CN103836841A - 一种城镇原生污水冷热量的回收利用装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种城镇原生污水冷热量的回收利用装置，包括套管式管段、中介水系统、热泵机组和末端循环系统；所述套管式管段包括外管和内管，在内外管之间设置有螺旋状翅片，在套管式管段两端分别设置有传热介质进水管和传热介质出水管；中介水系统的输送管线依次联接套管式管段上的传热介质出水管、中介水系统的输送泵、热泵机组和传热介质进水管；末端循环系统的循环管道依次联接热泵机组、循环泵和末端供冷供热设备。本发明的积极效果是：无阻塞、无污染、无（主动式）清污维护过程，能适应原生污水来水量自然变化的高效、稳定回收城镇原生污水冷热量的换热应用。

Description

一种城镇原生污水冷热量的回收利用装置

技术领域

本发明涉及一种回收城镇原生污水冷热量并将其作为热泵冷热源的回收利用装置。

背景技术

利用各种清洁的可再生能源作为热泵冷热源为建筑物制冷、供暖和加热生活热水等具有重要的节能减排意义。城镇原生污水是一种尚未大规模开发和利用的优良低位热源，具有水温波动小、数量巨大、生成量稳定等特点。城镇原生污水的夏季温度低于室外环境温度，冬季温度则高于室外环境温度，在整个制冷季和供暖季，水温波动不大，水中蕴藏着大量低温热能。城镇污水生成量大，而且随着我国城镇化发展，其水量将越来越大。

污水源热泵系统本身不存在像地埋管地源热泵受地质条件限制，地下水源热泵受地下水水量和水资源保护限制，空气源热泵在热带地区室外环境温度很高或寒冷地区室外环境温度很低时运行效率低甚至无法运行以及冬季除霜等局限性。因此，城镇原生污水较其他冷热源具有明显优势和广阔的发展前景与综合效益。

自发展、推广可再生能源建筑应用技术以来，城镇原生污水的利用一直备受重视。然而到目前为止，污水源热泵技术未能大规模推广应用，主要原因是城镇原生污水水质很差。比如，城镇生活污水常含有较高的有机物（如淀粉、蛋白质、油脂等），大量柔性纤维状杂物与发丝、柔性漂浮物和微尺度悬浮物；而工业污水水质也各不相同，一般来讲，工业污水中含有金属及无机化合物、油类、有机污染物等成分，同时工业污水的pH值往往偏离7，具有一定酸碱度。正是因为污水的这些特殊性导致污水源热泵在应用过程中出现下列问题。

1.污水流经管道和换热设备时，由于污水中小尺度污染物浓度高，极易在换热表面沉积形成污垢、黏性污泥层或贴附形成生物膜、油膜等。而漂浮物和悬浮物等堵塞管道和设备入口，其最终会阻塞污水的流动，同时由于传热热阻的增加而恶化换热过程。

2.污水常引起管道和设备腐蚀，尤其是污水中的硫化氢易使管道和设备腐蚀生锈。

3.由于污水流动阻塞使换热设备流动阻力不断增大，引起流经换热设备污水量的不断减少，同时传热热阻的不断增大，又引起传热系数的不断减小，因此污水源热泵运行稳定性比其他水源热泵差，其制冷量和供热量随运行时间延长而衰减的速率越来越快。

4.由于污水的流动阻塞和换热量的衰减，使得污水源热泵的运行维护频繁。

因此，要推广应用该技术，必须开发出一套既高效适用又能长期稳定运行的应用方法。

中国专利CN1687677A公开了一种“城市原生污水冷热源直流输送换热应用方法”，该方法适用于城市污水干渠中污水的余热回收利用，其工作原理为：污水泵将污水从城市污水干渠输送至热泵机组附近并返回时，利用直流输送管线兼作污水换热系统，污水通过输送管壁将冷热量传递给管外环间流动的热载体后返回污水干渠下游，热载体将冷热量经热载体管线和热载泵传递给热泵机组后经过热载体管线返回直流输送管线的内外管间环状空间。为了减少原生污水进入直流输送管线可能发生阻塞，并保证污水进入管线水量，该方法要求输送管线内管直径至少为50mm，管内流速至少为0.5m/s。但由于原生污水水质的影响，若将该方法用于回收提取城市原生污水中的冷热量，在换热过程中，并不能避免直流输送管线和污水泵等设备的结垢、腐蚀与污染甚至阻塞以及其所导致换热量衰减等问题。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点，本发明提供了一种无阻塞、无污染、无（主动式）清污维护过程的城镇原生污水冷热量的回收利用装置，能适应原生污水来水量自然变化的高效、稳定回收城镇原生污水冷热量的换热应用。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种城镇原生污水冷热量的回收利用装置，包括套管式管段、中介水系统、热泵机组和末端循环系统；所述套管式管段包括外管和内管，在内外管之间设置有螺旋状翅片，在套管式管段两端分别设置有传热介质进水管和传热介质出水管；中介水系统的输送管线依次联接套管式管段上的传热介质出水管、中介水系统的输送泵、热泵机组和传热介质进水管；末端循环系统的循环管道依次联接热泵机组、循环泵和末端供冷供热设备。

与现有技术相比，本发明的积极效果是：城镇原生污水在城镇污水管网流动过程中，作为污水管网组成部分的套管式管段兼作为污水换热器，污水始终保持在污水管网中流动，不进入其他管道和设备。原生污水通过套管式管段的内管管壁将冷热量传递给内外管间流动的传热介质（中介水），传热介质在内外管间收集原生污水冷热量后，进入热泵机组的冷凝器或蒸发器，将冷热量传递给热泵机组后返回套管式管段的内外管间。

进一步地，本发明的城镇原生污水冷热量的回收利用装置依据流经套管式管段污水水量变化，调节管段内外管间中的传热介质流动速度，从而控制与污水换热的传热介质流量。

使用者在应用本发明时，利用污水管网中的套管式管段作为污水换热系统，省去了污水换热管道、污水泵等设备，系统初投资低，工艺简单，易于安装，运行稳定。本发明的城镇原生污水冷热量的回收利用装置其换热设备（套管式管段）是污水管网的组成部分，其管段内管内径与邻近非套管式管段内径相同，保证了无大尺寸污物阻塞过流断面的问题，管内壁由于受到污水自然流动的冲刷和清洗，污染极其有限，同时也省去了主动式清污维护过程。同时，用户可根据实际需要，将多段套管式管段联接起来，使其联合运行。本发明的城镇原生污水冷热量的回收利用装置根据流经套管式管段污水水量变化，通过调节传热介质流动速度，控制与污水换热的传热介质流量，同时在热泵机组用户侧可设置蓄冷（热）系统，在最大限度回收城镇原生污水冷热量供用户使用的同时，将一时富余的冷（热）量蓄存起来，做到移峰填谷。另外，本发明的城镇原生污水冷热量的回收利用装置还可与太阳能、生物质能、其他类型浅层地热能及工业余热、废热系统等联合运行，相互补充。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本发明的用于回收城镇原生污水冷冷热量的套管式管段结构示意图；

图2是套管式管段布水器结构示意图；

图3是套管式管段串联搭接方式示意图；

图4是本发明装置的结构示意图；

图5是具有蓄冷（热）功能的本发明装置的结构示意图；

图6是多管段串联的本发明装置的结构示意图；

图7是多热源联合换热的本发明装置的结构示意图。

具体实施方式

一种城镇原生污水冷热量的回收利用装置，如图4所示，包括套管式管段、中介水系统（包括输送管线13和输送泵14）、热泵机组15和末端循环系统（包括循环管道16、循环泵17和末端供冷（热）设备18）四部分。

其中：套管式管段同时具备换热与输送的功能，结构如图1所示，包括：外管1、螺旋状翅片2、内管3、传热介质进水管4、布水器5、布水口6、集水器7、传热介质出水管8、联接插口9和联接承口10组成。城镇原生污水在套管式管段内管3内由上游（联接承口10的方向）流向下游（联接插口9的方向），传热介质从其进水管4进入环状布水器5进行分流，通过布水口6进入由外管1、螺旋状翅片2和内管3组成的螺旋状流道，传热介质经此流道向集水器7方向流动。城镇原生污水与传热介质流动方向相反，两者通过内管3管壁逆流换热。传热介质完成换热从套管式管段另一端经过集水器7（结构同布水器5）收集通过传热介质出水管8送出。

布水器的具体结构如图2所示，由于传热介质受到重力的作用，位于下部的布水口传热介质压强较高，上部压强较低，各布水口可以采用不同开口大小等方法使流入各螺旋状流道的传热介质量均匀。

套管式管段之间串联（或与普通污水管联接）采用如图3所示承插式搭接方法。安装方法同普通混凝土污水管道一样，将第二段管段（图中左侧管段）的联接插口9插入第一段管段（图中右侧管段）的联接承口10内，对位后先用嵌缝材料嵌缝，然后用密封材料密封，使之成为一个牢固的封闭的联接。对于套管式管段之间串联的情况，传热介质从第一段套管式管段的传热介质出水管8流出，通过联接管线11经传热介质进水管4进入第二段套管式管段内进行换热。

套管式管段内外管间采用螺旋状翅片2的优点如下：污水管网埋设于地下空间，通过螺旋状翅片可以起到支撑作用，维持内外管相对位置，均匀布置的翅片可使内外管间受力均匀；螺旋状翅片增加污水与传热介质的换热面积，增强换热效果；螺旋状翅片将传热介质分隔成多束，避免传热介质长期积存于环状空间底部，造成热短路。

本发明的工作原理是：原生污水12在城镇污水管网中流动时，利用作为污水管网组成部分的套管式管段兼作污水换热器，污水在管段内管3内流动，不进入其他管道或设备中，通过内管3管壁将冷热量传给内外管间螺旋状空间内流动的传热介质后继续流向下游。传热介质经中介水系统中的输送管线13和输送泵14将冷热量传递给热泵机组15后经输送管线13送回套管式管段。热泵机组15的蒸发器、冷凝器对冷热量进行传输与转换，冷热量经末端循环系统的循环管道16和循环泵17的输送，并通过末端供冷（热）设备18传递给冷热用户。为了实现大温差换热，降低传热介质流速，减少中介水系统的能源消耗，污水与传热介质在换热时可根据实际需要，部分或完全采用逆流换热。

上面描述了本发明的城镇原生污水冷热量的回收利用装置的最基本的实现方式，但是并不构成对本发明的限制，例如，只要是能够保证或增强污水与传热介质换热量和换热速率的方式，都是可行的。为了有效保证并增强污水与传热介质换热效果，本发明还进行了如下改进。

改进一：

根据蓄冷（热）装置设置方式不同，可分为与末端循环系统并联和串联两种。以串联为例，如图5所示。本实施方式中城镇原生污水流经套管式管段进行换热，并通过中介水系统将载有冷热量的换热介质送达热泵机组15内进行冷热量的传输与转换，上述工作过程与图4所示相同。之后，冷热量经蓄冷（热）传输系统（包括传输管道19和传输泵20）输送至蓄冷（热）装置21内储存，末端用户所需冷（热）量从蓄冷（热）装置21中提取，经末端循环系统将冷（热）量输送至末端供冷（热）设备18，将冷热量传递给冷热用户。

改进二：

当一个套管式管段换热量不够时，可根据实际需要将两段或两段以上管段联合运行进行换热。如图6所示为两段套管式管段串联运行（搭接方式见图3）。传热介质由第一段管段（图中下侧管段）的传热介质进水管4进入螺旋状流道，与污水完成换热后由传热介质出水管8排出，经过联接管线11，从第二管段（图中上侧管段）传热介质进水管口4进入并进行换热，最后由传热介质出水管8排出，并经中介水系统输送至热泵机组15。其余工作过程与图4所示相同。

改进三：

本实施方式为多热源并联运行实施，包括城镇原生污水源、太阳能、生物质能、其他类型浅层地热能及工业余热、废热等联合。如图7所示，为污水源与太阳能联合运行。传热介质经中介水系统分流输送至套管式管段和太阳能集热器22进行换热。两部分换热量的匹配由传热介质分流量决定。换热后的传热介质合流或分别进入热泵机组15。其余工作过程与图4所示相同。

Claims (7)

1.一种城镇原生污水冷热量的回收利用装置，其特征在于：包括套管式管段、中介水系统、热泵机组和末端循环系统；所述套管式管段包括外管和内管，在内外管之间设置有螺旋状翅片，在套管式管段两端分别设置有传热介质进水管和传热介质出水管；中介水系统的输送管线依次联接套管式管段上的传热介质出水管、中介水系统的输送泵、热泵机组和传热介质进水管；末端循环系统的循环管道依次联接热泵机组、循环泵和末端供冷供热设备。

2.根据权利要求1所述的一种城镇原生污水冷热量的回收利用装置，其特征在于：所述热泵机组通过传输管道依次与传输泵、蓄冷蓄热装置联接。

3.根据权利要求2所述的一种城镇原生污水冷热量的回收利用装置，其特征在于：所述蓄冷蓄热装置与末端供冷供热设备并联或串联。

4.根据权利要求1所述的一种城镇原生污水冷热量的回收利用装置，其特征在于：所述套管式管段至少由两段通过承插口搭接方式串联。

5.根据权利要求1所述的一种城镇原生污水冷热量的回收利用装置，其特征在于：还设置有多热源换热集热器与所述中介水系统并联，所述多热源换热集热器的热源包括城镇原生污水源、太阳能、生物质能、浅层地热能及工业余热废热。

6.根据权利要求1所述的一种城镇原生污水冷热量的回收利用装置，其特征在于：所述套管式管段的传热介质进水管设置在布水器上，所述套管式管段的传热介质出水管设置在集水器上，在布水器和集水器上分别设置有布水口和集水口。

7.根据权利要求6所述的一种城镇原生污水冷热量的回收利用装置，其特征在于：各布水口的开口大小根据各自所承受的压强大小而设置，以确保流入各螺旋状翅片间的流道内的传热介质量均匀。

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