CN115506318A - 一种输水明渠智能恒温方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种输水明渠智能恒温方法及系统，包括小型光伏电站和智能温室控温系统。小型光伏电站和智能温室控温系统顺水流方向并列布置于输水渠道一侧，光伏电站为智能温室控温系统提供清洁能源，智能温室控温系统将空气源热泵机组与智能温室结合，通过供热管网和加热网板可将渠道内水温全年恒定在4℃左右。本发明能够有效防止冬季渠道内水流结冰，避免采用冰盖下输水的输水方式从而保证冰期渠道供水能力不受损失；夏季渠道内水流的低温环境能够有效抑制微生物的生命活动，避免藻类和贝类、螺类污损生物的异常增殖，有利于长距离输水工程水质保护工作。光伏电站及控温系统工作高度自动化，可实现无人值守、远端控制，根据天气及水流情况作自适应调整。
Description
技术领域
本发明涉及长距离调水工程输水明渠除冰及水质保护领域，具体为一种输水明渠智能恒温方法及系统。
背景技术
长距离调水工程是解决水资源时空分布不均的有效手段，
然而我国北纬30°以北的江河渠道中普遍存在着冰情问题，输水方式以明渠为主，冬季冰情问题严重，冰期输水渠段长达509.6km，渠道输水处于无冰输水、流冰输水和冰盖输水等多种复杂的运行工况。渠道内出现浮冰时，如果任由浮冰流动，极易引发冰塞、冰坝等冰情危害，对冬季输水安全产生严重威胁。现今冰期输水渠段多采用冰盖下输水的方式，即在输水渠段末端的节制闸和倒虹吸等建筑物前设置拦冰索等拦冰设施，在合适的水动力学条件下，顺流而下的浮冰会在拦冰索前停滞、堆积而形成冰盖，并逐渐向上游推进，逐渐覆盖渠段内的整个水面，冰盖达到一定的厚度后便逐渐稳定，不再继续发展，此时便可实现冰盖下输水。冰盖输水的输水方式避免了冰塞、冰坝等危害的发生，保证了冬季输水安全，但是冰期输水能力大幅减弱。
独特的混凝土硬化渠道，面临着渠道内藻类异常增殖的风险，特定时段会产生特定类群的生物量大量增殖的现象。异常增殖的藻类极易造成净水系统的堵塞，致使沿线供水厂净水成本大幅增加，渠道内大量增殖的丝状藻群还会造成分水口格栅堵塞和闸前快速淤积等问题，对输水安全产生威胁，某些藻类还会向水体中释放异味，藻类的异常增殖可能导致某些细菌的大量爆发，严重危害水质安全。此外，夏季水温较高时，渠道内还面临着某些螺类和贝类等生物异常增殖的风险，其中淡水壳菜是对输水工程威胁较大的一类附着型污损生物，往往会在拦污栅、渠道壁面等处大量增殖，使得拦污栅过流能力减小、渠道壁面糙率增加，淡水壳菜分泌的有机酸还会造成附着部位钢材、混凝土的腐蚀，使其材料性能下降。现今多通过调节渠道内水流流速和使用化学试剂等方法对水体内藻类和贝类、螺类污损生物的含量进行控制。温度是影响生物活动的重要环境因素，也是影响藻类、贝类和螺类生殖活动的关键因素，如淡水壳菜幼体的最适宜生长温度范围在16℃～28℃，若将渠道内水体温度控制在较低的范围内，即可避免藻类异常增殖现象的发生，同时可抑制贝类、螺类污损生物的生命活动。
对于长距离调水工程，冰期输水明渠冰盖下输水的方式保证了冬季输水安全，但极大地减弱了冰期输水能力；调节渠道内水流流速、使用化学试剂等方法可以抑制藻类和贝类、螺类污损生物的异常增殖，却会大幅增加输水明渠流量控制和水量调度工作的难度和复杂性，并给水体增加潜在的化学污染源。
发明内容
为了解决现有技术中的问题，弥补相关技术领域中的空白，本发明提供一种输水明渠智能恒温方法及系统，以解决长距离调水工程输水明渠冰期输水能力较弱的问题，并且为抑制渠道内藻类和贝类、螺类污损生物的异常增殖提供一种便捷可行的技术方案。
本发明通过以下技术方案实现：
一种输水明渠智能恒温方法及系统，通过小型光伏电站向智能温室控温系统提供电能，智能温室控温系统结合空气源热泵机组和智能温室通过供热管网和加热网板将输水渠道内水温恒定在4℃左右。防止冬季渠道内水流结冰，避免采用冰盖下输水的输水方式从而保证冰期渠道供水能力不受损失；夏季渠道内水流的低温环境能够有效抑制微生物的生命活动，避免藻类和贝类、螺类污损生物的异常增殖。
所述一种输水明渠智能恒温方法及系统，包括小型光伏电站和智能温室控温系统两部分。小型光伏电站由光伏板和储电室组成；智能温室控温系统由智能温室、空气源热泵机组、供热管网和加热网板组成。供热管网与空气源热泵机组相连，布置于智能温室外部近渠道一侧，空气源热泵机组布置于智能温室内部近渠道一侧，加热网板与供热管网相连，随其延伸至渠道内水位以下、渠道壁面附近。智能温室远离渠道一侧的边墙上布置有换气阀扇，温室顶棚由钢结构棚顶构架和PC阳光板顶棚构成，顶棚一侧布置有遮光网卷收放机。
小型光伏电站由一个储电室和若干光伏板组成，储电室内布置逆变器、蓄电池和开关柜等电气设备。小型光伏电站向智能温室控温系统提供电能，并与地方电网连接，发电量超出控温系统所需负荷时，多余电量可并入电网，遭遇连续雨雪天气发电量低于控温系统所需负荷时，亏缺电量可从电网补充。电站规模宜与控温系统额定负荷相适应，也可同时兼顾生产发电，扩大电站规模。
主要控温设备采用空气源热泵，热泵机组经过改造后与供热管网和加热网板相连，可以兼顾制热和制冷功能。工作时能够充分利用空气中的热能，具有较高的能效比，以热泵机组组网工作的方式代替单台热泵独立工作的方式，可充分发挥热泵机组的效能，进一步提高热能的利用率。热泵采用冬季制热夏季制冷的方式将渠道内水体温度全年控制在4℃左右，并利用4℃时水体密度最大的原理，使渠道过水横断面内形成环流，加速水体之间的热量交换，提升制热制冷效率。
加热网板是智能温室控温系统唯一全部浸没于渠道内与水体直接接触的部件，加热网板承担着与水体进行热量交换的任务，不仅用于水体的加热，也起到制冷的作用。热量交换的方式可采用接触式或吹气式，具体形式可根据渠道规模和设计流量确定，加热网板的内部结构随热量交换方式而定。
所述智能温室采用聚碳酸酯PC阳光板顶棚，PC阳光板具有高透光性、高耐久性以及良好的保温性能。阳光可以透过PC阳光板提升温室内的温度，同时得益于阳光板的保温能力，相对于外界环境，智能温室内部在冬季也能保持一定的温度，使得空气源热泵能够充分利用智能温室内部的热量，增加制热量、保持较高的能效比。
智能温室顶棚一侧的遮光网卷收放机能够根据季节天气情况自行收放，夏季遮光网卷打开，放出遮光网布使其覆盖于智能温室顶棚上方，避免智能温室受到阳光的照射，同时温室侧墙上布置的通风阀扇配合收放机的工作，对温室内部进行通风，二者协同工作可在温室内部营造出较为阴凉的环境。阴凉的环境有利于空气源热泵的散热，提高制冷能力。
智能温室棚顶构架为弧形结构，有利于全天候采光。弧形拱顶须保持一定的拱高，防止冬季降雪天气时智能温室棚顶出现积雪。
一个小型光伏电站和一个智能温室控温系统为一个完整的恒温系统，沿输水渠道纵轴线对称布置的两个系统为一个单元，每个单元之间顺水流方向串联布置可实现长距离输水渠道的恒温控制。此外，多个单元可组网与地方电网和远程控制端相连，以提升工作效率和自动化水平。
小型光伏电站和智能温室控温系统可采用模块化设计布置方案，多种结构部件可提前预制，采用顺序模块化施工方式，可大幅提高系统建设效率、缩短建设工期。
进一步的，智能温室棚顶构架表面可以敷设电热丝，冬季雪势过大，温室棚顶出现积雪时，电热丝工作，加速融雪。
进一步的，智能温室顶棚材料并不局限于聚碳酸酯PC阳光板一种，也可视整个系统规模及造价，选择钢化玻璃等其他透光性能强、经济适用的材料。
进一步的，热泵的制冷工作可根据不同种藻类的增殖特性进行调整，适当对水体进行降温，满足对藻类增殖活动抑制程度的要求即可，无需将水温严格控制在4℃左右，如此可节省大量的电能，进一步提高光伏电站的经济效益。
进一步的，供热管网可选择地下埋设的安置方式，以保护其不受外界环境因素的影响，减少管道等结构的损坏，同时可以减少控温系统工作循环过程中热量的损失。此时加热网板可随供热管网敷设于输水明渠渠道壁面以下的土壤中，通过控制渠道壁面附近土壤的温度，间接地调控渠道内水体的温度。该布置方式不改变渠道内的水力条件，从而避免了对渠道输水能力产生影响，同时敷设于壁面以下的结构可以获得更长的使用寿命。
有益效果：本发明通过将输水明渠内的水温全年控制在4℃左右，防止冬季渠道内水流结冰，避免采用冰盖下输水的传统输水方式，从而解决了长距离调水工程冰期输水明渠供水能力较弱的问题，同时夏季渠道内水流的相对低温环境能够有效抑制微生物的活动，避免了渠道内藻类和贝类、螺类污损生物异常增殖的风险。本发明采用空气源热泵作为主要控温设备，充分地利用了空气中的热能，结合智能温室，进一步提高热泵的工作效率和能效比。光伏电站为整个系统的运行提供电能，清洁无污染，单个或多个光伏电站与地方电网相连，剩余发电量可并入地方电网，产生经济效益，亏缺发电量可从电网得到补充，保证整个系统的稳定运行。整个系统设备及工作高度自动化，可实现无人值守、远端控制，并且能够根据天气及水流情况作自适应调整。
附图说明
图1为智能恒温系统小型光伏电站和智能温室控温系统平面布置图；
图2为智能恒温系统小型光伏电站结构示意图；
图3为智能恒温系统智能温室控温系统结构右等轴测图；
图4为智能恒温系统智能温室控温系统结构左等轴测图；
图5为智能温室控温系统空气源热泵与供热管网热量循环示意图；
图6为输水明渠过水横断面环流示意图；
图7为智能恒温系统智能温室立视图；
图8为图7智能恒温系统智能温室A-A剖面图；
图9为供热管网及加热网板地下埋设布置方式示意图；
图10为智能恒温系统单元布置示意图；
图11为智能温室恒温系统多单元串联布置示意图；
附图标记：
Ⅰ-小型光伏电站，Ⅱ-智能温室控温系统，1-光伏板，2-储电室，3-智能温室，4-换气阀扇， 5-棚顶构架，6-聚碳酸酯PC阳光板顶棚，7-供热管网，8-加热网板，9-遮光网卷收放机，10- 空气源热泵机组。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
首先应综合考虑输水明渠渠道设计流量大小、工作调度安排和社会经济效益等因素，经过可行性研究和现场踏勘调研后，确定该恒温系统实施例的建设规模，如图1所示小型光伏电站Ⅰ的占地面积为500m2，长25m宽20m；智能温室控温系统Ⅱ占地面积为1000m2，长50m，宽20m。小型光伏电站Ⅰ采用单晶硅光伏板，经过可研规划，确定小型光伏电站Ⅰ的装机容量为 100kWp，平均每平方米发电功率200Wp。
规划完成后进行储电室2和智能温室3的结构建设，提前预留门窗等结构，以便于工作人员的进出和设备进场及安装。按照图2所示的布置方式安装光伏板1，在储电室2内安设逆变器、蓄电池和开关柜等电气设备，连接光伏板1与储电室2内的相关电气设备，经过调试后小型光伏电站Ⅰ可提前投产，减少施工期电力费用支出。如图3所示，智能温室3四周墙体结构完工后，在其顶部搭设棚顶构架5，搭建聚碳酸酯PC阳光板顶棚6，进而完成智能温室3的封顶工作，然后在远离渠道一侧的边墙上根据预留开孔安装换气阀扇4，在智能温室3顶棚一侧安装遮光网卷收放机9。最后进行设备进场安装工作，空气源热泵机组10由十台五匹商用空气源热泵组成，常温条件下单台机组工作时最高能效比高达4.2～4.3，如图8所示将空气源热泵机组10安置在智能温室3内部近渠道一侧边墙位置处，并通过边墙开孔与智能温室3外部供热管网7和加热网板8相连，如图4所示。空气源热泵机组10、供热管网7和加热网板8 之间的热量循环示意图如图5所示，加热网板8随供热管网7延伸至渠道内水位以下、渠道壁面附近，渠道过水横断面内形成的环流示意图如图6所示。施工完成后，以单个系统为单位对所有的设备进行调试。当供热管网7和加热网板8采用地下埋设布置方式时，示意图如图9 所示。
单个小型光伏电站Ⅰ和单个智能温室控温系统Ⅱ为一个完整的恒温系统，如图10所示将两个系统沿输水渠道纵轴线对称布置为一个单元，单个单元调试完成后，如图11所示将多个单元按顺水流方向串联布置即可实现长距离输水渠道的恒温控制。将单个单元或多个单元组网与地方电网和远程控制端链接，在远程控制端，计算机可结合天气情况和输水渠道流量信息自行制定各个单元的工作计划并监控其工作状态，同时接受人工调控，达到较高工作效率和自动化水平。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种输水明渠智能恒温系统，其特征在于：包括小型光伏电站和智能温室控温系统两部分；小型光伏电站由光伏板和储电室组成；智能温室控温系统由智能温室、空气源热泵机组、供热管网和加热网板组成；供热管网与空气源热泵机组相连，布置于智能温室外部近渠道一侧，空气源热泵机组布置于智能温室内部近渠道一侧，加热网板与供热管网相连，随其延伸至渠道内水位以下、渠道壁面附近；智能温室远离渠道一侧的边墙上布置有换气阀扇，温室顶棚由钢结构棚顶构架和阳光板顶棚构成，顶棚一侧布置有遮光网卷收放机。
2.根据权利要求1所述的一种输水明渠智能恒温系统，其特征在于：小型光伏电站由一个储电室和多个光伏板组成，储电室内布置逆变器、蓄电池和开关柜电气设备；小型光伏电站向智能温室控温系统提供电能，并与地方电网连接。
3.根据权利要求1所述的一种输水明渠智能恒温系统，其特征在于：加热网板热量交换的方式为接触式或吹气式，根据渠道规模和设计流量确定，加热网板的内部结构随热量交换方式而定。
4.根据权利要求1所述的一种输水明渠智能恒温系统，其特征在于：智能温室棚顶构架为弧形结构，有利于全天候采光；弧形拱顶保持固定的拱高，防止冬季降雪天气时智能温室棚顶出现积雪。
5.根据权利要求1所述的一种输水明渠智能恒温系统，其特征在于：一个小型光伏电站和一个智能温室控温系统为一个完整的恒温系统，沿输水渠道纵轴线对称布置的两个系统为一个单元，每个单元之间顺水流方向串联布置实现长距离输水渠道的恒温控制；此外，多个单元可组网与地方电网和远程控制端相连，以提升工作效率和自动化水平。
6.根据权利要求1所述的一种输水明渠智能恒温系统，其特征在于：小型光伏电站和智能温室控温系统采用模块化设计布置，多种结构部件提前预制，采用顺序模块化施工方式。
7.根据权利要求1所述的一种输水明渠智能恒温系统，其特征在于：所述智能温室顶棚材料为聚碳酸酯PC阳光板一种，或者选择钢化玻璃，智能温室棚顶构架表面敷设电热丝。
8.根据权利要求1所述的一种输水明渠智能恒温系统，其特征在于：所述供热管网选择地下埋设的安置方式，此时加热网板随供热管网敷设于输水明渠渠道壁面以下的土壤中，通过控制渠道壁面附近土壤的温度，间接地调控渠道内水体的温度。
9.一种输水明渠智能恒温方法，其特征在于：通过小型光伏电站向智能温室控温系统提供电能，智能温室控温系统结合空气源热泵机组和智能温室通过供热管网和加热网板将输水渠道内水温恒定在4℃左右。
10.根据权利要求9所述的一种输水明渠智能恒温方法，其特征在于：热泵的制冷工作可根据不同种藻类的增殖特性进行调整，适当对水体进行降温，满足对藻类增殖活动抑制程度的要求即可，无需将水温严格控制在4℃左右。
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