CN110173930B - 具有监测功能的管道换热系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有检测功能的管道换热系统，主要用于实现建筑节能和管道监测相结合的换热系统，同时提供一种新型的能源解决方案。本发明是一种具有检测功能的管道换热系统，该系统包括热泵机组、储能器、储能换热管道，热泵机组的用户端出水管连接用户管道供水管，用户管道回水管连接热泵机组的用户端回水管，热泵机组的换能端出水管通过一分水器连接储能换热管道的循环水管进水端，循环水管的出水端通过集水器连接热泵机组的换能端进水管，热泵机组还连接一储能器，在储能换热管道的内部以及周围空间安装多组温度传感器，换热管道侧壁安装光纤传感器，用于将温度传感器的温度实时传出。

Description

具有监测功能的管道换热系统

技术领域

本发明涉及新能源利用技术领域，尤其是涉及一种具有监测和换热双重功能的管道换热系统。

背景技术

鉴于国家对环保力度的大力维护，对新能源产品的积极倡导和鼓励，各种能源的应用方式层出不穷，如太阳能、水/地热能、空气能、电热源塔等。上述新能源利用方式中，要么受环境所限产能交底，要么耗能巨大，要么破坏地下平衡影响生态稳定，部分能源利用方式还存在严重的污染和噪音等问题，难以大规模推广应用。近两年来，国内大力推行的煤改气工程也因功能量浩大、运行昂贵而收效甚微，全社会的能源痛点集中体现！

管道伴随着我们的生活，广泛用于给排水、雨水、农业灌溉、燃气输送、污水输送等相关领域，管道内的污水等伴随着人类的生产生活活动持续存在，是一种持续、稳定的能源。如果能够对污水进行利用，不仅能够实现对污水的二次利用，还能帮助开发新型清洁能源。

光纤作为一种新型材料，具有抗电干扰、抗环境噪声、电器绝缘性及自身安全性强等特点，广泛应用于地下恶劣环境中的储层参数测量。

如果能将管道输水技术与换热技术相结合，使传统的管道不仅是水源的输送工具，还可以实现在输送水源的同时提取热量，从而开发出一种新型能源解决方案。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种具有监测功能的管道换热系统，以提供一种新型的能源解决方案，同时实现建筑节能和管道监测等技术效果。

本发明实现目的的技术方案如下：

一种具有监测功能的管道换热系统，其特征在于，包括热泵机组、储能器、储能换热管道，热泵机组的用户端出水管连接用户管道供水管，用户管道回水管连接热泵机组的用户端回水管，热泵机组的换能端出水管通过一分水器连接储能换热管道的循环水管进水端，循环水管的出水端通过集水器连接热泵机组的换能端进水管，热泵机组还连接一储能器，在储能换热管道的内部以及周围空间安装多组温度传感器，换热管道侧壁安装光纤传感器，用于将温度、压力及流速传感器的信号实时传出。

而且，所述换热管道包括水平流通管以及同轴间隔螺旋缠绕在水平流通管外侧的换热管，换热管两端分别连接分水器和集水器，水平流通管外侧包裹保温层。

而且，所述光纤传感器嵌装在位于水平流通管与换热管之间的包裹保温层内。

而且，储能换热管道的埋装方式为：位于冻土层下方，储能换热管道周围包裹保温层复合土壤，保温层复合土壤整体呈倒梯形结构。

而且，所述多组温度传感器嵌埋在保温层复合土壤内，温度传感器嵌埋深度为距离储能换热管道底部分别为0cm、1cm、2cm、3cm、4cm。

而且，保温层复合土壤由高水分黏质土与硅藻土、珍珠岩、松脂岩、黑曜岩中的一种或多种混合制成。

而且，所述管道监测组件包括位于所述分集水器上的流速监测器、平衡阀、回止阀、温度计、压力表以及用于控制上述组件工作的自动控制装置。

而且，温度传感器、压力传感器、流速传感器通过光纤将信号传给控制器，经控制器上传至网络云端，实现远程控制，控制器设有限制器，超出限制将自动停止系统，并报错上传。

本发明的有益效果为：

1、本发明提供的一种可监测结构壁管道换热系统，促进了传统管道系统的科技转型，通过地下管网的广泛性，实现了地下能源的回收再利用，并结合现有的热泵技术，实现建筑节能及用户的供暖、制冷一体化空调系统。

2、本发明通过对地下管道中的污水、雨水、交通设施(管廊)中的热量进行统一回收，并结合现有的光能、风能、空气能，可实现精细化的区域能源管理。

3、通过将光纤通信与换热管道结合起来，解决了传统技术中管道处难以通讯的难题，并通过光纤的应用，可以对地下能源进行准确计算和数据分析，实现了对地下节能系统的远程控制。

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，下面将对实施例或现有技术描述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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的地下部分横截面示意图。

图中1、冻土层；2、保温层复合土壤；3、保温膜；4、换热管；5、光纤传感器；6、储能换热管道。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。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的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

一种具有监测功能的管道换热系统，包括热泵机组、储能器、储能换热管道，热泵机组的用户端出水管连接用户管道供水管，用户管道回水管连接热泵机组的用户端回水管，热泵机组的换能端出水管通过一分水器连接储能换热管道的循环水管进水端，循环水管的出水端通过集水器连接热泵机组的换能端进水管，热泵机组还连接一储能器，在储能换热管道的内部以及周围空间安装多组温度传感器，换热管道侧壁安装光纤传感器，用于将温度传感器的温度实时传出。

土壤内存在大量管道设备，这些长期输送雨水、污水等的管道，其管道周围的土壤温度与管道内水温接近。即使是枯水期，管道内也长期无压储存部分污水，此时管道周围的土壤也在进行蓄冷或蓄热。这部分能量长期以来一直都被浪费掉。本系统将管道以及管道周围的土壤打造成了蓄电池，利用冻土层以下土壤冬暖夏凉的特点，冬季在土壤取热(蓄冷)，夏季在土壤取冷(蓄热)，春秋季节进行能量的冷热平衡。系统中用于提取能量的设备是热泵机组，热泵机组的换能端经分集水器与储能换热管道相连，并经储能换热管道实现对能量的收集，热泵机组将收集到的能量以水的形式经用户端输送至用户所在处，从而实现对用户的供热、制冷以及生活热水供给。热泵机组还与储能器连接，当系统能量不足时，可以经储能器对能量进行补充；当能量过剩时，过剩能量可以由储能器储存起来，用于间歇能量缺乏时的储备。

储能器上设置有自启动装置和备用能源装置，其中备用能源装置包括燃气锅炉、电锅炉、生物质锅炉以及直流电充电器中的一种或多种，从而可以在储能器内能源不足时由备用能源装置及时进行补充。其中自启动装置能够控制备用能源的启停。

换热管道包括水平流通管以及同轴间隔螺旋缠绕在水平流通管外侧的换热管，换热管两端分别连接分水器和集水器，水平流通管外侧包裹保温层。在实际使用时，换热管可以位于保温层复合土壤2内，从而充分利用地热、水源热以及空气能等多种清洁能源中的至少一种，使换热管道在热泵机组的作用下将保温层复合土壤2的能量充分换出。

光纤传感器5嵌装在位于水平流通管与换热管之间的包裹保温层内，在实现管道换热的同时，对管道自身以及管道周围环境(如土壤或空气等)进行数据监测，利用光纤材料的特点同时借助地下管道的贯通性，光纤传感器5传出的数据最终传送至控制室数据中心处，数据中心会对光纤传感器5处的数据进行整理汇总，在实现城市地下水输送的同时直接获取所需数据并计算能源的提取及节能效率。

储能换热管道的埋装方式为：位于冻土层下方，储能换热管道周围包裹保温层复合土壤2，保温层复合土壤2整体呈倒梯形结构。

保温层复合土壤由高水分黏质土与硅藻土、珍珠岩、松脂岩、黑曜岩中的一种或多种混合制成。其中所选用的硅藻土为超细粉碎硅藻土。

两种保温层复合土壤组合如下：

1、不低于80％的高水分黏质土，5-10％的珍珠岩，10-15％的松脂岩；

2、50％的珍珠岩，50％的高水分黏质土或硅藻土。上述百分数为质量百分数。

多组温度传感器嵌埋在保温层复合土壤内，温度传感器嵌埋深度为距离储能换热管道底部分别为0cm、1cm、2cm、3cm、4cm。

当温度传感器嵌埋在储能换热管道底部时，此时用于检测储能换热管道处的温度；当温度传感器嵌埋深度为距离储能换热管道底部1cm时，此时能够检测储能换热管道下方1cm处的土壤温度；随着温度传感器嵌埋的位置变化，分别能够检测不同位置的土壤温度，从而能够判断不同厚度的保温层的保温效率以及根据不同位置的储能换热管道处的温度波动来判断储能换热管道的工作效率。

分集水器由高分子多层复合聚合物材料制成。该材料由率交联聚烯烃与尼龙、玻璃纤维、芳纶纤维、碳纤维、聚丙烯中的一种或多种材料复合而成，且复合层数为三层。

管道监测组件包括位于分集水器上的流速监测器、平衡阀、回止阀、温度计、压力表以及用于控制上述组件工作的自动控制装置。通过自动控制装置能够控制其他组件的工作。同时上述管道监测组件监测到的相关数据最终会经光纤输送汇总至数据中心内进行处理，并上传至与之相配套的手机APP内，该数据可以通过自动/人工控制来实现对换热系统的远程调控操作。所用的自动控制装置为西门子PLC，具体型号为S7-1200、或S7-200CN，或西门子最新系统PLC。

储能换热管道除了分布在土壤中吸收能量以外，还可以吸收水源热、空气热、地源热等，为了与储能换热管道相匹配，热泵机组也需要至少包括水源热泵、地源热泵、空气源热泵中的一种或多种，以满足储能换热管道不同工作环境的需要。

在实际加工时，为了保证储能换热管道的质量和工作效率，设置储能换热管道由高分子量聚乙烯和其他复合材料复合加工制成。其他复合材料包括尼龙、玻璃纤维、芳纶纤维、碳纤维、聚丙烯、玄武岩纤维中的一种或多种，其中交联聚乙烯的含量应在75％以上。

本发明还提供了一种储能换热管道制备方法，该储能换热管道能够应用于上述具有监测功能的换热系统内，其具体制备步骤如下：

步骤A：选定水平流通管制备所需复合材料及复合层数；

步骤B：使用挤出机挤出水平流通管；

步骤C：选定换热管制备所需复合材料及复合层数；

步骤D：使水平流通管旋转，在水平流通管旋转的同时挤出换热管。

具体的，水平流通管和换热管所用的挤出机可以是同一型号的挤出机，也可以是不同型号的挤出机。在换热管挤出时，设置水平流通管旋转是为了得到螺旋形结构的换热管。

为了便于实现对换热系统的监测功能，可选地，在步骤D后，根据实际需要将光纤和感应器安装在储能换热管道相应的位置上。

光纤可以根据需要水平的插入水平流通管外，螺旋换热管4内。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种具有监测功能的管道换热系统，其特征在于，包括热泵机组、储能器、储能换热管道，热泵机组的用户端出水管连接用户管道供水管，用户管道回水管连接热泵机组的用户端回水管，热泵机组的换能端出水管通过一分水器连接储能换热管道的循环水管进水端，循环水管的出水端通过集水器连接热泵机组的换能端进水管，热泵机组还连接一储能器，在储能换热管道的内部以及周围空间安装多组温度传感器，换热管道侧壁安装光纤传感器，用于将温度、压力及流速传感器的信号实时传出；

所述储能换热管道包括水平流通管以及同轴间隔螺旋缠绕在水平流通管外侧的换热管，换热管两端分别连接分水器和集水器，水平流通管外侧包裹保温层；

所述储能换热管道的埋装方式为：位于冻土层下方，储能换热管道周围包裹保温层复合土壤，保温层复合土壤整体呈倒梯形结构；

保温层复合土壤由高水分黏质土与硅藻土、珍珠岩、松脂岩、黑曜岩中的一种或多种混合制成；

保温层复合土壤组合如下：①、不低于80％的高水分黏质土，5-10％的珍珠岩，10-15％的松脂岩；或②、50％的珍珠岩，50％的高水分黏质土或硅藻土，质量百分数。

2.根据权利要求1所述的具有监测功能的管道换热系统，其特征在于：所述光纤传感器嵌装在水平流通管与换热管之间的包裹保温层内，并在管道两端设置接口。

3.根据权利要求1所述的具有监测功能的管道换热系统，其特征在于：所述多组温度传感器嵌埋在保温层复合土壤内，温度传感器嵌埋深度为距离储能换热管道底部分别为0cm、1cm、2cm、3cm、4cm。

4.根据权利要求1所述的具有监测功能的管道换热系统，其特征在于：所述管道监测组件包括位于所述分集水器上的流速监测器、平衡阀、回止阀、温度计、压力表以及用于控制上述组件工作的自动控制装置。

5.根据权利要求1所述的具有监测功能的管道换热系统，其特征在于：还包括控制器，控制器用于控制热泵机组和储能器，控制热泵机组的热水在储能器和用户管道之间循环切换。

6.根据权利要求1所述的具有监测功能的管道换热系统，其特征在于：温度传感器、压力传感器、流速传感器通过光纤将信号传给控制器，经控制器上传至网络云端，实现远程控制，控制器设有限制器，超出限制将自动停止系统，并报错上传。