CN113720043A - 园区水系与能源耦合集成系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种园区水系与能源耦合集成系统及方法，它包括水净化模块、能源模块、调蓄模块、河湖模块、管网和调节装置，通过依次连接水净化模块、能源模块、调蓄模块和管网，水净化模块与河湖模块连通，管网位于河湖模块内，抽吸水泵抽取河湖水体中的水形成工作水流，水源热泵提取工作水流中的能量后将工作水流转换成失温水，失温水经过调蓄模块进入管网从喷泉头排出与空气充分交换热量，并吸收氧气改变水质，落入河湖水体与其耦合，推动河湖水体循环流动，调节装置调节进水管进水温度，改变水源热泵工作能效，有利于提高水源热泵能效的同时，促进水系健康，避免环境遭到污染，操作简单方便。

Description

园区水系与能源耦合集成系统及方法

技术领域

本发明专利属于环保能源工程技术领域，涉及一种园区水系与能源耦合集成系统及方法。

背景技术

水源热泵从水源中提取能量用于空调系统，即是通过输入少量高品位能源，如电能，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的热源和夏季空调的冷源。其作为绿色能源技术，在产业园区、生活区等较为集中的地方，已被推广，但水源热泵提取后的水源因为存在失温，当其排向环境水体时会造成环境污染，进而降低自然水系的水环境质量。目前面临克服的问题是如何提高水源热泵能效的同时，不降低水系的水质，避免环境遭到污染。

发明内容

本发明专利所要解决的技术问题是提供一种园区水系与能源耦合集成系统及方法，依次连接水净化模块、能源模块、调蓄模块和管网，水净化模块与河湖模块连通，管网位于河湖模块内，抽吸水泵抽取河湖水体中的水形成工作水流，水源热泵提取工作水流中的能量后将工作水流转换成失温水，失温水经过调蓄模块进入管网从喷泉头排出与空气充分交换热量，并吸收氧气改变水质，落入河湖水体与其耦合，推动河湖水体循环流动，调节装置调节进水管进水温度，改变水源热泵工作能效，有利于提高水源热泵能效的同时，促进水系健康，避免环境遭到污染，操作简单方便。

为解决上述技术问题，本发明专利所采用的技术方案是：一种园区水系与能源耦合集成系统，它包括水净化模块、能源模块、调蓄模块、河湖模块、管网和调节装置；所述水净化模块、能源模块和调蓄模块依次连接，水净化模块和调蓄模块分别与河湖模块和管网连通，调节装置位于河湖模块内与水净化模块的进水管的管口端头连接。

所述水净化模块包括抽吸水泵连接的水质净化装置，抽吸水泵的进水管与河湖模块连通。

所述能源模块包括水源热泵连接的空调系统及光伏发电装置电性连接的储能装置，储能装置与水净化模块和调蓄模块电性连接。

所述调蓄模块包括调蓄池连接的排放水泵，以及与排放水泵连接的排放管。

所述河湖模块包括位于环形水系内的河湖水体和水生植物，以位于河床下的深潭。

所述管网为环形结构，调蓄模块的排放管与管网连通，管网位于环形水系内的河湖水体中；多个喷泉头均为分布在排放管的连通节点两侧并与管网连通，该连通节点两侧的喷泉头喷射的方向相反。

所述排放管与管网的连通节点和进水管与河湖模块的连通节点位于管网同一中心轴线上；喷泉头的数量在进水管与河湖模块的连通节点两侧逐渐减少。

所述调节装置包括升降缸连接的升降杆，以及与升降杆下端连接的抱箍，靠近抱箍处设置水温传感器，抱箍与进水管的管口端头连接，升降缸和水温传感器与控制系统连接。

所述能源模块的水源热泵排出的失温水经调蓄模块处理后，进入管网从喷泉头排出与河湖模块耦合。

如上所述的园区水系与能源耦合集成系统的耦合方法，它包括如下步骤：

S1,取能，从河湖模块内提取能量并转换为失温水；

S1-1，抽吸水泵启动，河湖水体中的水沿进水管的管口进入水净化模块，水质净化装置对其进行净化并形成工作水流；此步骤中，工作水流中悬浮物及钙、镁的含量降低，去除工作水流中含量较高的氮、磷污染物；

S1-2，水源热泵启动，提取工作水流中的能量，通过空调系统供给用户端，工作水流经水源热泵转换后形成失温水；

S2,调蓄，失温水进入调蓄池，当水位达到一定量后，排放水泵启动，将失温水从调蓄池沿排放管排出；此时，失温水的压力增大；

S3,耦合，高压失温水与空气接触后再与河湖水体耦合；

S3-1，高压失温水沿排放管进入管网，从喷泉头喷出，呈倾斜状射入河湖水体水面；此步骤中，排放管与管网连通节点两侧的喷泉头喷射的方向相反，且喷射射流与河湖水体呈倾斜状；

S3-2，失温水从喷泉头喷出后，与空气接触，充分交换热量，并吸收空气中的氧气；此步骤中，失温水氮、磷有机物的含量仍远低于园区河湖水体有机物的含量；

S3-3，失温水降落至河湖水体水面时，推动河湖水体在环形水系内运动；此时，失温水趋于接近河湖水体水面的温度，两者的温度相互耦合；

S4，补水净化，失温水在环形水系内运动的过程中，形成两个互为反向的流动路径流向进水管的一端，对河湖水体进行补充，与此同时，水生植物净化河湖水体；

S5，温差调节，升降缸启动，驱动升降杆带动进水管的管口端头上升或下降，使管口端头调整至另一水温层；此时，自然室温不变，水温发生变化，相应地改变水源热泵工作时的温差和能效；

S6储能，光伏发电装置接受太阳能并转化为电能储存于储能装置中，储能装置中的电能优选供给抽吸水泵、水源热泵、排放水泵和升降缸，富余的电能供给电网。

本发明专利的有益效果主要体现于：

抽吸水泵从河湖水体抽水通过水质净化装置净化后，再进入水源热泵，降低工作水流中污染物，使得从喷泉头喷出的失温水，其氮、磷有机物的含量远低于园区河湖水体有机物的含量。

光伏发电装置将太阳能转化成电能储存于储能装置中，优选供给本系统中的用电装置，富余的电能供给电网。

河湖水体中河床以下的深潭，形成多个不同温度的水温层，有利于将进水管的管口端头设置于深潭区，使得水源热泵工作温差值范围更宽泛。

调节装置驱动进水管的管口端头上升或下降，改变进水温度，达到改变水源热泵工作时的温差和能效。

河湖水体内的水生植物以沉水植物为主，有利于促进水体健康。

在环形水系内设置环形结构的管网，管网上分布的喷泉头呈倾斜状喷水推动河湖水体形成两个流动路径反向循环，促进水系健康。

喷泉头的数量在靠近进水管的进水端两侧逐渐减少，使得喷泉头喷射的水远离进水端，相应地减小了对进水端的水体扰动，避免进水端的温度波动过大，对水源热泵的能效造成影响。

水源热泵抽取水体中的能量后转变为失温水，增压后进入管网从喷泉头排出推动水体流动，净化水体，使失温水与河湖水体表层水温耦合，同时因失温水水质较河湖水体水质好，将失温水的不利因素转换成对循环水系的有利于因素，使两者耦合，充分发挥能效。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明专利作进一步说明：

图1为本发明河湖水体循环示意图。

图2为本发明管网内失温水循环示意图。

图3为本发明河湖模块断面示意图。

图4为本发明调节装置布局示意图。

图5为本发明能源模块的示意图。

图6为本发明储能装置连接示意图。

图7为本发明调蓄模块的示意图。

图中：水净化模块1，抽吸水泵11，水质净化装置12，进水管13，能源模块2，水源热泵21，空调系统22，光伏发电装置23，储能装置24，调蓄模块3，调蓄池31，排放水泵32，排放管33，河湖模块4，河湖水体41，水生植物42，河床43，深潭44，管网5，喷泉头51，调节装置6，升降缸61，升降杆62，抱箍63，水温传感器64。

具体实施方式

如图1~图7中，一种园区水系与能源耦合集成系统，它包括水净化模块1、能源模块2、调蓄模块3、河湖模块4、管网5和调节装置6；所述水净化模块1、能源模块2和调蓄模块3依次连接，水净化模块1和调蓄模块3分别与河湖模块4和管网5连通，调节装置6位于河湖模块4内与水净化模块1的进水管13的管口端头连接。使用时，抽吸水泵11抽取河湖水体41中的水形成工作水流，水源热泵21提取工作水流中的能量后将工作水流转换成失温水，失温水经过调蓄模块3进入管网5从喷泉头51排出与空气充分交换热量，并吸收氧气改变水质，落入河湖水体41与其耦合，推动河湖水体41循环流动，调节装置6调节进水管13进水温度，改变水源热泵21工作能效，有利于提高水源热泵能效的同时，促进水系健康，避免环境遭到污染，操作简单方便。

优选的方案中，所述水净化模块1包括抽吸水泵11连接的水质净化装置12，抽吸水泵11的进水管13与河湖模块4连通。使用时，抽吸水泵11抽取河湖水体41中的水形成工作水流，水质净化装置12对工作水流进行净化处理。

优选地，水质净化装置12净化并去除工作水流中的污染物，降低工作水流中悬浮物及钙、镁的含量，有利于减少水源热泵21后续管路中的水垢，还在于减少工作水流中含量较高的氮、磷等污染物的分量，使得工作水流的水质好于河湖水体41的水质。

优选的方案中，所述能源模块2包括水源热泵21连接的空调系统22及光伏发电装置23电性连接的储能装置24，储能装置24与水净化模块1和调蓄模块3电性连接。使用时，水源热泵21提取工作水流中的能量经空调系统22转换成冷源或热源供给用户端，光伏发电装置23接收太阳能并转换成电能储存于储能装置24内。

优选的方案中，所述调蓄模块3包括调蓄池31连接的排放水泵32，以及与排放水泵32连接的排放管33。使用时，工作水流经过水源热泵21提取能量后转换成失温水进入调蓄池31，当水位达到设定值后，排放水泵32启动，增压后的高压失温水沿排放管33进入管网5。

优选的方案中，所述河湖模块4包括位于环形水系内的河湖水体41和水生植物42，以位于河床43下的深潭44。使用时，河湖水体41内的水生植物42主要为沉水植物，对是水体起净化作用，位于河床43下的深潭44将水体分成多个不同的水温层，有利于抽取不同温度的水，调节与自然室温之间的温差值。

优选的方案中，所述管网5为环形结构，调蓄模块3的排放管33与管网5连通，管网5位于环形水系内的河湖水体41中；多个喷泉头51均为分布在排放管33的连通节点两侧并与管网5连通，该连通节点两侧的喷泉头51喷射的方向相反。使用时，从喷泉头51排出的失温水向河湖模块4内补水；喷泉头51呈倾斜状喷水，并推动河湖水体41形成两个流动路径反向循环，有利于促进水系健康。

优选的方案中，所述排放管33与管网5的连通节点和进水管13与河湖模块4的连通节点位于管网5同一中心轴线上；喷泉头51的数量在进水管13与河湖模块4的连通节点两侧逐渐减少。使用时，进水管13和排放管33位于环形结构的管网5同一中心轴线上，有利于减小管路连接的长度，便于布局能源模块2和调蓄模块3，节省空间，减少土地占用面积；喷泉头51的数量在靠近进水管13的进水端两侧逐渐减少，使得喷泉头51喷射的水远离进水端，相应地减小了对进水端的水体扰动，避免进水端的温度波动过大，对水源热泵21的能效造成影响。

优选的方案中，所述调节装置6包括升降缸61连接的升降杆62，以及与升降杆62下端连接的抱箍63，靠近抱箍63处设置水温传感器64，抱箍63与进水管13的管口端头连接，升降缸61和水温传感器64与控制系统连接。使用时，升降缸61驱动升降杆62上升或下降，进水管13和水温传感器64的管口端头随之升降，则进水的水温发生改变；水温传感器64将

优选地，水温传感器64将感应的水温温度传输给控制系统，控制系统计算水温温度和自然室温温度的差值，再控制升降缸61驱动升降杆62的升降量，精确调整进水管13的管口端头进水水温。

优选地，升降杆62穿过深潭44上部的过滤网，过滤网设置于深潭44潭口上部，通过过滤网阻河湖水体41中中的杂物，避免堵塞进水管13的管口端头。

优选的方案中，所述能源模块2的水源热泵21排出的失温水经调蓄模块3处理后，进入管网5从喷泉头51排出与河湖模块4耦合。使用时，水源热泵21抽取水体中的能量后转变为失温水，增压后进入管网5从喷泉头排出推动水体流动，此过程中，失温水充分与空气交换热量并吸收氧气，且失温水经过处理后水质较河湖水体41水质好，使其与河湖水体41耦合，将失温水的不利因素转换成对循环水系的有利于因素，使两者耦合，充分发挥能效。

优选的方案中，如上所述的园区水系与能源耦合集成系统的耦合方法，它包括如下步骤：

S1,取能，从河湖模块4内提取能量并转换为失温水；

S1-1，抽吸水泵11启动，河湖水体41中的水沿进水管13的管口进入水净化模块1，水质净化装置12对其进行净化并形成工作水流；此步骤中，工作水流中悬浮物及钙、镁的含量降低，去除工作水流中含量较高的氮、磷污染物；

S1-2，水源热泵21启动，提取工作水流中的能量，通过空调系统22供给用户端，工作水流经水源热泵21转换后形成失温水；

S2,调蓄，失温水进入调蓄池31，当水位达到一定量后，排放水泵32启动，将失温水从调蓄池31沿排放管33排出；此时，失温水的压力增大；

S3,耦合，高压失温水与空气接触后再与河湖水体耦合；

S3-1，高压失温水沿排放管33进入管网5，从喷泉头51喷出，呈倾斜状射入河湖水体41水面；此步骤中，排放管33与管网5连通节点两侧的喷泉头51喷射的方向相反，且喷射射流与河湖水体41呈倾斜状；

S3-2，失温水从喷泉头51喷出后，与空气接触，充分交换热量，并吸收空气中的氧气；此步骤中，失温水氮、磷有机物的含量仍远低于园区河湖水体41有机物的含量；

S3-3，失温水降落至河湖水体41水面时，推动河湖水体41在环形水系内运动；此时，失温水趋于接近河湖水体41水面的温度，两者的温度相互耦合；

S4，补水净化，失温水在环形水系内运动的过程中，形成两个互为反向的流动路径流向进水管13的一端，对河湖水体41进行补充，与此同时，水生植物42净化河湖水体41；

S5，温差调节，升降缸61启动，驱动升降杆62带动进水管13的管口端头上升或下降，使管口端头调整至另一水温层；此时，自然室温不变，水温发生变化，相应地改变水源热泵21工作时的温差和能效；

S6储能，光伏发电装置23接受太阳能并转化为电能储存于储能装置24中，储能装置24中的电能优选供给抽吸水泵11、水源热泵21、排放水泵32和升降缸61，富余的电能供给电网。该方简单方便，将失温水的不利因素转换成对循环水系的有利于因素，便于调节，充分发挥能效，促进水系健康。

上述的实施例仅为本发明专利的优选技术方案，而不应视为对于本发明专利的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明专利的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明专利的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种园区水系与能源耦合集成系统，其特征是：它包括水净化模块（1）、能源模块（2）、调蓄模块（3）、河湖模块（4）、管网（5）和调节装置（6）；所述水净化模块（1）、能源模块（2）和调蓄模块（3）依次连接，水净化模块（1）和调蓄模块（3）分别与河湖模块（4）和管网（5）连通，调节装置（6）位于河湖模块（4）内与水净化模块（1）的进水管（13）的管口端头连接。

2.根据权利要求1所述的园区水系与能源耦合集成系统，其特征是：所述水净化模块（1）包括抽吸水泵（11）连接的水质净化装置（12），抽吸水泵（11）的进水管（13）与河湖模块（4）连通。

3.根据权利要求1所述的园区水系与能源耦合集成系统，其特征是：所述能源模块（2）包括水源热泵（21）连接的空调系统（22）及光伏发电装置（23）电性连接的储能装置（24），储能装置（24）与水净化模块（1）和调蓄模块（3）电性连接。

4.根据权利要求1所述的园区水系与能源耦合集成系统，其特征是：所述调蓄模块（3）包括调蓄池（31）连接的排放水泵（32），以及与排放水泵（32）连接的排放管（33）。

5.根据权利要求1所述的园区水系与能源耦合集成系统，其特征是：所述河湖模块（4）包括位于环形水系内的河湖水体（41）和水生植物（42），以位于河床（43）下的深潭（44）。

6.根据权利要求1所述的园区水系与能源耦合集成系统，其特征是：所述管网（5）为环形结构，调蓄模块（3）的排放管（33）与管网（5）连通，管网（5）位于环形水系内的河湖水体（41）中；多个喷泉头（51）均为分布在排放管（33）的连通节点两侧并与管网（5）连通，该连通节点两侧的喷泉头（51）喷射的方向相反。

7.根据权利要求6所述的园区水系与能源耦合集成系统，其特征是：所述排放管（33）与管网（5）的连通节点和进水管（13）与河湖模块（4）的连通节点位于管网（5）同一中心轴线上；喷泉头（51）的数量在进水管（13）与河湖模块（4）的连通节点两侧逐渐减少。

8.根据权利要求1所述的园区水系与能源耦合集成系统，其特征是：所述调节装置（6）包括升降缸（61）连接的升降杆（62），以及与升降杆（62）下端连接的抱箍（63），靠近抱箍（63）处设置水温传感器（64），抱箍（63）与进水管（13）的管口端头连接，升降缸（61）和水温传感器（64）与控制系统连接。

9.根据权利要求1所述的园区水系与能源耦合集成系统，其特征是：所述能源模块（2）的水源热泵（21）排出的失温水经调蓄模块（3）处理后，进入管网（5）从喷泉头（51）排出与河湖模块（4）耦合。

10.根据权利要求1~9任一项所述的园区水系与能源耦合集成系统的耦合方法，其特征是，它包括如下步骤：

S1,取能，从河湖模块（4）内提取能量并转换为失温水；

S1-1，抽吸水泵（11）启动，河湖水体（41）中的水沿进水管（13）的管口进入水净化模块（1），水质净化装置（12）对其进行净化并形成工作水流；此步骤中，工作水流中悬浮物及钙、镁的含量降低，去除工作水流中含量较高的氮、磷污染物；

S1-2，水源热泵（21）启动，提取工作水流中的能量，通过空调系统（22）供给用户端，工作水流经水源热泵（21）转换后形成失温水；

S2,调蓄，失温水进入调蓄池（31），当水位达到一定量后，排放水泵（32）启动，将失温水从调蓄池（31）沿排放管（33）排出；此时，失温水的压力增大；

S3,耦合，高压失温水与空气接触后再与河湖水体耦合；

S3-1，高压失温水沿排放管（33）进入管网（5），从喷泉头（51）喷出，呈倾斜状射入河湖水体（41）水面；此步骤中，排放管（33）与管网（5）连通节点两侧的喷泉头（51）喷射的方向相反，且喷射射流与河湖水体（41）呈倾斜状；

S3-2，失温水从喷泉头（51）喷出后，与空气接触，充分交换热量，并吸收空气中的氧气；此步骤中，失温水氮、磷有机物的含量仍远低于园区河湖水体（41）有机物的含量；

S3-3，失温水降落至河湖水体（41）水面时，推动河湖水体（41）在环形水系内运动；此时，失温水趋于接近河湖水体（41）水面的温度，两者的温度相互耦合；

S4，补水净化，失温水在环形水系内运动的过程中，形成两个互为反向的流动路径流向进水管（13）的一端，对河湖水体（41）进行补充，与此同时，水生植物（42）净化河湖水体（41）；

S5，温差调节，升降缸（61）启动，驱动升降杆（62）带动进水管（13）的管口端头上升或下降，使管口端头调整至另一水温层；此时，自然室温不变，水温发生变化，相应地改变水源热泵（21）工作时的温差和能效；

S6储能，光伏发电装置（23）接受太阳能并转化为电能储存于储能装置（24）中，储能装置（24）中的电能优选供给抽吸水泵（11）、水源热泵（21）、排放水泵（32）和升降缸（61），富余的电能供给电网。

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