CN114526270B - 具备正倒虹吸分层有组织流场管网的水生态代能源系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具备正倒虹吸分层有组织流场管网的水生态代能源系统，包括正虹吸分层取水单元、倒虹吸分层取水单元、换热器、热泵机组、动能换势能单元；正虹吸分层取水单元与正虹吸流场控制主管相连接，且内部设置有虹吸潜水整流器；倒虹吸分层取水单元分布在河湖内水动力不足、水质不佳节点处或死角区，且与倒虹吸流场控制支管相连接；多个倒虹吸流场控制支管与正虹吸流场控制主管连接构成正倒虹吸拓扑管网；虹吸潜水整流器通过正虹吸管连接换热器，换热器分别连接热泵机组和动能换势能单元。本发明充分利用水体冷热源的同时，在汛期提高防洪能力，在非汛期提高水体自身流动循环及增氧能力，达到水安全及对水体生态修复的效果。

Description

具备正倒虹吸分层有组织流场管网的水生态代能源系统

技术领域

本发明涉及水生态修复及能源利用技术领域，特别是涉及一种具备正倒虹吸分层有组织流场管网的水生态代能源系统。

背景技术

天然湖泊、河流包括人工湖等地表水系富营养化污染导致的黑臭、水华、蓝藻、赤潮，不是由于外界污染，而是表层水体流速慢，底层水缺乏流动性，营养物质沉积。为了达到人水和谐，从生态角度、防洪角度、可持续发展角度出发，应强调水体自净化自循环良性生态功能修复，并且合理地开发表层水体所蕴藏的太阳能资源作为冷热源，进行能量转换。随着大管径虹吸取水的技术发展，不依赖于高耗能的泵送取水，采用低成本的虹吸自然动力，以此带动生态修复的同步进行，一举两得的新型生态水环境治理模式，将成为今后水源地治理与利用的有力保障。

目前，国内外在水体修复和治理中，大都采用了水生植物栽培、生物膜及投菌技术、底泥修复技术、化学试剂凝聚沉降或杀藻等方法，以及以上多种技术结合的新型组合技术。在实施这些技术的同时，必须采用一个共同方法即曝气法，而曝气技术都存在一个共同的不足点，即占地面积大、耗电量大，且仅可带动表层水体含有溶解氧，结合微生物技术，无法保障深层水体也存在溶解氧并确保微生物生存，如调配外源水冲污换水则能耗大，仅带动表层水流动。治标不治本，效果难以持续。传统的治理方式无法从根源上增加水体内部的流动性和自净化功能，对水体的修复达不到最好的效果，治理难点在于“流水不腐”。在地表水中的河道、湖泊因水动力不足常年只有表层水体进行交换，中底层水体静止不动，水体富营养化污染难以治理与修复，需充分提升水体内部自循环能力且降低耗能，同时涉及水源热泵能源交换供冷供热非泵送取水装置。

发明内容

本发明的目的是提供一种具备正倒虹吸分层有组织流场管网的水生态代能源系统，能够解决水体内部流动性和自净化问题，充分利用水体冷热源的同时，在汛期提高防洪能力，在非汛期提高水体自身流动循环及增氧能力，达到水安全及对水体生态修复的效果。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种具备正倒虹吸分层有组织流场管网的水生态代能源系统，所述系统包括：正虹吸分层取水单元、倒虹吸分层取水单元、换热器、热泵机组、动能换势能单元；

所述正虹吸分层取水单元是多个倒虹吸分层取水单元的汇集终端，所述正虹吸分层取水单元包括正虹吸分层取水模块以及设置在正虹吸分层取水模块的外侧壁上的多组第一分层进水自控阀，所述正虹吸分层取水模块的顶端密封，侧底部与正虹吸流场控制主管相连接，所述正虹吸分层取水模块内部设置有虹吸潜水整流器；

所述倒虹吸分层取水单元设置有多个，分布在河湖内水动力不足、水质不佳节点处或死角区；每个所述倒虹吸分层取水单元包括倒虹吸分层取水模块以及设置在倒虹吸分层取水模块的外侧壁上的多组第二分层进水自控阀，所述倒虹吸分层取水模块的顶端密封，侧底部与倒虹吸流场控制支管相连接，多个所述倒虹吸流场控制支管连接到所述正虹吸流场控制主管；多个所述倒虹吸流场控制支管与所述正虹吸流场控制主管构成正倒虹吸拓扑管网；

所述虹吸潜水整流器连通有正虹吸管，并通过正虹吸管连接换热器，所述换热器分别连接热泵机组和动能换势能单元，所述热泵机组连接多个末端用户终端，所述动能换势能单元为竖井结构，顶部密闭，所述竖井结构内设置有水泵，所述换热器的出水口与所述动能换势能单元连接的管路上设置有管路阀门二，所述换热器的出水口还连通有下游排水管路，所述下游排水管路上设置有管路阀门一。

进一步的，所述正虹吸分层取水模块内部还设置有防淤导流锥、进水口拦污网，所述进水口拦污网罩设在所述防淤导流锥上，且所述防淤导流锥位于所述虹吸潜水整流器的进水口。

进一步的，所述正虹吸管上设置有真空动力单元，所述真空动力单元包括液气交换水箱、真空泵、真空阀、负压表，所述真空泵与所述液气交换水箱相连接，所述真空泵通过真空管道连接真空阀，所述真空阀设置在所述正虹吸管上，所述真空管道上设置负压表。

进一步的，所述正虹吸管跨越河湖堤坝或障碍物，由上游管段、管顶、下游管段组成，所述管顶设置在岸上高点位置，所述下游管段位于岸上较低位置且靠近人口密集地区的管段设置有热能利用管道接入点，所述热能利用管道接入点与换热器连接。

进一步的，所述动能换势能单元的顶部设置竖井平台，所述竖井平台与所述管顶的最高点之间搭建便桥，所述便桥上设置栏杆；所述竖井结构靠近所述正虹吸管的一侧设置阀杆以及位于阀杆底部的出口闸门，所述出口闸门与所述下游管的出水口相连；所述竖井结构的另一侧设置提升式闸门。

进一步的，所述热能利用管道接入点分别通过进水管、出水管与换热器连接，所述换热器分别通过第一四通阀和第二四通阀并联到所述热泵机组的两端，所述换热器与所述第一四通阀之间设置有二次水循环泵；所述热泵机组通过第一四通阀和第二四通阀分别连接到末端用户终端的进、出口，所述第一四通阀与末端用户终端之间设置有循环泵。

进一步的，所述热泵机组包括蒸发器和冷凝器，所述蒸发器和冷凝器的一端通过膨胀阀连接，另一端通过压缩机连接，所述蒸发器的两端分别通过第一四通阀和第二四通阀连接到末端用户终端，所述冷凝器的两端分别通过第一四通阀和第二四通阀连接到换热器。

进一步的，所述正倒虹吸拓扑管网为星型结构、总线结构、环形结构、树形结构、网状结构、蜂窝状结构或混合型拓扑结构。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的具备正倒虹吸分层有组织流场管网的水生态代能源系统，包括正虹吸分层取水单元、倒虹吸分层取水单元、正倒虹吸拓扑管网结构、正虹吸管、高效换热器、热泵机组、动能换势能单元、管路阀门等；本发明提供了一种动力消耗极低的河湖水动力自净模式，无需引入外来水源冲污，依靠原地形水位落差或单台泵制造水位落差，利用虹吸原理，最大化自然力，使正倒虹吸拓扑管网各水动力不足节点及上、下层流场充分实现水体交换和流动性，达到修复治本的目的；同时，以大口径虹吸引流取代泵送，可节省50％～60％电能，维护运行费用低，取水高效安全稳定，不仅水体生态环境得到改善，还能以较低成本获取可再生能源，满足水域周边用户空调、采暖需求；在水体自净化循环过程中，结合水源热泵技术实现水生态代能源，为建筑物室内进行空气温度调节，减少泵送耗能，通过水源热能利用真正做到流水不腐、生态节能、双碳减排，社会经济效益显著。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明具备正倒虹吸分层有组织流场管网的水生态代能源系统的结构示意图；

图2为本发明正虹吸管段的工艺流程示意图；

图3为本发明的水生态能源交换站工艺流程示意图；

图4为本发明的有组织流场星型拓扑管网结构示意图；

图5为本发明的有组织流场总线拓扑管网结构示意图；

图6为本发明单个倒虹吸分层取水单元及管段的示意图；

附图标记说明：1、正虹吸分层取水单元；2、第一分层进水自控阀；3、虹吸潜水整流器；4、防淤导流锥；5、进水口拦污网；6、真空泵；7、液气交换水箱；8、真空阀；9、负压表；10、正虹吸管；11、出口闸门；12、阀杆；13、竖井平台；14、动能换势能单元；15、提升式闸门；16、水泵；17、热能利用管道接入点；17.1、进水管；17.2、出水管；18、便桥；19、栏杆；20、末端用户终端；21、二次水循环泵；22、压缩机；23、循环泵；24、换热器；25、蒸发器；26、冷凝器；27、膨胀阀；28、第一四通阀；29、第二四通阀；30、热泵机组；31、正虹吸流场控制主管；32、倒虹吸流场控制支管；33、倒虹吸分层取水单元；34、河湖；35、集沙坑；36、管道支架；37、第二分层进水自控阀。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种具备正倒虹吸分层有组织流场管网的水生态代能源系统，能够解决水体内部流动性和自净化问题，充分利用水体冷热源的同时，在汛期提高防洪能力，在非汛期提高水体自身流动循环及增氧能力，达到水安全及对水体生态修复的效果。

水生态代能源——为了实现双碳节能，改善河湖水质生态环境，防止湖泊因流动不畅形成黑臭水体，旨在从根源上解决水体污染、降低水生态治理成本，并缓解水源周边地区冬取暖夏空调大量电能消耗问题，一举两得的双碳减排模式。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1至图6所示，本发明提供的具备正倒虹吸分层有组织流场管网的水生态代能源系统，包括：正虹吸分层取水单元1、倒虹吸分层取水单元33、换热器24、热泵机组30、动能换势能单元14；

所述正虹吸分层取水单元1是多个倒虹吸分层取水单元33的汇集终端，所述正虹吸分层取水单元1包括正虹吸分层取水模块以及设置在正虹吸分层取水模块的外侧壁上的多组第一分层进水自控阀2，所述正虹吸分层取水模块的顶端密封，侧底部与正虹吸流场控制主管31相连接，所述正虹吸分层取水模块内部设置有虹吸潜水整流器3；

所述倒虹吸分层取水单元33设置有多个，分布在河湖内水动力不足、水质不佳节点处或死角区；每个所述倒虹吸分层取水单元33包括倒虹吸分层取水模块以及设置在倒虹吸分层取水模块的外侧壁上的多组第二分层进水自控阀37，所述倒虹吸分层取水模块的顶端密封，侧底部与倒虹吸流场控制支管32相连接，多个所述倒虹吸流场控制支管32连接到所述正虹吸流场控制主管31；多个所述倒虹吸流场控制支管32与所述正虹吸流场控制主管31构成正倒虹吸拓扑管网；所述倒虹吸流场控制支管32可多角度多方向一齐并入所述正虹吸流场控制主管31，也可与所述正虹吸流场控制主管31直接相连；所述正倒虹吸拓扑管网结构为所述正虹吸流场控制主管31与所述倒虹吸流场控制支管32共同组成，可根据地形条件及水动力分布、水质污染物浓度情况，组成各类网络拓扑结构，如典型的星型结构、总线结构、环形结构、树形结构、网状结构、蜂窝状结构以及混合型拓扑结构，节点可扩充，布置时根据水力学原理计算主管与各支管水头损失，使所述正倒虹吸拓扑管网结构分布合理。

所述虹吸潜水整流器3连通有正虹吸管10，并通过正虹吸管10连接换热器，所述换热器24分别连接热泵机组30和动能换势能单元14，所述热泵机组30连接多个末端用户终端20，所述动能换势能单元14为竖井结构，顶部密闭，所述竖井结构内设置有水泵16，所述换热器24的出水口与所述动能换势能单元14连接的管路上设置有管路阀门二，所述换热器24的出水口还连通有下游排水管路，所述下游排水管路上设置有管路阀门一。

所述第一分层进水自控阀2和第二分层进水自控阀37可根据水体内不同分层水质状态参数，选择任意取水位置阀门是否开启。

如图2所示，所述正虹吸分层取水模块内部还设置有防淤导流锥4、进水口拦污网5，所述进水口拦污网5罩设在所述防淤导流锥4上，且所述防淤导流锥4位于所述虹吸潜水整流器3的进水口。

所述正虹吸管10上设置有真空动力单元，所述真空动力单元包括液气交换水箱7、真空泵6、真空阀8、负压表9，所述真空泵6与所述液气交换水箱7相连接，所述真空泵6通过真空管道连接真空阀8，所述真空阀8设置在所述正虹吸管10上，所述真空管道上设置负压表9。

所述正虹吸管10跨越河湖堤坝或障碍物，由上游管段、管顶、下游管段组成，所述管顶设置在岸上高点位置，所述下游管段位于岸上较低位置且靠近人口密集地区的管段设置有热能利用管道接入点，所述热能利用管道接入点17与换热器24连接。所述正虹吸管10，头部与所述虹吸潜水整流器3相连接，既为所述正倒虹吸拓扑管网结构有组织流场持续运行提供水力落差和支撑，又为所述换热器24提供热交换水源，末端与所述动能换势能单元14相连接。所述换热器24是与水源的热量交换装置，提取水源中的冷热能与所述热泵机组30的介质循环管路再次换热，最终传递到末端用户终端20。

此外，考虑正虹吸管10负压段的压力要求，需要保持正虹吸管10的严密性和密封性。虹吸潜水整流器3是虹吸管吸水头部，具备整流射流功能，减少吸水头部水头损失，防止空气进入管道紊扰流态。防淤导流锥4具有防止底部泥沙淤积，并达到入水口引流控制的效果，使流场速度分布均匀度更佳，消除了进水口的附底涡，保证了流场的稳定可控。进水口拦污网5用以防止大树叶、大颗粒固体、漂浮物等进入进水口。真空泵6、液气交换水箱7、真空阀8用于虹吸运行初始启动，负压表9可用于显示管顶负压状态，以判断正虹吸管10运行效率。

正虹吸管10可跨越7m～8m内堤坝或障碍物，管顶设置在岸上高点位置，方便管理，热能利用管道接入点17设置在岸上较低位置，靠近人口密集地区，提供热能利用供冷供热服务。

虹吸设备及正虹吸管的进水部位为正虹吸分层取水单元1，该单元底部连接着上述正倒虹吸拓扑管网。该单元水体可由前述管网汇集而至，亦可通过其自身的分层进水自控阀2，流入单元内。

虹吸设备及虹吸管的出水部位为动能换势能单元14，该单元为竖井形式，顶部密闭，并形成竖井平台13。为了开闭正虹吸管道末端出水闸门11，设置阀杆12，内置一台水泵16，可将竖井内水不断向外排出。单元另一侧，设置提升式闸门15，方便检修。为交通、检修便利，可在竖井平台13与岸顶虹吸管最高点之间搭建便桥18，设置栏杆19。

所述动能换势能单元14的顶部设置竖井平台13，所述竖井平台13与所述管顶的最高点之间搭建便桥18，所述便桥18上设置栏杆19；所述竖井结构靠近所述正虹吸管10的一侧设置阀杆12以及位于阀杆12底部的出口闸门11，所述出口闸门11与所述下游管的出水口相连；所述竖井结构的另一侧设置提升式闸门15。所述动能换势能单元14是在虹吸运行河湖下游不具备自然落差时，或为了使水源循环使用不流失，靠单台水泵向外排水，人为制造水头落差的竖井单元。所述水泵16仅需克服扬水高度做功，无需克服长距离管线水头损失，耗能与直接泵送输送方式有明显区别。汛期，可关闭连通所述动能换势能单元14的管路阀门二，打开管路阀门一，洪水直接利用天然水头排向河湖下游，作为溢洪安全设施，缓解上游河湖防洪压力；汛期结束，可切换阀门，关闭管路阀门一，切断直排下游管路，打开连通所述动能换势能单元14的管路阀门二，所述倒虹吸分层取水单元33处水源经所述正倒虹吸拓扑管网，进入到所述正虹吸分层取水单元1，再经所述正虹吸管10，经过热能利用管段，与所述换热器24进行热能交换，接着流向所述动能换势能单元14，最后排回到河湖之中。

图3针对图2热能利用管道接入点17展开；所述热能利用管道接入点17分别通过进水管17.1、出水管17.2与换热器24连接，所述换热器24分别通过第一四通阀28和第二四通阀29并联到所述热泵机组30的两端，所述换热器24与所述第一四通阀28之间设置有二次水循环泵21；所述热泵机组30通过第一四通阀28和第二四通阀29分别连接到末端用户终端20的进、出口，所述第一四通阀28与末端用户终端20之间设置有循环泵23。进水管17.1将水送入水生态能源交换站进行热能交换，出水管17.2将热能交换后的水再送出水生态能源交换站。水作为冷热源通过换热器24进行冷热能与二次水的能量转换。由于系统所取的水源水质较差，所以采用二次循环水来进行冷热交换，并采用二次水循环泵21输送到热泵机组30内实现冷热能输出。

所述热泵机组30包括蒸发器25和冷凝器26，所述蒸发器25和冷凝器26的一端通过膨胀阀27连接，另一端通过压缩机22连接，所述蒸发器25的两端分别通过第一四通阀28和第二四通阀29连接到末端用户终端20，所述冷凝器26的两端分别通过第一四通阀28和第二四通阀29连接到换热器24。

夏季时，第一四通阀28和第二四通阀29调整为A阀关，B阀开，冷源水通过循环到冷凝器26，使从压缩机22释放出来的制冷剂降温，从高温高压气体变为低温高压液体，再经过膨胀阀27，制冷剂从低温高压液体变为低温低压液体，这些低温低压的液体流过蒸发器25之后，由于蒸发器25的容积突然变大，导致制冷剂迅速地蒸发形成了低温低压的气体。制冷剂蒸发时要吸收大量的热，蒸发器25再次与机组内的冷冻水进行热交换，将冷冻水用循环泵23输送到各个末端用户20的风机盘管，在吸收了房间空气的热量后，水温升高，汇集到总回水管，用循环泵23将回水输送到机组回水口，经蒸发器25降温后重新变成冷冻水输出，不断循环。

冬季时，第一四通阀28和第二四通阀29调整为A阀开，B阀关，制冷剂被压缩机22加压，成为高温高压气体，进入冷凝器26，冷凝液化放热，成为低温高压液体，同时将机组内的冷冻水加热，用循环泵23将加热后的冷冻水输送到末端用户终端20的风机盘管，在给室内空气加热后释放了热量，水温降低，汇集到总回水管，用循环泵23将回水输送到机组回水口，经冷凝器26升温后重新输出，不断循环，从而达到了提高室内温度的目的。制冷剂经膨胀阀27减压，变为低温低压液体，再进入蒸发器25，蒸发器25此时吸取了热源水通过循环到蒸发器25后自身散发的热量，吸热蒸发汽化，制冷剂又从低温低压液体变为低温低压气体，进行下一轮进入压缩机22的循环。

水生态能源交换站通过对虹吸管段的局部管段进行水源热交换，即可以达到冬季采暖夏季制冷的节能效果，提供了一种低碳的能源利用方式，节省50％～60％电能，解决了传统热泵系统取能的诸多难题，所产生的附加收益可以分摊提升水质的建设成本，降低运行费用，同时改善周边工业、民用建筑的热舒适度，不仅对生态环境造成有益影响，且可在运管上建立收益模式，创造水源地新型水生态建管模式。

图4所示为本发明的有组织流场星型拓扑管网结构示意图，所述有组织流场星型拓扑管网结构仅为一项典型实施例，该实施例特点为仅有倒虹吸流场控制支管32而无正虹吸流场控制主管31，正虹吸分层取水单元1位于河湖34中心结点，倒虹吸分层取水单元33分布在四周，且都与中心结点连接，所有倒虹节点均并联布置。倒虹吸流场控制支管32均分布在湖底，从底部与正虹吸分层取水单元1对接。该连接方式管理和维护相对容易，形式简单，扩展力较弱，整体流场运动为环形向中心流动，适合环形湖泊。

图5所示为本发明的有组织流场总线拓扑管网结构示意图。所述有组织流场总线拓扑管网结构为另一项典型实施例，该实施例特点为正虹吸流场控制主管31与倒虹吸流场控制支管32相结合，以一条主管带动多条支管，正虹吸分层取水单元1位于河湖34一侧，倒虹吸分层取水单元33以类似鱼骨形式分布在主管两侧，不与中心结点正虹吸分层取水单元1直接连接，均与正虹吸流场控制主管31间接相连。倒虹吸流场控制支管32和正虹吸流场控制主管31均分布在湖底，正虹吸流场控制主管31从底部与正虹吸分层取水单元1对接。该连接方式形式较复杂，扩展力较强，整体流场运动为一侧向另一侧流动，适合窄长河道，顺河道流向进行布置。

正虹吸分层取水单元1和倒虹吸分层取水单元33均为竖井结构，顶端封闭形式，其中，正虹吸分层取水单元1内部放置虹吸潜水整流器，由于是汇集终端，故而尺寸需要大于倒虹吸分层取水单元33，倒虹吸分层取水单元33内无设备，主要发挥进水作用。

以上图4图5仅为两个典型实施例，拓扑管网可有多种形式，需根据实际情况进行分布。

图6所示为本发明单个倒虹吸单元及管段的示意图。同正虹吸分层取水单元1形式结构相似，侧壁分布多组分层进水自控阀2，可任意控制开闭。尺寸应远小于正虹吸分层取水单元1，底部留集沙坑35，整体应有稳固措施。倒虹吸流场控制支管32前端应有斜坡度，延伸到湖底，湖底安装管道支架36，最后并入正虹吸流场控制主管31。如果分布方式如图4所示，则倒虹吸流场控制支管32末端应直接连接到正虹吸分层取水单元1底部，连接方式视情况而定。

本发明采用单泵抽排形成的局部水头差驱动大面积水体流动，实现自我净化。非汛期，河湖水不外流，内循环流场控制模式，采用一台水泵在正虹吸出水点运用动能换势能方式制造局部落差，同时这一套正虹吸系统带动多个倒虹吸连通点运行，由于末端落差持续存在，整套系统管线沿着压力差变化方向进行流体运动，称为“有组织流场”。河湖边岸线建立“水生态能源交换站”，在正虹吸封闭管路中对接高效换热器及热泵机组，采用大管径虹吸输送方式代替传统泵送方式对其进行取水，因虹吸可跨越岸堤地势障碍，不耗电能进行取水，与水泵取水相比可大量节省电能，并可达到稳定高效的取水效果。汛期，河湖水排洪外流，运用天然地势落差进行取水单元多点连通及正虹吸管段能源利用。

所述正、倒虹吸分层取水单元，多点联动，分层取水，根据水质监测断面数据，科学选择治理水体取水单元位置及取水层断面，运用大管径取水单元串、并联，结合分层取水，实现底层水抽排或上下水层充分交换。单元侧壁设置有多组分层取水阀门开关，可根据需要控制其开闭，限制不同水层水体加入管网运行。

所述正倒虹吸拓扑管网结构，可根据地形分布情况及水质监测断面数据，并结合流场运行规律，分析最佳的管网拓扑结构，将各分层取水单元编织成网，可增扩节点或关闭节点，且不影响其他节点流动运行。不同的几何拓扑结构都应在保护范围之中。采用倒虹吸原理，管网紧贴湖底布置，不影响通航、水生物通过等。

本发明提供的具备正倒虹吸分层有组织流场管网的水生态代能源系统的工作步骤如下：

1、对河湖根据地形分布进行治理单元的划分，在每个治理单元的上中下各取相同体积水样进行COD值测试，按照COD值分布情况，将治理单元划分等级；

2、选取需布置流场运动点的若干坐标进行倒虹吸分层取水单元布置；

3、根据河湖跨堤地形及岸线人口及建筑分布情况及是否具备自然落差情况，分析正虹吸管跨堤点、水生态能源交换站点、正虹吸管自然落差出水点及正虹吸管动能换势能单元模块布置点的最佳位置，设定几进几出，各吸水口和排水口分布好后根据流场计算结果设计倒虹吸点与正虹吸点的节点关联拓扑管网模式，使各节点流体可以顺畅地从各吸水口流向各排水口；

4、在各正、倒虹吸节点中利用水质监测技术对在线水质监测点进行分布设置，将需要治理的多个单元节点进行水质数据实时监测反馈，以便于与节点进水阀门进行联动控制，根据实时数据调整阀门开闭；

5、各倒虹吸分层取水单元的水从支管流入主管，再汇入正虹吸分层取水单元，然后经正虹吸管，进入到水源热交换环节，最后流入下游更低水位或者动能换势能单元模块，再排入河湖内，完成一次循环。

本发明提供的具备正倒虹吸分层有组织流场管网的水生态代能源系统，包括正虹吸分层取水单元、倒虹吸分层取水单元、正倒虹吸拓扑管网结构、正虹吸管、高效换热器、热泵机组、动能换势能单元以及管路阀门等；本发明提供了一种动力消耗极低的河湖水动力自净模式，能够对湖中多个水体运行不畅点同时进行置换流动，从而保证了湖底、湖中心、湖面各层水体在底层管网流动中水体从不同位置融汇在一起，再有序排出湖外，流动过程中，增加各层面的水体自净化能力，增加氧溶解率，改善了原植物营养素沉积湖底，水体常年没有流动性，含氧少，二氧化碳、硫化氢等有害气体和盐类物质集聚湖底，破坏湖底生境，底层水体相对静止，长时间滞留，水质加速恶化的情况。仅需单泵局部落差“四两拨千斤”，结合正、倒虹吸运行方式，改善了全程泵送的高耗能，并可达到持续运行的水生态修复治本目的，替代常规的泵送水源热泵取水方式，可以节能50％以上，节省成本、节省资源。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种具备正倒虹吸分层有组织流场管网的水生态代能源系统，其特征在于，包括：正虹吸分层取水单元、倒虹吸分层取水单元、换热器、热泵机组、动能换势能单元；

所述正虹吸分层取水单元是多个倒虹吸分层取水单元的汇集终端，所述正虹吸分层取水单元包括正虹吸分层取水模块以及设置在正虹吸分层取水模块的外侧壁上的多组第一分层进水自控阀，所述正虹吸分层取水模块的顶端密封，侧底部与正虹吸流场控制主管相连接，所述正虹吸分层取水模块内部设置有虹吸潜水整流器；

所述倒虹吸分层取水单元设置有多个，分布在河湖内水动力不足、水质不佳节点处或死角区；每个所述倒虹吸分层取水单元包括倒虹吸分层取水模块以及设置在倒虹吸分层取水模块的外侧壁上的多组第二分层进水自控阀，所述倒虹吸分层取水模块的顶端密封，侧底部与倒虹吸流场控制支管相连接，多个所述倒虹吸流场控制支管连接到所述正虹吸流场控制主管；多个所述倒虹吸流场控制支管与所述正虹吸流场控制主管构成正倒虹吸拓扑管网；

所述虹吸潜水整流器连通有正虹吸管，并通过正虹吸管连接换热器，所述正虹吸管跨越河湖堤坝或障碍物，由上游管段、管顶、下游管段组成；所述换热器分别连接热泵机组和动能换势能单元，所述热泵机组连接多个末端用户终端，所述动能换势能单元为竖井结构，顶部密闭，所述竖井结构内设置有水泵，所述换热器的出水口与所述动能换势能单元连接的管路上设置有管路阀门二，所述换热器的出水口还连通有下游排水管路，所述下游排水管路上设置有管路阀门一；

所述动能换势能单元的顶部设置竖井平台，所述竖井平台与所述管顶的最高点之间搭建便桥，所述便桥上设置栏杆；所述竖井结构靠近所述正虹吸管的一侧设置阀杆以及位于阀杆底部的出口闸门，所述出口闸门与所述下游管的出水口相连；所述竖井结构的另一侧设置提升式闸门。

2.根据权利要求1所述的具备正倒虹吸分层有组织流场管网的水生态代能源系统，其特征在于，所述正虹吸分层取水模块内部还设置有防淤导流锥、进水口拦污网，所述进水口拦污网罩设在所述防淤导流锥上，且所述防淤导流锥位于所述虹吸潜水整流器的进水口。

3.根据权利要求1所述的具备正倒虹吸分层有组织流场管网的水生态代能源系统，其特征在于，所述正虹吸管上设置有真空动力单元，所述真空动力单元包括液气交换水箱、真空泵、真空阀、负压表，所述真空泵与所述液气交换水箱相连接，所述真空泵通过真空管道连接真空阀，所述真空阀设置在所述正虹吸管上，所述真空管道上设置负压表。

4.根据权利要求1所述的具备正倒虹吸分层有组织流场管网的水生态代能源系统，其特征在于，所述管顶设置在岸上高点位置，所述下游管段位于岸上较低位置且靠近人口密集地区的管段设置有热能利用管道接入点，所述热能利用管道接入点与换热器连接。

5.根据权利要求4所述的具备正倒虹吸分层有组织流场管网的水生态代能源系统，其特征在于，所述热能利用管道接入点分别通过进水管、出水管与换热器连接，所述换热器分别通过第一四通阀和第二四通阀并联到所述热泵机组的两端，所述换热器与所述第一四通阀之间设置有二次水循环泵；所述热泵机组通过第一四通阀和第二四通阀分别连接到末端用户终端的进、出口，所述第一四通阀与末端用户终端之间设置有循环泵。

6.根据权利要求5所述的具备正倒虹吸分层有组织流场管网的水生态代能源系统，其特征在于，所述热泵机组包括蒸发器和冷凝器，所述蒸发器和冷凝器的一端通过膨胀阀连接，另一端通过压缩机连接，所述蒸发器的两端分别通过第一四通阀和第二四通阀连接到末端用户终端，所述冷凝器的两端分别通过第一四通阀和第二四通阀连接到换热器。

7.根据权利要求1所述的具备正倒虹吸分层有组织流场管网的水生态代能源系统，其特征在于，所述正倒虹吸拓扑管网为星型结构、总线结构、环形结构、树形结构、网状结构、蜂窝状结构或混合型拓扑结构。