基于工業廢水源的地熱利用方法與流程

本發明涉及能源供熱和空調技術領域，具體涉及一種基于工業廢水源的地熱利用方法。

背景技術：

隨著工業的迅速發展，工業廢水的排放量迅猛增加，對水體的污染也日趨廣泛和嚴重，威脅人類的健康和安全；同時，廢水中包含的一些可回收能源，比如造紙、冶金等行業的廢水中含有的大量熱能，棄之不用也造成嚴重的能源浪費。伴隨著全球生態環境的日趨惡化，節能環保成為一個繞不開的話題，廢水處理再排放，節約現有能源消耗量，提倡環保型新能源開發，也成也全社會的共識。很多工廠都已經建立了污水處理系統，或是在一個地區建立集中處理的污水處理廠，而隨著熱泵技術的日漸成熟，在工業廢水處理系統中，嵌入熱泵系統回收廢水中的熱能也已經付諸實踐。

只是，在現有技術中，熱泵系統的集熱裝置(換熱器)基本都是設置在廢水收集池或是處理環節中的其他蓄水池中，很多高溫廢水在輸送到收集池或蓄水池的過程中，已經散失了很多熱量，整體熱能沒有得到很好的利用，熱能利用率較低。

技術實現要素：

針對現有技術中的缺陷，本發明提供的一種基于工業廢水源的地熱利用方法，能提高廢水中熱能的回收利用率，并利用所回收的熱能滿足廢水源周邊區域的室內供熱和供冷需求。

本發明提供的基于工業廢水源的地熱利用方法，利用熱泵系統置換水源換熱系統和空調末端系統之中的熱量，平衡室內溫度，達到室內冬暖夏涼的效果；其中，所述水源換熱系統包括：一級換熱裝置和次級換熱裝置，所述一級換熱裝置包括依次串聯的一級換熱器、一級循環泵和一級換熱閥，所述一級換熱器安裝在廢水輸送管內；所述次級換熱裝置包括依次串聯的次級換熱器、次級循環泵和次級換熱閥，所述次級換熱器安裝在廢水處理過程中的蓄水池內；所述一級換熱裝置和所述次級換熱裝置并聯。所述空調末端系統包括：風機盤管和風機循環泵，風機盤管與風機循環泵的入口通過管道串聯。所述熱泵系統包括：壓縮機、蒸發器、膨脹閥、冷凝器、入口四通換向閥和出口四通換向閥，壓縮機、蒸發器、膨脹閥和冷凝器依次相連形成回路；蒸發器的入口與入口四通換向閥的兩個端口連接后，分別與水源換熱系統的出口和空調末端系統的出口連接；冷凝器的入口與入口四通換向閥的另兩個端口連接后，分別與水源換熱系統的出口和空調末端系統的出口連接；蒸發器的出口與出口四通換向閥的兩個端口連接后，分別與水源換熱系統的入口和空調末端系統的入口連接；冷凝器的出口與出口四通換向閥的另兩個端口連接后，分別與水源換熱系統的入口和空調末端系統入口連接。

本發明通過所述水源換熱系統吸收廢水中的熱量為所述熱泵系統供能，水體作為冬季熱泵供暖和夏季制冷的導熱介質，通過所述空調末端系統實現與室內的冷熱交換，達到室內冬暖夏涼的效果；供熱和制冷工況的切換，通過所述熱泵系統入口四通換向閥和出口四通換向閥控制循環水的流向來實現。

在供熱工況下，水源換熱系統中的水源循環水通過一級換熱器和次級換熱器分兩級充分吸取廢水中熱量后，由對應的一級循環泵和次級循環泵送入所述熱泵系統；所述一級換熱器和次級換熱器可以同時工作，也可以單一工作，其狀態選擇通過一級換熱閥和次級換熱閥的開閉實現。所述熱泵系統通過入口四通換向閥和出口四通換向閥控制循環水的流向，使水源循環水先進入所述蒸發器放熱，將熱量傳遞給導熱介質，降溫后返回廢水中再次吸熱，形成室外循環。所述熱泵系統通過所述壓縮機做功，將在所述蒸發器吸收完熱量的導熱介質傳遞給所述冷凝器，并在所述冷凝器中完成導熱介質與空調末端系統中的空調循環水的熱交換；傳熱降溫后的導熱介質通過所述膨脹閥減壓后，重新流入所述蒸發器再次吸熱，形成熱泵供熱循環。空調循環水吸取所述冷凝器的熱量達到供暖溫度后，通過所述風機循環泵輸送到所述風機盤管，完成室內放熱，降溫后返回冷凝器再次吸熱，形成室內循環。室內空氣吸收風機盤管帶來的熱量，達到供暖效果。

在制冷工況下，閉合一級換熱閥關閉一級換熱裝置，水源換熱系統中的水源循環水僅通過次級換熱器將熱量釋放給廢水，后由所述次級循環泵送入熱泵系統的冷凝器，吸收導熱介質中的熱量，而后返回廢水中再次釋放熱量，形成室外循環。所述熱泵系統做功，將在冷凝器中完成放熱的導熱介質經膨脹閥降壓后傳遞給所述蒸發器，并在所述蒸發器中吸收空調末端系統中空調循環水的熱量；吸熱升溫后的導熱介質經壓縮機增壓后重新流入所述冷凝器再次放熱，形成熱泵制冷循環。經所述蒸發器放熱降溫的空調循環水，通過所述風機循環泵輸送到所述風機盤管吸取室內熱量，而后返回所述蒸發器再次放熱，完成室內循環，實現室內降溫的目的。

分兩級吸收廢水中熱量，充分回收熱能，提高了廢水中熱能的回收利用率，并以此滿足了廢水源周邊區域的室內供熱和供冷需求。

進一步地，上述一級換熱器為螺旋盤設在廢水輸送管中的盤管；螺旋狀的盤管，加大水源循環水與廢水之間的熱交換面積，減少高溫廢水在輸送在輸送過程中熱量散失，提高熱能的回收率。

進一步地，上述次級換熱器為板式換熱器，板式換熱器內設置迂回的流道，安裝在廢水處理過程中的蓄水池內，增加廢水處理過程中的余熱吸收效率，同時便于蓄水池的清理。

進一步地，上述一級循環泵和所述次級循環泵均為螺桿泵，螺桿泵為電能驅動型熱泵，可提取更多熱量。

進一步地，上述一級循環泵和所述次級循環泵的出口端均設置有單向閥，避免一級換熱裝置和次級換熱裝置之間水源循環水倒流。

進一步地，上述冷凝器的出口處設置有流量控制閥，通過該流量控制閥調節循環水流量，實現調節熱泵系統對單次循環水做功時間的目的，達到控制室內溫度的效果。

進一步地，上述流量控制閥為溫度控制閥，且該溫度控制閥的溫度傳感器設置在冷凝器上。溫度傳感器內的感溫液體體積隨著冷凝器中的溫度變化相應的膨脹或收縮。冷凝器中溫度高于設定值時，感溫液體膨脹，推動上述流量控制閥的閥芯向下調小閥門，減少循環水的流量，以增加冷凝時間，降低導熱介質的溫度；冷凝器中溫度低于設定值時，感溫液體收縮，復位彈簧推動上述流量控制閥的閥芯調大閥門，增加循環水的流量，以減少冷凝時間，提導熱介質的溫度；通過對導熱介質的溫度控制，實現室內溫度的自動控制。

進一步地，上述地熱循環泵的出口和換熱器的入口之間設置有壓力平衡閥，用以平衡室外循環系統的循環水壓力，避免因壓力不均導致的地熱循環泵損壞或功率不穩。

采用以上技術方案，本發明提供的基于工業廢水源的地熱利用方法，能提高廢水中熱能的回收利用率，并利用所回收的熱能滿足廢水源周邊區域的室內供熱和供冷需求。

附圖說明

圖1為本發明的結構原理示意圖；

圖2為本發明一級換熱器的結構示意圖；

圖3為本發明次級換熱器的結構示意圖；

圖4為本發明供熱工況結構原理示意圖；

圖5為本發明制冷工況結構原理示意圖。

附圖標記：1-水源換熱系統；11-一級換熱裝置；111-一級換熱器；1111-盤管；1112-盤管入口；1113-盤管出口；112-一級循環泵；113-一級換熱閥；12-次級換熱裝置；121-次級換熱器；1211-換熱器流道；1212-換熱器入口；1213-換熱器出口；122-次級循環泵；123-次級換熱閥；13-單向閥；14-壓力平衡閥；2-熱泵系統；21-冷凝器；22-膨脹閥；23-蒸發器；24-壓縮機；25-入口四通換向閥；251～254-入口四通換向閥端口；26-出口四通換向閥；261～264-出口四通換向閥端口；27-流量控制閥；28-溫度傳感器；3-空調末端系統；31-風機盤管；32-風機循環泵；4-廢水輸送管

具體實施方式

下面將結合附圖對本發明技術方案的實施例進行詳細的描述。以下實施例僅用于更加清楚地說明本發明的技術方案，因此只作為示例，而不能以此來限制本發明的保護范圍。

實施例1：

如圖1至圖4所示，本發明提供的基于工業廢水源的地熱利用方法，利用熱泵系統2置換水源換熱系統1和空調末端系統3之中的熱量，平衡室內溫度，達到室內冬暖夏涼的效果。水源換熱系統1包括：一級換熱裝置11和次級換熱裝置12。一級換熱裝置11包括依次串聯的一級換熱器111、一級循環泵112和一級換熱閥113；該一級換熱器111為螺旋盤設在廢水輸送管4中的盤管1111，并通過開設在廢水輸送管4表面的盤管入口1112和盤管出口1113，將盤管1111與接入水源換熱系統1中形成回路，吸收廢水在輸送過程中較高熱量，提高熱能的回收率。次級換熱裝置12包括依次串聯的次級換熱器121、次級循環泵122和次級換熱閥123；該次級換熱器121為內部設有迂回流道1211的板式換熱器，安裝在廢水處理過程中的蓄水池內，通過板式換熱器一側的換熱器入口1212和換熱器出口1213，接入水源換熱系統1中形成回路，補充吸收廢水處理過程中的廢水余熱。一級換熱裝置11和次級換熱裝置12并聯后接入到熱泵系統2，并在同為螺桿泵的一級循環泵112和次級循環泵122的出口端分別設置一個單向閥13，避免并聯后的兩級換熱裝置之間水源循環水倒流。

空調末端系統3包括：風機盤管31和風機循環泵32，風機盤管31的出口與風機循環泵32的入口通過管道連接。蒸發器23的入口與入口四通換向閥25的端口251和端口253連接后，分別與水源換熱系統1的出口和風機循環泵32的出口連接；冷凝器21的入口與入口四通換向閥25的端口152和端口254連接后，分別與水源換熱系統1的出口和風機循環泵32的出口連接；蒸發器23的出口與入出口四通換向閥26的端口162和端口164連接后，分別與水源換熱系統1的入口和風機盤管31的入口連接；冷凝器21的出口與出口四通換向閥26的端口261和端口263連接后，分別與水源換熱系統1的入口和風機盤管31的入口連接，從而形成相互獨立的室外循環和室內循環。

水源換熱系統1吸收廢水中的熱量為熱泵系統2供能，熱泵系統2做功遵循卡諾循環原理，即Q₂＝Q₁+W(Q₂為用戶利用的能、Q₁為系統提取的廢水熱能、W為系統使用的電能)，通過輸入少量電能，可以實現低溫位熱能向高溫位轉移。水體分別作為冬季熱泵供暖和夏季制冷的導熱介質，在于完成與水源換熱系統1的熱交換后，通過空調末端系統3實現與室內的冷熱交換，達到室內冬暖夏涼的效果。

同時，冷凝器21的出口處設置有流量控制閥27，且該流量控制閥27為溫度控制閥，其溫度傳感器28設置在冷凝器21上。溫度傳感器28的控制作用為比例調節，其內的感溫液體體積隨著冷凝器21中的溫度變化均勻的膨脹或收縮。冷凝器21中溫度高于設定值時，感溫液體膨脹，推動流量控制閥27的閥芯向下調小閥門，減少循環水的流量，以增加冷凝時間，降低導熱介質的溫度；冷凝器21中溫度低于設定值時，感溫液體收縮，復位彈簧推動流量控制閥27的閥芯調大閥門，增加循環水的流量，以減少冷凝時間，提高導導熱介質的溫度；通過流量控制閥27調節循環水流量，控制熱泵系統2對單次循環水的做功時間，實現對導熱介質的溫度控制，達到自動控制室內溫度的目的。

如圖4所示，入口四通換向閥25的第一端口251和第四端口254打開，第二端口252和第三端口253關閉；出口四通換向閥26的第二端口262和第三端口263打開，第一端口261和第四端口264關閉；水源換熱系統1由并聯的一級換熱裝置11和次級換熱裝置12組成，并通過一級換熱閥113和次級換熱閥123的開閉，實現一級換熱裝置11和次級換熱裝置12同時或單獨工作。一級換熱裝置11中的水源循環水通過一級換熱器111在廢水輸送管4中吸取較高的熱量后，由一級循環泵112送入熱泵系統2中；次級換熱裝置12中的水源循環水通過次級換熱器111在蓄水池中吸取殘余廢水熱量后，由次級循環泵122送入熱泵系統2中。并聯后水源循環水先進入蒸發器23放熱，將熱量傳遞給導熱介質，降溫后返回廢水輸送管和蓄水池中再次吸取廢水熱量，形成室外循環。熱泵系統2通過壓縮機24做功，將在蒸發器23中吸收完熱量的導熱介質傳遞給冷凝器21，并在冷凝器21中完成導熱介質與空調末端系統3中的空調循環水的熱交換；傳熱降溫后的導熱介質通過膨脹閥22減壓后，重新流入蒸發器23再次吸熱，形成熱泵供熱循環。空調循環水吸取冷凝器21的熱量達到供暖溫度后，通過風機循環泵32輸送到室內的風機盤管31，完成室內放熱，降溫后返回冷凝器21再次吸熱，形成室內循環。室內空氣吸收風機盤管31帶來的熱量，達到供暖效果。

實施例2：

如圖5所示，入口四通換向閥25的第一端口251和第四端口254關閉，第二端口252和第三端口253打開；出口四通換向閥26的第二端口262和第三端口263關閉，第一端口261和第四端口264打開；同時，因廢水輸送管的溫度較高，且為封閉狀態，散熱能力不理想，閉合一級換熱閥113關閉一級換熱裝置11，打開次級換熱閥123，僅開啟置于開放式蓄水池中的次級換熱裝置12用來散熱。水源換熱系統1中的水源循環水通過次級換熱器121在蓄水池內將熱量釋放給廢水，后由次級循環泵122送入熱泵系統2的冷凝器21吸收導熱介質中的熱量，而后返回蓄水池再次釋放熱量，形成室外循環。熱泵系統2做功，

將在冷凝器21中完成放熱的導熱介質經膨脹閥22降壓后，傳遞給蒸發器23，并在蒸發器23中吸收空調末端系統3中空調循環水的熱量；吸熱升溫后的導熱介質經壓縮機24增壓后重新流入冷凝器21再次放熱，形成熱泵制冷循環。經蒸發器23放熱降溫的空調循環水，通過風機循環泵32輸送到風機盤管31吸取室內熱量，而后返回蒸發器13再次放熱，完成室內循環，實現室內降溫的目的。

采用以上技術方案，本發明提供的基于工業廢水源的地熱利用方法，在供熱過程中，通過兩級回收廢水中的熱量，尤其是通過一級熱交換裝置11及早的回收廢水輸送管4中較高的熱能，極大的提高了廢水中熱能的回收利用率，并利用所回收的熱能滿足廢水源周邊區域的室內供熱和供冷需求。

需要說明的是，以上優選實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；盡管參照前述實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發明實施例技術方案的范圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求和說明書的范圍當中。