地源热泵式沼气池加温系统的研究

  地源热泵是利用浅层地热能进行供热制冷的新型能源利用技术，通过卡诺循环和逆卡诺循环原理转移冷量和热量。本工程为满足冬季沼气池发酵温度的要求，以地热能作为热泵加温的热源[12]。在冬季，把地下土壤的热量与循环水进行热交换，使循环水温度提高，再通过对地源热泵输入少量的高品位电能，实现低温位热能向高温位转移，进而使得地源热泵机组出水温度达45℃左右，热水在热盘管中，以辐射和对流的方式与发酵原料进行热交换，使沼气池温度保持在中温发酵范围内。安装温度自动控制装置现实温度自控，当沼气池内温度降低到30℃以下时，地源热泵机组自动启动，通过消耗电能把地下水的热量转移到沼气池中热盘管内的热水中，再对发酵原料加温；当地源热泵机组的进、出水温差满足7.5℃并且沼气池的温度在35℃时，地源热泵机组将自动停止工作。

 

  1.2 研究对象

 

  为了检验地源热泵式加温系统的运行性能及效果，本研究以上海市崇明县港沿镇合兴村沼气集中供气示范工程为对象，在2008－2009 年寒冷的冬季节进行了实际试验研究。沼气池是该工程核心部分，主要作用是发酵产气，有效容积V=69.3 m3。在池底和池壁加7 cm 厚的闭泡聚苯泡沫板的保温隔热材料，减弱了沼气池与大地、空气的热传导。沼气池顶部覆盖塑料薄膜保温，覆盖面大于池面以利于保温。另外，为了加快料液热传递，改善加温效果，在沼气池安装了搅拌装置。

 

  1.3 试验设计

 

  本试验地下换热器采用单U 作地埋管形式，地埋管材料为高密度聚乙烯（high density polyethylene，HDPE），根据研究对象的热工分析为基础，试验地源热泵系统相关参数设定如表1 所示。试验在地源热泵式加温系统上布置了4 个温度测点（见图1）：地下换热器侧进、出水温度，地源热泵机组供、回水温度；在沼气池内布置了39 个测温点；在沼气输送管安装了气表（沼气流量计量装置）。

 

  表1 地下环路设计参数

 

  Table 1 Design parameters of underground loop参数单位钻孔深度100 m钻孔个数（单U） 5 -钻孔间距4 m地面管内径0.026 m

 

  地埋管外径0.032 m

 

  埋管内循环液添加防冻剂的纯水-

 

  流量4.54 m3/h

 

  数据测试从2009-01-06 开始，历时60 d，对沼气池的温度、沼气产气量和地源热泵性能参数进行了监测。

 

  1.4 热泵机组制热效率

 

  制热效率COP 是热泵性能衡量指标，决定了系统运行状况和经济效益。机组COP 值是指热泵机组系统所能实现的制热量和热泵机组输入功率的比值。在相同工况下，其比值越大说明这个热泵系统的效率越高越节能[13]。

 

  （1）其中out _ pump in _ pump Q ? L?c(t ? t ) （2）式中：Q——地源热泵加温系统供热量，kJ；W——地源热泵机组功耗，kW·h；L — — 热盘管内水流量，m3/s；ρ——水的密度，kg/m3；c ——水的比热容，kJ/(kg·K)；tout_pump——地源热泵机组出水温度，℃；tin_pump——地源热泵机组进水温度，℃。