基于地下水源热泵的寒区沼气工程加热模式的探讨

合理选择节能环保型沼气发酵料液加热增温的模式和设备,是北方高寒地区发展大中型沼气工程必须解决的问题。该文提出了利用地下水源热泵对沼气发酵系统进行加热的模式,通过沼气工程应用实例与现场测试,验证了地下水源热泵加热系统对保持沼气中温发酵系统稳定运行的作用;获得了热泵机组的平均能效比为4.39,加热系统平均能效比为2.71;热泵机组一次能源利用系数为1.27,高于燃煤锅炉直接供热方式近1倍。同时通过对加热系统在2010-09-29—2011-02-25供热期内的实时跟踪监测,获得系统的实际能耗为4.79×108kJ,与燃煤锅炉直接供热方式相比,可节约标准煤10.8t,节约标准煤44%,减少二氧化碳排放量25.9t。结果证明地下水源热泵加热系统应用于沼气工程中是可行的,具有高效节能,运行稳定可靠,环境效益显著等优点,可为热泵技术在寒区沼气工程中的应用提供参考。     

寒区沼气工程热能损耗分布规律及节能途径探讨

热能损耗是制约沼气工程在北方寒冷地区发展的瓶颈问题。全面系统分析沼气工程全年热能损耗,探寻其分布规律,是实现沼气工程节能降耗的基础和前提,也是全面科学评价沼气工程加热系统合理有效地利用能源,提高能源利用率的依据。沼气工程热能损耗主要包括工程新投入的发酵原料温升所需的耗热量和厌氧发酵反应器的传热耗热量2部分。该文以月为单位建立了沼气工程各项热能损耗的计算模型,并将模型应用到黑龙江省哈尔滨市一中温厌氧发酵的沼气工程中,获得了沼气工程全年各月热能损耗量。结果表明,在厌氧发酵反应器各月的总热能损耗中,厌氧发酵反应器围护结构的传热耗热量占总耗热量的比例约为70%～90%,厌氧发酵反应器节能的关键在于围护结构的节能,减小反应器的体形系数,增大围护结构导热热阻,可有效降低厌氧发酵反应器能耗;在各月沼气工程的总热能损耗中,发酵原料温升能耗占沼气工程总能耗的比例约为85%～95%,此项能耗是沼气工程加热系统能源消耗过程中的薄弱环节,回收沼气工程排出沼液中的余热,是实现沼气工程节能降耗的有效途径;通过对各月沼气工程产能与总热能损耗的对比分析,沼气工程热能损耗量占产能量的比例约为15%～37%,沼气工程在保证正常的中温厌氧发酵的情况下,产能量远大于热能损耗量,在北方寒冷地区实现沼气工程正能输出是可能的。该文研究结果可为今后全面科学合理评价沼气工程用能状况,减少用能过程的损失和浪费,实现沼气工程低能耗、高产能提供参考依据。     

植物工厂水蓄能型地下水源热泵供热系统节能运行特性研究

植物工厂供热系统中,采用传统能源存在一次能源利用率低且污染严重的问题。地下水源热泵节能环保,如果结合蓄能技术可进一步降低运行能耗。该文以上海崇明自然光植物工厂为例,对水蓄能型地下水源热泵供能系统进行节能运行特性研究。结果表明:水蓄能型地下水源热泵供能系统在冬季运行时,采用基于分时电价政策的间歇运行模式,即在电价低谷时,热泵机组边供热边蓄热;在电价高峰期,充分利用蓄热水箱供热。典型周内供能系统按照间歇模式运行可以维持室内温度17~26℃之间,系统稳定运行时,热泵机组制热功率与耗电功率的比值(coefficient of performance,COP)稳定在4.2左右。其中计算典型日水蓄能型地下水源热泵系统比不蓄能系统节省30.34%的费用,供能系统COP为3.17,进一步说明系统较为高效平稳。系统冬季运行一次能源利用系数0.99,相对于冷水机组与燃煤锅炉配套系统,节能率达到81.05%。计算不同能源冬季加热成本,燃煤、燃气和燃油方式分别是该系统运行成本的1.25、2.93和5.08倍。实践表明,水蓄能型地下水源热泵式供热系统不仅能够移峰填谷,降低运行费用,而且充分合理地利用地热能,节能减排,具有良好的经济和环保效益。     

主动蓄放热-热泵联合加温系统在日光温室的应用

为提高主动蓄放热系统集热效率,增强日光温室抵御低温能力,设计了一套主动蓄放热-热泵联合加温系统。白天运行主动蓄放热系统,将北墙获得的太阳辐射能储存到蓄水池中;根据天气情况及蓄水池水温变化适时开启热泵机组,降低主动蓄放热系统循环水温,进而提升其集热效率;夜间室内气温较低时,通过主动蓄放热系统放热。试验结果表明：与对照温室相比,试验温室夜间气温高出5.26～6.64℃;热泵机组制热性能系数COPHp为4.38～5.17,主动蓄放热系统可为热泵机组热源提供充足的热量,保证理想的热源温度;在日光温室特定的光热环境下,主动蓄放热-热泵联合加温系统的集热效率达到了72.32%～83.62%,总体COPSys值达5.59,节能效果显著。该研究为提高日光温室夜间温度提供了新思路。     

地下水源热泵系统热平衡模拟三维数值模型

为了准确模拟预测地下水源热泵系统运行期间的热平衡变化规律特征,避免未来地下水源热泵系统运行期间出现的热贯通现象。以河北省水勘院正定基地地下水源热泵系统示范工程为例,建立了地下水渗流与热量运移三维耦合数值模型,并结合地下水源热泵系统的设计运行方案,预测分析了不同条件下未来地下水源热泵系统的热平衡发展趋势。结果表明,该示范工程按设计方案运行,抽、灌井之间存在热贯通现象。地下水源热泵系统通过增大温差的方法进行调节,可有效地缓解热贯通现象。     

太阳能辅助闭式热源塔热泵系统冬季制热性能

热源塔热泵系统以空气为冷热源,在冬季制热时其性能会随环境温度的降低而降低。为此研发了可应用陕南地区农村建筑的太阳能辅助闭式热源塔热泵系统,试验研究了冬季工况下系统的制热性能,初步分析了太阳热能与空气热能的互补机理。研究结果表明:系统制热量范围为12.1～15.2 k W,热泵机组性能系数范围为2.3～3.5,系统能效比范围为1.5～2.4,供热温度高于41℃;冷却水温度对压缩机耗电量的影响程度大于防冻溶液温度,冷却水平均温度每升高1℃,压缩要耗电量增加98.1 W,而防冻溶液平均温度每升高1℃,压缩机耗电量减小9.5 W;太阳能辅助热源塔热泵制热模式下,热泵机组通过改变防冻溶液与空气和集热工质换热温差的方法来改变防冻溶液从空气和集热水箱中的吸热量,以实现空气热能与太阳热能的互补。建议在实际应用中应避免供热温度过高以减小压缩机耗电;在集热水箱温度较高时通过降低风机频率减小风机耗电以提高系统综合能效,但应避免风机低频率工作可能给机组安全运行带来的隐患。     

寒区低能耗厌氧发酵反应器热工性能参数研究

厌氧发酵反应器是沼气工程中的核心装置,研究寒区低能耗厌氧发酵反应器,不仅有助于降低沼气工程的能量损耗,提高耗能与产能的产出比,而且对大中型沼气工程在北方寒冷地区的推广与应用尤为重要。低能耗厌氧发酵反应器围绕的核心问题就是在保证反应器厌氧发酵功能的前提下,能的"量"和"质"合理有效利用程度。该文以建筑于地上全混合式厌氧发酵反应器为研究对象,采用能量分析和?分析方法,从反应器的体形、围护结构保温性能以及低?供热方式等方面对寒区低能耗厌氧发酵反应器节能特性进行了分析和研究,得到了低能耗厌氧发酵反应器最佳体形为高径比为1∶2的圆柱形;提出了哈尔滨、沈阳、北京地区在冬季室外计算温度下不同规模节能型反应器顶部、侧壁围护结构导热热阻的阈值;中温厌氧发酵反应器低?热水供热系统进出口温度分别为45和38 ℃,供热系统?效率为86%,反应器供能与用能间能级差为0.018,表明能级匹配合理,用能效率较高。该研究结论可为今后寒区低能耗厌氧发酵反应器的节能设计提供参考依据。     

大中型沼气工程不同加热方式的经济效益分析

为解决大中型沼气工程的加热升温问题,该文以一个猪场废水处理沼气工程为例,对沼气锅炉、太阳能和沼气发电余热利用3种加热方式进行了经济效益分析。结果表明：沼气锅炉加热、太阳能加热和沼气发电余热利用加热3种方式的投资比为2︰11.2︰1,沼气发电余热利用加热方式的费用年值仅为沼气锅炉加热和太阳能加热方式的60%和12%;沼气发电余热利用加热方式无论从经济效益、技术性能,还是适应性、运行持久性等方面都明显优于太阳能加热和沼气锅炉加热。因此,基于中国的自然经济状况,大部分大中型沼气工程应优先选择沼气发电余热利用加热方式。     

蓄能材料对内插热管式太阳能热泵系统冬季性能的影响

为充分利用太阳能,提高太阳能热泵系统能效比,该研究提出了一种蓄能型内插热管式太阳能热泵系统,可实现太阳能分季节最大化利用。搭建了系统性能试验台,在南京地区开展了2 a的试验研究,对比分析了相近环境条件下充灌或未充灌相变材料的系统瞬时集热效率、平均集热效率、系统性能系数和供水水温等随太阳辐射波动性的变化规律。结果表明在与冬季白天相近的太阳辐射强度、太阳辐射波动性和环境温度下,充灌相变材料系统的瞬时集热效率波动性比未充灌的系统降低近60%,平均集热效率较未充灌的系统提高25%以上。夜间工况下,充灌相变材料系统的COP(coefficient of performance)可达3.0以上,且能更快达到供热水温50℃,时间缩短20%以上。研究结果可为太阳能热泵系统的推广应用提供参考。     

低温环境下热泵热风干燥藏药性能试验

为提升低温环境下藏药干燥特性,该研究提出回热、喷焓热泵干燥系统模式,并通过试验探究所设计系统持续运行的稳定性及能效特性,获取低温条件不同方式载物模式下热泵连续运行的特性及变化规律。研究结论如下：在冬季高原严寒大温差（30 ℃）下,回热型热泵系统换热器换热效率平均为13.58%。喷气增焓热泵系统（?13.39～16.69 ℃）最低制热系数COP（Coefficient of Performance, COP）比普通涡旋热泵系统（?11.4～18.3 ℃）提升了51.5%,COP平均提高16.9%,有效提高了低温下系统制热能效。物料摆放方式以及铺料厚度对干燥效果影响显著,当装载量为100%,码放高度20 cm时,物料成品表皮色泽金亮,干燥度均匀,单位能耗除湿量SMER（Specific Moisture Extraction Rate,SMER）大。与传统方式相比,对同等数量的物料,热泵干燥耗时仅为传统阴干方式的1/9,且成本降低1 160元/t,同时避免了环境的二次污染。研究结果表明回热、喷焓型热泵系统能满足低温工况下藏药材干燥所需的能量供给且能够稳定运行。     

太阳能加温和沼液回用沼气工程的生态效益评价

为综合评价新型生态清洁技术应用下的规模沼气工程的综合生态效益,该文以北京市顺义区D沼气工程(同时应用沼液循环回用技术和太阳能-地源热泵增温保温技术)为研究对象,利用能量系统图和能值评价体系,从经济效益、环境效益和可持续性3个方面对该系统进行了综合性能值分析,分析了沼液循环回用和太阳能-地源热泵增温保温清洁技术的应用对规模化沼气工程生态经济效益的影响。结果表明:太阳能-地源热泵增温保温技术在规模化沼气工程中的使用,不可再生购买资源投入减少8.80%,系统可持续性提升18.75%,有效替代了化石能源的使用,生态经济效益明显。同时,沼液循环回用技术的应用,可使地下水投入减少65%,在沼气工程周边土地无法充分消纳该沼气工程产生沼液的条件下,可节省1.77E+05美元/a的农田消纳后的剩余沼液排污处理费,环境负荷率减小68.52%,能值可持续指标由0.03增为0.38,系统自我维持能力提升。因此,沼液循环回用和太阳能-地源热泵技术的应用对该沼气工程系统的经济、环境和生态效益有很大改善作用。     

基于㶲分析法的粮食逆流干燥系统能效评价与试验

为客观、合理地评价粮食逆流干燥系统的能效,实现粮食高效节能干燥,该文基于?分析法,从气流状态变化考察逆流连续式干燥工艺系统的能量利用程度。结果表明:在试验条件下,干燥机内各干燥段能量利用效果较好。在高温和低温干燥段,排气和干燥室热损失率最高分别不超过6.68%、11.09%和21.26%、9.37%,热效率和?效率不低于83.02%、68.1%和69.37%、56.22%;在冷却段,由于粮温比风温高,风对稻谷有明显的降温去水作用。而系统的平均热效率和?效率为80.24%和64.52%,表明系统能量匹配效果较好,稻谷的平均单位热耗量为2 944.6 k J/kg,与国标≤7 400 k J/kg相比,节能达到60.2%,节能效果明显。研究结果为干燥工艺设计、探索节能的途径和制定粮食干燥系统能效评价标准提供参考。     

车用生物燃气工程范例余热定量评估及可利用性分析

针对车用生物燃气工程能耗高、余热利用率低的问题,该文以国内4个典型工程为基础,构建了产气规模为1万m3/d的示例工程,并对其进行余热分析.分析结果显示,此类工程用能量大,占总产能的30.01%~36.44%;余热利用率低,只有部分贫液余热得以回收;系统余热主要由脱碳塔顶气余热、脱碳贫液余热、压缩机余热、沼液余热和锅炉尾气余热5部分组成,其多为低品位余热、量大稳定.余热计算表明,在最冷月和最热月系统余热潜力分别为5.87×104、4.79×104MJ/d,最大节能潜力分别为74.81%和73.92%,节能潜力降序排列为沼液余热>贫液余热>塔顶气余热>压缩机余热>锅炉余热.余热可利用性分析认为工程余热可利用性较高,回收价值较大.     

粮食干燥传递和转换特征及其理论表达

干燥是不同物系间多场协同作用的复合系统,期间发生的?传递和转换特征尚未揭示,工程应用存在不同场间的耦合关系及其作用效果定量表达的理论空缺。为此,该文基于?分析法,解析粮食与干燥介质间的?传递和转换特征,给出热?、流动?,扩散?及其?效率定量评价理论表达式,基于焓-含湿量状态参数图,分析干燥系统状态参数间的内在联系及相互制约关系。研究结果表明,干燥是热?、扩散?和流动?同时作用的结果,热?是水分汽化必须的有用能;扩散?源于粮食中多余的水分,扩散?效率取决于水蒸气的状态,在扩散过程中,温度场和压力场同时存在,温度梯度与水蒸汽压差方向相反时,强化?效率,一致时则弱化?效率;流动?维持了热?和扩散?传递所需的势差,没有流动?的存在和消耗,热?和湿?的传递则不能有效进行;在通风干燥系统中,含湿粮食和干燥介质是两种不同物系,两种物系之间存在的不平衡势是干燥?传递和转换的动力;干燥可以归结为含湿粮食趋向系统介质状态点的?传递和转换的过程;指出了?及?效率都是状态函数,在工程应用时,引入时间坐标,依据环境状态参数和粮食在特定系统中的状态变化特性,可以揭示出?流密度及其?效率变化特征,进而对其能量利用效果做出评价;通过系统的?理论表达及其?效率分析,可以清晰地呈现干燥系统最大?损部位及环节,为评价干燥系统能量利用水平提供了科学的依据,为干燥工艺系统优化指明了能量合理利用的技术途径。     

温室主动蓄放热-热泵联合加温系统热力学分析

主动蓄放热-热泵联合加温系统加温和节能效果显著,在温室加温领域应用前景广阔,但系统技术参数及工艺仍有待优化。该文通过对系统进行能量平衡和可用能(Exergy)分析,得出系统及各组件的性能系数、可用能损失、损失比和可用能效率,以此为依据对系统进行性能评价和优化。试验结果表明:系统平均1 d中集热和保温阶段可用能损失总量为9.77×104 kJ,可用能效率为48.7%;可用能损失最大、可用能效率最低的组件是主动蓄放热装置,其次是热泵装置、循环水泵和蓄热水箱,其可用能损失比分别为78.7%、8.3%、7.7%、5.3%,可用能效率分别为25.6%、38.3%、75.0%、88.2%。就整个系统而言,最需要进行技术优化的是主动蓄放热装置与热泵装置,可用能损失主要由有限温差传热引起,降低传热温差、减少有限温差传热过程以及改进生产工艺是优化的重点。试验期间系统的集热效率为89.0%~100.5%,热泵装置制热性能系数(coefficient of performance,COPHp)达5.48~6.08,性能远远高于传统太阳能热水系统以及水、地源热泵。该研究为温室加温系统性能评价和优化设计提供思路。     

太阳能-地源热泵联合供能系统研究现状

近年来,作为可再生能源领域中一种新型的热泵组合形式,太阳能-地源热泵系统得到了广泛应用。通过总结归纳出国内外太阳能-地源热泵式供能系统在建筑、温室及沼气工程等领域的研究现状;特别对该系统应用于大中型沼气工程,在微生物适应性、热负荷及经济环保方面进行了比较分析和阐述,并指出其应用前景。     

蓄能型地源热泵式植物工厂供能系统节能运行调控

蓄能型地源热泵式植物工厂供能系统虽然避免了传统化石能源供能所存在的一次能源利用率低且污染严重的问题,但目前缺乏长期运行经验。以上海崇明自然光植物工厂为例,对蓄能型地下水源热泵供能系统进行节能运行优化调控。研究发现该系统存在3种不合理运行情况:A.植物工厂热负荷为负值时热泵仍继续供热、B.热泵向蓄热水箱输出过多热量蓄热、C.热泵在用电高峰时仍运行。经过优化调控后,避免A运行情况,第1季度热泵最终可减少输出能量21.55 GJ,可减少耗电1 012.50 kWh,折合成电价可节约747元;避免B运行情况,设定第1季度热水充满率上限为85%,在保证热泵充分供能植物工厂前提下,可减少输出97.2GJ能量;避免C运行情况,热泵总输出能量不变,将第1季度中热泵140.25 GJ的热量转移到平价阶段输出,可以节约5 530元,此时电量总计8 654.07 kWh。通过优化自然光植物工厂供能系统运行过程,可以节能降耗,经济运行。