基于工业废水源的地热利用方法与流程

本发明涉及能源供热和空调技术领域，具体涉及一种基于工业废水源的地热利用方法。

背景技术：

随着工业的迅速发展，工业废水的排放量迅猛增加，对水体的污染也日趋广泛和严重，威胁人类的健康和安全；同时，废水中包含的一些可回收能源，比如造纸、冶金等行业的废水中含有的大量热能，弃之不用也造成严重的能源浪费。伴随着全球生态环境的日趋恶化，节能环保成为一个绕不开的话题，废水处理再排放，节约现有能源消耗量，提倡环保型新能源开发，也成也全社会的共识。很多工厂都已经建立了污水处理系统，或是在一个地区建立集中处理的污水处理厂，而随着热泵技术的日渐成熟，在工业废水处理系统中，嵌入热泵系统回收废水中的热能也已经付诸实践。

只是，在现有技术中，热泵系统的集热装置(换热器)基本都是设置在废水收集池或是处理环节中的其他蓄水池中，很多高温废水在输送到收集池或蓄水池的过程中，已经散失了很多热量，整体热能没有得到很好的利用，热能利用率较低。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明提供的一种基于工业废水源的地热利用方法，能提高废水中热能的回收利用率，并利用所回收的热能满足废水源周边区域的室内供热和供冷需求。

本发明提供的基于工业废水源的地热利用方法，利用热泵系统置换水源换热系统和空调末端系统之中的热量，平衡室内温度，达到室内冬暖夏凉的效果；其中，所述水源换热系统包括：一级换热装置和次级换热装置，所述一级换热装置包括依次串联的一级换热器、一级循环泵和一级换热阀，所述一级换热器安装在废水输送管内；所述次级换热装置包括依次串联的次级换热器、次级循环泵和次级换热阀，所述次级换热器安装在废水处理过程中的蓄水池内；所述一级换热装置和所述次级换热装置并联。所述空调末端系统包括：风机盘管和风机循环泵，风机盘管与风机循环泵的入口通过管道串联。所述热泵系统包括：压缩机、蒸发器、膨胀阀、冷凝器、入口四通换向阀和出口四通换向阀，压缩机、蒸发器、膨胀阀和冷凝器依次相连形成回路；蒸发器的入口与入口四通换向阀的两个端口连接后，分别与水源换热系统的出口和空调末端系统的出口连接；冷凝器的入口与入口四通换向阀的另两个端口连接后，分别与水源换热系统的出口和空调末端系统的出口连接；蒸发器的出口与出口四通换向阀的两个端口连接后，分别与水源换热系统的入口和空调末端系统的入口连接；冷凝器的出口与出口四通换向阀的另两个端口连接后，分别与水源换热系统的入口和空调末端系统入口连接。

本发明通过所述水源换热系统吸收废水中的热量为所述热泵系统供能，水体作为冬季热泵供暖和夏季制冷的导热介质，通过所述空调末端系统实现与室内的冷热交换，达到室内冬暖夏凉的效果；供热和制冷工况的切换，通过所述热泵系统入口四通换向阀和出口四通换向阀控制循环水的流向来实现。

在供热工况下，水源换热系统中的水源循环水通过一级换热器和次级换热器分两级充分吸取废水中热量后，由对应的一级循环泵和次级循环泵送入所述热泵系统；所述一级换热器和次级换热器可以同时工作，也可以单一工作，其状态选择通过一级换热阀和次级换热阀的开闭实现。所述热泵系统通过入口四通换向阀和出口四通换向阀控制循环水的流向，使水源循环水先进入所述蒸发器放热，将热量传递给导热介质，降温后返回废水中再次吸热，形成室外循环。所述热泵系统通过所述压缩机做功，将在所述蒸发器吸收完热量的导热介质传递给所述冷凝器，并在所述冷凝器中完成导热介质与空调末端系统中的空调循环水的热交换；传热降温后的导热介质通过所述膨胀阀减压后，重新流入所述蒸发器再次吸热，形成热泵供热循环。空调循环水吸取所述冷凝器的热量达到供暖温度后，通过所述风机循环泵输送到所述风机盘管，完成室内放热，降温后返回冷凝器再次吸热，形成室内循环。室内空气吸收风机盘管带来的热量，达到供暖效果。

在制冷工况下，闭合一级换热阀关闭一级换热装置，水源换热系统中的水源循环水仅通过次级换热器将热量释放给废水，后由所述次级循环泵送入热泵系统的冷凝器，吸收导热介质中的热量，而后返回废水中再次释放热量，形成室外循环。所述热泵系统做功，将在冷凝器中完成放热的导热介质经膨胀阀降压后传递给所述蒸发器，并在所述蒸发器中吸收空调末端系统中空调循环水的热量；吸热升温后的导热介质经压缩机增压后重新流入所述冷凝器再次放热，形成热泵制冷循环。经所述蒸发器放热降温的空调循环水，通过所述风机循环泵输送到所述风机盘管吸取室内热量，而后返回所述蒸发器再次放热，完成室内循环，实现室内降温的目的。

分两级吸收废水中热量，充分回收热能，提高了废水中热能的回收利用率，并以此满足了废水源周边区域的室内供热和供冷需求。

进一步地，上述一级换热器为螺旋盘设在废水输送管中的盘管；螺旋状的盘管，加大水源循环水与废水之间的热交换面积，减少高温废水在输送在输送过程中热量散失，提高热能的回收率。

进一步地，上述次级换热器为板式换热器，板式换热器内设置迂回的流道，安装在废水处理过程中的蓄水池内，增加废水处理过程中的余热吸收效率，同时便于蓄水池的清理。

进一步地，上述一级循环泵和所述次级循环泵均为螺杆泵，螺杆泵为电能驱动型热泵，可提取更多热量。

进一步地，上述一级循环泵和所述次级循环泵的出口端均设置有单向阀，避免一级换热装置和次级换热装置之间水源循环水倒流。

进一步地，上述冷凝器的出口处设置有流量控制阀，通过该流量控制阀调节循环水流量，实现调节热泵系统对单次循环水做功时间的目的，达到控制室内温度的效果。

进一步地，上述流量控制阀为温度控制阀，且该温度控制阀的温度传感器设置在冷凝器上。温度传感器内的感温液体体积随着冷凝器中的温度变化相应的膨胀或收缩。冷凝器中温度高于设定值时，感温液体膨胀，推动上述流量控制阀的阀芯向下调小阀门，减少循环水的流量，以增加冷凝时间，降低导热介质的温度；冷凝器中温度低于设定值时，感温液体收缩，复位弹簧推动上述流量控制阀的阀芯调大阀门，增加循环水的流量，以减少冷凝时间，提导热介质的温度；通过对导热介质的温度控制，实现室内温度的自动控制。

进一步地，上述地热循环泵的出口和换热器的入口之间设置有压力平衡阀，用以平衡室外循环系统的循环水压力，避免因压力不均导致的地热循环泵损坏或功率不稳。

采用以上技术方案，本发明提供的基于工业废水源的地热利用方法，能提高废水中热能的回收利用率，并利用所回收的热能满足废水源周边区域的室内供热和供冷需求。

附图说明

图1为本发明的结构原理示意图；

图2为本发明一级换热器的结构示意图；

图3为本发明次级换热器的结构示意图；

图4为本发明供热工况结构原理示意图；

图5为本发明制冷工况结构原理示意图。

附图标记：1-水源换热系统；11-一级换热装置；111-一级换热器；1111-盘管；1112-盘管入口；1113-盘管出口；112-一级循环泵；113-一级换热阀；12-次级换热装置；121-次级换热器；1211-换热器流道；1212-换热器入口；1213-换热器出口；122-次级循环泵；123-次级换热阀；13-单向阀；14-压力平衡阀；2-热泵系统；21-冷凝器；22-膨胀阀；23-蒸发器；24-压缩机；25-入口四通换向阀；251～254-入口四通换向阀端口；26-出口四通换向阀；261～264-出口四通换向阀端口；27-流量控制阀；28-温度传感器；3-空调末端系统；31-风机盘管；32-风机循环泵；4-废水输送管

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例1：

如图1至图4所示，本发明提供的基于工业废水源的地热利用方法，利用热泵系统2置换水源换热系统1和空调末端系统3之中的热量，平衡室内温度，达到室内冬暖夏凉的效果。水源换热系统1包括：一级换热装置11和次级换热装置12。一级换热装置11包括依次串联的一级换热器111、一级循环泵112和一级换热阀113；该一级换热器111为螺旋盘设在废水输送管4中的盘管1111，并通过开设在废水输送管4表面的盘管入口1112和盘管出口1113，将盘管1111与接入水源换热系统1中形成回路，吸收废水在输送过程中较高热量，提高热能的回收率。次级换热装置12包括依次串联的次级换热器121、次级循环泵122和次级换热阀123；该次级换热器121为内部设有迂回流道1211的板式换热器，安装在废水处理过程中的蓄水池内，通过板式换热器一侧的换热器入口1212和换热器出口1213，接入水源换热系统1中形成回路，补充吸收废水处理过程中的废水余热。一级换热装置11和次级换热装置12并联后接入到热泵系统2，并在同为螺杆泵的一级循环泵112和次级循环泵122的出口端分别设置一个单向阀13，避免并联后的两级换热装置之间水源循环水倒流。

空调末端系统3包括：风机盘管31和风机循环泵32，风机盘管31的出口与风机循环泵32的入口通过管道连接。蒸发器23的入口与入口四通换向阀25的端口251和端口253连接后，分别与水源换热系统1的出口和风机循环泵32的出口连接；冷凝器21的入口与入口四通换向阀25的端口152和端口254连接后，分别与水源换热系统1的出口和风机循环泵32的出口连接；蒸发器23的出口与入出口四通换向阀26的端口162和端口164连接后，分别与水源换热系统1的入口和风机盘管31的入口连接；冷凝器21的出口与出口四通换向阀26的端口261和端口263连接后，分别与水源换热系统1的入口和风机盘管31的入口连接，从而形成相互独立的室外循环和室内循环。

水源换热系统1吸收废水中的热量为热泵系统2供能，热泵系统2做功遵循卡诺循环原理，即Q₂＝Q₁+W(Q₂为用户利用的能、Q₁为系统提取的废水热能、W为系统使用的电能)，通过输入少量电能，可以实现低温位热能向高温位转移。水体分别作为冬季热泵供暖和夏季制冷的导热介质，在于完成与水源换热系统1的热交换后，通过空调末端系统3实现与室内的冷热交换，达到室内冬暖夏凉的效果。

同时，冷凝器21的出口处设置有流量控制阀27，且该流量控制阀27为温度控制阀，其温度传感器28设置在冷凝器21上。温度传感器28的控制作用为比例调节，其内的感温液体体积随着冷凝器21中的温度变化均匀的膨胀或收缩。冷凝器21中温度高于设定值时，感温液体膨胀，推动流量控制阀27的阀芯向下调小阀门，减少循环水的流量，以增加冷凝时间，降低导热介质的温度；冷凝器21中温度低于设定值时，感温液体收缩，复位弹簧推动流量控制阀27的阀芯调大阀门，增加循环水的流量，以减少冷凝时间，提高导导热介质的温度；通过流量控制阀27调节循环水流量，控制热泵系统2对单次循环水的做功时间，实现对导热介质的温度控制，达到自动控制室内温度的目的。

如图4所示，入口四通换向阀25的第一端口251和第四端口254打开，第二端口252和第三端口253关闭；出口四通换向阀26的第二端口262和第三端口263打开，第一端口261和第四端口264关闭；水源换热系统1由并联的一级换热装置11和次级换热装置12组成，并通过一级换热阀113和次级换热阀123的开闭，实现一级换热装置11和次级换热装置12同时或单独工作。一级换热装置11中的水源循环水通过一级换热器111在废水输送管4中吸取较高的热量后，由一级循环泵112送入热泵系统2中；次级换热装置12中的水源循环水通过次级换热器111在蓄水池中吸取残余废水热量后，由次级循环泵122送入热泵系统2中。并联后水源循环水先进入蒸发器23放热，将热量传递给导热介质，降温后返回废水输送管和蓄水池中再次吸取废水热量，形成室外循环。热泵系统2通过压缩机24做功，将在蒸发器23中吸收完热量的导热介质传递给冷凝器21，并在冷凝器21中完成导热介质与空调末端系统3中的空调循环水的热交换；传热降温后的导热介质通过膨胀阀22减压后，重新流入蒸发器23再次吸热，形成热泵供热循环。空调循环水吸取冷凝器21的热量达到供暖温度后，通过风机循环泵32输送到室内的风机盘管31，完成室内放热，降温后返回冷凝器21再次吸热，形成室内循环。室内空气吸收风机盘管31带来的热量，达到供暖效果。

实施例2：

如图5所示，入口四通换向阀25的第一端口251和第四端口254关闭，第二端口252和第三端口253打开；出口四通换向阀26的第二端口262和第三端口263关闭，第一端口261和第四端口264打开；同时，因废水输送管的温度较高，且为封闭状态，散热能力不理想，闭合一级换热阀113关闭一级换热装置11，打开次级换热阀123，仅开启置于开放式蓄水池中的次级换热装置12用来散热。水源换热系统1中的水源循环水通过次级换热器121在蓄水池内将热量释放给废水，后由次级循环泵122送入热泵系统2的冷凝器21吸收导热介质中的热量，而后返回蓄水池再次释放热量，形成室外循环。热泵系统2做功，

将在冷凝器21中完成放热的导热介质经膨胀阀22降压后，传递给蒸发器23，并在蒸发器23中吸收空调末端系统3中空调循环水的热量；吸热升温后的导热介质经压缩机24增压后重新流入冷凝器21再次放热，形成热泵制冷循环。经蒸发器23放热降温的空调循环水，通过风机循环泵32输送到风机盘管31吸取室内热量，而后返回蒸发器13再次放热，完成室内循环，实现室内降温的目的。

采用以上技术方案，本发明提供的基于工业废水源的地热利用方法，在供热过程中，通过两级回收废水中的热量，尤其是通过一级热交换装置11及早的回收废水输送管4中较高的热能，极大的提高了废水中热能的回收利用率，并利用所回收的热能满足废水源周边区域的室内供热和供冷需求。

需要说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。