一种建筑内污水源热回收装置及其管道计算方法

技术领域

本发明涉及节能减排技术领域，尤其涉及一种建筑内污水源热回收装置及其管道计算方法。

背景技术

随着我国城镇建筑面积的逐年增长，以及人民生活水平的不断提高，热水供应普及率和每户的热水使用量随之增加，使得热水供应负荷和生活热水能耗增加，碳排放势必更大。建筑运行中生活热水系统的碳排放在建筑碳排放中占比很大，因此建筑热水系统的碳减排不容忽视，是建筑领域实现国家“双碳”目标的重要关注领域。

建筑排放的污水含有余温余热，本质上是一种未完全开发利用的资源，目前有污水源热泵等将污水的热能提取利用建筑热水系统或者采暖，取得了一定的效果。这种方式一般是在一个片区内设置污水源热泵，集中建设，集中管理，不适用于单户及较小单位的污水热源利用。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种建筑内污水源热回收装置及其管道计算方法，用以解决现有污水热源的利用限于集中管理的问题。

一方面，本发明提供了一种建筑内污水源热回收装置，能够可拆卸设置于建筑的给排水体系中，包括：

排水管，与所述建筑的排水系统连通；

换热管，与所述建筑的供水系统连通；所述换热管缠绕于所述排水管外侧。

进一步地，所述换热管包括两根以上的换热分管；

所述换热分管并行缠绕于所述排水管外侧。

进一步地，所述换热分管的数量为3～6根；

所述排水管的长度为0.5～1.2m。

进一步地，所述换热分管的直径小于所述排水管的直径；

所述排水管的直径为DN50、DN75、DN100和DN150中的一种；

所述换热分管的直径为DN20、DN25、DN32中的一种。

进一步地，所述排水管可拆卸替换或作为所述建筑的淋浴间部分排污立管；

所述换热管可拆卸替换或作为所述淋浴间中热水器的部分供水管道。

进一步地，所述换热管内液体流动方向与所述排水管内液体流动方向相逆。

另一方面，本发明提供了一种建筑内污水源热回收装置的管道计算方法，至少能够用于设计上述建筑内污水源热回收装置的管道，包括以下步骤：

获取所述排水管的内径d

预设所述排水管的热水进水温度T

S100：计算交换热能Q，计算公式如下：

Q＝W

其中，W

S200：计算平均温差△t

其中，△t

S300：计算总传热系数K，计算公式如下：

其中，λ为排水管管壁材料的导热系数，α

S400：计算换热面积S，计算公式如下：

S500：计算所述排水管被换热管覆盖的长度L，计算公式如下：

其中，π为圆周率。

进一步地，所述步骤S100中，计算交换热能Q，还包括计算公式Q＝Q

进一步地，所述步骤S300中，计算总传热系数K，还包括计算公式：

进一步地，C

与现有技术相比，本发明至少可实现的有益效果之一：旨在提供一种分散式的建筑内污水源热回收解决方案，所述回收装置能够可拆卸设置于建筑的给排水体系中，通过换热的方式利用污水的余热为至少部分供水加热，不仅能够简便快捷地回收污水热能，而且减少建筑水系统的碳排，并降低热水使用成本。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为具体实施方式中回收装置的结构示意图；

图2为具体实施方式中回收装置的俯视图；

图3为具体实施方式中回收装置应用在独栋别墅中的示意图；

图4为具体实施方式中回收装置应用在独栋别墅中的另一示意图；

图5为具体实施方式中回收装置应用在独栋别墅中的又一示意图；

图6为具体实施方式中回收装置应用在高层建筑中的示意图；

图7为具体实施方式中回收装置应用在高层建筑中的另一示意图。

附图标记：

1-排水管；2-换热管；201-进水端接口；202-出水端接口；21-换热分管；3-热水器；4-排污立管；5-热水使用处；A-污水；B-冷水；C-预热水D-热水。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本发明一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接可以是机械连接，也可以是电连接可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

全文中描述使用的术语“顶部”、“底部”、“在……上方”、“下”和“在……上”是相对于装置的部件的相对位置，例如装置内部的顶部和底部衬底的相对位置。可以理解的是装置是多功能的，与它们在空间中的方位无关。

本发明通常的工作面可以为平面或曲面，可以倾斜，也可以水平。为了方便说明，本发明实施例放置在水平面上，并在水平面上使用，并以此限定“高低”和“上下”。

实施例一

本实施例公开了一种建筑内污水源热回收装置，能够可拆卸设置于建筑的给排水体系中，以备将给排水系统中污水的热能回收再利用，尤其是对淋浴时排出污水能量的回收利用。

如图1～图7所示，所述建筑内污水源热回收装置，包括：

排水管1，与所述建筑的排水系统连通；

换热管2，与所述建筑的供水系统连通；所述换热管2缠绕于所述排水管1外侧，以备将所述排水管1内流体(如污水)的热量交换至所述换热管2的流体，为建筑内至少部分供水提供热能，减少建筑热水供能能耗。

本发明一种建筑内污水源热回收装置(以下简称回收装置)，旨在提供一种分散式的建筑内污水源热回收解决方案，所述回收装置能够可拆卸设置于建筑的给排水体系中，通过换热的方式利用污水的余热为至少部分供水加热，不仅能够简便快捷地回收污水热能，而且减少建筑水系统的碳排，并降低热水使用成本。

所述回收装置的工作原理是传热并不完全依赖于停留时间，更依赖于流体与管壁之间的密切接触。根据排水理论，排水在立管内粘附在管道内壁，形成附壁螺旋流，在管道内壁形成一层水的湍流薄膜，其将热量转移至管壁，管壁又将热量迅速转移至流经的温度较低的冷水，至此完成热交换。换热管与排水管缠绕接触，形成较大的接触面积，以提升传热效果。

为提高换热效果，所述换热管2内液体流动方向与所述排水管1内液体流动方向相逆，即排水管1内液体的流动方向与换热管2内液体的流动方向相对，若排水管1内液体的流动方向垂直向下，则换热管2内液体的流动方向则螺旋向上。

为了提高热交换效率，所述换热管2包括两根以上的换热分管21，所述换热分管21并行缠绕于所述排水管1外侧，此处所述的并行是指，若将换热管2从排水管1上取下拉直，换热分管21之间平行无间隔地一排设置，所述换热管2缠绕于排水管1外壁上时，所述换热分管21无间隙地并排缠绕于排水管1的外壁上。如此设置，在保证供水流量的同时，又能够尽可能提高换热管2与排水管1的接触面积，提高换热效果。

优选地，所述换热分管21的数量为3～6根。

所述换热分管21的直径小于所述排水管1的直径，优选地，所述换热分管21的直径与排水管1的直径比小于1:3。

为方便换热管2与建筑内供水系统可拆卸连接，所述换热管2包括进水端接口201和出水端接口202，且所有换热分管21的进水端与进水端接口201连通，所有换热分管21的出水端与出水端接口202连通；即所有换热分管21的进水端在所述进水端接口201汇集，所有换热分管21的出水端在所述出水端接口202汇集；也就是，所有换热分管21的进水端和出水端分别通过进水端接口201、出水端接口202与建筑内供水系统可拆卸连接。

为方便施工安装，所述进水端接口201、出水端接口202的开口方向均在竖直方向，即进水端接口201的开口竖直向下，出水端接口202的开口竖直向上。

所述排水管1、换热分管21的直径优先选择建筑给排水管道的常规尺寸，以便本发明的回收装置与既有建筑给排水管道进行衔接，达到能够进行广泛推广和实用的目的。

优选地，排水管1的直径规格为DN50(即通径为50mm，下同)、DN75、DN100和DN150中的一种。所述换热分管的直径规格为DN20、DN25、DN32中的一种。

通常本发明的回收装置安装于淋浴间的排污立管上，即将所述排水管替换部分排污立管，或者在建筑初期安装给排水管道时将本发明的排水管用作部分排污立管。

优选地，本发明的换热管2可拆卸替换或作为淋浴间中热水器3的部分供水管道，以达到降低热水器的供热能耗，降低建筑水系统碳排，实现节能减排的作用。

当然如果建筑内若还有别的会产生大量高余热污水的房间的排污立管上也可以安装所述回收装置，即所述排水管1替换或作为这些房间的部分排污立管，相应地，所述换热管2可拆卸替换或作为这些房间内热水器的部分供水管道。

需要说明的是，本发明的回收装置并不局限于安装在排污立管处，可以安装在任何输运有余热污水的管道上，此处的安装是将本发明的排水管用作部分输运有余热污水的管道，或者本发明的排水管替换部分输运有余热污水的管道。

优选地，所述排水管1的两端设有法兰，以便与建筑内排水系统可拆卸连接。

为保证一定的经济效益和使用效果，且考虑安装便利，所述排水管1的长度最小为0.5m，考虑到一般建筑楼层高度为3.0m左右，距底板1.0m处设置有检查口，顶板排水接口占用约0.5m，回收装置与建筑内排水系统接口安装长度预留0.3m，排水管1的长度不超过1.2m，因此，排水管1的长度为0.5～1.2m，即排水管1的长度可以设定为0.5m、0.6m、0.7m、0.8m、0.9m、1.0m、1.1m、1.2m。当然也可根据现场情况订做合适的排水管长度。

为提高换热效果，所述排水管1和换热管2的材质均为导热效果良好的材料，优选具有良好导热性能且不易锈金属。

本实施例中，排水管1和换热管2的材质均为铜，铜是一种导热性能极高、延展性较好的材质，且安全无污染，在给水中较为广泛的应用，在此用于制作柔性带孔扁平线圈在工艺上完全可行。

根据本发明的一种优选实施方式，所述回收装置还包括保温层和隔音层，所述保温层包裹于所述换热管2外侧，所述保温层至少能够完全覆盖所述换热管，以免换热管2内的热量向外扩散。所述隔音层包裹于所述保温层的外侧，优选地，所述隔音层的长度不小于排水管1的长度，即隔音层能够完全覆盖排水管1，以提高本发明回收装置的使用体感。

为提高换热管2在排水管1上的稳定性，所述排水管1上设有用于限位换热管的限位件，且至少包括两个所述限位件，其中两个限位件位于所述换热管2的两端。

本发明的回收装置可适用于独栋别墅、办公楼、酒店、居民楼等任何可能产生带有污水的建筑内。

如图3至图5所示，是将本发明的回收装置使用在独栋别墅中的应用场景，三种场景均是将排水管1作为淋浴室下部分排污立管4使用，以使淋浴室产生的污水A流经排水管1。图3中，供水系统的冷水B被换热管2预热后成为预热水C，预热水C一部分被输运至加热器3中进行加热成热水D提供给淋浴喷头，以提高加热器3进水温度，预热水C另一部分被输运至淋浴喷头处，以减少淋浴喷头对加热器3中热水的使用量，从两方面同时降低加热器能耗。图4中，供水系统的冷水B部分被换热管2预热后成为预热水C，预热水C被输运至淋浴喷头处，以减少淋浴喷头对加热器3中热水的使用量，起到降低加热器能耗的作用。图5中，供水系统的冷水B部分被换热管2预热后成为预热水C，预热水C被输运至加热器3中进行加热成热水D提供给淋浴喷头，以提高加热器3进水温度，起到降低加热器能耗的作用。

如图6和图7所示，是将本发明的回收装置使用在高层建筑中的应用场景，图6和图7中，本层安装的回收装置回收利用的是上层排下的污水A余热，供水系统的冷水B经换热管2预热后的预热水C被加热器3加热成热水D输运至热水使用处5进行使用，起到降低加热器的能耗。图6和图7的区别在于，图6中最底层的回收装置位于第一层，本层使用的预热水来自于本层的回收装置产生的预热水，建筑顶层不用安装回收装置，也没有预热水可用；图7中最底层的回收装置位于地下一层，本层使用的预热水来自于下一层回收装置中的预热水，建筑顶层不用安装回收装置，但可使用次顶层回收装置产生的预热水。

本发明的回收装置，结构简单，安装快捷简便，不占用额外的安装空间，且后期无任何维护需求，一方面，不需要额外的能量维持其运行，实现零碳排，更绿色环保；另一方面，其可以分散入户，将产生的污水能量及时回收利用，无需经过漫长的集中处理环节，避免污水中热量大量被挥发浪费。

本发明的回收装置，也可以看作是现有对污水集中回收利用的前置装置，经本发明回收利用后的污水依旧可以再对其进行回收利用，以将污水中可能存在的能量尽可能回收利用，实现物尽其用。

本发明的回收装置提供了一种分散式建筑内污水源热回收解决方案，能简便快速的回收污水热能，减少二氧化碳排放并降低热水使用成本，便于广泛推广，能产生巨大的环境和经济效益。

本发明的回收装置不仅可以与既有给排水体系衔接，也可以被安装至新装的给排水体系中，即可适用于新建建筑，又可以适用于既有建筑(即方便改造)，其在未增加任何安装空间和能量输入的情况下，能提高能源的使用率，减少热水能耗，能有效减少碳排放。

实施例二

本实施例提供了一种建筑内污水源热回收装置的管道计算方法，其至少能够用于设计实施例一提供的回收装置的管道。

所述管道计算方法，包括以下步骤：

获取所述排水管1的内径d

预设所述排水管1的热水进水温度T

S100：计算交换热能Q，计算公式如下：

Q＝W

其中，W

S200：计算平均温差△t

其中，△t

S300：计算总传热系数K，计算公式如下：

其中，λ为排水管管壁材料的导热系数，铜的导热系统λ为401W/(m.℃)；α

S400：计算换热面积S，计算公式如下：

S500：计算所述排水管被换热管覆盖的长度L，计算公式如下：

其中，π为圆周率，优选地，π＝3.14。

所述步骤S100中，计算交换热能Q，还可以通过计算公式Q＝W

所述步骤S300中，为方便计算也可以忽略排水管与换热管内的污垢系数，即R

【实例】以一个淋浴器的场景为例，淋浴额定流量为0.15L/s，排水参与热交换的流量按一半进行计算，即W

表1为排水管(铜管)的直径规格和壁厚。表2～表5分别为回收装置排水管四种直径规格(即DN50、DN75、DN100和DN150四个规格)下对应计算覆盖换热管长度的计算表。

表1-排水管(铜管)的直径规格

表2-排水管规格为DN50的计算表

表3-排水管规格为DN75的计算表

表4-排水管规格为DN100的计算表

表5-排水管规格为DN150的计算表

需要说明的是，实例中热水的流量(即排水管流体流量)是冷水流量(即换热管内流体流量)的一半，所以冷水升1℃对应的热水需要降2℃，示例性地，当冷水预热提升温度为1℃，T

本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。