专利名称：城市原生污水冷热源直流输送换热应用方法
技术领域：
本发明涉及一种利用城市原生污水作为热泵冷热源的应用方法。
背景技术：
利用各类可再生性清洁能源作为热泵冷热源为建筑物供暖具有重要的节能与环保意义。城市污水是城市余热型低位清洁能源，数量巨大，分布区域广，在寒冷地区的冬季，城市污水水温较地下水源、土壤源温度高5～10℃，作为载热水体，较土壤源、空气源传热效率高，相应热泵机组的制热系数要高出0.5以上。另外，地下水源、空气源均存在本质上的局限性，例如地下水源涉及到水资源的保护问题，空气源在寒冷地区室外温度很低时无法运行等。因此，城市污水较其他冷热源具有明显优势，开发应用前景巨大。
自发展水源热泵以来，城市污水就一直被重视，但由于原生污水水质极其恶劣，除具有腐蚀性外，它还含有大量大小尺度悬浮纤维状杂物与固相颗粒，流通断面的阻塞与污染问题相当严重，难以实现正常的流动与换热，如图1所示(工程现场的换热设备阻塞与污染状况图)。该项技术未能得到突破性发展应用，主要存在以下问题①由于污水中污物含量很大，水处理成本很高，只能采取“粗效”处理措施，换热系统的阻塞与污染问题相当严重，运行维护操作频繁，通常几小时需要小维护，几天需要较大维护；②换热系统受阻塞与污染后，流量缓降，引起热泵系统运行不稳定，换热面污染引起传热效率降低，系统运行成本增大10％以上；③由于原生污水的物性参数粘度较清水大15倍以上，呈非牛顿流，现有的换热形式，例如壳管换热器、淋水式换热器等传热系数很小，约为600W/m2℃，系统初投资要高出15％左右。
由此可见，要推广该项技术的应用，必须开发出一套既经济又能稳定运行的应用方法。
中国专利CN2612906Y中公开了一种“采油厂联合站污水余热回收利用热泵装置”，该装置适用于含油污水的余热回收利用，工作原理为污水与清水热交换，清水被加热后经过循环水泵输入热泵的蒸发器，再进入到压缩机加压升温后进入到冷凝器，在冷凝器中将热量传递给高温清水，高温清水到脱水原油散热，其中污水与清水热交换是在污水—清水换热器中进行的。由于原生污水中含有大量大尺度悬浮纤维状污物与固相颗粒，它们能够阻塞与污染流通断面，若将该装置用于回收城市原生污水的冷热量，污水与清水在换热过程中，换热设备将避免不了出现图1所示状况，阻塞与污染问题严重，运行维护操作必然频繁，流量不稳定，换热面污染后传热效率降低，系统不能安全、可靠运行。
发明内容
本发明为了解决含有大量污物的城市原生污水在换热时出现阻塞与污染换热系统及其相关问题，提供一种无阻塞、无污染、高效换热、经济、稳定运行、无清污维护过程的城市原生污水冷热源直流输送换热应用方法，污水在直流输送过程中完成冷热量释放，具体过程为将含有大量污物的城市原生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(套管)兼作为污水换热系统，污水在管内输送流动时，不进入其他设备，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，热载体将冷热量传递给热泵机组后返回输送管线。所谓直流输送管线是指污水自污水干渠经污水泵提升，在管线内流动并释冷释热后返回污水干渠的流通管线。
城市原生污水冷热源直流输送换热应用法工作原理(图2)为①城市原生污水靠污水泵从城市污水干渠中输送至热泵机组附近，在传输过程中直流输送管线(套管)兼作为污水换热系统，污水在管内输送流动时，不进入其他设备，沿途返回污水干渠下游，在这段输送过程中靠输送管线将冷热量释放，这样避免了原生污水中的悬浮纤维状杂物与固相颗粒阻塞、污染换热系统问题的发生；载热体在输送管线中吸收污水冷热量后，进入热泵机组的蒸发器或冷凝器，将冷热量传递给热泵机组后返回输送管线的环间；②热泵机组内部蒸发器与冷凝器的冷热量传递与转换，蒸发器吸收低位热量，冷凝器释放较高位热量；③末端冷热水进入机组的蒸发器或冷凝器，将冷凝器或蒸发器中的冷热量带走，并传递至末端散热设备。
城市原生污水冷热源应用的关键问题是阻塞污染问题与流动换热问题，由此引发清污维护周期短、投资高、运行成本大等相关问题。过程①为本发明的主要内容，即水源端的关键问题。直流输送换热应用法利用输送管线作为换热系统，内粗管内径至少为50mm，污水管内流速至少为0.5m/s，含大尺度污物的城市原生污水冷热量的释放是在污水输送过程中完成的，靠内外套管在输送时，将冷热量传递给中介热载体，再由热载体进热泵机组释热释冷，实现污水冷热量的传递与转换，系统初投资低，工艺简单，无阻塞与污染问题，换热效率高，无清污维护过程，可与太阳能、土壤能联合运行。
本发明的应用方法具有如下优点①利用污水的输送管线作为污水换热系统，省去了污水换热设备，系统初投资要低10％以上；②输送污水管线管径很大，无污物阻塞过流断面问题，管内壁污染有限，无清污维护过程，解决了该项技术的关键问题；③输送污水时，输送管径大，一般在200mm左右，流速高，一般在2～3m/s之间，而普通换热流速在1m/s左右，换热管内径在20mm以下，因此输送换热系统的换热系数高达普通换热的15倍以上；④该方法能很好地将利用太阳能、土壤能与水源系统联合起来，靠输送管线环间清水分流后，各系统并联运行。
图1为城市原生污水对换热设备阻塞与污染状况图，图2为城市原生污水冷热源输送换热应用法流程图，图3为城市原生污水冷热源直埋输送换热法流程图，图4为城市原生污水冷热源多来回输送换热流程图，图5为城市原生污水冷热源多热源联合运行流程图。
具体实施例方式具体实施方式
一本实施方式是这样实现的(一)将含有大量污物的城市原生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(套管)兼作为污水换热系统，污水在管内输送流动时，不进入其他设备，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，热载体将冷热量传递给热泵机组后返回输送管线；(二)热泵机组内部的蒸发器、冷凝器对冷热量进行传输与转换，并将冷热量传递给末端循环系统；(三)末端系统将冷热量通过末端散热设备传递到室内或冷热用户。其中污水与载热体在换热时部分或全部完全逆流换热，所述载热体为盐溶液、乙二醇或清水。
具体实施方式
二根据输送管线的布置方式，可以将输送管线布置于地上空间或敷设于热泵机组与污水干渠之间的地下空间，具体分为管线直埋敷设、地沟敷设和地上空间敷设。以管线直埋敷设为例，如图3所示，本实施方式由三个过程实现城市原生污水冷热源应用①污水靠污水泵从城市污水干渠输送到机房附近后返回，输送管线为内外套管，污水管内流动，中介载热体在环间流动，内管直径根据水质条件确定，至少为50mm，管内流速至少为0.5m/s，当两者不兼容时，以管径为准，以确保流通断面不被阻塞；②热泵机组内部蒸发器与冷凝器的冷热量传递与转换，蒸发器吸收低位热量，冷凝器释放较高位热量；③末端冷热水进入机组的蒸发器或冷凝器，将冷凝器或蒸发器中的冷热量带走，并传递至末端散热设备。该方法可利用部分土壤能，此时将输送管线管外壁设置为翅片，以加强土壤与载热体换热。
具体实施方式
三当城市污水干渠与热泵机房之间距离较小，输送管线输送热量不够时，输送管线可两次或两次以上来回输送换热，如图4所示为两来回输送换热，根据换热量也可实施两次以上来回。当存在特殊原因，不能在污水干渠与热泵机组之间实施输送换热管线时，可将直流输送管线设置于地上其他空间，例如置于热泵机房内(热泵机房内顶棚和/或侧壁空间)或其他空闲空间。换热过程与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
四本实施方式为多热源并联运行实施，包括城市污水与太阳能、土壤源联合。以太阳能为例，如图5所示，中介载热体可部分流通于太阳能集热器，部分流通于输送管线环间，两热源的匹配问题由中介载热体分流量决定，通过了太阳能集热器与输送管线环间的载热体合流后或分别进入热泵机组释放热量。若将城市污水源与土壤源联合，则需要将输送管线直埋，且需要有一定的埋深，此时将输送管线管外壁设置为翅片，以加强土壤与中介载热体换热，当热泵机组间歇运行时，该系统中，土壤尚可兼做蓄热蓄冷源。
权利要求
1.城市原生污水冷热源直流输送换热应用方法，其特征在于污水在直流输送过程中完成冷热量释放，具体过程为将含有大量污物的城市原生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为污水换热系统，污水在管内输送流动时，不进入其他设备，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，热载体将冷热量传递给热泵机组后返回输送管线。
2.根据权利要求1所述的城市原生污水冷热源直流输送换热应用方法，其特征在于输送管线内径至少为50mm，内管中污水流速至少为0.5m/s。
3.根据权利要求1所述的城市原生污水冷热源直流输送换热应用方法，其特征在于将太阳能集热器与输送管线并联，一部分载热体流通于太阳能集热器，另一部分流通于输送管线，两热源联合运行。
4.根据权利要求1或3所述的城市原生污水冷热源直流输送换热应用方法，其特征在于直流输送管线布置于地上空间或敷设于热泵机组与污水干渠之间的地下空间，或者是置于热泵机房内顶棚和/或侧壁空间。
5.根据权利要求4所述的城市原生污水冷热源直流输送换热应用方法，其特征在于当直埋输送管线时，输送管线管外设翅片，与土壤源联合运行。
6.根据权利要求4所述的城市原生污水冷热源直流输送换热应用方法，其特征在于当城市污水干渠与热泵机房之间距离较小，输送管线输送热量不够时，将输送管线设置为两次或两次以上来回输送换热。
全文摘要
城市原生污水冷热源直流输送换热应用方法，它涉及一种利用城市原生污水作为热泵冷热源的应用方法。本发明的目的是解决原生污水中的悬浮纤维状杂物与固相颗粒阻塞、污染换热系统的问题，它是这样实现的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(套管)兼作为污水换热系统，污水在管内输送流动时，不进入其他设备，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，热载体将冷热量传递给热泵机组后返回输送管线。本方法系统初投资要低10％以上，工艺简单，无阻塞与污染问题，输送换热系统的换热系数高达15倍以上，换热效率高，无清污维护过程，可与太阳能、土壤能联合运行。
文档编号F25B30/00GK1687677SQ20051000992
公开日2005年10月26日 申请日期2005年4月26日 优先权日2005年4月26日
发明者孙德兴, 吴荣华 申请人:哈尔滨工业大学