在北方高寒地区,由于冬季漫长,气温和地温相对较低,如果不对沼气发酵系统进行加热增温,势必会出现沼气发酵周期长,产气率低,原料降解缓慢等问题,沼气发酵系统难以实现全年连续正常运行。如何解决沼气周年生产问题,最大限度降低沼气发酵系统加热能耗,确保沼气发酵系统正能输出,是沼气工程能否在北方高寒地区进行推广和普及的关键所在。为此,本文针对这一制约沼气发展的重点和难点问题,提出了利用地源热泵并增设辅助热源锅炉(燃煤和沼气两用)为沼气发酵系统加热增温的新思路,即利用地源热泵(或锅炉)加热循环系统中的循环水,再通过沼气反应器和发酵料液池中的加热盘管为发酵料液加热增温,使发酵温度维持在20℃以上,保证了沼气发酵系统全年的正常运行。本文首先对发酵料液的物性参数,包括料液的密度、粘度、比热容和导热系数等进行了系统的测定,为今后的沼气发酵加热增温系统设计计算提供了基础数据。其次,本文针对黑龙江省鸡西市兰岭乡700m~3的大型沼气发酵工程,详细计算出在冬季采暖温度下发酵系统正常进料的耗热负荷,反应器散热负荷、管道沿途散热损失及阻力损失、热源的供热负荷,确定了热源和循环水泵的型号,并设计出一套与沼气发酵系统相匹配的地源热泵加热增温系统。再次,本文利用基于力控软件的数据监测系统,对沼气发酵地源热泵加热增温系统进行了试验研究。通过对采暖期的试验数据分析,得出了地源热泵加热增温系统在正常工作条件下,可以保证沼气的发酵温度;得到了沼气反应器和整个发酵系统的供热能耗随大气温度的变化情况;计算出使沼气发酵系统达到正能输出的最低产气量。同时,对地源热泵加热增温系统的节能性进行了分析。最后,建立了沼气发酵反应器的传热模型,并通过试验验证了传热模型的可行性。同时,利用度日法对沼气发酵反应器全年正常运行的能耗进行了预测,预测结果与试验结果趋势基本一致。