CN114754397A - 一种多能互补式高效农用供暖系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种多能互补式高效农用供暖系统，包括管路、用户末端、风能供热模块、光能供热模块、沼气增温模块、生物质能供热模块、水循环模块、蓄热水箱、户用沼气池、集分水模块以及水循环模块，所述风能供热模块捕获自然风力产生的动能并将其转换为热能供给蓄热水箱；本发明将原本全部供给用户热负荷的太阳能、风能集热量一部分分配给沼气池，提高其发酵温度，进而提高沼气产量；产生的沼气除少部分满足炊事用气负荷外，将大部分沼气转化为热能，一部分分配，用户热负荷，提高供热系统中可再生能源占比，一部分分配给沼气池，通过将风能、太阳能与生物质能互补耦合制热供暖，提高了系统供暖效率、稳定性。

Description

一种多能互补式高效农用供暖系统
技术领域
本发明属于农用供暖相关技术领域，具体涉及一种多能互补式高效农用供暖系统。
背景技术
我国西北地区深居内陆，冬季寒冷且漫长，在《民用建筑热工设计规范》(GB50176-2016)中将其划分为严寒和寒冷地区，部分区域冬季的供暖时间长达6个月之久。供暖和炊事能耗占据了西北农村住宅能耗的绝大部分，因而解决这两部分耗能便基本解决了西北农村住宅能源问题。
西北地区畜牧业发达，并且在农村地区分布着大量的养殖散户，从事生产过程中产生了大量的牲畜粪便，如果不进行处理作为垃圾随意排放则会对生态环境造成污染。采用厌氧发酵技术将牲畜粪便进行无害化处理的同时能够生产出清洁能源沼气。但沼气发酵与温度密切相关，沼液温度直接影响微生物菌群的生长情况，温度过高和过低均对产气不利。西北地区冬季的寒冷环境导致传统沼气池内的厌氧消化过程停滞，产气量严重不足。
现有的供暖系统技术存在以下问题：现有的供暖系统大多采用太阳能、风能、沼气燃烧能进行供暖，现有的沼气厌氧发酵技术应用过程中，由于冬季寒冷环境导致发酵温度过低，进而影响了沼气系统的产气量，而太阳能集热、风能制热由于受风资源与太阳辐射随机、波动的影响，导致供热量不连续，因而需要备用热源大量补热。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多能互补式高效农用供暖系统，以解决上述背景技术中提出的发酵温度过低影响沼气产气量、太阳能集热与风能制热供热量不连续的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种多能互补式高效农用供暖系统，包括管路、用户末端、风能供热模块、光能供热模块、沼气增温模块、生物质能供热模块、水循环模块、蓄热水箱、户用沼气池、集分水模块以及水循环模块，所述风能供热模块捕获自然风力产生的动能并将其转换为热能供给蓄热水箱，所述光能供热模块将太阳光能转换为热能供给蓄热水箱，所述集分水模块将蓄热水箱所获取的热能分配至用户末端，所述沼气增温模块将原本供给用户末端的部分热能分配至户用沼气池，所述生物质能供热模块将用户末端产生的生活废物进行无害化处理并产生清洁能源沼气，所述水循环模块将用户末端、风能供热模块、光能供热模块、沼气增温模块、生物质能供热模块、蓄热水箱、户用沼气池、集分水模块连接构成整套系统的闭环回路。
优选的，所述风能供热模块包括塔体，所述塔体的顶部安装有垂直轴风力机，所述塔体的内部安装有永磁涡流制热装置。
优选的，所述垂直轴风力机包括支撑轴杆，所述支撑轴杆的底部与塔体转动连接，所述支撑轴杆的顶部通过安装架安装有若干个环形分布的风力叶板，所述塔体的内侧固定安装有增速齿轮箱，所述增速齿轮箱的输入端与支撑轴杆固定连接，所述增速齿轮箱的输出端固定连接有驱动力轴杆。
优选的，所述永磁涡流制热装置包括转子与定子以及底座，所述底座固定在塔体的内壁上，所述定子与底座固定连接，所述驱动力轴杆的底端与底座转动连接；
所述转子包括固定套设在驱动力轴杆外部的转子磁芯，所述转子磁芯的外侧壁上固定连接有若干个环形分布的永磁体；
所述定子包括定子外墙以及设置在定子外墙内侧的定子内墙，所述定子内墙与永磁体之间留有一段间隙，所述定子外墙与定子内墙围合形成水槽，所述塔体上设置有与水槽相通的进水管路与出水管路。
优选的，所述集分水模块包括集水器与分水器，所述集水器的进热水端与蓄热水箱的出热水端连接，所述集水器的出热水端与用户末端的进热水端连接，所述用户末端的出冷水端与分水器的进冷水端连接，所述集水器的出热水端还与户用沼气池的进热水端连接，所述户用沼气池的出冷水端与分水器的进冷水端连接，所述分水器的出冷水端与蓄热水箱的进冷水端连接。
优选的，所述光能供热模块包括太阳能集热器，所述太阳能集热器的进冷水端与蓄热水箱的出冷水端连接，所述太阳能集热器的出热水端与蓄热水箱的进热水端连接，所述永磁涡流制热装置的进冷水端与蓄热水箱的出冷水端连接，所述永磁涡流制热装置的出热水端与蓄热水箱的进热水端连接。
优选的，所述户用沼气池的出气端与沼气储存袋的进气端连接，所述沼气储存袋的出气端通过沼气增压泵与沼气锅炉的进气端连接，所述沼气储存袋上设置有安全阀。
优选的，所述蓄热水箱的出冷水端与沼气锅炉的进冷水端连接，所述沼气锅炉的出热水端与蓄热水箱的进热水端连接。
优选的，所述永磁涡流制热装置、球阀、沼气锅炉在与蓄热水箱以及户用沼气池与沼气储存袋所连管路上均设置有单向阀，所述蓄热水箱与集水器、户用沼气池与沼气储存袋、集水器与分水器、以及蓄热水箱与永磁涡流制热装置、太阳能集热器、沼气锅炉所连管路上均设置有球阀，所述蓄热水箱与集水器、以及蓄热水箱与永磁涡流制热装置、太阳能集热器、沼气锅炉所连管路上均设置有循环水泵，所述集水器与用户末端、户用沼气池所连管路上均设置有电磁阀。
与现有供暖系统技术相比，本发明提供了一种多能互补式高效农用供暖系统，具备以下有益效果：
1、本发明将原本全部供给用户热负荷的太阳能、风能集热量一部分分配给沼气池，提高其发酵温度，进而提高沼气产量；产生的沼气除少部分满足炊事用气负荷外，将大部分沼气转化为热能，一部分分配，用户热负荷，提高供热系统中可再生能源占比，一部分分配给沼气池，通过将风能、太阳能与生物质能互补耦合制热供暖，提高了系统供暖效率、稳定性；
2、本发明系统增设沼气池增温环路，加速沼气厌氧发酵过程，提高了沼气产出效率；
3、本发明低温“回水”与高温“进水”同时输送至蓄热水箱，两者混合后温差降低，提高了制热部分各个模块的工作效率，系统总制热效率提高；
4、采用风力制热技术，通过涡流风力法致热，与风电制热法相比减少了转换环节，能量损失小，同时垂直轴风力机、太阳能集热器以及沼气锅炉，运行噪声低，适合在人们居住的地方安装。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制，在附图中：
图1为本发明提出的一种多能互补式高效农用供暖系统框图；
图2为本发明提出的一种多能互补式高效农用供暖系统布局示意图；
图3为本发明提出的垂直轴风力机与永磁涡流制热装置结构示意图；
图4为本发明提出的定子与转子俯视结构示意图；
图中：1、第一球阀；2、永磁涡流制热装置；201、转子；2011、永磁体；2012、转子磁芯；2013、间隙；202、定子；2021、定子外墙；2022、定子内墙；2023、水槽；203、底座；204、进水管路；205、出水管路；3、垂直轴风力机；301、支撑轴杆；302、安装架；303、风力叶板；4、单向阀；5、太阳能集热器；6、第二球阀；7、沼气锅炉；8、沼气增压泵；9、蓄热水箱；10、循环水泵；11、集水器；12、电磁阀；13、用户末端；14、户用沼气池；15、沼气储存袋；16、分水器；17、安全阀；18、塔体；19、增速齿轮箱；191、驱动力轴杆。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-图4，本发明提供一种技术方案：一种多能互补式高效农用供暖系统，包括管路1、用户末端13、风能供热模块、光能供热模块、沼气增温模块、生物质能供热模块、水循环模块、蓄热水箱9、户用沼气池14、集分水模块以及水循环模块，风能供热模块捕获自然风力产生的动能并将其转换为热能供给蓄热水箱9，光能供热模块将太阳光能转换为热能供给蓄热水箱9，集分水模块将蓄热水箱9所获取的热能分配至用户末端13，沼气增温模块将原本供给用户末端13的部分热能分配至户用沼气池14，沼气增温模块主要由集水器11与户用沼气池14组成，生物质能供热模块将用户末端13产生的生活废物进行无害化处理并产生清洁能源沼气，生物质能供热模块主要采用厌氧发酵技术，能够将西北农村地区牲畜粪便以及厨余垃圾等进行无害化处理，水循环模块将用户末端13、风能供热模块、光能供热模块、沼气增温模块、生物质能供热模块、蓄热水箱9、户用沼气池14、集分水模块连接构成整套系统的闭环回路，水循环模块主要由连接各模块之间的通水及通气管路1构成。
需要说明的是，风能供热模块包括塔体18，塔体18的顶部安装有垂直轴风力机3，垂直轴风力机3包括支撑轴杆301，支撑轴杆301的底部与塔体18转动连接，支撑轴杆301的顶部通过安装架302安装有若干个环形分布的风力叶板303，塔体18的内侧固定安装有增速齿轮箱19，增速齿轮箱19的输入端与支撑轴杆301固定连接，增速齿轮箱19的输出端固定连接有驱动力轴杆191，垂直轴风力机3在风里的带动下运转，通过支撑轴杆301带动增速齿轮箱19内部齿轮转动。
值得提出的是，塔体18的内部安装有永磁涡流制热装置2，永磁涡流制热装置2包括转子201与定子202以及底座203，转子201包括固定套设在驱动力轴杆191外部的转子磁芯2012，转子磁芯2012的外侧壁上固定连接有若干个环形分布的永磁体2011，底座203固定在塔体18的内壁上，定子202与底座203固定连接，驱动力轴杆191的底端与底座203转动连接，定子202包括定子外墙2021以及设置在定子外墙2021内侧的定子内墙2022，定子内墙2022与永磁体2011之间留有一段间隙2013，定子外墙2021与定子内墙2022围合形成水槽2023，塔体18上设置有与水槽2023相通的进水管路204与出水管路205，增速齿轮箱19传输的动力带动转子201转动，转子201旋转产生变化磁场，根据法拉第电磁感应定律，定子202受到变化磁场的影响产生电涡流，继而使定子202生成热并加热水槽2023内的水，通过水槽2023内的水将热量供给蓄热水箱9。
需要注意的是，集分水模块包括集水器11与分水器16，集水器11的进热水端与蓄热水箱9的出热水端连接，集水器11的出热水端与用户末端13的进热水端连接，用户末端13的出冷水端与分水器16的进冷水端连接，集水器11的出热水端还与户用沼气池14的进热水端连接，户用沼气池14的出冷水端与分水器16的进冷水端连接，分水器16的出冷水端与蓄热水箱9的进冷水端连接，分水器16将来自蓄热水箱9的热水分别分配给住房供热环路以及沼气池增温环路(用于加速沼气厌氧发酵过程)，集水器11则将这两个环路的回水进行汇集后输送回蓄热水箱9。两个环路之间设置了旁通管，主要用于两个环路都处于停滞状态时主管路的热水循环。
进一步来说，光能供热模块包括太阳能集热器5，太阳能集热器5的进冷水端与蓄热水箱9的出冷水端连接，太阳能集热器5的出热水端与蓄热水箱9的进热水端连接，永磁涡流制热装置2的进冷水端与蓄热水箱9的出冷水端连接，永磁涡流制热装置2的出热水端与蓄热水箱9的进热水端连接，太阳能集热器5根据结构形式可选用平板集热器与真空管集热器，与平板集热器相比真空管集热器具有保温效果好、抗冻性强等优势，而且当流体温度与环境温度相差较大时，其效率较高。
更进一步来说，户用沼气池14的出气端与沼气储存袋15的进气端连接，沼气储存袋15的出气端通过沼气增压泵8与沼气锅炉7的进气端连接，沼气储存袋15上设置有安全阀17，用于保障沼气储存袋15内气量过大时的安全性。
需要补充的是，蓄热水箱9的出冷水端与沼气锅炉7的进冷水端连接，沼气锅炉7的出热水端与蓄热水箱9的进热水端连接，蓄热水箱9由不锈钢内胆、外壳以及中间发泡聚氨酷保温层组成。蓄热水箱9中的管道接口包括：集热环路的进、出口，供热环路的进、出口以及温度测点的接口。
此外，永磁涡流制热装置2、球阀6、沼气锅炉7在与蓄热水箱9以及户用沼气池14与沼气储存袋15所连管路1上均设置有单向阀4，防止回水而产生逆流，蓄热水箱9与集水器11、户用沼气池14与沼气储存袋15、集水器11与分水器16、以及蓄热水箱9与永磁涡流制热装置2、太阳能集热器5、沼气锅炉7所连管路1上均设置有球阀6，用于手动控制管路1的闭合，蓄热水箱9与集水器11、以及蓄热水箱9与永磁涡流制热装置2、太阳能集热器5、沼气锅炉7所连管路1上均设置有循环水泵10，用于实现管路1内冷热水的循环流动，集水器11与用户末端13、户用沼气池14所连管路1上均设置有电磁阀12，用于开闭管路1。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种多能互补式高效农用供暖系统，其特征在于：包括管路(1)、用户末端(13)、风能供热模块、光能供热模块、沼气增温模块、生物质能供热模块、水循环模块、蓄热水箱(9)、户用沼气池(14)、集分水模块以及水循环模块，所述风能供热模块捕获自然风力产生的动能并将其转换为热能供给蓄热水箱(9)，所述光能供热模块将太阳光能转换为热能供给蓄热水箱(9)，所述集分水模块将蓄热水箱(9)所获取的热能分配至用户末端(13)，所述沼气增温模块将原本供给用户末端(13)的部分热能分配至户用沼气池(14)，所述生物质能供热模块将用户末端(13)产生的生活废物进行无害化处理并产生清洁能源沼气，所述水循环模块将用户末端(13)、风能供热模块、光能供热模块、沼气增温模块、生物质能供热模块、蓄热水箱(9)、户用沼气池(14)、集分水模块连接构成整套系统的闭环回路。
2.根据权利要求1所述的一种多能互补式高效农用供暖系统，其特征在于：所述风能供热模块包括塔体(18)，所述塔体(18)的顶部安装有垂直轴风力机(3)，所述塔体(18)的内部安装有永磁涡流制热装置(2)。
3.根据权利要求2所述的一种多能互补式高效农用供暖系统，其特征在于：所述垂直轴风力机(3)包括支撑轴杆(301)，所述支撑轴杆(301)的底部与塔体(18)转动连接，所述支撑轴杆(301)的顶部通过安装架(302)安装有若干个环形分布的风力叶板(303)，所述塔体(18)的内侧固定安装有增速齿轮箱(19)，所述增速齿轮箱(19)的输入端与支撑轴杆(301)固定连接，所述增速齿轮箱(19)的输出端固定连接有驱动力轴杆(191)。
4.根据权利要求3所述的一种多能互补式高效农用供暖系统，其特征在于：所述永磁涡流制热装置(2)包括转子(201)与定子(202)以及底座(203)，所述底座(203)固定在塔体(18)的内壁上，所述定子(202)与底座(203)固定连接，所述驱动力轴杆(191)的底端与底座(203)转动连接；
所述转子(201)包括固定套设在驱动力轴杆(191)外部的转子磁芯(2012)，所述转子磁芯(2012)的外侧壁上固定连接有若干个环形分布的永磁体(2011)；
所述定子(202)包括定子外墙(2021)以及设置在定子外墙(2021)内侧的定子内墙(2022)，所述定子内墙(2022)与永磁体(2011)之间留有一段间隙(2013)，所述定子外墙(2021)与定子内墙(2022)围合形成水槽(2023)，所述塔体(18)上设置有与水槽(2023)相通的进水管路(204)与出水管路(205)。
5.根据权利要求4所述的一种多能互补式高效农用供暖系统，其特征在于：所述集分水模块包括集水器(11)与分水器(16)，所述集水器(11)的进热水端与蓄热水箱(9)的出热水端连接，所述集水器(11)的出热水端与用户末端(13)的进热水端连接，所述用户末端(13)的出冷水端与分水器(16)的进冷水端连接，所述集水器(11)的出热水端还与户用沼气池(14)的进热水端连接，所述户用沼气池(14)的出冷水端与分水器(16)的进冷水端连接，所述分水器(16)的出冷水端与蓄热水箱(9)的进冷水端连接。
6.根据权利要求5所述的一种多能互补式高效农用供暖系统，其特征在于：所述光能供热模块包括太阳能集热器(5)，所述太阳能集热器(5)的进冷水端与蓄热水箱(9)的出冷水端连接，所述太阳能集热器(5)的出热水端与蓄热水箱(9)的进热水端连接，所述永磁涡流制热装置(2)的进冷水端与蓄热水箱(9)的出冷水端连接，所述永磁涡流制热装置(2)的出热水端与蓄热水箱(9)的进热水端连接。
7.根据权利要求6所述的一种多能互补式高效农用供暖系统，其特征在于：所述户用沼气池(14)的出气端与沼气储存袋(15)的进气端连接，所述沼气储存袋(15)的出气端通过沼气增压泵(8)与沼气锅炉(7)的进气端连接，所述沼气储存袋(15)上设置有安全阀(17)。
8.根据权利要求7所述的一种多能互补式高效农用供暖系统，其特征在于：所述蓄热水箱(9)的出冷水端与沼气锅炉(7)的进冷水端连接，所述沼气锅炉(7)的出热水端与蓄热水箱(9)的进热水端连接。
9.根据权利要求8所述的一种多能互补式高效农用供暖系统，其特征在于：所述永磁涡流制热装置(2)、球阀(6)、沼气锅炉(7)在与蓄热水箱(9)以及户用沼气池(14)与沼气储存袋(15)所连管路(1)上均设置有单向阀(4)，所述蓄热水箱(9)与集水器(11)、户用沼气池(14)与沼气储存袋(15)、集水器(11)与分水器(16)、以及蓄热水箱(9)与永磁涡流制热装置(2)、太阳能集热器(5)、沼气锅炉(7)所连管路(1)上均设置有球阀(6)，所述蓄热水箱(9)与集水器(11)、以及蓄热水箱(9)与永磁涡流制热装置(2)、太阳能集热器(5)、沼气锅炉(7)所连管路(1)上均设置有循环水泵(10)，所述集水器(11)与用户末端(13)、户用沼气池(14)所连管路(1)上均设置有电磁阀(12)。
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