CN112611011B - 沼气与辅助供热系统耦合的供热方法及采暖系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种沼气与辅助供热系统耦合的供热方法及采暖系统，为了采暖，其中采暖系统中能源利用技术包括了生物质能用于沼气发酵产生燃气，辅助供热系统利用太阳能光热给沼气池增温保温，利用太阳能光热产生热水，分布式屋顶太阳能光伏发电。同时太阳能光热，供热回水和太阳能光伏发电能够辅助沼气池增温保温，太阳能光伏发电可保障其中用电设备比如沼气泵、水泵、控制设备等装置用电。本发明提出了一种供热方法，通过对取暖区域温度监测，沼气产量监测，沼气发酵适宜温度，太阳能利用情况等进行合理控制，以达到在不利条件下，仍然能够实现供热目的。
Description
技术领域
本发明属于暖通空调设备领域，涉及一种沼气池与太阳能耦合的供热方法及采暖系统。
背景技术
对于村镇的沼气系统而言，沼气池的温度一直是影响沼气发展的一个重要因素。生物质厌氧发酵时，温度过低或者温度波动过大，会导致产气速率以及沼气中甲烷的含量降低。温度对沼气发酵的影响很大，在一定范围内，温度升高沼气发酵的产气率也随之提高，通常以沼气发酵温度区分为:高温发酵、中温发酵和常温发酵。常温发酵的温度在10～30℃，这是目前我国用户沼气池的主要发酵方式，温度低。中温发酵，温度在35～38℃，比较符合沼气微生物的生活规律，产气率高原料利用率也很高。高温发酵，温度在50～55℃，由于温度高，若有废热利用的话该方式较为可取，否则过多的能量消耗是不经济的。我国大部分地区冬季寒冷漫长，沼气的生产存在产气率低、使用率低、原料分解率低、甚至不产气等问题。冬季会出现冻裂沼气池的现象。因此选择经济高效的加热升温措施成为村镇沼气集中供应系统实施的必要前提条件。
太阳能是一种可再生能源，同时又是一种清洁能源，太阳能利用不仅不消耗能源，同时也不会污染环境。目前太阳能热水器已经是一种成熟可靠的工艺技术设备，已经在农村得到很好的应用，目前主要用于提供生活热水。太阳能热水在农村冬天需求量少，多余的热水可辅助沼气池增温保温，也可直接用于供热。
另一方面，分布式屋顶太阳能发电技术已经蓬勃发展，并在很多地方已成功应用。农村具有丰富的屋顶资源，可以利用农村丰富的屋顶资源进行分布式太阳能光伏发电。农户的屋顶太阳能光伏发电，除满足农户自身的用电需求外，多余的光伏发电还可以进一步加大利用，比如用于供热，以提高农民的居住品质。
发明内容
基于此，本发明第一个目的在于提供一种沼气与辅助供热系统耦合的供热方法。
为达到上述目的，本发明的解决方案是：
一种沼气池与辅助供热系统耦合的供热方法，包括：
获取取暖区域的温度实测值与预设暖值之间的温度差异值；
根据取暖区域空间和温度差异值确定沼气池的产量标准值L和产量标准值H；其中产量标准值L为沼气池与辅助供热系统共同供热时的最小沼气产量设定值，而产量标准值H表示仅使用沼气供热都能满足取暖区域供热的最小沼气产量设定值；
采集沼气池的沼气产量和发酵温度，得到沼气产量监测值和沼气池温度监测值；
将沼气产量监测值与产量标准值L和产量标准值H进行比较，选择沼气池与辅助供热系统的供热模式；
供热模式包括：当沼气产量监测值≥H值时，则采用沼气池单独供热，并将产量过剩的燃气、辅助供热系统提供的热与电根据实际情况进行储存；
当L值<产量监测值<H值时，则采用沼气池与辅助供热系统共同供热；
当沼气产量监测值≤L值，且沼气池温度监测值不小于沼气发酵温度标准值T时，采用沼气池、辅助供热系统、储热、储气和储电共同供热，使用能源顺序优先情况为储热>储气>储电；
当沼气产量监测值≤L值，且沼气池温度监测值小于沼气发酵温度标准值T时，利用辅助供热系统对沼气池增温至T，并采用沼气池与辅助供热系统共同供热，在不满足供热情况下使用储热、储气和储电，使用储存能源顺序优先情况为储热>储气>储电。
较佳地，所述沼气发酵温度标准值T为30～40℃之间一个温度值。
较佳地，辅助供热系统利用供热回水对沼气池进行增温。
本发明第二个目的在于提供一种沼气池与辅助供热系统耦合的采暖系统，包括：
取暖区域温度差异获取模块，用于获取取暖区域的环境温度与预设暖值之间的温度差异值；
辅助供热系统，用于将太阳能转换为热能及电能，并对沼气池进行增温；
沼气产量标准获取模块，用于根据取暖区域空间和温度差异值确定沼气池的产量标准值L和产量标准值H，其中产量标准值L为沼气池与辅助供热系统共同供热时的最小沼气产量设定值，而产量标准值H表示仅使用沼气供热都能满足取暖区域供热的最小沼气产量设定值；
沼气池温度及产量采集模块，用于采集沼气池的发酵温度和沼气产量，得到沼气产量监测值和沼气池温度监测值；
能源储藏单元，用于将沼气池产量过剩的燃气、辅助供热系统过剩的热与电进行储存，供应不足时释放储存的能源；
控制单元，用于接收所述沼气池的发酵温度和沼气产量信息，将沼气产量监测值与产量标准值L和产量标准值H进行比较，选择沼气池与辅助供热系统的供热模式；
供热模式包括：当沼气产量监测值≥H值时，则采用沼气池单独供热，并将产量过剩的燃气储存，辅助供热系统提供的热与电可以根据实际情况进行储存；
当L值<产量监测值<H值时，则采用沼气池与辅助供热系统共同供热；
当沼气产量监测值≤L值，且沼气池温度监测值不小于沼气发酵温度标准值T时，采用沼气池、辅助供热系统、储热、储气和储电共同供热，使用能源顺序优先情况为储热>储气>储电；
当沼气产量监测值≤L值，且沼气池温度监测值小于沼气发酵温度标准值T时，利用辅助供热系统对沼气池进行增温至T，并采用沼气池与辅助供热系统共同供热，在不满足供热情况下使用储热、储气和储电，使用储存能源顺序优先情况为储热>储气>储电。
较佳地，所述能源储藏单元包括：储气装置，用于燃气供应充足时储存燃气，在燃气供应不足时释放燃气；储电装置，以在电能供应充足时储存电能，在电能供应不足时释放电能；以及储热装置，以在热能供应充足时储存热能，在热能供应不足时释放热能；其中，使用能源顺序优先情况为储热>储气>储电
较佳地所述辅助供热系统包括太阳能热水器、太阳能光伏发电装置和设置于沼气池内的喷涂太阳能选择性涂料的沼气罐，所述太阳能光伏发电装置给所述太阳能热水器的供水水泵提供电能，使太阳能热水器的供热回水对沼气池进行增温。太阳能光伏发电装置分布式在屋顶上，所述沼气池的沼气罐上喷涂太阳能选择性涂料以保障沼气池在冬天的产气量。
较佳地，所述太阳能热水器和所述太阳能光伏发电装置均可通过气热转换器实现电热转换。
较佳地，所述太阳能热水器为真空管式或者平板式。
较佳地，所述太阳能光伏电池板为单晶硅光伏电池板或多晶硅光伏电池板或薄膜光伏电池。
本发明的控制方法依据取暖区域温度监测，沼气产量监测，沼气发酵适宜温度，太阳能利用情况等进行合理控制，以达到在不利条件下供热目的。
由于采用上述方案及控制方法，本发明具有以下有益效果：
1、本发明所述的采暖系统方案最大的利用了农村丰富的生物质能源和太阳能，较少原本的煤炭燃烧，可以节能减排。
2、采用本发明所述的控制方法，可以有效保证冬天沼气发酵和太阳能的合理利用，来供热，提高农民的居住品质。
附图说明
图1为本发明沼气池与辅助供热系统耦合的采暖系统方案开发利用能量流图；
图2为本发明沼气与辅助供热系统耦合的采暖方案的控制流程图。
具体实施方式
以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。
本发明公开了一种沼气池与辅助供热系统耦合的采暖系统及供热方法，所述辅助供热系统为清洁能源，具体来说，提供一种沼气与太阳能耦合的采暖系统及其供热方法。其中沼气池将生物质能用于沼气发酵产生燃气，辅助供热系统包括太阳能热水器、太阳能光伏发电装置和设置于沼气池内的喷涂太阳能选择性涂料的沼气罐，喷涂太阳能选择性涂料的沼气罐利用太阳能光热给沼气池增温保温，太阳能热水器利用太阳能光热产生热水，分布式屋顶太阳能光伏发电。其能源综合利用目的是采暖，同时太阳能光热，供热回水和太阳能光伏发电能够辅助沼气池增温保温，太阳能光伏发电还可保障其中用电设备比如沼气泵、水泵、控制设备等装置用电。供暖方案的开发利用能量流图如图1所示。
可选的，所述沼气池利用太阳能光热进行增温保温，为被动式太阳能利用塑料暖棚增温技术，同时在沼气罐上喷涂太阳能选择性涂料，可保障沼气池在冬天的产气量。太阳能热水器及太阳能光伏电装置可辅助沼气池夜晚增温保温。
可选的，所述沼气池应该设有沼气产量监测设备，以根据沼气产量情况选择合适的供暖能源使用方案，同时应该设有沼气发酵温度监测设备，以根据发酵温度对沼气池进行增温保温。
可选的，太阳能热水器可以是真空管式或者平板式，可以在冬天提供生活热水。
可选的，太阳能光伏电池板主要可以是单晶硅光伏电池板或多晶硅光伏电池板或薄膜光伏电池。
可选的，整个系统中需要的用电设备优先光伏发电供应，同时若需要电加热，优先使用光伏发电。
可选的，为了更好实现能源调度，根据实际情况，可增加能源储藏单元，比如储气罐，电能储存装置，热水保温储存装置等。
可选的，供暖区域应设置温度监测设备，以根据实际室内环境情况，调整供热模式。
在一种具体实施方式中，如图2所示，系统方案中包括了供暖区域温度监测，可以根据实际供暖需求，进行综合评估，以确定是否满足供热，来进行供暖能源使用方案调整。若满足供热则不进行调整，若不满足则进一步确定。例如，获取取暖区域的环境温度与预设暖值之间的温度差异值；根据取暖区域空间和温度差异值确定沼气池的产量标准值L和产量标准值H，其中产量标准值L为沼气池与辅助供热系统共同供热时的最小沼气产量设定值，而产量标准值H表示仅使用沼气供热都能满足取暖区域供热的最小沼气产量设定值。
在一种可选的具体实施方式中，所述的供热模式，分为4种分别是：第一种方案，太阳能热水和太阳能光伏发电辅助沼气进行供热，同时结合储热、储气和储电，使用能源顺序优先情况为储热>储气>储电；第二种方案，光伏发电供给沼气池供水水泵，太阳能热水器利用供热回水对沼气池进行增温保温，同时太阳能热水器和太阳能光伏发电装置辅助沼气池进行供热，且允许在不满足供热情况下使用储热、储气和储电，使用能源顺序优先情况为储热>储气>储电；第三种方案，仅通过太阳能热水及太阳能光伏发电辅助沼气进行供热；第四种方案，沼气池单独供热，同时可以储热、储气和储电。
在本发明实施例中，如图2所示，首先是根据其控制流程图调整供暖能源使用方案，在综合评估下不满足供热，则对沼气产量进行监测，来调整方案。
在一种可选的具体实施方式中，所述的沼气产量标准值分为L值和H值，L值小于H值，其中L值为沼气加上太阳能热水和太阳能光伏发电共同供热时都不能满足供热的一个沼气产量最小设定值，而H值表示仅使用沼气供热即可满足供热的一个沼气产量最小设定值。其中L值可根据辅助供热系统的供热量进行设定，即将辅助供热系统的供热量换算成沼气产量，L值等于H值减去辅助供热系统换算后的沼气产量。需要说明的是，根据取暖空间大小和温度差异值可以确定需要沼气用量L值，在实际取值过程中，L值可在计算数值的基础上降低一点点，就是L值为供热需求量减去辅助供热系统额定供热容量后计算得到的沼气产量，这样在实际沼气产量波动的时候利用辅助供热不至于对沼气产量要求过高使得沼气供暖可靠性有所提高。
在本发明实施例中，如图2所示，通过沼气产量监测所获得的产气量与L值与H值进行对比，若产气量<L值，则对监测的沼气发酵温度进行判断。所述的沼气发酵温度标准值为T值，T值沼气中温发酵情况下的温度可设定为30～40℃之间一个温度值。若产气量<L值，同时沼气发酵温度监测得到的温度值大于T值，可能由于沼气发酵物料不足等非发酵温度原因导致产气量不足，需要选择第一方案进行供热。若产气量<L值，同时沼气发酵温度监测得到的温度值<T值，可能是由于沼气发酵温度太低的原因导致其产气量过低，需要第二种选择方案进行供热。
在一种可选的具体实施方式中，如图2所示，若L值<产气量<H值，表示仅利用太阳能热水和太阳能光伏发电辅助沼气供热就能满足供热，则需要选择第三种方案进行供热。同时若产气量≥H值，则需要选择第四方案进行供热，表示沼气产量足够供热，同时产量可能过剩，同时太阳能热水与太阳能光伏发电提供的热与电可能过剩，可以根据实际情况进行储存。
在一种可选的具体实施方式中，供热方式是多样的，比如将沼气用于锅炉与太阳能热水共同供热或者将沼气、太阳能热水及太阳能光伏发电用于热泵机组供热。
本发明实施例所述的一种沼气与辅助供热系统耦合的采暖方案及控制方法，对生物质能和太阳能进行合理利用，同时过程中可以合理利用供热回水，节能减排。同时通过对取暖区域温度监测，沼气产量监测，沼气发酵适宜温度，太阳能利用情况等进行合理控制，以达到在不利条件下，仍然能够实现供热目的。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种沼气池与辅助供热系统耦合的供热方法，其特征在于，包括：
获取取暖区域的环境温度与预设暖值之间的温度差异值；
根据取暖区域空间和温度差异值确定沼气池的产量标准值L和产量标准值H；其中产量标准值L为沼气池与辅助供热系统共同供热时的最小沼气产量设定值，而产量标准值H表示仅使用沼气供热都能满足取暖区域供热的最小沼气产量设定值；
采集沼气池的沼气产量和发酵温度，得到沼气产量监测值和沼气池温度监测值；
将沼气产量监测值与产量标准值L和产量标准值H进行比较，选择沼气池与辅助供热系统的供热模式；
供热模式包括：当沼气产量监测值≥H值时，则采用沼气池单独供热，并将产量过剩的燃气、辅助供热系统提供的热与电根据实际情况进行储存；
当L值<产量监测值<H值时，则采用沼气池与辅助供热系统共同供热；
当沼气产量监测值≤L值，且沼气池温度监测值不小于沼气发酵温度标准值T时，采用沼气池、辅助供热系统、储热、储气和储电共同供热；
当沼气产量监测值≤L值，且沼气池温度监测值小于沼气发酵温度标准值T时，利用辅助供热系统对沼气池增温至T，并采用沼气池与辅助供热系统共同供热，在不满足供热情况下使用储热、储气和储电；
所述沼气发酵温度标准值T为30～40℃之间一个温度值。
2.根据权利要求1所述沼气池与辅助供热系统耦合的供热方法，其特征在于，辅助供热系统利用供热回水对沼气池进行增温。
3.一种沼气池与辅助供热系统耦合的采暖系统，其特征在于，包括：
取暖区域温度差异获取模块，用于获取取暖区域的环境温度与预设暖值之间的温度差异值；
辅助供热系统，用于将太阳能转换为热能及电能，并对沼气池进行增温；
沼气产量标准获取模块，用于根据取暖区域空间和温度差异值确定沼气池的产量标准值L和产量标准值H，其中产量标准值L为沼气池与辅助供热系统共同供热时的最小沼气产量设定值，而产量标准值H表示仅使用沼气供热都能满足取暖区域供热的最小沼气产量设定值；
沼气池温度及产量采集模块，用于采集沼气池的发酵温度和沼气产量，得到沼气产量监测值和沼气池温度监测值；
能源储藏单元，用于将沼气池产量过剩的燃气、辅助供热系统过剩的热与电进行储存，供应不足时释放储存的能源；
控制单元，用于接收所述沼气池的发酵温度和沼气产量信息，将沼气产量监测值与产量标准值L和产量标准值H进行比较，选择沼气池与辅助供热系统的供热模式；
供热模式包括：当沼气产量监测值≥H值时，则采用沼气池单独供热，并将产量过剩的燃气、辅助供热系统提供的热与电根据实际情况进行储存；
当L值<产量监测值<H值时，则采用沼气池与辅助供热系统共同供热；
当沼气产量监测值≤L值，且沼气池温度监测值不小于沼气发酵温度标准值T时，采用沼气池、辅助供热系统和能源储藏单元共同供热；
当沼气产量监测值≤L值，且沼气池温度监测值小于沼气发酵温度标准值T时，利用辅助供热系统对沼气池增温至T，并采用沼气池与辅助供热系统共同供热，在不满足供热情况下使用能源储藏单元供热。
4.根据权利要求3所述的沼气池与辅助供热系统耦合的采暖系统，其特征在于：所述能源储藏单元包括：
储气装置，用于燃气供应充足时储存燃气，在燃气供应不足时释放燃气；
储电装置，以在电能供应充足时储存电能，在电能供应不足时释放电能；以及
储热装置，以在热能供应充足时储存热能，在热能供应不足时释放热能；
其中，使用能源顺序优先情况为储热>储气>储电。
5.根据权利要求3所述的沼气池与辅助供热系统耦合的采暖系统，其特征在于，所述辅助供热系统包括太阳能热水器、太阳能光伏发电装置和设置于沼气池内的喷涂太阳能选择性涂料的沼气罐，所述太阳能光伏发电装置给所述太阳能热水器的供水水泵提供电能，使太阳能热水器的供热回水对沼气池进行增温。
6.根据权利要求5所述的沼气池与辅助供热系统耦合的采暖系统，其特征在于，所述太阳能热水器和所述太阳能光伏发电装置均可通过气热转换器实现电热转换。
7.根据权利要求5所述的沼气池与辅助供热系统耦合的采暖系统，其特征在于，所述太阳能热水器为真空管式或者平板式。
8.根据权利要求5所述的沼气池与辅助供热系统耦合的采暖系统，其特征在于，所述太阳能光伏电池板为单晶硅光伏电池板或多晶硅光伏电池板或薄膜光伏电池。
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