(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210677156.8 (22)申请日 2022.06.16 (71)申请人 同济大学 地址 200433 上海市杨 浦区四平路1239号 (72)发明人 苏醒　邵小露　 (74)专利代理 机构 北京汇捷知识产权代理事务 所(普通合伙) 11531 专利代理师 李俊华 (51)Int.Cl. G06F 30/13(2020.01) G06F 30/28(2020.01) G06Q 10/04(2012.01) C12P 5/02(2006.01) G06F 113/08(2020.01) G06F 119/08(2020.01)G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 基于产气性能预测的沼气发酵系统设计方 法与运行 策略 (57)摘要 本发明公开一种基于产气性能预测的沼气 发酵系统设计方法与运行策略， 涉及沼气电系统 技术领域。 本发 明公开的基于产气性能预测的沼 气发酵系统设计方法包括产气性能预测模型的 构建， 其基于沼气传热模型与沼气产气模型的耦 合， 将沼气产气系统的装置性能参数与室外环境 参数的测量， 构建沼气传热模型， 同时结合系统 运行计划， 构建沼气发酵产气模型； 运行策略包 括了对保温的控制、 进料的控制等。 本发明基于 产气性能预测提出了一种设计方法与运行策略， 基于产气性能预测模型合理设计沼气系统规模， 以达到降低成本的左右， 通过对保温， 进料和储 气罐等进行合理控制， 以达到在不利条件下， 仍 然能够实现稳定供气目的。 权利要求书2页 说明书7页 附图4页 CN 115168941 A 2022.10.11 CN 115168941 A 1.一种基于产气性能预测的沼气发酵系统设计方法， 其特征在于， 包括构建产气性能 预测模型， 所述产气性能预测模型 是基于沼气传热模型与沼气产气模型耦合而构建的。 2.根据权利要求1所述的产气性 能预测的沼气发酵系统设计方法， 其特征在于， 所述沼 气传热模型的构建方法为： S1、 对沼气产气系统的物理模型参数进行测量与调研； S2、 对室外气温和太阳辐射的气象参数， 以及进料温度进行监测； S3、 基于沼气产气系统的物理模型参数与室外气象参数达到动态热平衡， 得到逐时发 酵温度。 3.根据权利要求2所述的基于产气性 能预测的沼气发酵系统设计方法， 其特征在于， 所 述物理模 型参数包括温室尺寸、 发酵罐尺寸及传热系数、 地面尺寸及传热系数、 外墙尺寸及 传热系数、 薄膜 尺寸及传热系数、 保温材 料尺寸和保温材 料传热系数。 4.根据权利要求3所述的基于产气性 能预测的沼气发酵系统设计方法， 其特征在于， 所 述步骤S3中的动态热平衡包括以下 过程： S301、 土壤动态热平衡过程： 外侧土壤的动态热平衡方程如下式(1)所示： 上式中， ρt为土壤密度， kg/m3； Vyt为计算的外侧土壤体积， m3； Ct为土壤比热容， J/(kg · K)； Tyd为外侧土壤温度， ℃； τ为时间， s； Qrt为外侧土壤吸收的太阳辐射热量， W； Qtyd为外侧 土壤导热量， W； Qyd为空气与外侧土壤之间的传热量， W； 由于中间土壤和内部土壤没有辐射热增益， 故中间土壤和内部土壤的动态热平衡方程 如下式(2)和(3)所示： 上式中， Vzt为计算的内部土壤体积， m3； Vnt为计算的中间土壤体积， m3； Tzd为中间土壤 温 度， ℃； Tnd为内部土壤温度， ℃； Qtzd为中间土壤导热量， W； Qtnd为内部土壤导热量， W； Qzl为发 酵料液与中间土壤的传热量， W； Qnd为空气与内部土壤之间 的传热量， W。 其中Qtzd和Qtnd的计 算参照Qtyd的计算， Qyd、 Qzl和Qnd可按照标准 ISO 13370进行计算； S302、 温室空气动态热平衡过程： 温室室内空气的动态热平衡方程如下式(4)所示： 上式中， ρa为温室室内空气密度， kg/m3； Va为温室内空气总容积， m3； Ca为温室内空气比 热容， J/(kg ·K))； Ta为温室室内空气温度， ℃； ra为被温室空气吸收的太阳辐射比例； Qr为 温室获得的太阳辐射热量， W； Qh为室内空气与后坡传热量， W； Qwi为温室室内空气与室外空权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115168941 A 2气通过外墙的传热量， W； Qm为温室内空气通过薄膜与室外空气之间的传热量， W； Ql为室内空 气与发酵 料液之间的传热量， W； S303、 发酵料液动态热平衡过程： 发酵料液动态热平衡方程如下式(5)所示： 上式中， ρl为发酵料液密度， kg/m3； Vl为发酵料液体积， m3； Cl为发酵料液的比热容， J/ (kg·K)； B为进料控制系数， 发酵罐正在进料时为1， 没有进料时为0； 进料体积流量， m3/ s； Tj为进料温度， ℃； rl为发酵料液吸收太阳辐射的比例； Qrl为发酵料液收集的太阳辐射 能， W。 5.根据权利要求1所述的基于产气性 能预测的沼气发酵系统设计方法， 其特征在于， 所 述沼气产气模型 的构建方法为： 根据发酵产气要素来进行实时产气预测， 并采用产气动力 学模型进行计算。 6.根据权利要求5所述的基于产气性 能预测的沼气发酵系统设计方法， 其特征在于， 所 述产气动力学模型为C hen‑Hashimoto模型。 7.根据权利要求5所述的基于产气性 能预测的沼气发酵系统设计方法， 其特征在于， 所 述发酵产气要素为发酵原料种类、 发酵原料浓度、 投料 策略、 水力停留时间和发酵温度。 8.一种基于产气性能预测的沼气发酵系统运行策略， 其特征在于， 所述运行策略以是 否满足用气需求与系统成本最低为 运行判断， 即系统成本最低时， 运行 方案最优。 9.根据权利要求8所述的基于产气性 能预测的沼气发酵系统运行策略， 其特征在于， 所 述运行策略的调整方法具体包括以下步骤： P1、 构建沼气传热模型和沼气产气模型， 然后将沼气传热模型与沼气产气模型耦合构 建产气性能预测模型， 并依据 产气性能预测模型进行 逐时产气预测； P2、 当逐时产气预测过程中， 满足逐时用气需求时， 则评估系统成本是否最低， 当系统 成本最低时， 该运行方案最优； 当系统成本不是最低时， 则需要优化沼气发酵系统设计方法 以及沼气产气运行 方案， 以达 到系统成本最低； P3、 当逐时产气预测过程中， 不满足逐时用气需求时， 则优化沼气产气运行方案， 优化 后再次对于是否满足逐时用气 需求进行判断， 若不满足逐时用气 需求， 则需要继续优化沼 气发酵系统设计方法以及沼气产气运行方案， 以达到满足逐时用气 需求为止； 若满足逐时 用气需求， 则评估系统成本是否最低， 当系统成本最低时， 该运行方案最优； 当系统成本不 是最低时， 则需要优化沼气发酵系统设计方法以及沼气产气运行方案， 以达到系统成本最 低。 10.根据权利要求8所述的基于产气性能预测的沼气发酵系统运行策略， 其特征在于， 所述沼气产气运行方案的优化包括进料时间、 保温被控制、 进料余热利用以及水力停留时 间优化。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115168941 A 3