應用城市汙水的採暖供熱及製冷空調的系統和方法
2023-07-09 06:56:36
專利名稱：應用城市汙水的採暖供熱及製冷空調的系統和方法
技術領域：
本發明涉及一種應用城市汙水進行採暖供熱及製冷空調的系統和方法，涉及到城市汙水的提取及過濾處理的系統和方法，熱泵工質的制熱和製冷循環工作系統及工作方法，城市汙水、中介水、熱泵工質及採暖供熱或製冷空調循環水之間的換熱系統和方法，只有把這些系統和方法綜合統一成一個整體的系統和方法，才能實現應用城市汙水進行採暖供熱和製冷空調的目的。
背景技術：
城市汙水的成份主要是生活汙水、生產廢水、雨水等，數量非常巨大，城市汙水中含有非常多的低溫熱能，是不應白白丟棄掉的，隨著熱泵技術的不斷發展，熱泵機組設備的不斷開發和應用，這些低溫熱能是完全可以被提取回收及充分再利用的，同時，還可以把城市汙水作為熱泵機組的冷卻水源，用於製冷空調的目的。這也是熱泵機組應用技術開發的進步和提高。
發明內容
本發明解決其技術問題所採取的技術方案是採用熱泵技術原理及熱泵機組相關設備，當用戶需要採暖和供熱時，把城市汙水當做低溫熱源，提取回收其中的低溫熱能，並還可以轉換成高品位熱能，傳遞輸送給用戶充分再利用。當用戶需要製冷空調時，又可以把城市汙水當做熱泵機組的低溫水源(冷卻水源)，向其中釋放熱量，為用戶製冷和空調。這種系統和方法，同時可以滿足用戶採暖、供熱、供應熱水、製冷、空調等多種需求。
本發明的系統和方法是由四個工作系統和工作過程組成
一、城市汙水提取、過濾處理及換熱工作系統和工作過程是由汙水泵、汙水吸入口裝置、汙水排出口、壓力反衝洗過濾器、換熱器及管道、閥門、控制儀表組成。
用汙水泵抽取城市汙水，經過吸入口裝置、壓力反衝洗過濾器初步過濾，除去大顆粒、懸浮狀雜物，防止堵塞管道、閥門和設備，進入換熱器與中介水進行熱量交換，再進入另一臺壓力反衝洗過濾器，對其進行反衝洗，最後將汙水通過排出口排回城市汙水管渠下遊。
二、中介水循環換熱工作系統和工作過程為防止城市汙水腐蝕和堵塞熱泵機組的蒸發器或者冷凝器，應設有中介水循環工作系統和工作過程，中介水通過循環水泵、管道及閥門，在換熱器與熱泵機組的蒸發器或者是冷凝器之間循環，使得城市汙水與熱泵工質之間進行間接的熱量交換。
城市汙水的水質指標允許時，可以不設中介水循環換熱工作系統和工作過程，直接進入熱泵機組的蒸發器或者冷凝器，與熱泵工質之間直接進行熱量交換，這樣可以提高熱交換率，降低運行成本費用。
三、熱泵工質制熱或製冷循環工作系統和工作過程本發明是採用壓縮式熱泵機組，通過工藝管線上的控制閥門相互切換，可以實現熱泵工質的制熱循環或製冷循環工作過程。
四、採暖供熱及製冷空調的循環工作系統和工作過程通過循環水泵及管道和切換控制閥門，把熱泵機組的制熱量或製冷量傳遞輸送給用戶。
當用戶僅需要採暖時，其末端的採暖設備可使用散熱器、風機盤管機組，或者採用地板盤管散熱方式。
當用戶要求冬季採暖，夏季空調時，其末端設備應選用風機盤管機組，可以明裝，也可以暗裝。
當用戶要求供應熱水時，應通過換熱器、儲備水箱、熱水循環泵等設備進行換熱、儲備和循環、輸送熱水。
當採暖供熱的用戶是一棟建築或面積較小時，採暖設計給水溫度可為50℃，最高不高於55℃，回水溫度為45℃左右。
當採暖供熱的用戶是多棟建築或小區建築面積較大時，採暖設計給水溫度應為60℃，最高不高於65℃，回水溫度為45℃左右。
上述選用的設計採暖給水及回水的溫度指標，主要取決於目前的熱泵工質的性能及熱泵機組的制熱效率，當有溫度更高，熱泵制熱效率更高的熱泵工質研製開發出來，並應用於壓縮式或熱泵機組時，設計選用的給水及回水溫度指標也應隨之進行調整。
在本發明的系統和方法中，對應用的城市汙水是有條件要求的，第一，其流量應能滿足採暖供熱及製冷空調設計的需要；第二，冬季最冷的時候，其溫度應在6～8℃以上；第三，其流量及溫度應是相對穩定可靠的；第四，其懸浮物、PH值等水質指標應能滿足使用要求。
本發明的有益效果是，應用城市汙水作為低溫水源，採用熱泵技術原理及其相關設備，這樣構成的系統和方法，同時可以為用戶冬季採暖、供熱，夏季製冷空調，24小時供應熱水的需要，這樣的系統和方法，不用再建鍋爐房及冷卻水塔，不用消耗煤炭、石油和天然氣，節能環保，結構簡單，運行安全可靠，可減少建設投資，降低生產成本，改善生產、生活環境條件。
下面結合附圖和實施例，對本發明進一步說明。
圖1是本發明的系統和方法的實施例的結構原理圖。
圖2是本發明的實施例的系統流程圖。
圖3是本發明實施例的鼠籠式吸入口裝置結構原理圖。
圖4是本發明實施例的集水坑式吸入口裝置結構原理圖。
圖5是本發明實施例的管道式壓力反衝洗過濾器結構原理圖。
圖中1、城市汙水管渠，2、汙水吸入口裝置，3、汙水排出管，4、汙水泵，5、壓力反衝洗過濾器，6、換熱器，7、中介水循環泵，8、熱泵蒸發器，9、熱泵壓縮機，10、熱泵冷凝器，11、熱泵節流閥，12、採暖供熱及製冷空調循環水泵，13、用戶，14、熱泵機組，15、鼠籠式集水管，16、吸水篩管，20、過濾結構層，21、集水槽，22、集水坑，23過濾器管殼，24、變徑連接管，25、過濾結構層，26、擋水板。
具體實施例方式
在圖1中，本發明的系統和方法的主要結構是由四個循環工作系統和工作方法組成1、汙水吸取及處理工作系統和方法是由汙水吸入口裝置2，汙水排出管3，汙水泵4，壓力反衝洗過濾器5，換熱器6，及管道和閥門組成，主要作用是第一，汙水泵4把汙水從城市汙水管渠1中吸取後，進入換熱器6中，與中介水進行熱量交換，然後再排入汙水管渠1的下遊。第二，通過吸入口裝置2及壓力反衝洗過濾器5，對吸取的城市汙水應進行適當的過濾處理，除去大顆粒的懸浮物，防止堵塞管道閥門、汙水泵及換熱器等設備。
2、中介水循環工作系統和工作方法是由換熱器6，中介水循環泵7，熱泵蒸發器8，熱泵冷凝器10及管道閥門組成，主要作用是通過中介水的循環系統工作過程，在換熱器6與熱泵蒸發器8或熱泵冷凝器10之中進行熱量交換。
圖1壓縮式熱泵機組制熱工作過程或製冷工作過程的結構原理圖，中介水循環是進入熱泵蒸發器8或者進入熱泵冷凝器10，由工藝管道上的控制閥門相互切換得以實現，如果需要熱泵機組是製冷工作過程，則中介水循環是進入熱泵蒸發器8，如果需要熱泵機組是製冷工作過程，則中介水循環是進入熱泵冷凝器10。
根據城市汙水的水質指標的具體情況，也可以不設有中介水循環工作系統，讓城市汙水直接進入熱泵機組的蒸發器或者是冷凝器，提高換熱效率，降低運行成本。
3、熱泵工質循環工作系統和工作過程圖1所示是壓縮式熱泵機組工質循環工作系統結構原理，是由熱泵壓縮機9，熱泵冷凝器10，熱泵節流閥11，熱泵蒸發器8及管道組成，其循環工作過程是熱泵工質經熱泵壓縮機9被壓縮，進入熱泵冷凝器10，由氣態變成液態，釋放出氣化潛熱；液態的熱泵工質經熱泵節流閥11節流膨脹，進入熱泵蒸發器8，熱泵工質由液態變成氣態，吸收氣化潛熱；這樣，熱泵工質的循環工作，在熱泵蒸發器8中提取回收中介水中與城市汙水交換來的低溫熱量，並可在熱泵冷凝器10中提升溫度，傳遞輸送給採暖供熱循環水，為用戶採暖供熱。如果需要熱泵機組是製冷工作過程，則在本發明的系統和方法中，中介水應進入熱泵冷凝器10，製冷空調循環水應進入熱泵蒸發器8之中，提取製冷空調循環水中的熱量，傳遞輸送給城市汙水帶走。
4、採暖供熱及製冷空調循環水工作系統和工作方法是由熱泵冷凝器10，採暖供熱及製冷空調循環水泵12，用戶13及管道組成。主要作用是循環水在熱泵冷凝器10中吸收熱泵工質的氣化潛熱，傳遞輸送給用戶採暖供熱。如果需要的是製冷空調，則循環水在蒸發器8中，熱量被熱泵工質提取吸收，熱量在冷凝器10中釋放給中介水，然後傳遞給城市汙水帶走。
在圖2中，熱泵機組的主要設備熱泵壓組機9，熱泵冷凝器10，熱泵節流閥11，熱泵蒸發器8及管道、閥門、儀表和電腦自動控制系統均被組裝成一個整體，安裝使用很方便，需要採暖供熱，還是需要製冷空調，通過工藝管道上的切換閥門，可隨時進行切換系統和方法的流程。
圖3、圖4是本發明的系統和方法的吸入口裝置實施例的結構原理圖，城市汙水必須經過初步的過濾，除去顆粒較大的懸浮狀雜物，以免堵塞管道、閥門、汙水泵、換熱器等設備。目前，現有的吸入管喇叭口，吸入管道、底閥、格柵等設備及方法，滿足不了本發明技術方案要求，因為它們很容易被城市汙水中懸浮雜物堵塞，這些雜物不能及時被汙水衝走，無法保證汙水設計需要的流量。
圖3是鼠籠式吸入口裝置。
圖4是集水坑式吸入口裝置。
圖3及圖4所採取的初步過濾的吸入口裝置的設計與製造安裝方式方法，其共同的特徵是1、吸入口裝置均有一定的較大容積，由於汙水泵的抽吸作用，裝置的容積內產生負壓，形成真空，城市汙水穿透過濾結構層，滲流進入裝置的容積內部；
2、過濾結構層必須有一定的面積，城市汙水滲流穿進過濾結構層的流速應小於城市汙水在管渠內的流速；3、城市汙水中的懸浮狀雜物不容易被吸附在過濾結構層上，可以被城市汙水衝走，能保證進入吸入口裝置的汙水流量。
下面舉一設計實例進一步說明例根據計算要求汙水流量為G＝3600米m3/小時，城市汙水在管渠中實測流速為V＝0.5米/秒，過濾結構層採用三層不鏽鋼網夾二層尼龍網結構，過水孔口面積係數為ρ＝0.2，求過濾結構層表面積F＝？請提供三種吸入口裝置主要尺寸？解G＝3600米3/小時＝1米3/秒F＝G/(V·ρ)＝1/(0.5×0.2)＝10米21、採用Φ500圓形截面鼠籠型吸入口，則至少長度需要L＝10/(3.14×0.5)＝6.37米2、若採用500×500正方形截面鼠籠型吸入口，則至少長度需要L＝10/(0.5×4)＝5米3、若採用集水槽寬為500毫米的集水坑式吸入口裝置，則集水槽長度為L＝10/0.5＝20米可根據城市汙水管渠的形狀、位置及汙水流速、選擇鼠籠式或集水坑式汙水吸入口裝置的具體形式和結構尺寸。
在圖5中，本發明的管道式壓力反衝洗過濾器結構原理圖，其主要特徵是
1、過濾器的整體形狀和管道一樣，截面可以是正方形、矩形、圓形、橢圓形、多邊形；2、過濾結構層的過濾材料為鋼網、尼龍網等網狀材料，阻力較小，過濾層的面積大，短時間不易被堵塞，反衝洗間隔時間長；3、反衝洗時，反衝洗水在過濾器中流動如同在管道中流動的性質和規律一樣，汙水中的雜物易被衝走；在安裝位置及過濾面積均能允許時，也可以選擇目前常用的反衝洗壓力濾罐或反衝洗壓力濾池，設計時應注意控制反衝洗的間隔時間和反衝洗的效果，保證汙水能滿足設計要求的流量，才能保證本發明的系統和方法正常運行。
在採用本發明的系統和方法進行採暖供熱及製冷空調工程設計時，其主要方法和步驟如下1、計算建築物採暖供熱及製冷空調負荷，選擇熱泵機組設備型號規格；2、計算城市汙水需要的數量(汙水流量)，選擇汙水泵型號規格，汙水管道直徑；3、計算換熱器的換熱面積，選擇換熱器的型號規格；4、實地考察城市汙水管渠的具體情況，選擇汙水吸入口裝置的形式；壓力反衝洗過濾器的形式、型號規格；5、計算中介循環水的流量，選擇中介水循環泵型號規格，管道直徑；6、計算採暖供熱及製冷空調循環水流量，選擇循環水泵型號規格、循環水管道直徑；7、熱泵機房設備平面布置，工藝管道總平面布置；8、進行詳細全面完整的施工圖設計。
權利要求
1.一種採暖供熱及製冷空調的系統和方法，其特徵是應用城市汙水作為採暖供熱的低溫熱源，也可以作為製冷空調的冷卻水源，採用壓縮式熱泵機組的工質循環工作過程，通過工藝管道上的控制閥門相互切換，可以為用戶採暖供熱或者是製冷空調，這種採暖供熱及製冷空調的系統和方法，是由四個工作系統和工作過程所組成第一，是城市汙水的抽取、過濾處理及換熱工作系統和工作過程；第二，是中介水循環換熱工作系統和工作過程；第三，是熱泵工質循環制熱或製冷工作系統和工作過程；第四，是採暖供熱及製冷空調循環水工作系統和工作過程。
2.一種鼠籠式吸入口過濾裝置，其特徵是鼠籠式集水管具有較大的容積，可以貯存一定數量的經初步過濾的汙水，由於汙水泵的抽取作用，在鼠籠式集水管的內部產生負壓，產生真空，汙水穿透鼠籠式集水管的過濾結構層，滲流進入裝置的容積內部，過濾結構層應有一定數量要求的面積，能使汙水滲流進入過濾結構層的流速應小於城市汙水在管渠中的流速，汙水中的懸浮狀雜物不容易被吸附在過濾結構層表面上，可以被城市汙水衝刷帶走。
3.一種集水坑式吸入口過濾裝置，其特徵是集水坑和集水槽具有較大的容積，由於汙水泵的抽吸作用，集水坑和集水槽內部產生負壓，形成真空，可使汙水穿透過濾結構層，滲流進入裝置的集水坑容積內部，過濾結構層必須有一定數量要求的面積，能保證汙水滲流進入過濾結構層的流速應小於城市汙水在管渠中的流速，汙水中的大顆粒懸浮狀雜物不容易被吸附在過濾結構層表面上，可以被城市汙水衝刷帶走。
4.一種管道式壓力反衝洗過濾器，其特徵是過濾器的主體結構外形如同管道狀，截面可以是圓形、橢圓形、方形、矩形、多邊形；過濾結構層的過濾材料為不鏽鋼絲網、尼龍網等網狀材料；過濾層的總面積數量大，短時間不易被堵塞，過濾與反衝洗的間隔時間較長，反衝洗時，反衝洗水在過濾器中流動的狀態和規律與在管道中流動相同，懸浮狀雜物容易被衝洗出過濾器，反衝洗效果好。
全文摘要
本發明涉及一種採暖供熱及製冷空調的系統和方法，主要由四個工作系統和工作過程組成一、城市汙水抽取、過濾處理及換熱工作系統和過程；二、中介水換熱循環工作系統和過程；三、熱泵機組制熱或製冷循環工作系統和過程；四、採暖供熱及製冷空調循環水工作系統和過程；採用同一整套熱泵機組及其相關設備，通過工藝管道及其控制閥門相互切換，可以實現熱泵機組提取城市汙水中含有的低溫熱能，為用戶採暖供熱，也可以實現熱泵機組向城市汙水釋放熱量，為用戶製冷空調。不用建設鍋爐房及冷卻水塔，不消耗煤炭、石油、天然氣、節約能源，環保無汙染，可減少建設投資，降低採暖供熱及製冷空調成本費用，運行及管理安全可靠。
文檔編號F24D3/18GK1632425SQ20041009455
公開日2005年6月29日 申請日期2004年11月9日 優先權日2004年11月9日
發明者馮太和, 陳連祥, 馮傑 申請人:馮太和, 陳連祥, 馮傑