多源沼气热泵系统

摘要

本发明公开一种多源沼气热泵系统，其特征在于，包括：多源能源子系统，用于提供由外界环境提供能量的第一流体；沼气发生子系统，用于产生供用户使用的第一沼气和供发电用的第二沼气；沼气发电子系统，与沼气发生子系统连接，用于利用第二沼气产生电能；热泵机组，与多源能源子系统、沼气发生子系统和沼气发电子系统连接，用于利用电能驱动第一流体与来自用户的第二流体进行热交换。本发明解决了热泵机组利用能源单一、能源切换不灵活、系统不稳定等问题，具有结构简单、成本低的特点。

权利要求

1.一种多源沼气热泵系统，其特征在于，包括：

多源能源子系统(1)，用于提供由外界环境提供能量的第一流体；

沼气发生子系统(2)，用于产生供用户使用的第一沼气和供发电用的第二沼气；

沼气发电子系统(3)，与所述沼气发生子系统(2)连接，用于利用所述第二沼气产生电能；

热泵机组(4)，与所述多源能源子系统(1)、所述沼气发生子系统(2)和所述沼气发电子系统(3)连接，用于利用所述电能驱动所述第一流体与来自用户的第二流体进行热交换；

所述热泵机组(4)包括气液分离器(5)、压缩机(6)、四通阀(7)、水冷换热器(8)和用户侧换热器(9)，所述四通阀(7)的第一端依次通过所述水冷换热器(8)和用户侧换热器(9)与所述四通阀(7)的第二端连接，所述四通阀(7)的第三端依次通过所述压缩机(6)和所述气液分离器(5)与所述四通阀(7)的第四端连接，所述沼气发电子系统(3)将所述电能提供给所述压缩机(6)；

所述多源能源子系统(1)包括太阳能子系统和土壤源子系统；所述太阳能子系统与所述水冷换热器(8)选择性地连接，所述土壤源子系统与所述水冷换热器(8)连接，所述第二流体流经所述用户侧换热器(9)；

所述太阳能子系统与所述水冷换热器(8)的连接管路上设置有第一三通阀(17a)、及所述土壤源子系统与所述水冷换热器(8)的连接管路上设置有第二三通阀(17b)；

所述热泵机组(4)还包括依次串联在所述水冷换热器(8)和用户侧换热器(9)之间的连接管路上的第一节流元件(18)、高压储液罐(19)和第二节流元件(20)，所述热泵机组(4)还包括与所述第一节流元件(18)并联的第一单向阀(21)、以及与所述第二节流元件(20)并联的第二单向阀(22)。

2.根据权利要求1所述的多源沼气热泵系统，其特征在于，所述热泵机组(4)还包括与所述水冷换热器(8)并联的风冷套管翅片式换热器(10)。

3.根据权利要求1所述的多源沼气热泵系统，其特征在于，所述热泵机组(4)还包括向所述沼气发生子系统(2)提供用于制取沼气的热量的热回收换热器(11)，所述四通阀(7)的第三端通过所述热回收换热器(11)与所述压缩机(6)连接，所述太阳能子系统与所述沼气发生子系统(2)连接。

4.根据权利要求1所述的多源沼气热泵系统，其特征在于，所述太阳能子系统包括太阳能集热器(12)、水箱(13)和第一水泵(14)，所述水冷换热器(8)的第一换热通道的一端依次通过所述第一水泵(14)、所述太阳能集热器(12)和所述水箱(13)与所述第一换热通道的另一端连接；

所述土壤源子系统包括土壤源(15)和第二水泵(16)，所述第一换热通道的所述一端依次通过所述第二水泵(16)和所述土壤源(15)与所述第一换热通道的所述另一端连接。

5.根据权利要求1所述的多源沼气热泵系统，其特征在于，所述沼气发电子系统(3)包括沼气发电机(23)和接线盒(24)，所述第二沼气通过管路提供给所述沼气发电机(23)，所述沼气发电机(23)的输出端通过所述接线盒(24)与所述热泵机组(4)的压缩机(6)连接。

6.根据权利要求3所述的多源沼气热泵系统，其特征在于，所述沼气发生子系统(2)包括具有内置盘管的沼气池(25)，所述热回收换热器(11)及所述太阳能子系统均与所述盘管连接。

7.根据权利要求6所述的多源沼气热泵系统，其特征在于，所述热回收换热器(11)与所述盘管之间的连接管路上设置有第三水泵(26)。

说明书

多源沼气热泵系统

技术领域

[0001] 本发明涉及空调领域，具体而言，涉及一种多源沼气热泵系统。

背景技术

[0002] 目前有太阳能和土壤源热泵沼气池的技术，利用太阳能结合土壤源联合提供热能制取沼气，它是利用土壤源热泵制取的热水与太阳能制取的热水混合后用于制取沼气。此技术虽利用了低品位能源，但热泵不能同时使用多种能源，没有充分利用目前多种低品位热源，降低了系统的稳定性，且能源切换使用不灵活。没有自给自足和热回收的思路，浪费能源。

发明内容

[0003] 本发明实施例中提供一种结构简单、成本低的多源沼气热泵系统，以解决现有技术中热泵机组利用能源单一、能源切换不灵活、系统不稳定等问题。

[0004] 为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种多源沼气热泵系统，其特征在于，包括：多源能源子系统，用于提供由外界环境提供能量的第一流体；沼气发生子系统，用于产生供用户使用的第一沼气和供发电用的第二沼气；沼气发电子系统，与沼气发生子系统连接，用于利用第二沼气产生电能；热泵机组，与多源能源子系统、沼气发生子系统和沼气发电子系统连接，用于利用电能驱动第一流体与来自用户的第二流体进行热交换。

[0005] 作为优选，热泵机组包括气液分离器、压缩机、四通阀、水冷换热器和用户侧换热器，四通阀的第一端依次通过水冷换热器和用户侧换热器与四通阀的第二端连接，四通阀的第三端依次通过压缩机和气液分离器与四通阀的第四端连接，沼气发电子系统将电能提供给压缩机；多源能源子系统包括太阳能子系统和土壤源子系统；太阳能子系统与水冷换热器选择性地连接，土壤源子系统与水冷换热器连接，第二流体流经用户侧换热器。

[0006] 作为优选，热泵机组还包括与水冷换热器并联的风冷套管翅片式换热器。

[0007] 作为优选，热泵机组还包括向沼气发生子系统提供用于制取沼气的热量的热回收换热器，四通阀的第三端通过热回收换热器与压缩机连接，太阳能子系统与沼气发生子系统连接。

[0008] 作为优选，太阳能子系统包括太阳能集热器、水箱和第一水泵，水冷换热器的第一换热通道的一端依次通过第一水泵、太阳能集热器和水箱与第一换热通道的另一端连接；土壤源子系统包括土壤源和第二水泵，第一换热通道的一端依次通过第二水泵和土壤源与第一换热通道的另一端连接。

[0009] 作为优选，太阳能子系统与水冷换热器的连接管路上设置有第一三通阀、及土壤源子系统与水冷换热器的连接管路上设置有第二三通阀。

[0010] 作为优选，热泵机组还包括依次串联在水冷换热器和用户侧换热器之间的连接管路上的第一节流元件、高压储液罐和第二节流元件，热泵机组还包括与第一节流元件并联的第一单向阀、以及与第二节流元件并联的第二单向阀。

[0011] 作为优选，沼气发电子系统包括沼气发电机和接线盒，第二沼气通过管路提供给沼气发电机，沼气发电机的输出端通过接线盒与热泵机组的压缩机连接。

[0012] 作为优选，沼气发生子系统包括具有内置盘管的沼气池，热回收换热器及太阳能子系统均与盘管连接。

[0013] 作为优选，热回收换热器与盘管之间的连接管路上设置有第三水泵。

[0014] 本发明解决了现有技术中热泵机组利用能源单一、能源切换不灵活、系统不稳定等问题，具有结构简单、成本低的特点。

附图说明

[0015] 图1是本发明实施例的结构示意图。

[0016] 附图标记说明：

[0017] 1、多源能源子系统；2、沼气发生子系统；3、沼气发电子系统；4、热泵机组；5、气液分离器；6、压缩机；7、四通阀；8、水冷换热器；9、用户侧换热器；10、风冷套管翅片式换热器；11、热回收换热器；12、太阳能集热器；13、水箱；14、第一水泵；15、土壤源；16、第二水泵；
17a、第一三通阀；17b、第二三通阀；18、第一节流元件；19、高压储液罐；20、第二节流元件；
21、第一单向阀；22、第二单向阀；23、沼气发电机；24、接线盒；25、沼气池；26、第三水泵；27、空调末端；28、第一阀门；29、第四水泵；30、热回收电动水阀；31、第一电动水阀；32、第二电动水阀；33、第三电动水阀；34、第二阀门；35、第三阀门。

具体实施方式

[0018] 下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述，但不作为对本发明的限定。

[0019] 请参考图1，本发明提供了一种多源沼气热泵系统，包括：多源能源子系统1，用于提供由外界环境提供能量的第一流体；沼气发生子系统2，用于产生供用户使用的第一沼气和供发电用的第二沼气；沼气发电子系统3，与沼气发生子系统2连接，用于利用第二沼气产生电能；热泵机组4，与多源能源子系统1、沼气发生子系统2和沼气发电子系统3连接，用于利用电能驱动第一流体与来自用户的第二流体进行热交换。

[0020] 多源能源子系统1可以外部自然界中获取多种低品位能源，例如太阳能、土壤能等；沼气发生子系统2可以产生沼气，这些沼气的一部分提供给用户使用，例如可用于照明、生活热水、厨房、大棚、养殖等，另一部分提供给沼气发电子系统3，以供其产生电能。这样，便可利用沼气发电子系统3产生的电能向热泵机组4供电，使热泵机组4可以驱动多源能源子系统1提供的第一流体与来自用户的第二流体进行热交换，以达为用户进行冷暖空调的作用。因此，用户不再需要专门为热泵机组4供电，实现了整个系统的自给自足，达到节能环保的效果。

[0021] 可见，本发明解决了现有技术中热泵机组利用能源单一、能源切换不灵活、系统不稳定等问题，具有结构简单、成本低的特点。

[0022] 优选地，热泵机组4包括气液分离器5、压缩机6、四通阀7、水冷换热器8和用户侧换热器9，四通阀7的第一端依次通过水冷换热器8和用户侧换热器9与四通阀7的第二端连接，四通阀7的第三端依次通过压缩机6和气液分离器5与四通阀7的第四端连接，沼气发电子系统3将电能提供给压缩机6；多源能源子系统1包括太阳能子系统和土壤源子系统；太阳能子系统与水冷换热器8选择性地连接，土壤源子系统与水冷换热器8连接，第二流体流经用户侧换热器9。这样，沼气发电子系统3向压缩机6供电，使压缩机驱动热泵机组4内的冷媒在水冷换热器8和用户侧换热器9之间循环流动，当流经水冷换热器8时，冷媒与第一流体进行热交换；当流经用户侧换热器9时，冷媒与第二流体进行热交换，从而为用户提供制冷或制热。

[0023] 在一个优选的实施例中，优选地，太阳能子系统与水冷换热器8的连接管路上设置有第一三通阀17a、及土壤源子系统与水冷换热器8的连接管路上设置有第二三通阀17b。这样，根据制冷或制热的需要，可以单独地使用土壤源子系统，也可以同时使用太阳能子系统和土壤源子系统同时向水冷换热器8提供用于热交换的第一流体，从而使用户可以根据情况进行合理选择，增强了系统的灵活性。

[0024] 优选地，热泵机组4还包括与水冷换热器8并联的风冷套管翅片式换热器10。这样，当冷媒在在风冷套管翅片式换热器10的管中流动时，就会与外界空气进行换热，从而达到了利用空气能进行热交换的目的。在一个优选的实施例中，风冷套管翅片式换热器10与多源能源子系统1连接的入口端还设置有第一阀门28，这样，可以通过对第一阀门28的控制，来选择是仅单独使用水冷换热器8或风冷套管翅片式换热器10，还是同时使用水冷换热器8和风冷套管翅片式换热器10。特别地，水冷换热器8和风冷套管翅片式换热器10可同时运行，以利用空气、太阳能以及土壤中的冷量或热量进行系统供冷和供热。

[0025] 优选地，热泵机组4还包括向沼气发生子系统2提供用于制取沼气的热量的热回收换热器11，四通阀7的第三端通过热回收换热器11与压缩机6连接，太阳能子系统与沼气发生子系统2连接。这样，太阳能子系统提供的热水就能流入沼气发生子系统2中，以供制取沼气。另外，通过热回收换热器11还可以把热泵机组4中的热量进行回收利用，提供给沼气发生子系统2，以便更好地制取沼气。

[0026] 优选地，太阳能子系统包括太阳能集热器12、水箱13和第一水泵14，水冷换热器8的第一换热通道的一端依次通过第一水泵14、太阳能集热器12和水箱13与第一换热通道的另一端连接；土壤源子系统包括土壤源15和第二水泵16，第一换热通道的一端依次通过第二水泵16和土壤源15与第一换热通道的另一端连接。太阳能集热器12利用太阳能将水箱13内的水加热，使其具备一定的热能。在第一水泵14的作用下，水箱13内的水可通过管路流入水冷换热器8，从而与热泵机组4内冷媒进行热交换，也可提供给沼气发生子系统2在制取沼气时使用。

[0027] 优选地，热泵机组4还包括依次串联在水冷换热器8和用户侧换热器9之间的连接管路上的第一节流元件18、高压储液罐19和第二节流元件20，热泵机组4还包括与第一节流元件18并联的第一单向阀21、以及与第二节流元件20并联的第二单向阀22。

[0028] 优选地，沼气发电子系统3包括沼气发电机23和接线盒24，第二沼气通过管路提供给沼气发电机23，沼气发电机23的输出端通过接线盒24与热泵机组4的压缩机6连接。沼气发电机23可利用沼气发生子系统2制取沼气中的一部分进行发电，并将发电产生的电能通过接线盒24向压缩机6供电，以使热泵机组4能够正常运转，不需要用户向热泵机组4提供额外的电能，达到了自给自足的目的，为热泵机组4提供了免费的动力，使热泵机组4可以为用户提供冷热量并且为沼气发生子系统2提供热能。

[0029] 优选地，沼气发生子系统2包括具有内置盘管的沼气池25，热回收换热器11及太阳能子系统均与盘管连接。通过热回收换热器11进行热交后的流体或来自太阳能子系统的流体流经盘管，从而为制取沼气提供热量。优选地，热回收换热器11与盘管之间的连接管路上设置有第三水泵26。利用第三水泵26可以使该流体循环流动。

[0030] 下面结合图1，对本发明在夏季和冬季工作的情况进行详细说明。

[0031] 一、夏季

[0032] (1)多源能源子系统1

[0033] 首先，太阳能集热器12用于收集太阳热量来加热水箱13中的水，其出入口分别连接水箱13和第一水泵14，而水箱13与第一三通阀17a连接，第一水泵14与第二三通阀17b连接，但是水箱13和第一水泵14通过第一三通阀17a、第二三通阀17b与水冷换热器8之间的管路被断开。水箱13又与第一电动水阀31连接，第一水泵14又与第二电动水阀32连接，从而向盘管提供热量，以实现太阳能制取沼气。

[0034] 其次，土壤源子系统中的土壤源15经第二水泵16、第一三通阀17a和第二三通阀17b，在水冷换热器8中进行热交换，以实现夏季供冷。

[0035] 再次，外界空气在风机的作用下，与风冷套管翅片式换热器10的通道内的冷媒进行强制对流换热，以实现夏季供冷。

[0036] (2)热泵机组4

[0037] 第一，热泵机组4的能源侧换热器。

[0038] 能源侧换热器包括水冷换热器8与风冷套管翅片式换热器10，其中，水冷换热器8利用的能源为土壤源，风冷套管翅片式换热器10利用的能源为空气能。热泵机组4内的冷媒由第一阀门28分两路进入水冷换热器8和/或风冷套管翅片式换热器10，因而，可实现一机多源同时换热，进一步地，各能源既可独立也可联合工作。

[0039] 第二，热回收换热器11。

[0040] 热泵机组4经热回收换热器11，打开热回收电动水阀30，接沼气池25制取沼气，热水系统回水经第三电动水阀33、第三水泵26进入热回收换热器11循环加热。

[0041] 第三，夏季制冷热回收。

[0042] 四通阀7断电，第一节流元件18关闭，用于流量调节的第一阀门28连通。冷媒经过压缩机6压缩后，流经热回收换热器11、四通阀7、第一阀门28进入水冷换热器8和风冷套管翅片式换热器10冷凝后，依次通过第一单向阀21、高压储液罐19、第二节流元件20进入用户侧换热器9，在用户侧换热器9内进行热交换制取冷水后，流经四通阀7后，经过气液分离器5后，被压缩机6的吸气口吸入，然后被压缩机6压缩并参与下一次循环；主机制得的冷冻水进入空调末端27进行供冷，然后通过第四水泵29进入用户侧换热器9进行下个供冷循环。

[0043] (3)沼气发生子系统2及沼气发电子系统3

[0044] 利用热回收换热器11回收的热接沼气池25内用于换热的盘管制取沼气，热回收与太阳能子系统之间也可通过热回收电动水阀30、第一电动水阀31、第二电动水阀32、第三电动水阀33独立可联合地工作。

[0045] 制取的沼气经过第三阀门35提供给沼气发电机23发电，发出的电能经接线盒24为压缩机提供驱动力。

[0046] (4)用户的利用

[0047] 沼气经过第二阀门34，为空调末端27提供照明、生活热水、厨房、大棚、养殖等多功能；经过用户侧换热器9的冷水为用户提供冷量。

[0048] 二、冬季

[0049] (1)多源能源子系统1

[0050] 太阳能集热器12用于收集太阳能热量来加热水，其出入口分别连接水箱13和第一水泵14，水箱13与第一三通阀17a连接，第一水泵14与另一个第二三通阀17b连接，当水箱13和第一水泵14通过第一三通阀17a、第二三通阀17b与水冷换热器8之间的管路被断开时，由于水箱13又与第一电动水阀31连接，第一水泵14又与第二电动水阀32连接，因而可以实现太阳能制取沼气。当水箱13和第一水泵14通过第一三通阀17a、第二三通阀17b与水冷换热器8之间的管路被连通时，太阳能子系统提供的流体与土壤源提提供的流体混合在水冷换热器8中进行热交换，以实现冬季供暖。

[0051] 土壤源子系统中的土壤源15经第二水泵16、第一三通阀17a和第二三通阀17b后，在水冷换热器8进行热交换，以实现冬季供暖。

[0052] 外界空气在风机的作用下，与风冷套管翅片式换热器10通道内的冷媒进行强制对流换热实现冬季供暖。

[0053] (2)热泵机组4

[0054] 第一，能源测换热器。

[0055] 热泵机组的能源侧换热器包括水冷换热器8和风冷套管翅片式换热器10。其中，水冷换热器8利用的能源为土壤源和太阳能，风冷套管翅片式换热器10利用的能源为空气能。冷媒由第一阀门28分两路进入水冷换热器8和风冷套管翅片式换热器10，可实现一机多源同时换热，且各能源可独立也可联合工作。

[0056] 第二，热回收换热器。

[0057] 热泵机组4经热回收换热器11，打开热回收电动水阀30，接沼气池25制取沼气，热水系统回水经第三电动水阀33、第四水泵29后进入热回收换热器11循环加热。

[0058] 第三、冬季制热。

[0059] 四通阀7上电，第二节流元件20关闭，用于流量调节的第一阀门28连通。冷媒经过压缩机6压缩后，流经热回收换热器11、四通阀7、进入用户侧换热器9冷凝后，制取空调热水，然后依次通过第二单向阀22、高压储液罐19、和第一节流元件18进入水冷换热器8和风冷套管翅片式换热器10，再经流量调节的第一阀门28、四通阀7后，经过气液分离器5后，被压缩机6的吸气口吸入并压缩后，参与下一次循环；主机制得的热水进入空调末端27进行供热，然后通过第四水泵29进入用户侧换热器9进行下个供暖循环。

[0060] (3)沼气发生子系统2及沼气发电子系统3

[0061] 利用热回收换热器11制取的热接沼气池25内用于换热的盘管以制取沼气，热回收与太阳能子系统通过热回收电动水阀30、第一电动水阀31、第二电动水阀32、第三电动水阀33独立可联合地工作。

[0062] 制取的沼气经过第三阀门35提供给沼气发电机23发电，发出的电能经接线盒24为压缩机提供驱动力。

[0063] (4)用户的利用

[0064] 沼气经过第二阀门34，为空调末端27提供照明、生活热水、厨房、大棚、养殖等多功能；经过用户侧换热器9的冷水为用户提供热量。

[0065] 本发明利用低品位能源热泵机组将热量传递给沼气发生子系统2以产生沼气。在夏季时，沼气发生子系统2回收一部分用户热量以制取沼气，另一部分的用户热量则储存于土壤中待冬季时利用。在冬季时，沼气发生子系统2和用户从土壤中吸取热量，将冷量储存于土壤中待夏季使用。这样，即可达到蓄能热回收节能的作用。另外，本发明还集中利用了多种低品位能源，例如太阳能、空气能，使系统利用灵活，稳定可靠。

[0066] 沼气发电技术是集环保和节能于一体的能源综合利用新技术，它利用工业农业或城镇生活中的大量有机废弃物(例如酒糟液、禽畜粪、城市垃圾和污水等)，经过厌氧发酵处理产生沼气，变废弃物为有用物达到节能环保的目的。本发明利用沼气发电驱动热回收机组，为系统提供免费的驱动力。

[0067] 当然，以上是本发明的优选实施方式。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明基本原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。