CN113603226A - 用于寒冷地区人工湿地的浅层地热自循环系统 - Google Patents

用于寒冷地区人工湿地的浅层地热自循环系统 Download PDF

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黄海宇
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徐坤
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Abstract

本发明公开了一种用于寒冷地区人工湿地的浅层地热自循环系统，用于对人工湿地池内的水体进行加热，包括设置在地热层内的加热器、采暖设备、热水管、顺次连接的横向回水管和纵向回水管，其中热水管两端分别连通加热器的出口端和采暖设备的入口端，采暖设备设置在所述人工湿地池底，其出口端与横向回水管相通，横向回水管与纵向回水管设置在人工湿地池和地热层之间，纵向回水管连通加热器的回水端。本发明的优点是：可以利用浅层地热对人工湿地进行加热，无需动力设备，利用温度差实现自循环，结构简单，管理方便，运行费用低。

Description

用于寒冷地区人工湿地的浅层地热自循环系统
技术领域
本发明涉及污水处理技术领域，尤其是涉及在寒冷地区人工湿地中使用的地热循环系统。
背景技术
随着经济的发展和人民生活水平的提高，水环境污染问题越发突出，亟需对水环境进行整治处理，国家也加大了对水污染的治理力度。针对污水管网建设程度较低的地区以及国家对生态治理理念的重视，人工湿地越来越显示出其优势之处，被越来越多的推广和建设。人工湿地具有生态美观、能耗少、占地省、投资省、运行维护方便等优点，主要利用植物、微生物和基质共同发挥作用，通过过滤、吸附、沉淀、离子交换、微生物分解和植物根系吸收等途径去除水中的悬浮物、有机物质和氮磷，在实际工程项目中已经积累了较为成熟的经验。然而，人工湿地运用受气候影响较大，在北方地区冬季温度低，处理效率大幅降低，也易结冰，导致人工湿地无法正常运行；此外，很多农村和偏远地区取电困难，难以管理，从而限制了人工湿地的运用。因此，亟需探索针对寒冷地区的新型人工湿地，以解决上述问题。
地热能是蕴藏在地球内部丰富的天然热能，具有清洁、稳定、高效、安全等优点，是我国大力研究和开发运用的天然环保热源，在节能减排、调整能源结构等方面发挥巨大作用，尤其在供暖领域，地热能将是未来主要的发展方向。
在中国专利文献CN 103936160 B中公开了一种利用恒流水泵将丰富的地热输送至保温湿地床，提高湿地床基质温度的方法，该方法虽能提高湿地床的温度，但需要设置水泵并消耗电能，在取电困难的偏远地区难以运用；此外，这种直接加热的方式使得地下水和人工湿地的水体有可能相互连接，易污染地下水。
在中国专利文献CN 212198706 U中公开了一种利用地热能直接热传导或者发电后再加热的方式对人工湿地的进水管道进行加热。该技术需要用到地热水蒸气，属于极高温度的地热资源，很难获取，而且能量转化过程多，利用效率势必较低，由于涉及高温能量，设备复杂，操作繁琐，造价高，运营管理麻烦。此外，多余的电能要存储也会在水资源保护区或自然保护区受到制约。
综上所见，目前这个领域的现有技术中存在以下问题：
1、大多需要浅层的高温地热，限制了技术的使用；
2、在提取地热能量方面，大多需要用到动力设备将地热热水抽取到地面，或者将热能转化为电能，再用电转化为热能，能量损失和消耗较为严重，运行成本会上升；
3、部分技术采用地热热水直接加热方式，容易造成地下水的污染，存在环境风险；
4、设备结构复杂，管理操作不便，造价和运行费用较高；
可见，在我国幅员辽阔的北方农村地区和自然保护区、水源保护地等地区，急需一种对地热资源要求不高、结构简单、无需外加能量、价格相对低廉、管理简单、对地下水和环境无污染的，能在冬季利用地热资源加热的人工湿地系统。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于寒冷地区人工湿地的浅层地热自循环系统，对地热资源要求不高，结构简单，无需外加能量，价格相对低廉，管理简单可靠，对环境和地下水无污染风险。
本发明的技术解决方案是：一种用于寒冷地区人工湿地的浅层地热自循环系统，用于对人工湿地池内的水体进行加热，包括设置在地热层内的加热器、采暖设备、热水管、顺次连接的横向回水管和纵向回水管，其中热水管两端分别连通加热器的出口端和采暖设备的入口端，采暖设备设置在所述人工湿地池底，其出口端与横向回水管相通，横向回水管与纵向回水管设置在人工湿地池和地热层之间，纵向回水管连通加热器的回水端。
设置在地热层内的加热器可以吸收地热能量，将循环水加热，热水通过热水管进入采暖设备中，对进入人工湿地的污水进行加热，换热降温后的循环水被冷却，冷水通过横向回水管和纵向回水管返回加热器内，由于热水和冷水存在温度差，进而产生密度差，形成重力差，以此作为动力驱动循环水在地热层内的加热器和人工湿地池内的采暖设备之间循环流动，持续对人工湿地内的污水进行加热，确保寒冷季节的正常运行，由于循环水与污水相互分离，不存在污染环境的风险，利用温差推动水循环，无需动力装置，结构简单，长期运行成本底，管理容易。
所述采暖设备沿所述热水管一端向所述横向回水管一端倾斜设置。便于采暖设备内的循环时向出口方向流动，增大其循环推动力。
所述横向回水管沿管内水流方向倾斜设置，用于使管内水流在不设置循环水泵的情形下可利用水温差形成的重力差来推动循环流动。横向回水管用于将采暖设备内的循环水收集返回加热器，采用倾斜设置，有利于利用重力增加循环水的推动力。
在所述热水管上设有延伸出所述人工湿地池外的热水箱，在热水箱顶部设有压力安全阀。循环冷水在加热器被加热后，体积会膨胀，为确保管道系统安全，使用热水箱容置膨胀产生的体积，以消减管道压力，过大的水压还可以通过压力安全阀向外排放，提高系统的安全性，此外还可以通过热水箱补充循环水。
在所述热水管外设有保温层。可以保证热水管内热水的温度，确保循环系统中冷水和热水之间的温差，以提供足够的循环动力。
所述采暖设备为环状、螺旋形或迂回型循环管。增加循环水和污水之间的接触传热面积，快速将热量传递至污水中，加快热传递的效率。
本发明的优点是：可以利用浅层地热对人工湿地进行加热，无需动力设备，利用温度差实现自循环，结构简单，管理方便，运行费用低。
附图说明
附图1为本发明实施例的结构示意图；
1、人工湿地池，2、进水口，3、出水口，4、加热层，5、填料层，6、挺水植物，7、地热层，8、加热器，9、热水管，10、采暖设备，11、横向回水管，12、纵向回水管，13、止回阀，14、保温层，15、热水箱，16、压力安全阀。
具体实施方式
实施例：
参阅图1，一种用于寒冷地区人工湿地的浅层地热自循环系统，用于对人工湿地池1内的水体进行加热，包括设置在地热层7内的8、采暖设备10、热水管9、顺次连接的横向回水管11和纵向回水管12，其中热水管9两端分别连通加热器8的出口端和采暖设备10的入口端，采暖设备10设置在所述人工湿地池1池底，其出口端与横向回水管11，横向回水管11与纵向回水管12设置在人工湿地池1和地热层7之间，纵向回水管12连通加热器8的回水端。人工湿地池1内部自下而上设有加热层4和填料层5，进水口2设置在池体底部，出水口3设置在另一侧的顶部，且位于填料层5顶面10cm以下。在填料层5上种植挺水植物6。填料层5的厚度控制在100-185cm左右。
设置在地热层7内的加热器8可以吸收地热能量，将循环水加热，热水通过热水管9进入采暖设备10中，对进入人工湿地的污水进行加热，换热降温后的循环水被冷却，冷水通过横向回水管11和纵向回水管12返回加热器8内，由于热水和冷水存在温度差，进而产生密度差，形成重力差，以此作为动力驱动循环水在地热层7内的加热器8和人工湿地池1内的采暖设备10之间循环流动，持续对人工湿地内的污水进行加热，确保寒冷季节的正常运行，由于循环水与污水相互分离，不存在污染环境的风险，利用温差推动水循环，无需动力装置，结构简单，长期运行成本底，管理容易。
所述采暖设备10沿热水管9一端向横向回水管11一端倾斜设置。横向回水管11沿管内水流方向倾斜设置，用于使管内水流在不设置循环水泵的情形下可利用水温差形成的重力差来推动循环流动。对采暖设备10和横向回水管11分别设置倾斜的坡度，有助于在管内水流运动，增大其循环推动力。采暖设备10在本实施例中采用环状、螺旋形或迂回型循环管结构，可以相应增加换热面积，提高换热效率。
在热水管9上设有延伸出人工湿地池1外的热水箱15，在热水箱15顶部设有压力安全阀16。循环冷水在加热器被加热后，体积会膨胀，为确保管道系统安全，使用热水箱容置膨胀产生的体积，以消减管道压力，过大的水压还可以通过压力安全阀向外排放，提高系统的安全性，此外还可以通过热水箱补充循环水。
在热水管9外设有保温层14。可以保证热水管内热水的温度，确保循环系统中冷水和热水之间的温差，以提供足够的循环动力。
在本实施例中，加热器8应尽量设置在热水管9所在位置，以减少热水向上运动的距离，横向回水管11和纵向回水管12应尽量远离加热层4，纵向回水管12应直接接入加热器8内，以加大热水管9和回水管之间的温度差，确保循环水的动力。
位于人工湿地池1底部的加热层4可以用卵石填充，方便承托其上方的填料层5，并且留出足够的空间方便采暖设备10与人工湿地中的污水充分接触。
地热层7可以采用浅层地温地热，只要确保比外界地表水温高出20℃，热水和冷水之间的温度差在20℃，就可以方便的实现自循环。
上列详细说明是针对本发明之一可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

Claims (6)

1.一种用于寒冷地区人工湿地的浅层地热自循环系统，用于对人工湿地池内的水体进行加热，其特征在于：包括设置在地热层内的加热器、采暖设备、热水管、顺次连接的横向回水管和纵向回水管，其中热水管两端分别连通加热器的出口端和采暖设备的入口端，采暖设备设置在所述人工湿地池底，其出口端与横向回水管相通，横向回水管与纵向回水管设置在人工湿地池和地热层之间，纵向回水管连通加热器的回水端。
2.根据权利要求1所述的用于寒冷地区人工湿地的浅层地热自循环系统，其特征在于：所述采暖设备沿所述热水管一端向所述横向回水管一端倾斜设置。
3.根据权利要求2所述的用于寒冷地区人工湿地的浅层地热自循环系统，其特征在于：所述横向回水管沿管内水流方向倾斜设置，用于使管内水流在不设置循环水泵的情形下可利用水温差形成的重力差来推动循环流动。
4.根据权利要求1或2或3所述的用于寒冷地区人工湿地的浅层地热自循环系统，其特征在于：在所述热水管上设有延伸出所述人工湿地池外的热水箱，在热水箱顶部设有压力安全阀。
5.根据权利要求4所述的用于寒冷地区人工湿地的浅层地热自循环系统，其特征在于：在所述热水管外设有保温层。
6.根据权利要求4所述的用于寒冷地区人工湿地的浅层地热自循环系统，其特征在于：所述采暖设备为环状、螺旋形或迂回型循环管。
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