一种调控利用城市生活垃圾填埋废热的热泵系统的制作方法

本实用新型属于供热设备领域，尤其涉及一种调控利用城市生活垃圾填埋废热的热泵系统。

背景技术：

近年来，随着我国城市化进程的不断扩大，人们生活水平的提高及城市人口的增加，城市生活垃圾的数量也在逐年递增。就目前我国的经济现状和未来的发展趋势来看，填埋仍然是我国处置城市生活垃圾最重要的方法。

城市生活垃圾填埋场的稳定化是一个非常漫长的过程，一般要经历好氧阶段、厌氧阶段、产酸阶段、产甲烷阶段以及稳定阶段，而这一过程一般要持续十几甚至几十年，会占用大量的土地资源。为合理利用填埋气、加速填埋场的稳定化及复垦进程，国内外均进行了相应的研究，如：20世纪70年代中期美国首先开始的生物反应器填埋场的研究，国内同济大学从20世纪80年代末开始进行的渗滤液回灌技术的研究，国内浙江大学沈东升等进行的填埋单元+UASB反应器的回灌研究等。生活垃圾在长期的生物降解过程中会释放出大量的降解热和气体，目前对这些热量、气体的研究和利用，都是以生活垃圾的自然降解为前提，特别是对填埋场内部不同深度处的温度调节，以及对生活垃圾降解热量的调控和利用方法的研究还相对较少。

地源热泵是公认的高效、节能和环保的建筑新能源供冷供热技术，具有相对较高的运行能效，但其最常见的传统应用方式需要大量的垂直钻孔或大面积土方开挖以敷设地下换热管道，初投资较高，还会面临埋管占地过大或埋管面积不足等问题。尤其是在北方单供暖或以供暖为主的项目中，传统的地埋管地源热泵系统常常会造成地下深层岩土体(60～100m)的冷热量严重失衡，进而影响系统正常运行，而专门为此增设燃气锅炉等辅助热源仍然会面临初投资和/或运行费用增大等问题。这些弊端限制了传统地源热泵技术的进一步推广和普及。

综上所述，亟需一种采用热泵的新能源利用形式，既能够充分利用生活垃圾填埋场的废热以及填埋场下方的土地作为埋管区域以相应减少埋管所需的场外土地面积，还能够因地制宜地解决或缓解传统地源热泵系统应用于以供暖为主的项目(如全年从地下深层岩土体中的吸热量远大于放热量的北方住宅项目)时，冬季所面临的系统制热能效逐年降低的问题，又能调控促进填埋场的整体稳定化进程。

技术实现要素：

为了解决现有技术的不足，本实用新型提供了一种调控利用城市生活垃圾填埋废热的热泵系统，既能够充分利用生活垃圾填埋场的废热以及填埋场下方的土地作为埋管区域以相应减少埋管所需的场外土地面积，还能够因地制宜地解决或缓解传统地源热泵系统冬季能效衰减的问题，又能整体调控促进填埋场的稳定化进程。

本实用新型的一种调控利用城市生活垃圾填埋废热的热泵系统，包括：

末端用户侧循环回路，其由通过管道依次串联连接的热泵机组、用户侧分水器、用户侧集水器和用户侧循环水泵构成；

填埋场上层水平埋管循环回路，其由通过管道依次串联连接的热泵机组、用户侧分水器、填埋场上层水平埋管换热器、用户侧集水器和用户侧循环水泵构成；

地源侧垂直埋管循环回路，其由通过管道依次串联连接的热泵机组、地源侧分水器、地源侧垂直埋管换热器、地源侧集水器和地源侧循环水泵构成；

填埋场中下层水平埋管循环回路，其由通过管道依次串联连接的热泵机组、填埋场中下层水平埋管换热器和地源侧循环水泵构成；

补热循环回路，其由通过管道依次串联连接的补热循环水泵、填埋场中下层水平埋管换热器、地源侧分水器、地源侧垂直埋管换热器和地源侧集水器构成。

进一步的，在所述末端用户侧循环回路和填埋场上层水平埋管循环回路中，用户侧循环水泵与热泵机组之间以及热泵机组与用户侧分水器之间均设置有阀门。

进一步的，在所述地源侧垂直埋管循环回路中，热泵机组和地源侧循环水泵之间、热泵机组和地源侧分水器之间以及地源侧集水器和地源侧循环水泵之间均设置有阀门。

进一步的，在所述填埋场中下层水平埋管循环回路中，热泵机组和地源侧循环水泵之间、热泵机组和填埋场中下层水平埋管换热器之间以及填埋场中下层水平埋管换热器和地源侧循环水泵之间均设置有阀门。

进一步的，在所述补热循环回路中，填埋场中下层水平埋管换热器和补热循环水泵之间、填埋场中下层水平埋管换热器和地源侧分水器之间以及地源侧集水器和补热循环水泵之间均设置有阀门。

进一步的，所述地源侧循环水泵和补热循环水泵均与地源侧定压补水装置相连。

进一步的，所述地源侧定压补水装置依次通过软水箱和软水器与自来水管相连通。

进一步的，所述用户侧循环水泵与用户侧定压补水装置相连。

进一步的，所述用户侧定压补水装置依次通过软水箱和软水器与自来水管相连通。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

(1)本实用新型通过城市生活垃圾填埋场内不同部位的两种形式换热器(填埋场内部采用水平埋管，填埋场底部以下深层岩土体中采用垂直埋管)的灵活调配、适时切换，将热泵系统与城市生活垃圾填埋场有机结合，调节填埋场内不同深度/部位的温度变化，干预有机物的降解，从而优化调控填埋场的多项指标，如：a)热量和/或甲烷的产生/回收利用；b)渗滤液过滤层、基底土工膜等部件/部位的性能和寿命；c)填埋场的沉降稳定及复垦进程。

(2)本实用新型能够因地制宜地解决或部分解决传统地源热泵系统应用于以供暖为主的项目(如全年从地下深层岩土体中的吸热量远大于放热量的北方住宅项目)时，所面临的冬季系统制热能效逐年降低的问题：通过在地源侧设置地温监测井、热量表，根据垂直埋管环路的全年吸热放热量数据，以及检测到的地下深层岩土体的温度变化，能够判断、调控地下深层岩土体的冷热平衡情况，有助于热泵供暖工况的稳定可靠运行。

(3)本实用新型还能够解决传统地源热泵系统采用燃气锅炉、电锅炉等设备作为辅助热源时，所产生的废气污染、设备初投资增大、消耗大量高品质的电能等问题。

(4)本实用新型充分利用了填埋场下面的土地作为垂直埋管区域，在相同供热量的情况下，还能够相应减少垂直埋管所需的场外土地面积。

(5)从环境工程的角度来说，随着城市的扩大，城市生活垃圾填埋场的数量和范围不断扩大，本实用新型采用技术手段调控生活垃圾中有机物的分解，对于回收甲烷等可利用的资源，加速填埋场的沉降稳定，促进场区土地的复垦再利用，具有十分积极的意义。

(6)从微观上讲，城市生活垃圾填埋场的稳定化进程及其各种伴随的物理化学变化，就是生活垃圾中的有机物在微生物作用下不断降解的过程。冬季，距离地表一定深度以内的上层生活垃圾受环境大气温度的影响，其温度可能会低至15℃以下，造成微生物降解过程减缓甚至停止；夏季，填埋场内各深度的生活垃圾温度可能会整体升至50℃左右，同样会使微生物的活性受到影响。因此，全年适时调控不同深度的生活垃圾温度是有益的。

(7)从建筑节能和环保的角度而言，填埋场周围也会有住宅等建筑的供暖需求，却不一定有市政供暖管网，因此采用埋管式热泵是很好的选择。冬季,埋设于生活垃圾中部、底部的水平埋管，可以部分地吸收有机物的降解热量。热泵以埋设于地下深层岩土体中的垂直式埋管换热器为主要热源，以生活垃圾中部、底部的水平埋管为辅助热源，将低品位热量提升为高品位热量，主要用于周边建筑供暖，兼顾保持填埋场上层受大气温度影响较大的生活垃圾温度。夏季，生活垃圾的整体温度较高，利用其上/中/下层水平埋管提取生活垃圾中的多余热量，与来自于建筑内部的热量一起，补充至地下深层岩土体，极大地提高热泵在冬季的制热效率。

(8)本实用新型的应用可缓解传统地源热泵用于住宅项目常见的年度吸热量大于放热量的现象，有利于进一步提高埋管式热泵用于住宅项目的能效。在填埋场下方的地下钻孔，还充分利用土地，减少热泵系统的钻孔专用面积。埋管式换热管采用PE管，无毒环保、耐腐蚀，承压能力强，传热性能良好，价格适中。

(9)只要配合好城市生活垃圾填埋场的建设和使用进程，本实用新型能够实现系统节能，灵活高效、造价适中，易于推广的目的。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是本实用新型的一种调控利用城市生活垃圾填埋废热的热泵系统结构示意图。

其中，1-热泵机组；2-用户侧循环水泵；3-地源侧循环水泵；4-用户侧补水定压装置；5-地源侧补水定压装置；6-软水箱；7-软水器；8-补热循环水泵；9-填埋场上层水平埋管换热器；10-地源侧分水器；11-地源侧集水器；12-地源侧垂直埋管换热器；13-填埋场中下层水平埋管换热器；14-用户侧分水器；15-用户侧集水器。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

本实用新型所提及的热泵系统，采用埋管式换热器将热泵与城市固体废物填埋场相结合，可充分利用生活垃圾中的有机物在降解过程中产生的废热，还贴合了现阶段我国城市生活垃圾填埋场的体量一般都很大、蕴含的能量相当可观的实际情况。因此，城市生活垃圾降解热量可作为一种稳定、良好的供热免费热源。

如图1所示，本实用新型的一种调控利用城市生活垃圾填埋废热的热泵系统，包括：

末端用户侧循环回路，其由通过管道依次串联连接的热泵机组1、用户侧分水器14、用户侧集水器15和用户侧循环水泵2构成；

填埋场上层水平埋管循环回路，其由通过管道依次串联连接的热泵机组1、用户侧分水器14、填埋场上层水平埋管换热器9、用户侧集水器15和用户侧循环水泵2构成；

地源侧垂直埋管循环回路，其由通过管道依次串联连接的热泵机组1、地源侧分水器10、地源侧垂直埋管换热器12、地源侧集水器11和地源侧循环水泵3构成；

填埋场中下层水平埋管循环回路，其由通过管道依次串联连接的热泵机组1、填埋场中下层水平埋管换热器13和地源侧循环水泵3构成；

补热循环回路，其由通过管道依次串联连接的补热循环水泵8、填埋场中下层水平埋管换热器13、地源侧分水器10、地源侧垂直埋管换热器12和地源侧集水器11构成。

在具体实施中，在所述末端用户侧循环回路和填埋场上层水平埋管循环回路中，用户侧循环水泵2与热泵机组1之间设置有阀门V3和V4。

热泵机组1与用户侧分水器14之间设置有阀门V7和V8。

在具体实施中，在所述地源侧垂直埋管循环回路中，热泵机组1和地源侧循环水泵3之间设置有阀门V1和V2。

热泵机组1和地源侧分水器10之间设置有阀门V5、V6、V9和V10。

地源侧集水器11和地源侧循环水泵3之间设置有阀门V13、V14、V15和V16。

在具体实施中，在所述填埋场中下层水平埋管循环回路中，热泵机组1和地源侧循环水泵3之间设置有阀门V1和V2。

热泵机组1和填埋场中下层水平埋管换热器13之间设置有阀门V5、V6、V9和V11。

填埋场中下层水平埋管换热器13和地源侧循环水泵3之间均设置有阀门V15、V16和V17。

在具体实施中，在所述补热循环回路中，填埋场中下层水平埋管换热器13和补热循环水泵8之间设置有阀门V18。

填埋场中下层水平埋管换热器13和地源侧分水器10之间设置有阀门V10、V11和V12。

地源侧集水器11和补热循环水泵8之间设置有阀门V13、V14、V15和V19。

在另一实施例中，所述地源侧循环水泵3和补热循环水泵8均与地源侧定压补水装置5相连。

所述地源侧定压补水装置5依次通过软水箱6和软水器7与自来水管相连通。

在另一实施例中，所述用户侧循环水泵2与用户侧定压补水装置4相连。

所述用户侧定压补水装置4依次通过软水箱6和软水器7与自来水管相连通。

本实用新型的一种调控利用城市生活垃圾填埋废热的热泵系统的工作原理为：

冬季：开启末端用户侧循环回路和填埋场上层水平埋管循环回路，优先开启供热工况下的填埋场中下层水平埋管循环回路，系统从生活垃圾中吸收热量；当监测到末端用户侧供回水温度不能满足供暖需求时，开启地源侧垂直埋管循环回路，系统同时从生活垃圾以及土壤中吸收热量；当监测到填埋场中下层的温度低于预设温度阈值(例如：25℃)时，只开启地源侧垂直埋管循环回路，系统从土壤中吸收热量。

具体地，我国大部分地区室外气温较低，此时填埋场上层区域的生活垃圾温度偏低，微生物活性降低，使得有机生活垃圾降解减缓甚至停止降解，在满足冬季建筑用户供暖需求的同时，为兼顾保持填埋场的整体(沉降)稳定进程或甲烷产气量，此时需使用热泵机组的热量对上部水平埋管区域供热。在冬季合理取热的情况下，填埋场中下层区域能够长期维持在25℃左右，可以通过热泵向建筑用户供热，兼顾向填埋场上层区域供热。开启末端用户侧循环回路、填埋场上层水平埋管循环回路，阀门V1、V3、V5、V7、V9、V11、V15、V16、V17开启，优先开启供热工况下的填埋场中下层水平埋管循环回路，系统从生活垃圾中吸收热量；当监测到末端用户侧供回水温度不能满足供暖需求时，开启阀门V10、V14，通过地源侧垂直埋管循环回路，系统同时从生活垃圾、土壤中吸收热量；当监测到填埋场中下层的温度低于25℃时，关闭阀门V11、V15，开启阀门V10、V14，即只开启地源侧垂直埋管循环回路3，系统从土壤中吸收热量。

夏季：开启末端用户侧循环回路、填埋场上层水平埋管循环回路和地源侧垂直埋管循环回路，垂直埋管系统向土壤中释放热量；当监测到地源侧垂直埋管的年吸热量和年释热量差距大于预设阈值时，开启补热循环回路，通过垂直埋管向地下深层岩土体补热。

具体地，由于室外气温偏高及生活垃圾的持续降解，在封闭的环境内大量的热堆积不能及时排出，会使生活垃圾填埋场的温度持续升高，直至微生物活性显著降低(50℃左右)。此时，开启热泵机组向填埋场上层区域及末端用户供冷。阀门V2、V4、V6、V8、V9、V10、V14、V16开启，开启末端用户侧循环回路、填埋场上层水平埋管循环回路、地源侧垂直埋管循环回路，垂直埋管系统向土壤中释放热量。当监测到地源侧垂直埋管的年吸热量和年释热量差距较大时(不平衡率大于20％)，为保证系统长期可靠运行，开启阀门V12、V13，同时开启补热循环回路，即系统通过填埋场中下层水平埋管换热器吸收生活垃圾中的热量，通过垂直埋管向地下深层岩土体补热，减缓因冬季取热量大于夏季放热量导致的地下冷热不平衡现象。

过渡季：通过监测到的室外气温变化情况及填埋场上层区域的生活垃圾温度变化情况，决定是否开启热泵机组。

例如，当监测到填埋场上层区域的生活垃圾温度较低，则启用热泵机组，阀门V1、V3、V5、V7、V9、V10、V14、V16开启，同时开启填埋场上层水平埋管循环回路、地下垂直埋管循环回路，系统从地下深层岩土体中吸收热量，使填埋场上层生活垃圾温度维持在25℃左右。随着环境气温及场外周边浅部土壤温度的变化，填埋场上层区域温度也在逐渐变化。通过监测到的地温变化趋势，可控制热泵机组实现供冷/供热变工况运行，或由热泵自带的能量调节方式实现制冷/制热量的自动调节。

上述虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围以内。