CN110307612A - 一种用于农业温室的综合供能系统和供能方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于农业温室的综合供能系统和供能方法,对温室的温度进行自动调节,提供维持温室温度所需热量或降低温室温度。本发明利用太阳能集热和风力搅拌致热联合作用为沼气发生器提供热量,维持沼气原料高效发酵的温度;利用沼气燃烧所释放的化学能驱动吸收式热泵,实现温室的供热和制冷,提高了对可再生清洁能源的利用率和温室供暖的效率,并提出了综合供能运行策略,实现在不同季节、不同天气状况下对温室温度的调节,满足农业温室供能的需求。

Description

一种用于农业温室的综合供能系统和供能方法
技术领域
本发明属于风能、太阳能及生物质能利用技术领域,特别涉及风能、太阳能向热能的转化,沼气能驱动吸收式热泵的利用,具体涉及一种用于农业温室的风能、太阳能及沼气能联合吸收式热泵供能系统和方法。
背景技术
能源问题一直以来都是我国乃至国际社会的一个重大问题。传统的石油、煤炭、天然气等化石能源日渐枯竭,人类对化石能源的需求逐渐达到峰值,国际能源转型将迫在眉睫。另外,当前国际社会对环境问题的尤为重视,而传统的化石燃料的利用会对环境造成巨大的污染,这不利于人类社会的可持续发展。因此,在传统能源逐渐枯竭、环境形势严峻的今天,寻找和充分利用如风能、太阳能、潮汐能、水能等可再生的清洁能源,已成为世界能源开发和利用的一大热点。
我国陆上风能资源丰富但分布不均,风能资源90%以上分布在“三北”地区,优质风能资源主要集中在东北、青藏高原、新疆等部分地区。同时,这些地区的太阳能资源也十分丰富,这使得在同一时期内同时利用风能和太阳能成为可能。
风能的转换和利用方式多种多样,可以以机械能形式直接利用或转换为电能和热能。目前,国内外研究主要集中在风能发电领域,其他利用形式如风力提水、风帆助航、风能致热等方面的研究相对较少。文献显示风力发电的能量转换效率最高为35%,风力提水最高为21%,而风力致热最高可达40%多,而风力搅拌致热是所有风能利用装置中能量转换效率最高的一种风能利用形式。从目前已知的研究分析,风力致热具有以下特点:1.能量转换效率高,对风的品质要求低;2.风况变化的适应性强,且储能问题便于解决;3.系统相对简单,造价较低,且容易满足风力机对负荷的最佳匹配要求。国内研究风力致热的方式主要有液体搅拌致热、液体挤压致热、固体摩擦致热和涡电流法致热四种致热方式。其中研究较多的是液体搅拌致热和液体挤压致热。目前的研究集中于各种致热方式的机理、功率吸收的影响因素及提高致热效率的办法。
随着近几年农村经济的发展,农业废弃物数量大幅增加,先进沼气生产技术广泛应用于农业废弃物的处理,国内规模化的沼气工程日益增多。温度是影响沼气工程废弃物处理效率以及厌氧消化产气的关键因素之一。一般而言,规模化沼气工程采用中温发酵,其适宜的温度范围是35℃~40℃。在国内大部分地区,全年温度变化很大,要使沼气工程常年稳定高效运行有必要采用适当的增温保温方法。传统的电加热、化石能源热水锅炉耗能大,投资和运行成本高,不适宜小规模的使用。近年来,利用太阳能集热器的加热方式逐渐兴起。太阳能是一种清洁能源,长期运行成本较低,但是它在阴天或晚上无法工作,具有不连续性,且单一的太阳能加热方式需要扩大集热器面积,增加了供能系统的初始投资。
热泵是利用工质在蒸发器吸热和冷凝器放热实现热量由低温热源向高温热源的转移,而改变蒸发器吸热的热源可以实现利用热泵来供热或制冷。热泵中最为普遍和广泛的应用的是蒸气压缩式和吸收式热泵,前者消耗机械能,而后者消耗较高品位的热能。通过高质量的沼气燃料燃烧为吸收式热泵提供高品位的热能,可以解决农业温室大棚一年四季的供热或制冷需求。
在我国北方地区,由于冬季天气寒冷,农业温室大棚中的植物生长和存活需要另外供暖。传统的农业大棚供暖除了基本的保温措施以外,基本采用燃煤热水锅炉或热泵供暖,其中燃煤不仅污染较大,而且这种方式将高品位的燃料化学能转化为低品位的热能,十分浪费能源,而热泵供暖的设备和用电成本十分昂贵。在炎热干燥的夏季,农业温室大棚需要降温并维持在一定温度,传统的农业温室降温技术如通风降温、遮阳降温、喷淋降温等,通风降温和遮阳降温在夏季极热条件下降温效果不明显,不能满足植物生长的要求,而喷淋降温由于要消耗大量的水资源,受环境条件制约较大。若能有效利用部分地区丰富的风能、太阳能和沼气能资源实现供热或降温,则可有效缓解目前严峻的能源、环境问题,带来巨大的社会效益和环境效益。
发明内容
为了解决上述问题,本发明提供了一种用于农业温室的综合供能系统和供能方法,有效利用部分地区丰富的风能、太阳能和沼气能资源实现供热或降温。
为达到上述目的,本发明一种用于农业温室的综合供能系统,包括集热系统,第一储热及换热系统,沼气发生、储存及燃烧系统,二号储热水箱,吸收式热泵空调系统以及室内空调系统;所述集热系统与第一储热及换热系统,沼气发生、储存及燃烧系统和二号储热水箱依次通过管道连接,所述室内空调系统作为终端与吸收式热泵空调系统连接,室内空调系统布置在温室中;所述二号储热水箱与吸收式热泵空调系统通过管道连接形成回路;所述集热系统用于通过第一储热及换热系统向沼气发生、储存及燃烧系统提供热量,所述集热系统包括并联的太阳能集热装置与风力搅拌制热装置。
进一步的,太阳能集热装置包括太阳能集热器,所述太阳能集热器通过管道与第一储热及换热系统中的一号换热装置连接成第一循环回路;所述风力搅拌制热装置包括风力机搅拌装置,所述风力机搅拌装置通过管道与第一储热及换热系统中的五号换热装置连接成第二循环回路;所述第一储热及换热系统包括一号储热水箱、一号换热装置和五号换热装置;所述一号换热装置及五号换热装置均在一号储热水箱中,一号储热水箱与沼气发生、储存及燃烧系统中的三号换热装置通过管道连接形成第三循环回路。
进一步的,第一循环回路中设置有一号控制阀,所述第二循环回路中设置有二号控制阀,所述一号储热水箱与三号换热装置之间设置有三号控制阀。
进一步的,沼气发生、储存及燃烧系统包括通过管道连接的沼气发生器和沼气燃烧器,所述沼气发生器中设置有三号换热装置,沼气发生器的出气口与沼气燃烧器连接;沼气燃烧器中设置有四号换热装置,所述四号换热装置和二号储热水箱中的二号换热装置通过管道连接形成第四循环回路。
进一步的,沼气发生器与储气罐连接,所述储气罐和沼气燃烧器连接。
进一步的,二号储热水箱中设置有二号换热装置,二号储热水箱通过管道与吸收式热泵空调系统连接形成第五循环回路。
进一步的,二号储热水箱中设置有用于监测二号储热水箱中的水温的二号温度监测装置。
进一步的,吸收式热泵空调系统包括吸收式热泵、吸收式制冷机和集水器;所述二号储热水箱的输出端通过三通阀和热泵热水输入阀与吸收式热泵的输入端连接,所述二号储热水箱的输出端通过三通阀和制冷机热水输入阀与吸收式制冷机的输入端连接;所述吸收式热泵的输出和吸收式制冷机的输出均连接至集水器,所述集水器和室内空调系统通过管道连接形成第六循环回路。
一种用于农业温室的综合供能方法,包括以下步骤:
步骤1,通过发酵产生沼气,并进行存储;
步骤2,将步骤1产生的沼气作为燃料,产生热量;
步骤3,利用步骤2产生的热量对温室中的温度进行调节,调节过程包括制冷模式和制热模式;
步骤1中,发酵产生沼气的方式包括常温发酵模式和增温发酵模式;当沼气发生器外的环境温度达到30℃及以上时,采用常温发酵模式,常温发酵模式下依靠环境温度使沼气发生器内温度维持在中温发酵条件下35℃~40℃,产生沼气并储存;
当环境温度在30℃以时采用增温发酵模式:增温发酵模式下,依靠太阳能和风能产生热量,并将热量传递至第一储热及换热系统的一号储热水箱中,当一号储热水箱中水温达到85℃以上时,用一号储热水箱的水对沼气发生、储存及燃烧系统中的沼气发生器进行换热,保持沼气发生器内温度维持在中温发酵条件下,产生沼气并储存。
在制冷模式下:步骤2产生的热量驱动吸收式热泵空调系统中的吸收式制冷机制冷,当二号储热水箱中水温达到85℃以上时,将二号储热水箱中的水输入吸收式制冷机中驱动吸收式制冷机产生冷量,降温后的循环水通过管道回到二号储热水箱中,继续进行换热,完成一个循环;吸收式制冷机输出冷水对集水器中的水进行降温,降温后的水通过管道进入室内空调系统,与温室室内空气换热,温室内温度降低;
在制热模式下:步骤2产生的热量驱动收式热泵空调系统中的吸收式热泵供热,当二号储热水箱中水温达到85℃以上时,将二号储热水箱中的水输入吸收式热泵中驱动热泵产生热量,降温后的循环水通过管道回到二号储热水箱中,继续换热,完成一个循环;吸收式热泵输出的热水对集水器中的水进行加热,加热后的水通过管道进入室内空调系统,与温室内空气换热,温室内温度升高。
本发明的用于农业温室的风能、太阳能和沼气能综合供能系统与现有技术相比所产生的有益效果是:
(1)以风力搅拌制热装置和太阳能集热装置产生的低品位的热能提供沼气工程中维持发酵温度所需要的热量,满足沼气工程在不同季节对发酵温度的需求,保证了沼气工程的持续稳定运行。以沼气作为燃料产生高品位的热能驱动吸收式热泵空调系统,实现了农业温室全年中不同季节不同时间段的供能需求,降低农业温室的运行成本。
(2)充分利用了太阳能、风能这类清洁能源,并依据能量品位的高低将不同的能量合理的应用在不同的位置,有效的降低了农业温室的火用损失,大幅提高了清洁能源的利用效率,使农业温室运行减少了对化石能源的依赖性,具有很高的可持续发展性。系统运行的能量完全来自于清洁能源太阳能、风能和农业废弃物的生物质能,无其他二次能源的消耗,满足绿色、节能、环保的要求。
(3)利用农业废弃物作为沼气原料,生产沼气用于满足农业温室的供能需求,降低了农业废弃物的处理成本,同时还减少了农业温室的供能成本,提高了农业生产的经济性。
进一步的,根据具体气候条件,若太阳辐射强度较弱,可关闭一号控制阀,选择风力搅拌热装置单独工作;若风力较小,可关闭风力机回路水泵和二号控制阀选择太阳能集热装置单独工作,从而实现太阳能与风能的互补,保证对风能和太阳能的有效利用,避免能量的损失。储热及换热系统输出热水至沼气发生器的三号换热装置中,为沼气的产生提供热量。
本发明的温室供能方法利用太阳能集热和风力搅拌致热联合作用为沼气发生器提供热量,维持沼气原料高效发酵的温度;利用沼气燃烧所释放的化学能驱动吸收式热泵,实现温室的供热和制冷,提高了对可再生清洁能源的利用率和温室供暖的效率,可在不同季节、不同天气状况下对温室温度的调节,满足农业温室供能的需求。
附图说明
图1为本发明用于农业温室的综合供能系统的各部分连接示意图;
图2为本发明用于农业温室的综合供能系统结构示意图。
附图中:1、集热系统,2、第一储热及换热系统,3、沼气发生、储存及燃烧系统,4、第二储热及换热系统,5、吸收式热泵空调系统,6、室内空调系统,7、太阳能集热装置,8、风力搅拌制热装置,9、沼气发生器装置,10、沼气储存装置,11、沼气燃烧装置,12、太阳能集热器,13、太阳能回路水泵,14、一号控制阀,15、一号换热装置,16、一号储热水箱,17、一号温度监测装置,18、三号控制阀,19、一号储热水箱回路水泵,20、热泵回水口,21、风力机搅拌装置,22、搅拌腔,23、风力机回路水泵,24、二号控制阀,25、进料阀,26、排污阀,27、沼气发生器,28、一号输气阀,29、二号输气阀,30、储气罐,31、储气罐输气阀,32、四号控制阀,33、沼气燃烧器,34、二号换热装置,35、制冷机回水口,36、二号储热水箱,37、热泵热水输入阀,38、三通阀,39、制冷机热水输入阀,40、吸收式热泵,41、吸收式制冷机,42、集水器,43、热泵冷水输出阀,44、制冷机冷水输出阀,45、室内空调装置,46、室内空调输水阀,47、室内空调回路水泵,48、室内空调回水阀,49、三号换热装置,50、四号换热装置,51、二号温度检测装置,52、五号换热装置。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
在本发明的描述中,需要理解的是,术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。此外,术语“第一”、“第二”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中,除非另有说明,“多个”的含义是两个或两个以上。在本发明的描述中,需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1所示,农业温室的综合供能系统包括集热系统1,第一储热及换热系统2,沼气发生、储存及燃烧系统3,第二储热及换热系统4,吸收式热泵空调系统5以及室内空调系统6。其中集热系统1与第一储热及换热系统2、沼气发生、储存及燃烧系统3和吸收式热泵空调系统4依次通过管道连接,室内空调系统6作为终端与吸收式热泵空调系统5连接;第二储热及换热系统4与吸收式热泵空调系统5连接形成回路。其中,室内空调系统6布置于农业温室内,其余各系统均布置在农业温室外。
如图1所示,集热系统1包括并联的太阳能集热装置7与风力搅拌制热装置8。太阳能集热装置7与风力搅拌制热装置8并联连接于第一储热及换热系统2。太阳能集热装置7和风力搅拌制热装置8联合互补,产生的低品位的热能,储存于第一储热及换热系统2中,为沼气发生器维持发酵温度提供需要的热量。
如图2所示,太阳能集热装置7包括太阳能集热器12,太阳能回路水泵13和一号控制阀14。太阳能集热器12输出热水并通过太阳能回路水泵13及一号控制阀14进入第一储热及换热系统2中的一号换热装置15中,一号换热装置15的输出再回到太阳能集热器12,一号换热装置15输出与太阳能回路水泵13、一号控制阀14构成一个循环回路。
太阳能集热装置7通过太阳能集热器12收集太阳辐射热能使集热器内的循环水升温,并输出至一号换热装置15中,进而实现一号换热装置15中高温热水向一号储热水箱16中的水的热量传递。
如图2所示,风力搅拌制热装置8包括风力机搅拌装置21风力机回路水泵23和二号控制阀24,风力机搅拌装置21为垂直轴风力机搅拌装置。风力机搅拌装置21输出热水并通过风力机回路水泵23及二号控制阀24进入第一储热及换热系统2中的五号换热装置52中,五号换热装置52输出与风力机回路水泵23、二号控制阀24构成一个循环回路。
风力机搅拌装置21通过风力驱动搅拌腔22内的搅拌叶片从而实现风力搅拌制热,搅拌腔外侧的环形空间为换热腔。风力搅拌制热装置8利用风力搅拌制热方式在搅拌腔内搅拌工质油,工质油升温并与换热腔内的循环工质水换热,最终输出高温热水至五号换热装置52,实现一号储热水箱16中的水与五号换热装置52中的高温热水换热。
第一储热及换热系统2包括一号储热水箱16、一号换热装置15和五号换热装置52。一号换热装置15及五号换热装置52在一号储热水箱16中,一号储热水箱16上安装有用于监测一号储热水箱16内部温度的一号温度监测装置17。第一储热及换热系统2与沼气发生器27连接。
根据具体气候条件,若太阳辐射强度较弱,可关闭太阳能回路水泵13和一号控制阀14,选择风力搅拌热装置8单独工作;若风力较小,可关闭风力机回路水泵23和二号控制阀24选择太阳能集热装置7单独工作,从而实现太阳能与风能的互补,保证对风能和太阳能的有效利用,避免能量的损失。第一储热及换热系统2输出热水至沼气发生器27的三号换热装置49中,为沼气的产生提供热量。
沼气发生、储存及燃烧系统3包括沼气发生器装置9、沼气储存装置10以及沼气燃烧装置11。其中,沼气发生器装置9包括沼气发生器27,沼气发生器27中设置有三号换热装置49,沼气发生器27的物料进口处设置有进料阀25,沼气发生器27的物料出口处设置有排污阀26,发酵物料通过进料阀25进入沼气发生器27中,废料由排污阀26排出至环境中。沼气发生器27通过一号输气阀28与沼气燃烧器33连接,沼气发生器27通过二号输气阀29与储气罐30连接。
沼气发生器27由布置在其内壁的三号换热装置49和沼气发生器27内部的发酵系统组成。一号储热水箱16输出的热水通过一号储热水箱回路水泵19和三号控制阀18进入沼气发生器27的三号换热装置49,三号换热装置49输出再回到一号储热水箱16中形成一个回路。沼气发生器27通过二号输气阀29与储气罐30连接,储气罐30输出与沼气发生器27的内部发酵系统的输出均连接至沼气燃烧器33。
沼气储存装置10包括储气罐30、二号输气阀29和储气罐输气阀31,储气罐30和沼气发生器27之间设置有二号输气阀29,储气罐30和沼气燃烧器33之间设置有储气罐输气阀31;沼气发生器27输出新鲜沼气经二号输气阀29进入储气罐30中储存,储气罐30经储气罐输气阀31输出沼气至沼气燃烧器33中。
沼气燃烧装置11包括沼气燃烧器33,一号输气阀28,四号控制阀32及四号换热装置50。沼气燃烧器33和沼气发生器27之间设置有一号输气阀28,沼气燃烧器33中设置有四号换热装置50,四号换热装置50和二号换热装置34之间设置有四号控制阀32。新鲜可燃沼气通过一号输气阀28由沼气发生器27直接输出至沼气燃烧器33中,也可通过储气罐输气阀31由储气罐30输出至沼气燃烧器33中。沼气燃烧产生高品位的热能,加热四号换热装置50中的循环工质水,通过四号控制阀32输出高温蒸汽或高温热水至第二储热及换热系统4的二号换热装置34中。二号换热装置34再将热量储存或通过二号储热水箱输出至吸收式热泵空调系统5中,通过热泵热水输入阀37驱动吸收式热泵40或通过制冷机热水输入阀39驱动吸收式制冷机41。
第二储热及换热系统4包括二号换热装置34,二号储热水箱36及二号温度监测装置51。二号换热装置34接收由沼气燃烧器33输入的高温蒸汽或高温热水,再将热量储存或输出至吸收式热泵空调系统5中。第二储热及换热系统4与沼气燃烧器33中的四号换热装置50连接。
吸收式热泵空调系统5包括吸收式热泵40、吸收式制冷机41、集水器42、热泵热水输入阀37、制冷机热水输入阀39、三通阀38、热泵冷水输出阀43及制冷机冷水输出阀44。其中,二号储热水箱36的输出热水依次通过三通阀38和热泵热水输入阀37连接至吸收式热泵40的输入,吸收式热泵40的输出冷水通过热泵冷水输出阀43及热泵回水口20进入二号储热水箱36;二号储热水箱36的输出热水依次通过三通阀38和制冷机热水输入阀39连接至吸收式制冷机41的输入,吸收式制冷机41的输出冷水通过制冷机冷水输出阀44及制冷机回水口35进入二号储热水箱36;吸收式热泵40的输出和吸收式制冷机41的输出连接至集水器42,集水器42的输出端依次通过室内空调回路水泵47和室内空调输水阀46连接至室内空调系统45的输入;室内空调系统45的输出通过室内空调回水阀48连接至集水器42。吸收式热泵40利用二号储热水箱16中输出的热水驱动热泵工作,吸收式热泵40中的冷凝器与集水器中的循环水交换热量,产生较高温度的热水,通过集水器回路的室内空调输水阀和室内空调回路水泵供给室内空调系统,与温室内空气换热。利用二号储热水箱16中输出的热水驱动吸收式制冷机41工作,蒸发器与集水器42中的循环水交换热量,产生低温循环水,通过集水器回路的室内空调输水阀和室内空调回路水泵供给室内空调系统,与温室内的空气换热。
室内空调系统6包括室内空调装置45,室内空调输水阀46,室内空调回水阀48及室内空调回路水泵47,室内空调装置布置在温室中。吸收式热泵空调系统5经室内空调回路水泵47和室内空调输水阀46连接至室内空调系统6,室内空调系统6输出经室内空调回水阀48构成一个回路。依据温室的实际需求和安装条件,用户可选择合适的、不同类型和数量的室内空调装置,如地埋管、暖气片或风机盘管,但不限于以上所述装置。
本系统共有2种沼气发酵模式和2种供能模式。根据温室以外的环境温度,通过三号控制阀18的开闭选择不同的沼气发酵模式,维持沼气发生器27内的中温发酵条件。两种沼气发酵模式分别为:常温发酵模式,增温发酵模式。根据实际需要,结合二号储热水箱36中的水温,通过控制阀的开关来实现不同运行模式之间的切换。两种运行模式分别为:风光联合驱动吸收式制冷机制冷,风光联合驱动吸收式热泵供热。
常温发酵模式:当沼气发生器外的环境温度达到30℃及以上时,关闭一号储热水箱循环回路水泵19及三号控制阀18,关闭一号输气阀28和储气罐输气阀31,依靠环境温度使沼气发生器27内温度维持在中温发酵条件下(35℃~40℃),产生沼气并储存在储气罐30中。
增温发酵模式:当环境温度在30℃以下,一号储热水箱中水温达到85℃以上时,打开一号储热水箱回路水泵19和三号控制阀18,关闭一号输气阀门28和储气罐输气阀31,依靠太阳能和风能保持沼气发生器27内温度维持在中温发酵条件下,产生沼气并储存在储气罐30中。根据具体气候条件,若太阳辐射强度较弱,可选择风力搅拌制热装置单独工作;若风力较小,可选择太阳能集热装置单独工作,从而实现太阳能与风能的互补,保证对风能和太阳能的有效利用,避免能量的损失。
制冷模式:当温室有供冷需求时,打开储气罐输气阀门,启动燃烧器使沼气燃烧并加热二号储热水箱中循环水,利用二号储热水箱输出的热水驱动吸收式制冷机产生冷量,通过室内空调系统与温室交换热量,达到降低室温、除湿的目的。具体如下:
沼气在沼气燃烧器33中燃烧释放热量驱动吸收式制冷机41制冷。当有制冷需求时,打开储气罐输气阀31和四号控制阀32,启动沼气燃烧器33使沼气燃烧。沼气燃烧释放热量并加热四号换热装置50中的循环水,循环水通过二号换热装置34与二号储热水箱36中的水交换热量,二号储热水箱36中水温上升。当二号温度监测装置51监测到二号储热水箱36中水温达到85℃以上时,打开制冷机热水输入阀39,制冷机冷水输出阀44,关闭热泵热水输入阀37和热泵冷水输出阀43。室内空调输水阀46、室内空调回水阀48及室内空调回路水泵47正常开启。二号储热水箱36输出高温热水依次通过三通阀38,制冷机热水输入阀39进入吸收式制冷机41中驱动制冷机产生冷量,降温后的循环水通过制冷机冷水输出阀44及制冷机回水口35回到二号储热水箱36中,继续与二号换热装置34中的高温热水或高温蒸汽换热,完成一个循环。吸收式热泵空调系统5中,吸收式制冷机41输出冷水汇集于集水器42中,对集水器42中水进行降温,降温后的水依次通过室内空调输水阀46、室内空调回路水泵47进入室内空调装置45中,与室内空气换热,室内温度降低。室内空调装置45中输出的水经室内空调回水阀48回到集水器42中。
制热模式:当温室有供热需求时,打开储气罐输气阀门,启动燃烧器使沼气燃烧并加热二号储热水箱中循环水,利用二号储热水箱中的热水驱动吸收式热泵产生热量,通过室内空调系统与温室交换热量,达到升高室温的目的。具体如下:
沼气在沼气燃烧器33中燃烧释放热量驱动吸收式热泵40供热。当有供热需求时,打开储气罐阀门31,打开四号控制阀32,启动沼气燃烧器使沼气燃烧。当二号温度检测装置51监测到二号储热水箱36中水温达到85℃以上时,打开热泵热水输入阀37和热泵冷水输出阀43,关闭制冷机热水输入阀39和制冷机冷水输出阀44。室内空调输水阀46、室内空调回水阀48及室内空调回路水泵47正常开启。二号储热水箱36输出高温热水依次通过三通阀38,热泵热水输入阀37进入吸收式热泵40中驱动热泵产生热量,降温后的循环水通过热泵冷水输出阀43及热泵回水口20回到二号储热水箱36中,继续与二号换热装置34中的高温热水或高温蒸汽换热,完成一个循环。吸收式热泵空调系统5中,吸收式热泵40输出的热水用于加热集水器42中的水,热水依次通过室内空调输水阀46、室内空调回路水泵47进入室内空调装置45中,与室内空气换热,室内温度升高。室内空调装置45中输出的水经室内空调回水阀48回到集水器42中。
综上所述,根据实际制冷或供热的需要,用户可选择两种运行模式:(1)当用户有制冷需求,使用沼气燃烧驱动吸收式制冷机制冷;(2)当用户有供热需求时,使用沼气燃烧驱动吸收式热泵制热;沼气的产生可根据环境温度条件选择合适的沼气发酵模式;根据具体气候条件,若太阳辐射强度较弱,可选择风力搅拌制热装置单独工作;若风力较小,可选择太阳能集热装置单独工作,从而实现太阳能与风能的互补,保证对风能和太阳能的有效利用,避免能量的损失。
下面通过具体实施例进行说明。
冬季养殖场每天处理牛粪量300kg,温度为0℃,干物质含量20%,牛粪产气量0.25m3/kg,则每日产气量为15m3
沼气发生器所需热量包含加热沼气原料至发酵温度40℃所需热量和沼气发生器的散热损失。假设粪水比热容与水相当(c=4.187kJ/(kg·K)),则加热沼气原料所需热量为50.244MJ。假设沼气发生器散热损失为总热量的20%,则沼气发生器所需总热量为62.805MJ。
考虑储热系统散热损失10%,则集热系统需获取有效的太阳能和风能总和为69.783MJ。
沼气中甲烷的含量为60%~70%,取热值为25MJ/m3,考虑存在20%的燃烧热损失和散热损失,则每日产生的沼气可产生300MJ热量。
吸收式热泵的COP值取为1.3,则最终温室可获得热量为390MJ,完全满足冬季中小规模温室的供热需求。
本实施例中农业温室可获得热量与输入的太阳能和风能之比为5.588。
本发明提供的综合供能系统和方法,对温室的温度进行自动调节,提供维持温室温度所需热量或降低温室温度。利用太阳能集热和风力搅拌致热联合作用为沼气发生器提供热量,维持沼气原料高效发酵的温度;利用沼气燃烧所释放的化学能驱动吸收式热泵,实现温室的供热和制冷,提高了对可再生清洁能源的利用率和温室供暖的效率,并提出了综合供能运行策略,实现在不同季节、不同天气状况下对温室温度的调节,满足农业温室供能的需求。
由上述实施例可见,本发明能够利用少量的一次清洁能源,极大的提升系统的供热能力,满足农业温室的供能需求,同时减少了农业废弃物的处理费用,具有很强的可持续发展性。
以上,对本发明的实施方式进行了说明。但是,本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于农业温室的综合供能系统,其特征在于,包括集热系统(1),第一储热及换热系统(2),沼气发生、储存及燃烧系统(3),二号储热水箱(36),吸收式热泵空调系统(5)以及室内空调系统(6);所述集热系统(1)与第一储热及换热系统(2),沼气发生、储存及燃烧系统(3)和二号储热水箱(36)依次通过管道连接,所述室内空调系统(6)作为终端与吸收式热泵空调系统(5)连接,室内空调系统(6)布置在温室中;所述二号储热水箱(36)与吸收式热泵空调系统(5)通过管道连接形成回路;所述集热系统(1)用于通过第一储热及换热系统(2)向沼气发生、储存及燃烧系统(3)提供热量,所述集热系统(1)包括并联的太阳能集热装置(7)与风力搅拌制热装置(8)。
2.根据权利要求1所述的一种用于农业温室的综合供能系统,其特征在于,所述太阳能集热装置(7)包括太阳能集热器(12),所述太阳能集热器(12)通过管道与第一储热及换热系统(2)中的一号换热装置(15)连接成第一循环回路;所述风力搅拌制热装置(8)包括风力机搅拌装置(21),所述风力机搅拌装置(21)通过管道与第一储热及换热系统(2)中的五号换热装置(52)连接成第二循环回路;所述第一储热及换热系统(2)包括一号储热水箱(16)、一号换热装置(15)和五号换热装置(52);所述一号换热装置(15)及五号换热装置(52)均在一号储热水箱(16)中,一号储热水箱(16)与沼气发生、储存及燃烧系统(3)中的三号换热装置(49)通过管道连接形成第三循环回路。
3.根据权利要求2所述的一种用于农业温室的综合供能系统,其特征在于,所述第一循环回路中设置有一号控制阀(14),所述第二循环回路中设置有二号控制阀(24),所述一号储热水箱(16)与三号换热装置(49)之间设置有三号控制阀(18)。
4.根据权利要求1所述的一种用于农业温室的综合供能系统,其特征在于,所述沼气发生、储存及燃烧系统(3)包括通过管道连接的沼气发生器(27)和沼气燃烧器(33),所述沼气发生器(27)中设置有三号换热装置(49),沼气发生器(27)的出气口与沼气燃烧器(33)连接;沼气燃烧器(33)中设置有四号换热装置(50),所述四号换热装置(50)和二号储热水箱(36)中的二号换热装置(34)通过管道连接形成第四循环回路。
5.根据权利要求4所述的一种用于农业温室的综合供能系统,其特征在于,所述沼气发生器(27)与储气罐(30)连接,所述储气罐(30)和沼气燃烧器(33)连接。
6.根据权利要求1所述的一种用于农业温室的综合供能系统,其特征在于,所述二号储热水箱(36)中设置有二号换热装置(34),二号储热水箱(36)通过管道与吸收式热泵空调系统(5)连接形成第五循环回路。
7.根据权利要求6所述的一种用于农业温室的综合供能系统,其特征在于,所述二号储热水箱(36)中设置有用于监测二号储热水箱(36)中的水温的二号温度监测装置(51)。
8.根据权利要求1所述的一种用于农业温室的综合供能系统,其特征在于,所述吸收式热泵空调系统(5)包括吸收式热泵(40)、吸收式制冷机(41)和集水器(42);所述二号储热水箱(36)的输出端通过三通阀(38)和热泵热水输入阀(37)与吸收式热泵(40)的输入端连接,所述二号储热水箱(36)的输出端通过三通阀(38)和制冷机热水输入阀(39)与吸收式制冷机(41)的输入端连接;所述吸收式热泵(40)的输出和吸收式制冷机(41)的输出均连接至集水器(42),所述集水器(42)和室内空调系统(6)通过管道连接形成第六循环回路。
9.一种基于权利要求1所述的一种用于农业温室的综合供能系统的供能方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1,通过发酵产生沼气,并进行存储;
步骤2,将步骤1产生的沼气作为燃料,产生热量;
步骤3,利用步骤2产生的热量对温室中的温度进行调节,调节过程包括制冷模式和制热模式;
步骤1中,发酵产生沼气的方式包括常温发酵模式和增温发酵模式;当沼气发生器外的环境温度达到30℃及以上时,采用常温发酵模式,常温发酵模式下依靠环境温度使沼气发生器(27)内温度维持在中温发酵条件下35℃~40℃,产生沼气并储存;
当环境温度在30℃以时采用增温发酵模式:增温发酵模式下,依靠太阳能和风能产生热量,并将热量传递至第一储热及换热系统(2)的一号储热水箱(16)中,当一号储热水箱(16)中水温达到85℃以上时,用一号储热水箱(16)的水对沼气发生、储存及燃烧系统(3)中的沼气发生器(27)进行换热,保持沼气发生器(27)内温度维持在中温发酵条件下,产生沼气并储存。
10.根据权利要求9所述的一种用于农业温室的综合供能方法,其特征在于,
在制冷模式下:步骤2产生的热量驱动吸收式热泵空调系统(5)中的吸收式制冷机(41)制冷,当二号储热水箱(36)中水温达到85℃以上时,将二号储热水箱(36)中的水输入吸收式制冷机(41)中驱动吸收式制冷机(41)产生冷量,降温后的循环水通过管道回到二号储热水箱(36)中,继续进行换热,完成一个循环;吸收式制冷机(41)输出冷水对集水器(42)中的水进行降温,降温后的水通过管道进入室内空调系统(6),与温室室内空气换热,温室内温度降低;
在制热模式下:步骤2产生的热量驱动收式热泵空调系统(5)中的吸收式热泵(40)供热,当二号储热水箱(36)中水温达到85℃以上时,将二号储热水箱(36)中的水输入吸收式热泵(40)中驱动热泵产生热量,降温后的循环水通过管道回到二号储热水箱(36)中,继续换热,完成一个循环;吸收式热泵(40)输出的热水对集水器(42)中的水进行加热,加热后的水通过管道进入室内空调系统(6),与温室内空气换热,温室内温度升高。
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