一种利用污水中低品位热的节能低碳型污水源热泵系统的制作方法

1.本发明涉及污水处理及能源再利用领域，尤其涉及一种节能低碳型污水源热泵系统的系统。


背景技术：

2.水源热泵技术的原理是通过输入少量电能，将水源中含有的低品位热能资源转化为可利用的高品位热能。这种方式最符合热源温度匹配、能源梯级利用、节能低碳的原则，目前水源热泵供暖已成为世界各国能源开发的研究重点。
3.与其它能源相比，污水处理厂处理的城市污水是不可多得的热泵冷、热源。它的水质、温度一年四季相对稳定，出水量大，常年温度在10～25℃，冬季在严寒地区也有10～18℃以上(例如哈尔滨在10℃左右)，是丰富的热源；夏季20～25℃是空调废热理想的排放处。而污水源热泵技术能充分利用城市污水低品位热能，污水源热泵技术是从技术较成熟的地温水源热泵技术上演变而来，是以城市污水作为提取和储存能量的冷热源，借助污水源热泵压缩机系统，消耗少量的电能，把存于污水中的低位热能提取出来为用户供热，还可以把室内的热量提取出来，释放到污水中，从而降低室温，达到制冷的效果。
4.目前常用的污水源热泵系统较为复杂，早期为了换热方便和换取更多温差，都是直接在污水汇集站点进行换热，但未经处理的污水杂物较多，需要较好的格栅、沉砂、过滤等预处理措施，以隔离污染物，避免对热泵系统造成污堵；后来随着发展需要在污水处理后再进行换热，为污水厂或周边进行供热制冷，这种换热水源明显洁净很多，但是依然需要过滤等预处理系统。无论是未经处理，还是合适处理后污水的换热，都是间接换热的，主要是为了避免对污水源热泵系统造成污堵、腐蚀等。但这种间接换热的热量散失较大，换热效率并不高。同时，间接换热增加了一级提升泵和预处理设备，也增加了系统整体的能耗和造价。
5.除此之外，发明人发现在实际应用中，现有的污水源热泵至少还存在如下问题：
6.(1)受可利用水源条件限制的问题。
7.污水源热泵系统需要有满足一定条件的水质、温度、水量可以利用的污水资源，所以在实际工程中，能否寻找到合适的水源就成为使用污水源热泵的限制条件。
8.(2)堵塞、污染、腐蚀等问题。
9.由于污水中含有较多的杂质且其成分很不确定，因此对于污水源热泵系统材质的选择是一个非常关键的因素，目前往往不使用污水直接进入热泵内部工作，而是先经过污水换热器进行换热后由热泵进行做功，间接供热，提供热量的过程。
10.(3)预处理设施。
11.由于污水中含有较多的杂质且其成分很不确定，如何通过预处理设施来减少污染物是需要解决的问题。
12.有鉴于此，特提出本发明。


技术实现要素：

13.本发明的目的是提供了一种利用污水中低品位热的节能低碳型污水源热泵系统，能充分提取污水中的低品位热能，节约制冷和制热消耗的大量电能，进而减少二氧化碳排放，进而解决现有技术中存在的上述技术问题。
14.本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
15.本发明实施方式提供一种利用污水中低品位热的节能低碳型污水源热泵系统，包括：
16.自清洗式换热盘管组件、控制管网子系统、热泵子系统和末端换热子系统：其中，
17.所述自清洗式换热盘管组件设置在污水处理厂的污水出水池内；
18.所述自清洗式换热盘管组件经所述控制管网子系统分别与所述热泵子系统的蒸发器与冷凝器连接，能分别与所述蒸发器形成蒸发换热循环回路、与所述冷凝器形成冷凝换热循环回路；
19.所述末端换热子系统经所述控制管网子系统分别与所述热泵子系统的蒸发器与冷凝器连接，能分别与所述蒸发器形成蒸发换热循环回路、与所述冷凝器形成冷凝换热循环回路。
20.与现有技术相比，本发明所提供的利用污水中低品位热的节能低碳型污水源热泵系统，其有益效果包括：
21.利用污水厂出水，通过自清洗式换热盘管组件在污水厂的污水出水池中直接换热，取消了一级污水输送泵、污水过滤设备和一级换热等设备，提高了能效；该污水源热泵系统与传统石化能源相比，具有低碳排放及更高的能效比、更节能、更经济、清洁无污染等特点；比燃油锅炉节能50％、比空调节能30％，它既能供热又能制冷，还能够提供生活热水，一机多用，且不受天气影响，运行稳定；可为污水厂及周边小区、商业、及工农业建筑等供热制冷和热水，是一种清洁环保、绿色低碳、经济高效的能源供应模式。
附图说明
22.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
23.图1为本发明实施例提供的利用污水中低品位热的节能低碳型污水源热泵系统的构成示意图；
24.图2为本发明实施例提供的节能低碳型污水源热泵系统的供热模式下污水源热泵原理图；
25.图3为本发明实施例提供的节能低碳型污水源热泵系统的制冷模式下污水源热泵原理图；
26.图中：1-自清洗式换热盘管组件；11-换热盘管；12-出水管路；13-进水管路；14-提升泵；15-液体换热介质补充管路；16-盘式冲洗穿孔管；17-冲洗管路；18-高压冲洗泵；2-控制管网子系统；21-第一控制管路；22-第一控制管路；23-第二控制管路；24-第三控制管路；3-热泵子系统；31-压缩机；32-蒸发器；33-冷凝器；34-膨胀阀；4-末端换热子系统；41-热量
交换设备；42-出水管；43-进水管；44-外网集水器；45-外网分水器；46-中介水补水路；5-污水出水池；51-污水进水口；52-污水出水口。
具体实施方式
27.下面结合本发明的具体内容，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，这并不构成对本发明的限制。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
28.首先对本文中可能使用的术语进行如下说明：
29.术语“和/或”是表示两者任一或两者同时均可实现，例如，x和/或y表示既包括“x”或“y”的情况也包括“x和y”的三种情况。
30.术语“包括”、“包含”、“含有”、“具有”或其它类似语义的描述，应被解释为非排它性的包括。例如：包括某技术特征要素(如原料、组分、成分、载体、剂型、材料、尺寸、零件、部件、机构、装置、步骤、工序、方法、反应条件、加工条件、参数、算法、信号、数据、产品或制品等)，应被解释为不仅包括明确列出的某技术特征要素，还可以包括未明确列出的本领域公知的其它技术特征要素。
31.术语“由
……
组成”表示排除任何未明确列出的技术特征要素。若将该术语用于权利要求中，则该术语将使权利要求成为封闭式，使其不包含除明确列出的技术特征要素以外的技术特征要素，但与其相关的常规杂质除外。如果该术语只是出现在权利要求的某子句中，那么其仅限定在该子句中明确列出的要素，其他子句中所记载的要素并不被排除在整体权利要求之外。
32.除另有明确的规定或限定外，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如：可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本文中的具体含义。
33.当浓度、温度、压力、尺寸或者其它参数以数值范围形式表示时，该数值范围应被理解为具体公开了该数值范围内任何上限值、下限值、优选值的配对所形成的所有范围，而不论该范围是否被明确记载；例如，如果记载了数值范围“2～8”时，那么该数值范围应被解释为包括“2～7”、“2～6”、“5～7”、“3～4和6～7”、“3～5和7”、“2和5～7”等范围。除另有说明外，本文中记载的数值范围既包括其端值也包括在该数值范围内的所有整数和分数。
34.术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化描述，而不是明示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本文的限制。
35.下面对本发明所提供的利用污水中低品位热的节能低碳型污水源热泵系统进行详细描述。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。本发明实施例中未注明具体条件者，按照本领域常规条件或制造商建议的条件进行。本
发明实施例中所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
36.如图1所示，本发明实施例提供一种利用污水中低品位热的节能低碳型污水源热泵系统，包括：
37.自清洗式换热盘管组件、控制管网子系统、热泵子系统和末端换热子系统：其中，
38.所述自清洗式换热盘管组件设置在污水处理厂的污水出水池内；
39.所述自清洗式换热盘管组件经所述控制管网子系统分别与所述热泵子系统的蒸发器与冷凝器连接，能分别与所述蒸发器形成蒸发换热循环回路、与所述冷凝器形成冷凝换热循环回路；
40.所述末端换热子系统经所述控制管网子系统分别与所述热泵子系统的蒸发器与冷凝器连接，能分别与所述蒸发器形成蒸发换热循环回路、与所述冷凝器形成冷凝换热循环回路。
41.上述污水源热泵系统中，所述控制管网子系统由控制管路组件一和控制管路组件二组成；其中，
42.所述控制管路组件一的一端为第一进水端口，该第一进水端口与所述自清洗式换热盘管组件的出水端连接；
43.所述控制管路组件一的另一端为第二进水端口，该第一进水端口与所述末端换热子系统的出水端连接；
44.所述控制管路组件二的一端为第三出水端口，该第三出水端口与所述自清洗式换热盘管组件的进水端连接；
45.所述控制管路组件二的另一端为第四出水端口，该第四出水端口与所述末端换热子系统的进水端连接；
46.所述控制管路组件一由并联设置第一控制管路和第二控制管路组成，第一、第二控制管路上的两端均各设置一个控制阀；具体的，第一控制管路的两个控制阀分别为阀a1与阀b1，处于第一进水端口一侧的控制阀为阀b1，处于第二进水端口一侧的控制阀为阀a1；第二控制管路的两个控制阀分别为阀a2与阀b2，处于第一进水端口一侧的控制阀为阀a2，处于第二进水端口一侧的控制阀为阀b2；
47.所述控制管路组件二由并联设置第三控制管路和第四控制管路组成，第三、第四控制管路上的两端均各设置一个控制阀；具体的，第三控制管路的两个控制阀分别为阀a3与阀b3，处于第三出水端口一侧的为阀a3，处于第四出水端口一侧的控制阀为阀b3；第四控制管路的两个控制阀分别为阀a4与阀b4，处于第三进水端口一侧的控制阀为阀b4，处于第四进水端口一侧的控制阀为阀a4；
48.所述第二控制管路上的两个控制阀之间设有蒸发器进口，该蒸发器进口经管路与所述蒸发器的进口连接；
49.所述第三控制管路上的两个控制阀之间设有蒸发器回口，该蒸发器回口经管路与所述蒸发器的出口连接；
50.所述第一控制管路上的两个控制阀之间设有冷凝器进口，该冷凝器进口经管路与所述冷凝器的进口连接；
51.所述第四控制管路上的两个控制阀之间设有冷凝器回口，该冷凝器回口经管路与
所述冷凝器的回口连接。
52.上述结构的控制管网子系统，通过控制不同控制管路上的控制阀的开启与关闭，可以实现蒸发器与冷凝器互换连接对象，进而改变整个污水源热泵系统的制热、制冷模式，使得该系统不同工作模式的切换特别方便。
53.上述污水源热泵系统中，所述自清洗式换热盘管组件包括：
54.换热盘管、提升泵、出水管路、进水管路和自清洗组件；
55.所述换热盘管设置在所述污水处理厂的污水出水池内；
56.所述换热盘管的出水口经设置所述提升泵的出水管路与所述控制管网子系统的第一进水端口连接；
57.所述换热盘管的进水口经所述进水管路与所述控制管网子系统的第一出水端口连接；
58.所述换热盘管、出水管路和进水管路内填充液体换热介质。优选的，液体换热介质采用水；
59.所述自清洗组件设置在所述换热盘管上方，清洗清洗通孔朝向所述换热盘管表面，该自清洗组件的进水端与所述污水厂出水池内连通。
60.由于采用以中介水为液体换热介质的自清洗式换热盘管组件，放置在污水厂出水池中，能与污水直接换热，换热面积更大，效率更高，并且污水不进入热泵子系统，与热泵子系统内部隔离，与其他的热泵系统相比取消了一级污水输送泵、污水过滤设备和一级换热等系列设备，提高了换热能效。另外，由于采用能自清洗的自清洗式换热盘管组件，能直接在污水出水池中用高压自动化清洗，减少了换热盘管的污染和外表面结垢和腐蚀等问题，进而提升换热效率。
61.上述污水源热泵系统中，所述自清洗式换热盘管组件还包括：液体换热介质补充管路，与所述出水管路连接。
62.上述的自清洗组件包括：盘式冲洗穿孔管、高压冲洗泵和冲洗管路；其中，
63.所述盘式冲洗穿孔管设置在所述换热盘管的上方，该盘式冲洗穿孔管的底部开设有多个清洗通孔，各清洗通孔朝向所述换热盘管表面，并盘式冲洗穿孔管的清洗范围与整个换热盘管的面积相匹配；
64.所述盘式冲洗穿孔管与设有所述高压冲洗泵的冲洗管路连通，所述冲洗管路的另一端与所述污水厂出水池内连通。
65.上述的盘式冲洗穿孔管、高压冲洗泵和冲洗管路组成了自清洗式换热盘管组件的自清洗系统，采用污水厂出水池的中水作为高压冲洗水源。盘式冲洗穿孔管，位于换热盘管上方15～20cm处，盘式冲洗穿孔管底部开穿孔，当冲洗水泵启动时可将高压水通过穿孔喷出，对下面的换热盘管直接进行冲洗、清洁，保持其换热效率。高压冲洗泵流量根据所需冲洗的换热盘管面积确定，冲洗管径及穿孔数量、布置形式依据换热面积、距离和高压泵流量进行设计确定，穿孔管的冲洗压力一般不低于5mpa，不超过10mpa。水下冲洗穿孔管道路材质可采用ss304不锈钢级以上级别。高压冲洗泵通过自动控制进行开启，自动设置每周冲洗一次，每次冲洗时间5min，也可根据需要调整设置冲洗周期及次数。
66.上述污水源热泵系统中，所述热泵子系统包括：
67.压缩机、膨胀阀、管路、所述蒸发器和所述冷凝器；其中，
68.所述压缩机经管路依次与所述冷凝器、膨胀阀和蒸发器连接成环路结构；
69.所述管路内填充有制冷剂。
70.上述的蒸发器采用降膜式蒸发器能提高换热效率；相比满液式换热器效率提高20％以上；比常规的污水源热泵总体效率提高15％，能耗降低10％，运行效果优异。
71.上述污水源热泵系统中，末端换热子系统包括：
72.热量交换设备、循环水泵、进水管和出水管；其中，
73.所述热量交换设备分别设有进水口和出水口，所述进水口经给水管与所述控制管网子系统的第四出水端口连接，所述出水口经出水管与所述控制管网子系统的第二进水端口连接。
74.上述末端换热子系统中，所述热量交换设备为散热器、风机盘管和地板辅热中的至少一种。
75.上述末端换热子系统中，所述末端换热子系统还包括：
76.外网集水器和外网分水器；其中，
77.所述外网集水器连接在所述进水管与所述控制管网子系统的第二进水端口之间；
78.所述外网分水器连接在所述控制管网子系统的第四出水端口与所述进水管之间。
79.上述末端换热子系统还包括：中介水补水管，与所述出水管连接。
80.上述的污水源热泵系统可以根据需要工作在不同模式，包括：
81.城市污水处理厂二沉池排水温度(即污水厂出水池的水温)随所在地理纬度不同有所变化，一般冬季为8～20℃，夏季为23～28℃。
82.参见图1，冬天供热时，该污水源热泵系统处于供热模式，此时，控制管网子系统的控制管路组件一的第二控制管路的阀a2开启，阀b2关闭，控制管路组件二的第三控制管路的阀a3开启，阀b3关闭，使得自清洗式换热盘管组件与热泵子系统的蒸发器连接成蒸发换热循环回路；
83.控制管路组件一的第一控制管路的阀a1开启，阀b1关闭，控制管路组件二的第四控制管路的阀a4开启，阀b4关闭，使得末端换热子系统与热泵子系统的冷凝器连接成冷凝换热循环回路。运行于供热模式的系统连接方式如图2所示；
84.参见图2，供热过程中，放置于污水厂出水池中的自清洗式换热盘管组件直接与污水进行换热，提取污水中的热量到自清洗式换热盘管组件内的中介水中，再经过循环提升进入热泵子系统的蒸发器，将热量传递给低温低压液态形式的制冷剂，制冷剂经压缩机压缩，成为高温高压气态形式，经过冷凝器将热量释放到循环水系统中，通过末端换热子系统给用户供热，而高压气态制冷剂再经过膨胀阀变为低压液态，再次从蒸发器吸收热量，循环进行；具体的，冬季供热运行时，污水厂出水池中水与放置在该出水池中的盘管中的中介水进行换热，中介水再经提升泵提升加压流经热泵子系统的蒸发器，在蒸发器内，废水中的热焓被进入蒸发器的低温液态工质汽化吸收；中水温度降1～3℃后排走。在蒸发器内汽化后的低温工质气体经吸气管进入压缩机，经绝热压缩后变为高温高压工质热气体，并经排气管进入热泵子的冷凝器，在冷凝器内，末端换热子系统(采暖和/或空调系统)的回水，吸收高温高压工质气体的汽化潜热温度升至45～55℃后向用户供热，而高温工质气体则冷凝为液态，经节流后再进入蒸发器，重复上述过程，不断地吸收废水中的热量。
85.参见图1，夏季制冷时，该污水源热泵系统处于制冷模式，此时，控制管网子系统的
控制管路组件一的第二控制管路的阀b2开启，阀a2关闭，控制管路组件二的第三控制管路的阀b3开启，阀a3关闭，使得末端换热子系统与热泵子系统的蒸发器连接成蒸发换热循环回路；
86.控制管路组件一的第一控制管路的阀b1开启，阀a1关闭，控制管路组件二的第四控制管路的阀b4开启，阀a4关闭，使得末端换热子系统与热泵子系统的冷凝器连接成冷凝换热循环回路。运行于制冷模式的系统连接方式如图3所示；
87.参见图3，制冷过程中，末端换热子系统吸收室内热量到循环水中，再通过蒸发器将传递给低温低压液态形式的制冷剂，制冷剂经压缩机压缩，成为高温高压气态形式，经过冷凝器将热量释放到中介水中，再通过污水出水池中自清洗式换热盘管组件直接将热量释放到污水中，从而实现给用户制冷，而高压气态制冷剂再经过膨胀阀变为低压液态，再次从蒸发器吸收热量，循环进行；具体的，制冷模式时：高温高压制冷剂气体从压缩机进入冷凝器，形成高温高压液体，通过向冷凝器中的中介水放热，中介水再通过污水厂出水池中的蒸发器连接的自清洗式换热盘管组件向低温热源水(污水)中放出热量，并使冷却水(污水)温度升高。制冷剂再经过膨胀阀膨胀成低温低压液体，进入蒸发器吸收冷冻水中的热量，蒸发成低压蒸汽，并使冷冻水水温降低。低压制冷剂蒸汽又进入压缩机压缩成高温高压气体。如此循环在蒸发器中获得冷冻水，供给末端换热子系统。
88.本发明的污水源热泵系统与传统石化能源相比，通过热泵子系统(即污水源热泵)提高换热效率，节约制冷和制热消耗的大量电能，从而减少二氧化碳排放，降低电费成本。同时为污水厂增加供暖、供热收益，取得环境效益和经济效益；具有低碳排放及更高的能效比、更节能、更经济、清洁无污染等特点；比燃油锅炉节能50％、比空调节能30％，它既能供热又能制冷，还能够提供生活热水，一机多用，且不受天气影响，运行稳定；可为污水厂及周边小区、商业、及工农业建筑等供热制冷和热水，是一种清洁环保、绿色低碳、经济高效的能源供应模式。
89.如果热泵子系统使用高温系列热泵，可提高出水温度到80℃左右的高温出水，可用于污泥加热等用途；
90.该污水源热泵系统利用城市污水作为冷热源，进行能量转换的供暖制冷空调，具备高效节能、环保效果显著、可再生清洁能源开发与利用等多重显著优势。除此之外，污水源热泵还可常年提供生活热水，真正达到了一机多用，其前景非常广阔，实现了将需要消耗大量能源的污水处理，由耗能大户向产能单元转型，实现了节能降耗，降低间接碳排放量。
91.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。本文背景技术部分公开的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。