专利名称：应用城市污水的采暖供热及制冷空调的系统和方法
技术领域：
本发明涉及一种应用城市污水进行采暖供热及制冷空调的系统和方法，涉及到城市污水的提取及过滤处理的系统和方法，热泵工质的制热和制冷循环工作系统及工作方法，城市污水、中介水、热泵工质及采暖供热或制冷空调循环水之间的换热系统和方法，只有把这些系统和方法综合统一成一个整体的系统和方法，才能实现应用城市污水进行采暖供热和制冷空调的目的。
背景技术：
城市污水的成份主要是生活污水、生产废水、雨水等，数量非常巨大，城市污水中含有非常多的低温热能，是不应白白丢弃掉的，随着热泵技术的不断发展，热泵机组设备的不断开发和应用，这些低温热能是完全可以被提取回收及充分再利用的，同时，还可以把城市污水作为热泵机组的冷却水源，用于制冷空调的目的。这也是热泵机组应用技术开发的进步和提高。
发明内容
本发明解决其技术问题所采取的技术方案是采用热泵技术原理及热泵机组相关设备，当用户需要采暖和供热时，把城市污水当做低温热源，提取回收其中的低温热能，并还可以转换成高品位热能，传递输送给用户充分再利用。当用户需要制冷空调时，又可以把城市污水当做热泵机组的低温水源(冷却水源)，向其中释放热量，为用户制冷和空调。这种系统和方法，同时可以满足用户采暖、供热、供应热水、制冷、空调等多种需求。
本发明的系统和方法是由四个工作系统和工作过程组成
一、城市污水提取、过滤处理及换热工作系统和工作过程是由污水泵、污水吸入口装置、污水排出口、压力反冲洗过滤器、换热器及管道、阀门、控制仪表组成。
用污水泵抽取城市污水，经过吸入口装置、压力反冲洗过滤器初步过滤，除去大颗粒、悬浮状杂物，防止堵塞管道、阀门和设备，进入换热器与中介水进行热量交换，再进入另一台压力反冲洗过滤器，对其进行反冲洗，最后将污水通过排出口排回城市污水管渠下游。
二、中介水循环换热工作系统和工作过程为防止城市污水腐蚀和堵塞热泵机组的蒸发器或者冷凝器，应设有中介水循环工作系统和工作过程，中介水通过循环水泵、管道及阀门，在换热器与热泵机组的蒸发器或者是冷凝器之间循环，使得城市污水与热泵工质之间进行间接的热量交换。
城市污水的水质指标允许时，可以不设中介水循环换热工作系统和工作过程，直接进入热泵机组的蒸发器或者冷凝器，与热泵工质之间直接进行热量交换，这样可以提高热交换率，降低运行成本费用。
三、热泵工质制热或制冷循环工作系统和工作过程本发明是采用压缩式热泵机组，通过工艺管线上的控制阀门相互切换，可以实现热泵工质的制热循环或制冷循环工作过程。
四、采暖供热及制冷空调的循环工作系统和工作过程通过循环水泵及管道和切换控制阀门，把热泵机组的制热量或制冷量传递输送给用户。
当用户仅需要采暖时，其末端的采暖设备可使用散热器、风机盘管机组，或者采用地板盘管散热方式。
当用户要求冬季采暖，夏季空调时，其末端设备应选用风机盘管机组，可以明装，也可以暗装。
当用户要求供应热水时，应通过换热器、储备水箱、热水循环泵等设备进行换热、储备和循环、输送热水。
当采暖供热的用户是一栋建筑或面积较小时，采暖设计给水温度可为50℃，最高不高于55℃，回水温度为45℃左右。
当采暖供热的用户是多栋建筑或小区建筑面积较大时，采暖设计给水温度应为60℃，最高不高于65℃，回水温度为45℃左右。
上述选用的设计采暖给水及回水的温度指标，主要取决于目前的热泵工质的性能及热泵机组的制热效率，当有温度更高，热泵制热效率更高的热泵工质研制开发出来，并应用于压缩式或热泵机组时，设计选用的给水及回水温度指标也应随之进行调整。
在本发明的系统和方法中，对应用的城市污水是有条件要求的，第一，其流量应能满足采暖供热及制冷空调设计的需要；第二，冬季最冷的时候，其温度应在6～8℃以上；第三，其流量及温度应是相对稳定可靠的；第四，其悬浮物、PH值等水质指标应能满足使用要求。
本发明的有益效果是，应用城市污水作为低温水源，采用热泵技术原理及其相关设备，这样构成的系统和方法，同时可以为用户冬季采暖、供热，夏季制冷空调，24小时供应热水的需要，这样的系统和方法，不用再建锅炉房及冷却水塔，不用消耗煤炭、石油和天然气，节能环保，结构简单，运行安全可靠，可减少建设投资，降低生产成本，改善生产、生活环境条件。
下面结合附图和实施例，对本发明进一步说明。
图1是本发明的系统和方法的实施例的结构原理图。
图2是本发明的实施例的系统流程图。
图3是本发明实施例的鼠笼式吸入口装置结构原理图。
图4是本发明实施例的集水坑式吸入口装置结构原理图。
图5是本发明实施例的管道式压力反冲洗过滤器结构原理图。
图中1、城市污水管渠，2、污水吸入口装置，3、污水排出管，4、污水泵，5、压力反冲洗过滤器，6、换热器，7、中介水循环泵，8、热泵蒸发器，9、热泵压缩机，10、热泵冷凝器，11、热泵节流阀，12、采暖供热及制冷空调循环水泵，13、用户，14、热泵机组，15、鼠笼式集水管，16、吸水筛管，20、过滤结构层，21、集水槽，22、集水坑，23过滤器管壳，24、变径连接管，25、过滤结构层，26、挡水板。
具体实施例方式
在图1中，本发明的系统和方法的主要结构是由四个循环工作系统和工作方法组成1、污水吸取及处理工作系统和方法是由污水吸入口装置2，污水排出管3，污水泵4，压力反冲洗过滤器5，换热器6，及管道和阀门组成，主要作用是第一，污水泵4把污水从城市污水管渠1中吸取后，进入换热器6中，与中介水进行热量交换，然后再排入污水管渠1的下游。第二，通过吸入口装置2及压力反冲洗过滤器5，对吸取的城市污水应进行适当的过滤处理，除去大颗粒的悬浮物，防止堵塞管道阀门、污水泵及换热器等设备。
2、中介水循环工作系统和工作方法是由换热器6，中介水循环泵7，热泵蒸发器8，热泵冷凝器10及管道阀门组成，主要作用是通过中介水的循环系统工作过程，在换热器6与热泵蒸发器8或热泵冷凝器10之中进行热量交换。
图1压缩式热泵机组制热工作过程或制冷工作过程的结构原理图，中介水循环是进入热泵蒸发器8或者进入热泵冷凝器10，由工艺管道上的控制阀门相互切换得以实现，如果需要热泵机组是制冷工作过程，则中介水循环是进入热泵蒸发器8，如果需要热泵机组是制冷工作过程，则中介水循环是进入热泵冷凝器10。
根据城市污水的水质指标的具体情况，也可以不设有中介水循环工作系统，让城市污水直接进入热泵机组的蒸发器或者是冷凝器，提高换热效率，降低运行成本。
3、热泵工质循环工作系统和工作过程图1所示是压缩式热泵机组工质循环工作系统结构原理，是由热泵压缩机9，热泵冷凝器10，热泵节流阀11，热泵蒸发器8及管道组成，其循环工作过程是热泵工质经热泵压缩机9被压缩，进入热泵冷凝器10，由气态变成液态，释放出气化潜热；液态的热泵工质经热泵节流阀11节流膨胀，进入热泵蒸发器8，热泵工质由液态变成气态，吸收气化潜热；这样，热泵工质的循环工作，在热泵蒸发器8中提取回收中介水中与城市污水交换来的低温热量，并可在热泵冷凝器10中提升温度，传递输送给采暖供热循环水，为用户采暖供热。如果需要热泵机组是制冷工作过程，则在本发明的系统和方法中，中介水应进入热泵冷凝器10，制冷空调循环水应进入热泵蒸发器8之中，提取制冷空调循环水中的热量，传递输送给城市污水带走。
4、采暖供热及制冷空调循环水工作系统和工作方法是由热泵冷凝器10，采暖供热及制冷空调循环水泵12，用户13及管道组成。主要作用是循环水在热泵冷凝器10中吸收热泵工质的气化潜热，传递输送给用户采暖供热。如果需要的是制冷空调，则循环水在蒸发器8中，热量被热泵工质提取吸收，热量在冷凝器10中释放给中介水，然后传递给城市污水带走。
在图2中，热泵机组的主要设备热泵压组机9，热泵冷凝器10，热泵节流阀11，热泵蒸发器8及管道、阀门、仪表和电脑自动控制系统均被组装成一个整体，安装使用很方便，需要采暖供热，还是需要制冷空调，通过工艺管道上的切换阀门，可随时进行切换系统和方法的流程。
图3、图4是本发明的系统和方法的吸入口装置实施例的结构原理图，城市污水必须经过初步的过滤，除去颗粒较大的悬浮状杂物，以免堵塞管道、阀门、污水泵、换热器等设备。目前，现有的吸入管喇叭口，吸入管道、底阀、格栅等设备及方法，满足不了本发明技术方案要求，因为它们很容易被城市污水中悬浮杂物堵塞，这些杂物不能及时被污水冲走，无法保证污水设计需要的流量。
图3是鼠笼式吸入口装置。
图4是集水坑式吸入口装置。
图3及图4所采取的初步过滤的吸入口装置的设计与制造安装方式方法，其共同的特征是1、吸入口装置均有一定的较大容积，由于污水泵的抽吸作用，装置的容积内产生负压，形成真空，城市污水穿透过滤结构层，渗流进入装置的容积内部；
2、过滤结构层必须有一定的面积，城市污水渗流穿进过滤结构层的流速应小于城市污水在管渠内的流速；3、城市污水中的悬浮状杂物不容易被吸附在过滤结构层上，可以被城市污水冲走，能保证进入吸入口装置的污水流量。
下面举一设计实例进一步说明例根据计算要求污水流量为G＝3600米m3/小时，城市污水在管渠中实测流速为V＝0.5米/秒，过滤结构层采用三层不锈钢网夹二层尼龙网结构，过水孔口面积系数为ρ＝0.2，求过滤结构层表面积F＝？请提供三种吸入口装置主要尺寸？解G＝3600米3/小时＝1米3/秒F＝G/(V·ρ)＝1/(0.5×0.2)＝10米21、采用Φ500圆形截面鼠笼型吸入口，则至少长度需要L＝10/(3.14×0.5)＝6.37米2、若采用500×500正方形截面鼠笼型吸入口，则至少长度需要L＝10/(0.5×4)＝5米3、若采用集水槽宽为500毫米的集水坑式吸入口装置，则集水槽长度为L＝10/0.5＝20米可根据城市污水管渠的形状、位置及污水流速、选择鼠笼式或集水坑式污水吸入口装置的具体形式和结构尺寸。
在图5中，本发明的管道式压力反冲洗过滤器结构原理图，其主要特征是
1、过滤器的整体形状和管道一样，截面可以是正方形、矩形、圆形、椭圆形、多边形；2、过滤结构层的过滤材料为钢网、尼龙网等网状材料，阻力较小，过滤层的面积大，短时间不易被堵塞，反冲洗间隔时间长；3、反冲洗时，反冲洗水在过滤器中流动如同在管道中流动的性质和规律一样，污水中的杂物易被冲走；在安装位置及过滤面积均能允许时，也可以选择目前常用的反冲洗压力滤罐或反冲洗压力滤池，设计时应注意控制反冲洗的间隔时间和反冲洗的效果，保证污水能满足设计要求的流量，才能保证本发明的系统和方法正常运行。
在采用本发明的系统和方法进行采暖供热及制冷空调工程设计时，其主要方法和步骤如下1、计算建筑物采暖供热及制冷空调负荷，选择热泵机组设备型号规格；2、计算城市污水需要的数量(污水流量)，选择污水泵型号规格，污水管道直径；3、计算换热器的换热面积，选择换热器的型号规格；4、实地考察城市污水管渠的具体情况，选择污水吸入口装置的形式；压力反冲洗过滤器的形式、型号规格；5、计算中介循环水的流量，选择中介水循环泵型号规格，管道直径；6、计算采暖供热及制冷空调循环水流量，选择循环水泵型号规格、循环水管道直径；7、热泵机房设备平面布置，工艺管道总平面布置；8、进行详细全面完整的施工图设计。
权利要求
1.一种采暖供热及制冷空调的系统和方法，其特征是应用城市污水作为采暖供热的低温热源，也可以作为制冷空调的冷却水源，采用压缩式热泵机组的工质循环工作过程，通过工艺管道上的控制阀门相互切换，可以为用户采暖供热或者是制冷空调，这种采暖供热及制冷空调的系统和方法，是由四个工作系统和工作过程所组成第一，是城市污水的抽取、过滤处理及换热工作系统和工作过程；第二，是中介水循环换热工作系统和工作过程；第三，是热泵工质循环制热或制冷工作系统和工作过程；第四，是采暖供热及制冷空调循环水工作系统和工作过程。
2.一种鼠笼式吸入口过滤装置，其特征是鼠笼式集水管具有较大的容积，可以贮存一定数量的经初步过滤的污水，由于污水泵的抽取作用，在鼠笼式集水管的内部产生负压，产生真空，污水穿透鼠笼式集水管的过滤结构层，渗流进入装置的容积内部，过滤结构层应有一定数量要求的面积，能使污水渗流进入过滤结构层的流速应小于城市污水在管渠中的流速，污水中的悬浮状杂物不容易被吸附在过滤结构层表面上，可以被城市污水冲刷带走。
3.一种集水坑式吸入口过滤装置，其特征是集水坑和集水槽具有较大的容积，由于污水泵的抽吸作用，集水坑和集水槽内部产生负压，形成真空，可使污水穿透过滤结构层，渗流进入装置的集水坑容积内部，过滤结构层必须有一定数量要求的面积，能保证污水渗流进入过滤结构层的流速应小于城市污水在管渠中的流速，污水中的大颗粒悬浮状杂物不容易被吸附在过滤结构层表面上，可以被城市污水冲刷带走。
4.一种管道式压力反冲洗过滤器，其特征是过滤器的主体结构外形如同管道状，截面可以是圆形、椭圆形、方形、矩形、多边形；过滤结构层的过滤材料为不锈钢丝网、尼龙网等网状材料；过滤层的总面积数量大，短时间不易被堵塞，过滤与反冲洗的间隔时间较长，反冲洗时，反冲洗水在过滤器中流动的状态和规律与在管道中流动相同，悬浮状杂物容易被冲洗出过滤器，反冲洗效果好。
全文摘要
本发明涉及一种采暖供热及制冷空调的系统和方法，主要由四个工作系统和工作过程组成一、城市污水抽取、过滤处理及换热工作系统和过程；二、中介水换热循环工作系统和过程；三、热泵机组制热或制冷循环工作系统和过程；四、采暖供热及制冷空调循环水工作系统和过程；采用同一整套热泵机组及其相关设备，通过工艺管道及其控制阀门相互切换，可以实现热泵机组提取城市污水中含有的低温热能，为用户采暖供热，也可以实现热泵机组向城市污水释放热量，为用户制冷空调。不用建设锅炉房及冷却水塔，不消耗煤炭、石油、天然气、节约能源，环保无污染，可减少建设投资，降低采暖供热及制冷空调成本费用，运行及管理安全可靠。
文档编号F24D3/18GK1632425SQ20041009455
公开日2005年6月29日 申请日期2004年11月9日 优先权日2004年11月9日
发明者冯太和, 陈连祥, 冯杰 申请人:冯太和, 陈连祥, 冯杰