、节流阀7、压缩机8、蒸发器H5和冷凝器H6组成的热泵装置，由风机10、挡水板11、喷淋器12、换热器H7、空气预热器H8、接水盘13、喷淋水箱14和喷淋泵P6组成的能源塔，和置于高温水箱6中的生产生活热水的换热器H3等组成。
如图1所示，所述的高温水箱6通过循环泵P3和管道与置于恒温沼气发生器3中的换热器H1相连。
如图1所示，所述的能源塔通过循环水泵P5、阀门V10、阀门V12和管道与高温水箱6相连，还通过循环水泵P5、阀门V11、阀门V13和管道与低温水箱9连接。
如图1所示，所述的储热水箱2通过循环水泵P2、阀门V7和管道与置于高温水箱6中的换热器H2入口相连，换热器H2的出口通过阀门V8、阀门V5、阀门V2和管道与储热水箱2相连，形成回路；储热水箱2还可通过循环水泵P2、阀门V6、阀门V8和管道与置于低温水箱9中的换热器H6的入口相连，换热器H6的出口通过阀门V5、阀门V2和管道与储热水箱2相连，形成回路；储热水箱2还可通过循环水泵P2、阀门V6、阀门V5、阀门V4、阀门V3与与空气预热器H8的入口相连，空气预热器H8的出口通过阀门V1和管道与储热水箱2相连，形成回路；储热水箱2通过循环水泵P2、阀门V7和管道与置于高温水箱6中的换热器H2入口相连，换热器H2的出口通过管道和阀门V9与置于低温水箱9中的换热器H6的入口相连，换热器H6的出口通过阀门V4、阀门V2和管道与储热水箱2相连，形成回路；储热水箱2还通过循环水泵P2、阀门V7和管道与置于高温水箱6中的换热器H2入口相连，换热器H2的出口通过管道和阀门V8、阀门V5、阀门V4、阀门V3和管道与空气预热器H8的入口相连，空气预热器H8的出口通过阀门V1和管道与储热水箱2相连，形成回路；储热水箱2还可通过循环水泵P2、阀门V6、阀门V8和管道与置于低温水箱9中的换热器H6的入口相连，换热器H6的出口通过管道和阀门V3与空气预热器H8的入口相连，空气预热器H8的出口通过阀门V1和管道与储热水箱2相连，形成回路；储热水箱2通过循环水泵P2、阀门V7和管道与置于高温水箱6中的换热器H2入口相连，换热器H2的出口通过管道和阀门V9与置于低温水箱9中的换热器H6的入口相连，换热器H6的出口通过管道和阀门V3与空气预热器H8的入口相连，空气预热器H8的出口通过阀门V1和管道与储热水箱2相连，最终形成回路。
如图1所示，所述的恒温沼气发生器3与沼气净化和储存装置4相连，沼气净化和储存装置4一个出口向用户提供沼气，另一个出口与沼气热水器5相连，沼气热水器5通过管道与高温水箱6相连，沼气热水器5的排烟口通过管道延伸至能源塔内空气预热器H8下部，在排烟管道口E排出。
如图1所示，所述的生产生活热水的换热器H3一端于水源连接，一端向用户提供生活热水。
如图1所示，所述的能源塔设有进风口和出风口，能源塔下部设置有接水盘13，接水盘13通过管道与喷淋水箱14的入口相连，喷淋水箱14的出口通过喷淋泵P6和管道与喷淋器12相连，所述的喷淋器12位于挡水板11和换热器H7之间。
如图1所示，所述的太阳能集热器1可以是真空管集热器，也可以是平板式集热器，或者是其它形式的集热器。
如图1所示，所述的储热水箱2、高温水箱6和低温水箱9设有补水口，外包有保温材料。
如图1所示，所述的恒温沼气发生器3设有进料口和排料口，外包有保温材料。
如图1所示，所述的低温水箱9和换热器H7中的工质在冬季时为防冻液，其它季节为水。
系统在冬季需要供暖的工况下，高温水箱6中的工质水用于供暖、提供生活热水和维持高效恒温厌氧发酵，优先采用储存于储热水箱2中的太阳热能直接加热高温水箱6中的工质水，温度过低时开启热泵，由太阳热能和空气热能单独或共同向热泵的低温热源输入热量，太阳热能和空气热能均不足时利用沼气热水器5燃烧多余沼气直接加热高温水箱6中的工质。此时阀门V10、阀门V12、阀门V16和阀门V17关闭，阀门V11、阀门V13、阀门V14和阀门V15开启。
夏季工况下，优先利用热泵冷凝放热加热高温水箱6中的工质水用以提供生活用水和维持高效恒温厌氧发酵，不足时用太阳热能辅助，过多时可用能源塔散向环境，低温水箱9中的工质用于向用户供冷。此时阀门V10、阀门V12、阀门V16和阀门V17开启，阀门V11、阀门V13、阀门V14和阀门V15关闭。
过渡季节无需供暖和供冷时，优先采用太阳热能加热高温水箱6中的工质水用以提供生活用水和维持高效恒温厌氧发酵，不足时开启热泵制热或燃烧沼气产热。
Claims (5)
1.多能源互补的冷热沼气联供系统，其特征在于：由太阳能集热器1、储热水箱2和循环泵P1组成的太阳能利用装置，由恒温沼气发生器3、沼气热水器5、沼气净化和储存装置4组成的沼气利用装置，由高温水箱6、低温水箱9、节流阀7、压缩机8、蒸发器H5和冷凝器H6组成的热泵装置，由风机10、挡水板11、喷淋器12、换热器H7、空气预热器H8、接水盘13、喷淋水箱14和喷淋泵P6组成的能源塔，和置于高温水箱6中的生产生活热水的换热器H3等组成；
所述的高温水箱6通过循环泵P3和管道与置于恒温沼气发生器3中的换热器H1相连；
所述的能源塔通过循环水泵P5、阀门V10、阀门V12和管道与高温水箱6相连，还通过循环水泵P5、阀门V11、阀门V13和管道与低温水箱9连接；
所述的储热水箱2通过循环水泵P2、阀门V7和管道与置于高温水箱6中的换热器H2入口相连，换热器H2的出口通过阀门V8、阀门V5、阀门V2和管道与储热水箱2相连，形成回路；储热水箱2还可通过循环水泵P2、阀门V6、阀门V8和管道与置于低温水箱9中的换热器H6的入口相连，换热器H6的出口通过阀门V5、阀门V2和管道与储热水箱2相连，形成回路；储热水箱2还可通过循环水泵P2、阀门V6、阀门V5、阀门V4、阀门V3与与空气预热器H8的入口相连，空气预热器H8的出口通过阀门V1和管道与储热水箱2相连，形成回路；储热水箱2通过循环水泵P2、阀门V7和管道与置于高温水箱6中的换热器H2入口相连，换热器H2的出口通过管道和阀门V9与置于低温水箱9中的换热器H6的入口相连，换热器H6的出口通过阀门V4、阀门V2和管道与储热水箱2相连，形成回路；储热水箱2还通过循环水泵P2、阀门V7和管道与置于高温水箱6中的换热器H2入口相连，换热器H2的出口通过管道和阀门V8、阀门V5、阀门V4、阀门V3和管道与空气预热器H8的入口相连，空气预热器H8的出口通过阀门V1和管道与储热水箱2相连，形成回路；储热水箱2还可通过循环水泵P2、阀门V6、阀门V8和管道与置于低温水箱9中的换热器H6的入口相连，换热器H6的出口通过管道和阀门V3与空气预热器H8的入口相连，空气预热器H8的出口通过阀门V1和管道与储热水箱2相连，形成回路；储热水箱2通过循环水泵P2、阀门V7和管道与置于高温水箱6中的换热器H2入口相连，换热器H2的出口通过管道和阀门V9与置于低温水箱9中的换热器H6的入口相连，换热器H6的出口通过管道和阀门V3与空气预热器H8的入口相连，空气预热器H8的出口通过阀门V1和管道与储热水箱2相连，最终形成回路；
所述的恒温沼气发生器3与沼气净化和储存装置4相连，沼气净化和储存装置4一个出口向用户提供沼气，另一个出口与沼气热水器5相连，沼气热水器5通过管道与高温水箱6相连，沼气热水器5的排烟口通过管道延伸至能源塔内空气预热器H8下部，在排烟管道口E排出；
所述的生产生活热水的换热器H3一端于水源连接，一端向用户提供生活热水；
所述的能源塔设有进风口和出风口，能源塔下部设置有接水盘13，接水盘13通过管道与喷淋水箱14的入口相连，喷淋水箱14的出口通过喷淋泵P6和管道与喷淋器12相连，所述的喷淋器12位于挡水板11和换热器H7之间。
2.根据根据权利要求1所述的多能源互补的冷热沼气联供系统，其特征在于：所述的太阳能集热器1可以是真空管集热器，也可以是平板式集热器，或者是其它形式的集热器。
3.根据权利要求1所述的多能源互补的冷热沼气联供系统，其特征在于：所述的储热水箱2、高温水箱6和低温水箱9设有补水口，外包有保温材料。
4.根据权利要求1所述的多能源互补的冷热沼气联供系统，其特征在于：所述的恒温沼气发生器3设有进料口和排料口，外包有保温材料。
5.根据权利要求1所述的多能源互补的冷热沼气联供系统，其特征在于：所述的低温水箱9和换热器H7中的工质在冬季时为防冻液，其它季节为水。
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