CN113405273B - 一种带燃气补偿功能的生物质源热泵系统及其使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种带燃气补偿功能的生物质源热泵系统及其使用方法，系统包括发酵罐、凉水塔、室外换热器、压缩机、室内换热器、节流阀、四通换向阀、充气泵、水管Ⅰ、换热管、水管Ⅱ、沼气管；本发明系统具有能源补偿功能，可在夏季制冷时附带生产燃料沼气补偿系统运行能耗，北方夏季炎热的天气持续越长，中温厌氧沼气发酵系统运行越稳定，获得的燃料产出越多，能源补偿回报越稳定，并且具有环境友好，高效节能的特性，在运行过程中不会产生NOX、SO2、PM2.5等大气污染物，好氧发酵剩余物可做有机肥，系统制热COP可达4.3以上，即解决了传统热泵受制于环境温度限制的效率问题，也解决了生物质资源消纳与有机质废弃物环境污染问题。

Description

一种带燃气补偿功能的生物质源热泵系统及其使用方法
技术领域
本发明涉及一种带燃气补偿功能的生物质源热泵系统及其使用方法，属于生物质发酵热利用领域。
背景技术
能源是人类社会存在与发展的物质基础；过去多年，建立在煤炭、石油、天然气等化石燃料基础上的能源体系极大的推动了人类社会的发展。然而，人们在物质生活和精神生活不断提高的同时，也越来越感悟到大规模使用化石燃料所带来的严重后果，资源日益枯竭，环境不断恶化，还诱发不少国与国之间、地区之间的政治经济纠纷，甚至冲突和战争。因此，人类必须寻求一种新的、清洁、安全、可靠的可持续能源系统。
目前，我国北方城乡需要采暖建筑面积250亿平方米，每年大约要消耗4亿吨标煤，其中农村地区散烧煤折合约2亿吨标煤，散煤取暖的单位污染物排放强度最高可达普通燃煤电厂排放强度的近27倍和普通工业锅炉的15倍，清洁取暖任务仍然艰巨。另一方面，传统制热系统具有很多限制。例如：土壤源热泵系统在实际工程的应用中，由于冷热负荷不平衡，人们发现以单一土壤作为热源的热泵系统长期运行将导致土壤热失衡；而空气源热泵对于以供暖为主的严寒地区，当空气源热泵换热器的表面温度低于水的凝结点和空气露点时，在换热器冷表面与空气中水蒸气接触的区域会产生结霜现象，且随着霜层堆积越来越厚，霜层会充满翅片和盘管之间，从而导致能耗增加，COP降低，制冷系统性能下降，有时甚至导致系统停止。因此大力推广热泵系统应用对创新供暖发展模式，持续优化能源结构，引领能源转型，推动能源系统高质量发展有着重要意义。
生物质能作为世界上一次能源消费中的第四大能源资源，在历史长河中与人类生活密切相关，在人类未来的能源系统中也将占有重要地位。因此，改变我国传统的能源生产、消费模式，利用生物质能等清洁可再生能源，对建立可持续发展的能源系统有较大益处。据农业部数据，我国每年大约有近50亿吨农村废弃物，其中畜禽粪污38亿吨、农作物秸秆近9亿吨、其他有机质废弃物约2亿吨，总体利用率较低，发展潜力巨大。其中，畜禽粪便的综合利用率不到60％，有超过30％直接排入了地表水体，成为农业污染的主要来源。如果不加以处理和利用，不仅会加重污染环境，而且还会阻碍现代化农业和畜牧养殖业的可持续发展。实践证明，堆肥化是处理固体有机废弃物的一条有效途径，是粪便和秸秆管理与利用的重要措施之一，有利于粪便达到无害化，并生产商品有机肥实现粪便和秸秆的资源化利用。
发明内容
本发明提供一种带燃气补偿功能的生物质源热泵系统，不仅可以有效回收生物质好氧发酵产热，还可在寒冷地区驱动热泵，能最大化节约能源资源，具有能源补偿功能，可在夏季制冷时附带生产燃料沼气，减少污染物的排放，节能减排。
本发明技术方案如下：
一种带燃气补偿功能的生物质源热泵系统，包括发酵罐1、凉水塔2、室外换热器3、压缩机4、室内换热器5、节流阀6、四通换向阀7、充气泵8、水管Ⅰ9、换热管10、水管Ⅱ11、沼气管12；
凉水塔2底部通过水管Ⅰ9与换热管10底部连接，换热管10纵向穿过发酵罐1内部，换热管10另一端穿过发酵罐1顶部后，与室外换热器3内腔的一号口联通，室外换热器3内腔的二号口与凉水塔2顶部通过水管Ⅱ11连接；
发酵罐1底部与充气泵8连接，制造好氧环境；发酵罐1顶部连接沼气管12；
室外换热器3的外腔一端连接四通换向阀7的下左通道，换热器3的外腔另一端连接室内换热器5，且两者直接设置节流阀6；
室内换热器5另一端连接四通换向阀7的下右通道，
四通换向阀7上通道连接压缩机4排气口，下中通道接压缩机4吸气口。
所述室外换热器3内腔的一号口和二号口上都设置阀门和泵，水管Ⅰ9上也设置泵，室外换热器3内腔可以选着性的流向发酵罐1内的换热管10或凉水塔2中。
本发明还提供所述带燃气补偿功能的生物质源热泵系统的使用方法，具体步骤如下：
(1)冬季环境温度较低时，系统在制热工况下运行，四通换向阀7接通电源，连通四通换向阀7的上通道和下右通道，压缩机4排出的高温制冷剂蒸气经四通换向阀7通道切换后，排向室内换热器5，制冷剂的热量通过离心风扇作用与室内冷空气进行热交换，达到室内制热的目的；
(2)经室内换热器5放热后的制冷剂冷凝为液体，然后经节流阀6进入室外换热器3的外腔；
(3)发酵罐1内装有发酵物，利用充气泵8向发酵罐1内通入空气，使发酵罐1内部进行好氧发酵产热，换热管10内的水吸收热量，从室外换热器3内腔的一号口进入室外换热器3的内腔，与室外换热器3外腔内的液体制冷剂换热后，经过水管Ⅱ11返回到凉水塔2内，热水可以放出民用，凉水塔2内的冷水从水管Ⅰ9再次进入换热管10内；
(4)室外换热器3外腔内的液体制冷剂经过室外换热器3内腔热水加热蒸发，经过四通换向阀7的下左通道和下中通道，进入压缩机4，如此循环；
(5)夏季环境温度较高时，系统在制冷工况下运行，四通换向阀7断开电源，压缩机4排出的高温制冷剂蒸汽经四通换向阀7上通道和左下通道流向室外换热器3的外腔，在室外换热器3的外腔加热内腔中的冷水，冷水是泵从凉水塔2经室外换热器3内腔的二号口进入，经过换热降温后的制冷剂再经节流阀6进入室内换热器5吸热汽化，又经过四通换向阀7回到压缩机4，如此循环；
(6)室外换热器3的内腔中的冷水吸收了外腔中制冷剂的热量之后，冷水变热，热水泵至发酵罐1中，将热能传递给发酵罐1内物质，实现中温厌氧发酵，发酵生产沼气，用于民用。所述发酵罐1中装有农作物秸秆和动物排泄物粉末的发酵物，农作物秸秆和动物排泄物的质量比为3-6:10；农作物秸秆为玉米秸秆，动物排泄物粉末为干牛粪粉末；发酵罐1内还添加水，使发酵罐1内初始含水率为25-30％；制热工况下发酵罐1中还掺杂有机肥发酵菌剂，起活温度-10℃，有机肥发酵菌剂的添加量与农作物秸秆和动物排泄物粉末混合物的质量比为0.5-2:1000，有机肥发酵菌剂为山东贝佳有机肥发酵剂，是市购常规产品；制冷工况下发酵罐1中还掺杂沼气池增效剂，沼气池增效剂的添加量与农作物秸秆和动物排泄物粉末混合物的体积比为0.8-1:100，沼气池增效剂为山河美沼气池增效剂，是市购常规产品。
本发明的有益效果：
(1)本发明将农作物秸秆和动物排泄物粉末按比列混合进行好氧堆肥产热，能够有效回收和利用反应热，节约资源，保护环境。
(2)本发明利用好氧微生物与生物质发酵产生的热量，经热泵系统将热量抽出用于室内供热，可解决空气源热泵COP系数受制于环境温度限制的问题，及克服土壤源热泵长时间运行导致的土壤失温问题。
(3)本发明设四通换向阀，在夏季制冷时有效利用及回收外热泵余热并增加发酵罐使用率，在发酵罐内仍混合生物质原料，采用热泵余热回收用于维持罐内中温厌氧发酵产生沼气。
(4)本发明系统具有能源补偿功能，可在夏季制冷时附带生产燃料沼气补偿系统运行能耗，北方夏季炎热的天气持续越长，中温厌氧沼气发酵系统运行越稳定，获得的燃料产出越多，能源补偿回报越稳定，冬天有氧发酵，夏天无氧发酵，两次发酵所用菌剂不同，前者为山东贝佳有机肥发酵剂，后者为山河美沼气池增效剂。冬天制热回收预热并产热水，夏天制冷回收余热产沼气，并且具有环境友好，高效节能的特性，在运行过程中不会产生NOX、SO2、PM2.5等大气污染物，好氧发酵剩余物可做有机肥，系统制热COP可达4.3以上，即解决了传统热泵受制于环境温度限制的效率问题，也解决了生物质资源消纳与有机质废弃物环境污染问题。
附图说明
图1是带燃气补偿功能的生物质源热泵系统的结构示意图；
图中：1-发酵罐、2-凉水塔、3-室外换热器、4-压缩机、5-室内换热器、6-节流阀、7-四通换向阀、8-充气泵、9-水管Ⅰ、10-换热管、11-水管Ⅱ、12-沼气管；
图2是实施例3开启热泵约35分钟的热量变化图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
实施例1
一种带燃气补偿功能的生物质源热泵系统，如图1所示，包括发酵罐1、凉水塔2、室外换热器3、压缩机4、室内换热器5、节流阀6、四通换向阀7、充气泵8、水管Ⅰ9、换热管10、水管Ⅱ11、沼气管12；
凉水塔2底部通过水管Ⅰ9与换热管10底部连接，换热管10纵向穿过发酵罐1内部，换热管10另一端穿过发酵罐1顶部后，与室外换热器3内腔的一号口联通，室外换热器3内腔的二号口与凉水塔2顶部通过水管Ⅱ11连接；
发酵罐1底部与充气泵8连接，制造好氧环境；发酵罐1顶部连接沼气管12，用于民用或者压缩机4、室内换热器5使用；
室外换热器3的外腔一端连接四通换向阀7的下左通道，换热器3的外腔另一端连接室内换热器5，且两者直接设置节流阀6，节流阀6是双向阀；
室内换热器5另一端连接四通换向阀7的下右通道，
四通换向阀7上通道连接压缩机4排气口，下中通道接压缩机4吸气口。
室外换热器3内腔的一号口和二号口上都设置阀门和泵，水管Ⅰ9上也设置泵，且阀门和泵都是双向的，室外换热器3内腔可以选着性的流向发酵罐1内的换热管10或凉水塔2中；本系统可在-30℃环境温度下正常运行，同时可对室内输出热能，本系统生物质混合物发酵高温期温度在52℃以上。
实施例2
实施例1系统的使用方法，具体步骤如下：
(1)冬季环境温度较低时(温度低于12℃)，系统在制热工况下运行，四通换向阀7接通电源，连通四通换向阀7的上通道和下右通道，压缩机4排出的高温制冷剂蒸气经四通换向阀7通道切换后，排向室内换热器5，制冷剂的热量通过离心风扇作用与室内冷空气进行热交换，达到室内制热的目的；
(2)经室内换热器5放热后的制冷剂冷凝为液体，然后经节流阀6进入室外换热器3的外腔；(3)发酵罐1内装有发酵物，利用充气泵8向发酵罐1内通入空气，使发酵罐1内部进行好氧发酵产热，换热管10内的水吸收热量，被泵从室外换热器3内腔的一号口进入室外换热器3的内腔，与室外换热器3外腔内的液体制冷剂换热后，经过水管Ⅱ11返回到凉水塔2内，热水可以放出民用，凉水塔2内的冷水从水管Ⅰ9再次进入换热管10内；
(4)室外换热器3外腔内的液体制冷剂经过室外换热器3内腔热水加热蒸发，经过四通换向阀7的下左通道和下中通道，进入压缩机4，如此循环；
(5)夏季环境温度较高时(温度高于25℃)，系统在制冷工况下运行，四通换向阀7断开电源，压缩机4排出的高温制冷剂蒸汽经四通换向阀7上通道和左下通道流向室外换热器3的外腔，在室外换热器3的外腔加热内腔中的冷水，冷水是泵从凉水塔2经室外换热器3内腔的二号口进入，经过换热降温后的制冷剂再经节流阀6进入室内换热器5吸热汽化，又经过四通换向阀7回到压缩机4，如此循环；
(6)室外换热器3的内腔中的冷水吸收了外腔中制冷剂的热量之后，冷水变热，热水泵至发酵罐1中，将热能传递给发酵罐1内物质，维持35℃中温厌氧发酵，发酵生产沼气，用于民用或者压缩机4、室内换热器5使用；
实施例3
按照实施例2的方法，本实施例冬季运行环境温度10.5℃，发酵罐1中装有农作物秸秆和动物排泄物粉末的发酵物，农作物秸秆和动物排泄物的质量比为3:10；农作物秸秆为玉米秸秆，动物排泄物粉末为干牛粪粉末；发酵罐1内还添加水，使发酵罐1内初始含水率为26％；发酵罐1中还掺杂有机肥发酵菌剂，起活温度-10℃，有机肥发酵菌剂的添加量与农作物秸秆和动物排泄物粉末混合物的质量比为0.5:1000，有机肥发酵菌剂为山东贝佳有机肥发酵剂，是市购常规产品，发酵罐体积0.1m3，混合生物质发酵粉末初始体积0.09m3，制热温度为20℃，检测到开启热泵运行约35分钟后，发酵罐1中各混合生物质发酵粉末总体温度从55℃降到趋于环境温度，如图2所示，且距离换热管10越近的物料温度降低趋势更明显，换热效果更好，混合生物质发酵周期为20天(发酵完了重新装料)，发酵结束后混合生物质发酵粉末含水率为53％，体积减少27.9％，最高温点制热系数约为4.28；该系统夏季系统运行的环境温度33℃，发酵罐1物料混合物中不加入有机肥发酵菌剂，掺混沼气池增效剂，沼气池增效剂的添加量与农作物秸秆和动物排泄物粉末混合物的体积比为0.8:100，沼气池增效剂为山河美沼气池增效剂，是市购常规产品，其余条件与冬季相同，热泵制冷系数COP约为3.0，1匹制冷功耗下系统的制冷量为2.2kW，系统产生沼气量为0.1Nm3/d。
实施例4
按照实施例2的方法，本实施例冬季运行环境温度11℃，发酵罐1中装有农作物秸秆和动物排泄物粉末的发酵物，农作物秸秆和动物排泄物的质量比为5:10；农作物秸秆为玉米秸秆，动物排泄物粉末为干牛粪粉末；发酵罐1内还添加水，使发酵罐1内初始含水率为30％；发酵罐1中还掺杂有机肥发酵菌剂，起活温度-10℃，有机肥发酵菌剂的添加量与农作物秸秆和动物排泄物粉末混合物的质量比为1:1000，有机肥发酵菌剂为山东贝佳有机肥发酵剂，是市购常规产品，发酵罐体积0.1m3，混合生物质发酵粉末初始体积0.09m3，制热温度为20℃，检测到开启热泵时长约30分钟后发酵罐中各混合生物质发酵粉末温度点降到环境温度，混合生物质发酵周期为20天(发酵完了重新装料)，发酵结束后混合生物质发酵粉末初始含水率为53％，体积减少27.9％，最高温点制热系数约为4.28；该系统夏季系统运行的环境温度26℃，发酵罐1物料混合物中不加入有机肥发酵菌剂，掺混沼气池增效剂，沼气池增效剂的添加量与农作物秸秆和动物排泄物粉末混合物的体积比为0.9:100，沼气池增效剂为山河美沼气池增效剂，是市购常规产品，其余条件与冬季相同。热泵制冷系数COP约为3.2，1匹制冷功耗下系统的制冷量为2.3kW，系统产生沼气量为0.11Nm3/d。
实施例5
本实施例方法和实施例2相同，本实施例冬季运行环境温度12℃，发酵罐1中装有农作物秸秆和动物排泄物粉末的发酵物，农作物秸秆和动物排泄物的质量比为6:10；农作物秸秆为玉米秸秆，动物排泄物粉末为干牛粪粉末；发酵罐1内还添加水，使发酵罐1内初始含水率为25％；发酵罐1中还掺杂有机肥发酵菌剂，起活温度-10℃，有机肥发酵菌剂的添加量与农作物秸秆和动物排泄物粉末混合物的质量比为2:1000，有机肥发酵菌剂为山东贝佳有机肥发酵剂，是市购常规产品，发酵罐体积0.1m3，混合生物质发酵粉末初始体积0.09m3，制热温度为20℃，检测到开启热泵时长约45分钟后发酵罐中各混合生物质发酵粉末温度点降到环境温度，混合生物质发酵周期为20天(发酵完了重新装料)，发酵结束后混合生物质发酵粉末初始含水率为50％，体积减少28.2％，最高温点制热系数约为4.3；夏季系统运行的环境温度30℃，发酵罐1物料混合物中不加入有机肥发酵菌剂，掺混沼气池增效剂，沼气池增效剂的添加量与农作物秸秆和动物排泄物粉末混合物的体积比为1:100，沼气池增效剂为山河美沼气池增效剂，是市购常规产品，其余条件与冬季相同。热泵制冷系数COP约为3.0，1匹制冷功耗下系统的制冷量为2.2kW，系统产生沼气量为0.1Nm3/d。

Claims (6)

1.一种带燃气补偿功能的生物质源热泵系统，其特征在于，包括发酵罐（1）、凉水塔（2）、室外换热器（3）、压缩机（4）、室内换热器（5）、节流阀（6）、四通换向阀（7）、充气泵（8）、水管Ⅰ（9）、换热管（10）、水管Ⅱ（11）、沼气管（12）；
凉水塔（2）底部通过水管Ⅰ（9）与换热管（10）底部连接，换热管（10）纵向穿过发酵罐（1）内部，换热管（10）另一端穿过发酵罐（1）顶部后，与室外换热器（3）内腔的一号口联通，室外换热器（3）内腔的二号口与凉水塔（2）顶部通过水管Ⅱ（11）连接；
发酵罐（1）底部与充气泵（8）连接；发酵罐（1）顶部连接沼气管（12）；
室外换热器（3）的外腔一端连接四通换向阀（7）的下左通道，另一端连接室内换热器（5），且两者之间设置节流阀（6）；
室内换热器（5）另一端连接四通换向阀（7）的下右通道，
四通换向阀（7）上通道连接压缩机（4）排气口，下中通道接压缩机（4）吸气口；
所述系统的使用方法，具体步骤如下：
（1）：冬季环境温度较低时，系统在制热工况下运行，四通换向阀（7）接通电源，压缩机（4）排出的高温制冷剂蒸气经四通换向阀（7）通道切换后，排向室内换热器（5），制冷剂的热量通过离心风扇作用与室内冷空气进行热交换，达到室内制热的目的；
（2）：经室内换热器（5）放热后的制冷剂冷凝为液体，然后经节流阀（6）进入室外换热器（3）的外腔；
（3）：发酵罐（1）内装有发酵物，利用充气泵（8）向发酵罐（1）内通入空气，使发酵罐（1）内部进行好氧发酵产热，换热管（10）内的水吸收热量，从室外换热器（3）内腔的一号口进入室外换热器（3）内腔，与室外换热器（3）外腔内的液体制冷剂换热后，经过水管Ⅱ（11）返回到凉水塔（2）内，凉水塔（2）内的冷水从水管Ⅰ（9）进入换热管（10）内；
（4）：室外换热器（3）外腔内的液体制冷剂经过室外换热器（3）内腔的热水加热蒸发，经过四通换向阀（7），进入压缩机（4），如此循环；
（5）：夏季环境温度较高时，系统在制冷工况下运行，四通换向阀（7）断开电源，压缩机（4）排出的高温制冷剂蒸汽经四通换向阀（7）流向室外换热器（3）的外腔，在室外换热器（3）的外腔加热室外换热器（3）内腔中的冷水，冷水从凉水塔（2）经室外换热器（3）内腔的二号口进入，经过换热降温后的制冷剂再经节流阀（6）进入室内换热器（5）吸热汽化，又经过四通换向阀（7）回到压缩机（4），如此循环；
（6）：室外换热器（3）的内腔中的冷水吸收了外腔中制冷剂的热量之后，冷水变热，热水泵至发酵罐（1）中，将热能传递给发酵罐（1）内物质，实现中温厌氧发酵，发酵生产沼气，用于民用。
2.根据权利要求1所述带燃气补偿功能的生物质源热泵系统，其特征在于，室外换热器（3）内腔的一号口和二号口上均设置阀门和泵，水管Ⅰ（9）上也设置泵。
3.根据权利要求1所述带燃气补偿功能的生物质源热泵系统，其特征在于，发酵罐（1）中装有发酵物包括农作物秸秆和动物排泄物粉末，农作物秸秆和动物排泄物的质量比为3-6:10。
4.根据权利要求3所述带燃气补偿功能的生物质源热泵系统，其特征在于，农作物秸秆为玉米秸秆，动物排泄物粉末为干牛粪粉末。
5.根据权利要求3所述带燃气补偿功能的生物质源热泵系统，其特征在于，制热工况下，发酵罐（1）中还添加有机肥发酵菌剂，起活温度-10℃，有机肥发酵菌剂的添加量与农作物秸秆和动物排泄物粉末混合物的质量比为0.5-2:1000；制冷工况下，发酵罐（1）中还添加沼气池增效剂，沼气池增效剂的添加量与农作物秸秆和动物排泄物粉末混合物的体积比为0.8-1:100。
6.根据权利要求5所述带燃气补偿功能的生物质源热泵系统，其特征在于，发酵罐（1）内还添加水，使发酵罐（1）内初始含水率为25-30%。
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