用于自然水源与换热介质热交换的大型换热装置及系统的制作方法

1.本发明涉及一种换热装置及系统，尤其涉及一种地表水的换热装置及系 统。


背景技术：

2.以岩土体、地下水或地表水为低温热源，由水源热泵机组、地热能交换 系统、建筑物内系统组成的供热空调系统，统称为地源热泵系统。然而，根 据地热能交换系统形式的不同，地源热泵系统又可以分为：地埋管地源热泵 系统、地下水地源热泵系统和地表水地源热泵系统。
3.进一步地，在地表水地源热泵系统中，与地表水进行热交换的地热能交换 系统又可以分为：开式地表水换热系统(open-loopsurfacewatersystem)和闭 式地表水换热系统(closed-loopsurfacewatersystem)。其中，开式地表水换热 系统是指：采用取水系统从自然水源水体提取自然水源水，自然水源水经净化 处理后在循环泵的驱动下与换热介质进行热交换的系统；闭式地表水换热系统 是指：将换热器按照各种排列方法直接浸入自然水源水体中，换热介质通过换 热器管壁与自然水源水体直接进行热交换的系统。
4.然而，需要说明的是，传统的开式地表水换热系统和闭式地表水换热系统 均存在一定的缺陷，其具体如下：
5.(1)在传统的开式地表水换热系统中，自然水源水与换热介质的热交换 属于强制热交换，即自然水源水与换热介质在换热装置内均采用循环泵加压的 高速流动模式，其换热装置一般选用密闭、标准化、小型化的高效换热设备， 并遵循大批量、规模化、标准化的设备制造思维，将换热设备标准化为一种通 用标准设备，最常见的标准化设备包括：板式换热器、管壳式换热器。
6.板式换热器一般采用间隙为0.6～0.8mm换热板板间换热，管壳换热器一 般采用间距在10～20mm的管束在管间换热。板式换热器与管壳换热器均具有 流体流通间隙狭窄的特点，而这一特点正是批量化、规模化、标准化的设备制 造思维的体现，它保证了换热设备的小型化、高效化和低成本优势。但是，板 式换热器与管壳换热器的流隙狭小很容易引起水路堵塞，故对换热流体的纯净 度与稳定性有较高要求，对水源水质要求高，这对于冶金、化工、电力等常规 稳定的工业过程而言是可以实现的，因此板式换热器与管壳换热器在常规工业 领域得到很好的应用。
7.然而，自然水源的水源状态是极不稳定，因此，自然水源采用板式换热器 与管壳换热器需要庞大的水源预处理系统，既要除去水体中的悬浮物，也要除 掉水体中微生物，大量药剂的使用可能污染水体。即使这样，在运行过程中， 两种换热器均极易结垢、形成污垢层，导致换热效率迅速下降，严重时必须停 机进行污垢清洗。在板式换热器及管壳换热器中，流体在换热器边界处过渡段 会出现流速较低的流态，当流体温度下降到冰点附近时，该过渡段会率先因温 度下降发生相变结冰，进而导致换热器内部结冰堵塞引起系统故障；同时换热 介质温度不宜过低，如果过低换热器壁面将产生相变结冰现象，从而增加水流 阻力，并进一步强化结冰现象直至系统因结冰而堵塞。同时两种换热器以一体 化为主，
目前虽然有便携可拆卸式面世，但是发生堵塞事故后，两种换热器维 修均很不方便，需要停机进行拆卸更换等工作，维修工程较为复杂困难。
8.同时，在追求小型化、高效化和低成本的理念下，设备化的换热器均采用 了高强度换热模式即同样换热量下换热界面相对较小。高强度换热模式要求换 热器换热界面两侧的介质均处于高温差条件，这就导致两个问题。其一，换热 后自然水源水的出口对应中间介质的入口，即自然水源水、中间介质均处于最 低温度条件，高强度换热模式又要求换热界面两侧的介质处于高温差条件，超 低温中间介质使换热器自然水源侧界面产生超低温，则换热器自然水源侧产生 相变发生结冰，自然水源水又处于低温条件，在高强度换热模式下，相变发生 强度高，冰层厚度大，在此处生成的厚冰层极有可能阻塞水流通道，如果仍保 持高强度换热模式只能提高自然水源出口温度抑制冰层厚度在允许范围内，这 就导致自然水源水可提取温差降低，即自然水源水可提取能量降低。传统换热 方法通常控制自然水源温度在冰点以上5℃，自然水源水可提取能量大量流失。 其二，高强度换热模式要求换热界面两侧的介质处于高温差条件，即换热介质 处于低温循环条件，处于低温循环条件下的换热介质降低了热泵工作效率，间 接降低了全系统能效比。
9.由此可见，传统的开式地表水换热系统在应对自然水源水多变性上的能力 较差，其取水工程、水源预处理系统复杂，长时间运行的安全性、可靠性差。 采用传统的开式地表水换热系统进行换热后自然水源水排放温度高，自然水源 水可提取能量流失量大；换热温差大，换热介质进口温度低，降低了热泵工作 效率，间接降低了全系统能效比。
10.(2)传统的闭式地表水换热系统是由自然水源水体与换热器构成的敞开 式系统，自然水源水处于自然状态，对于流动型水体自然水源而言，水体流动 速度随自然状况波动较大，洪水、大潮汐对浸没于水体的列管换热器构成巨大 冲击，因此有强烈流动冲击可能的水体不宜采用闭式地表水换热系统。
11.滞留型水体相对安全性高，但是对于滞留型水体自然水源而言，在自然状 态下形成的浪涌传递到水体产生的流动很小，列管换热器的管壁由于热交换在 管壁附近产生的密度流成为自然水源流动换热水流流速的主体部分。因此，滞 留型水体闭式地表水换热系统自然水源侧流动换热系数很低，而换热介质侧流 动换热系数很高，即换热界面两侧的换热能力差距很大。
12.因此，传统的闭式地表水换热系统可以应对自然水源的多变性，对于流动 型水体虽然没有建设配套取水工程，但是为了防止流动冲击，系统中换热器在 水体的固定投资较大；滞留型水体很低的自然水源侧流动换热系数使换热器的 数量需求过于庞大，成本过高。
13.基于此，为了克服以上现有技术的开式和闭式地表水换热系统中存在的缺 陷，本发明期望获得一种新的用于自然水源与换热介质热交换的大型换热装置 及系统，其可以解决采用板式换热器或管壳换热器所导致的前端水处理系统庞 大复杂的问题，以及微生物滋长、自然水源水结垢、冬季水源在换热器壁面结 冰相变引起的换热效率降低，所导致的热泵系统无法工作等问题。相较于现有 技术中换热圆盘管直接抛入自然水源水、列管组合成单体浸入自然水源水的换 热方法或装置，本发明稳定了列管换热装置在自然水源水中的存在形式，提高 了列管换热装置与自然水源水的换热能力。


技术实现要素：

14.本发明的目的之一在于提供一种用于自然水源与换热介质热交换的大型 换热装置，该大型换热装置不仅可以解决采用板式换热器或管壳换热器所导致 的前端水处理系统庞大复杂的问题，其还能够有效解决因微生物滋长、自然水 源水结垢、冬季水源在换热器壁面结冰相变引起的换热效率降低，所导致的热 泵系统无法工作的问题。
15.相较于现有技术中的将换热圆盘管直接抛入自然水源水、列管组合成单体 浸入自然水源水的换热方法或装置，本发明所述的大型换热装置稳定了列管换 热装置在水体的存在形式，提高了列管换热装置与自然水源水的换热能力，其 具有良好的推广前景和应用价值。
16.为了实现上述目的，本发明提出了一种用于自然水源与换热介质热交换的 大型换热装置，其包括：
17.敞开式隧道结构，其具有沿着长度方向形成的坡度，所述坡度驱动自然水 源水在敞开式隧道结构内流动；
18.若干个扰流板，其设于所述敞开式隧道结构内，所述扰流板被设置为使自 然水源水在流向垂直面上发生扰动；
19.列管换热装置，其设置在所述敞开式隧道结构内，所述列管换热装置的列 管内流动有换热介质；
20.循环泵，其与所述列管换热装置连通，以驱动换热介质的流动。
21.在本发明所述的技术方案中，本发明的大型换热装置中创造性地设计添加 了一种敞开式隧道结构和若干个设于敞开式隧道结构内的扰流板。其中，敞开 式隧道结构具有一定坡度，自然水源水可以依靠坡度产生的势能差作为自然流 动的动力在敞开式隧道结构内流动。相应地，设置于敞开式隧道结构内的若干 个扰流板可以使自然水源水在流向垂直面上发生扰动，以确保流向垂直面的温 度均匀性。当自然水源水在敞开式隧道结构中流动时，设于敞开式隧道结构内 的列管换热装置可以依靠循环泵以驱动其列管内部换热介质的流动，从而实现 列管内部换热介质与列管换热装置外侧自然流动的自然水源水的热交换。
22.需要说明的是，在本发明中，隧道采用敞开式结构的设计是因为：敞开式 结构不仅能够实现人工或机械在线清淤、清洗苔藓、敲出吸附壳类软体动物， 其还可以允许水位上下波动以克服阻力波动。
23.进一步地，在本发明所述的大型换热装置中，所述扰流板与扰流板调节装 置连接，以调节扰流板自敞开式隧道结构的壁所伸出的量。
24.进一步地，在本发明所述的大型换热装置中，所述坡度≤2％。
25.在本发明中，本发明所述大型换热装置的敞开式隧道结构中具有沿着长度 方向形成的坡度，坡度形成的势能差可以作为自然水源水流动的动力，且应克 服自然水源水的流动阻力、污垢阻力、换热壁面结冰阻力等等阻力总和，优选 地可以控制坡度≤2％。
26.此外，需要说明的是，本发明所述大型换热装置的敞开式隧道结构中采用 了高长径比结构，以提高自然水源水在隧道中的流速，优选控制敞开式隧道结 构的长径比≥50，并可以使隧道内流动的自然水源水的流速≥0.5m/s。
27.进一步地，在本发明所述的大型换热装置中，所述敞开式隧道结构的长径 比≥
50，所述长径比为自然水源水流动距离与自然水源水有效截面积折合的等 面积圆的直径的比。
28.进一步地，在本发明所述的大型换热装置中，所述敞开式隧道结构被构造 为：使得其中流动的水的流速≥0.5m/s。
29.在上述技术方案中，本发明所述的大型换热装置中的大量列管换热单元排 布于所述敞开式隧道结构内，并被隧道内的自然水源水浸没。
30.列管换热单元内流通的换热介质依靠循环泵流通，采用高流速可以有效提 高流动换热系数，优选地可以控制换热介质的流速≥1m/s。
31.进一步地，在本发明所述的大型换热装置中，所述循环泵被设置为：使得 中间换热介质的流速≥1m/s。
32.进一步地，在本发明所述的大型换热装置中，所述列管换热装置包括若干 个列管换热单元，所述若干个扰流板在所述敞开式隧道结构内形成若干个彼此 连通的腔室，各列管换热单元对应设于各腔室内。
33.进一步地，在本发明所述的大型换热装置中，各所述列管换热单元彼此之 间串联和/或并联连接。
34.在本发明上述技术方案中，列管换热装置中的列管换热单元彼此之间可以 采用串联的方式连接，也可以采用并联的方式连接。在某些实施方式中，若干 个列管换热单元彼此之间可以先串联连接形成一个换热单元组，而后多个这种 换热单元组彼此再并联连接，以形成本技术方案中所述的列管换热装置。另外， 在一些其他的实施方式中，若干个列管换热单元彼此之间也可以先并联连接形 成一个换热单元组，而后多个换热单元组彼此之间再串联连接，以形成本技术 方案中所述的列管换热装置。
35.进一步地，在本发明所述的大型换热装置中，所述列管换热单元包括若干 个并联和/或串联设置的管排，每一个管排包括若干个彼此平行设置的列管或 者若干段由单管折弯形成的彼此平行的管段。
36.在某些实施方式中，列管换热单元可以由若干个彼此串联连接的管排形 成，也可以由若干个彼此并联连接的的管排形成。在另外一些实施方式中，也 可以是若干个管排先串联形成管排组，而后多个管排组彼此之间再并联连接， 以形成列管换热单元。又或者，若干个管排先并联形成管排组，而后多个管排 组彼此之间再串联连接，以形成列管换热单元。
37.进一步地，在本发明所述的大型换热装置中，各相邻管段或列管之间的间 距≥30mm。
38.在本发明上述技术方案中，本发明所述大型换热装置的列管换热单元在隧 道内采用大间隙布置，在一些优选的实施方式中，可以控制其各相邻管段或列 管之间的间距≥30mm，以降低对自然水源水悬浮物含量的要求，减少泥沙沉 积、壁面结垢、形成的苔藓、吸附生长的壳类软体动物和结冰等增加阻力因素 的影响。
39.进一步地，在本发明所述的大型换热装置中，所述管段或列管为翅片管， 其中所述各翅片管的管道走向与敞开式隧道结构内流动的自然水源水的流向 垂直，所述翅片管的翅片的延伸方向与敞开式隧道结构内流动的自然水源水的 流向平行。
40.在上述技术方案中，本发明的大型换热装置中的管段或列管可以包括批量 化生
产的翅片管和/或光管，其材质可以是不锈钢、铝合金、钛合金、工程塑 料等。当列管换热单元的管段或列管选用翅片管时，由于自然水源水流动方向 顺隧道方向流动，各翅片管的管道走向与敞开式隧道结构内流动的自然水源水 的流向垂直，可以实现翅片管的翅片的延伸方向与敞开式隧道结构内流动的自 然水源水的流向平行，增加列管换热单元与自然水源水的换热面积，从而缩小 两种介质的流动换热系数差距影响，使本发明所述大型换热系统中大型换热装 置的能力得以充分发挥。
41.进一步地，在本发明所述的大型换热装置中，相邻所述翅片间的间距≥ 30mm。
42.进一步地，在本发明所述的大型换热装置中，所述列管换热装置包括超长 管束，所述超长管束在所述敞开式隧道结构的长度方向上延伸。
43.更进一步地，当所述列管换热装置包括超长管束时，或者当列管换热装置 中的列管换热单元彼此之间以串联或串并联混合的方式连接时，所述扰流板上 设有供连接列管换热单元的管道或超长管束穿过的槽或孔。
44.进一步地，在本发明所述的大型换热装置中，还包括若干个液位检测器和 若干个温度检测器，其均设于所述敞开式隧道结构内。
45.在上述技术方案中，液位检测器可以检测敞开式隧道结构的液位，并依据 水位波动测定敞开式隧道结构内的水流阻力，以作为后续确定敞开式隧道结构 是否进行在线清淤、淸垢等工作的依据。相应地，温度检测器可以有效测定隧 道内自然水源水的水温，并依据水温沿水流方向的变化测定敞开式隧道结构内 的换热效率，作为调整换热量、换热强度的依据。
46.相应地，本发明的另一目的在于提供一种用于自然水源与换热介质热交换 的大型换热系统，该大型换热系统不仅可以解决采用板式换热器或管壳换热器 所导致的前端水处理系统庞大复杂的问题，其还能够有效解决因微生物滋长、 自然水源结垢、冬季水源在换热器壁面结冰相变引起的换热效率降低，所导致 的热泵系统无法工作的问题。
47.相较于现有技术中的将换热圆盘管直接抛入自然水源水、列管组合成单体 浸入自然水源水的换热方法或装置，本发明所述的大型换热系统稳定了列管换 热装置在水体的存在形式，提高了列管换热装置与自然水源水的换热能力，其 具有良好的推广前景和应用价值。
48.为了实现上述目的，本发明提出了一种用于自然水源与换热介质热交换的 大型换热系统，其包括本发明上述的大型换热装置，所述大型换热系统还包括：
49.自然水源水输入端，其将自然水源水输入所述敞开式隧道结构；
50.自然水源水输出端，其将所述敞开式隧道结构内的自然水源水排出；
51.换热介质输入端，其将换热介质输入到列管换热单元内；
52.换热介质输出端；
53.热泵系统，其与所述换热介质的输入端和输出端分别连接。
54.本发明所述的用于自然水源与换热介质热交换的大型换热装置及系统相 较于现有技术具有如下所述的优点和有益效果：
55.本发明所述的用于自然水源与换热介质热交换的大型换热装置不仅可以 解决采用板式换热器或管壳换热器所导致的前端水处理系统庞大复杂的问题， 其还能够有效解决因微生物滋长、自然水源结垢、冬季水源在换热器壁面结冰 相变引起的换热效率降低，
所导致的热泵系统无法工作的问题。
56.相较于现有技术中将换热圆盘管直接抛入自然水源水、列管组合成单体浸 入自然水源水的换热方法或装置，本发明所述的大型换热装置稳定了列管换热 装置在水体的存在形式，提高了列管换热装置与自然水源水的换热能力，其具 有良好的推广前景和应用价值。
57.相应地，本发明所述的用于自然水源与换热介质热交换的大型换热系统 中，采用了上述的大型换热装置，其同样具有上述的优点以及有益效果。
附图说明
58.图1示意性地显示了本发明所述的用于自然水源与换热介质热交换的大 型换热装置在一种实施方式下的结构俯视图。
59.图2示意性地显示了图1所示的大型换热装置的1-1剖面图。
60.图3示意性地显示了图1所示的大型换热装置的2-2剖面图。
61.图4为本发明所述的用于自然水源与换热介质热交换的大型换热装置在 另一种实施方式下的结构俯视图。
62.图5示意性地显示了本发明所述的用于自然水源与换热介质热交换的大 型换热系统在一种实施方式下的流程示意图。
63.图6示意性地显示了本发明所述的用于自然水源与换热介质热交换的大 型换热系统在另一种实施方式下的示意图。
64.图7示意性地显示了本发明所述的用于自然水源与换热介质热交换的大 型换热系统在又一种实施方式下的示意图。
具体实施方式
65.下面将结合说明书附图和具体的实施例对用于自然水源与换热介质热交 换的大型换热装置及系统做进一步的解释和说明，然而该解释和说明并不对本 发明的技术方案构成不当限定。
66.图1示意性地显示了本发明所述的用于自然水源与换热介质热交换的大 型换热装置在一种实施方式下的结构俯视图。
67.图2示意性地显示了图1所示的大型换热装置的1-1剖面图。
68.图3示意性地显示了图1所示的大型换热装置的2-2剖面图。
69.如图1、图2和图3所示，在该实施方式中，本发明所述的用于自然水源 与换热介质热交换的大型换热装置可以包括：敞开式隧道结构1、若干个扰流 板2、列管换热装置3和循环泵(图中未示出)。其中，大型换热装置中的敞开 式隧道结构1具有沿着长度方向形成的坡度，所述坡度可以驱动自然水源水在 敞开式隧道结构1内流动。
70.在本发明所述的大型换热装置中，敞开式隧道结构1内按照一定间隔设有 扰动自然水源水流动的扰流板2，这样设置的扰流板2可以使自然水源水在流 向垂直面发生扰动，以确保流向垂直面的温度均匀性。相应地，本发明所述的 列管换热装置同样设置于敞开式隧道结构中，列管换热装置3的列管31中流 动有换热介质。循环泵与列管换热装置3连接，其可以驱动换热介质的流动， 列管换热装置3依靠循环泵驱动流通的换热介质与列管换热
装置3外侧自然流 动的自然水源水进行热交换。
71.需要说明的是，在本实施方式中，本发明所述的列管换热装置3包括若干 个列管换热单元4，本发明中的若干个扰流板2可以在敞开式隧道结构1中形 成若干个彼此连通的腔室5，列管换热单元4对应地设置于上述的各腔室5内。
72.在本发明所述大型换热装置中，敞开式隧道结1内还可以按照一定间隔设 置有若干个液位检测器6和若干个温度检测器7。其中，液位检测器6可以检 测敞开式隧道结构1的液位，并依据水位波动测定敞开式隧道结构1内的水流 阻力，以作为后续确定隧道是否进行在线清淤、淸垢等工作的依据；温度检测 器7可以有效测定敞开式隧道结构1内自然水源水的水温，并依据水温沿水流 方向的变化测定敞开式隧道结构1内的换热效率，以作为调整换热量、换热强 度的依据。
73.此外，在本实施方式中，为了便于用户实时调整扰流板自敞开式隧道结构 的壁所伸出的量，在本发明所述大型换热装置中，还可以设置有与扰流板2连 接的流板调节装置21。结合图1、图2和图3可以看出，在本实施方式中，扰 流板2可以设置于敞开式隧道结构的上壁和/或下壁，通过控制扰流板调节装 置21可以使扰流板2沿敞开式隧道结构1的高度方向上下移动，以调节扰流 板2自敞开式隧道结构1的壁所伸出的量，从而调节其开启程度。
74.在本发明所述大型换热装置中，隧道采用敞开式结构的设计是因为：敞开 式结构不仅能够实现人工或机械在线清淤、清洗苔藓、敲出吸附壳类软体动物， 其还可以允许水位上下波动以克服阻力波动。
75.需要说明的是，本发明所述大型换热装置中的敞开式隧道结构1可以为混 凝土结构的土建构建物，在某些实施方式中，为降低流动阻力，可以对敞开式 隧道结构1的内侧进行光滑处理，并在其表面贴附平滑层，贴附的平滑层可以 是板层、不锈钢板层和涂料层。
76.此外，还需要注意的是，在本实施方式中，本发明所述大型换热装置中的 敞开式隧道结构1中具有沿着长度方向形成的坡度，坡度形成的势能差作为自 然流动的动力可以克服流动阻力总和，因此在本实施方式中，可以优选控制坡 度≤2％。另外，为提高自然水源水在隧道中的流速，敞开式隧道结构1可以 采用高长径比结构，在本实施方式中，可以优选控制敞开式隧道结构1的长径 比≥50，其中长径比为自然水源水流动距离与自然水源水有效截面积折合的等 面积圆的直径的比，在此条件下本发明敞开式隧道结构1中流动的自然水源水 的流速≥0.5m/s。
77.如图2所示，同时结合参考图1，在本发明所述的大型换热装置中，列管 换热单元4对应设于各腔室5内，并被隧道内的自然水源水浸没。需要说明的 是，在本发明中，列管换热装置3的列管换热单元4彼此之间可以采用串联的 方式连接，也可以采用并联的方式连接浸入敞开式隧道结构1中。
78.在本实施方式中，本发明所述的列管换热单元4彼此之间全并联连接，其 可以包括若干个并联设置的管排，每一个管排包括若干个彼此平行设置的列管 或者若干段由单管折弯形成的彼此平行的管段，列管换热单元4高度可以优选 在1000～1800mm之间，列管或管段的管径可以优选在32～64mm之间。
79.继续参阅图2，在本实施方式中，本发明所述的大型换热装置通过判定敞 开式隧道结构自然液位最高水位，以此判断敞开式隧道结构1内的流体流动是 否有相变结冰及堵塞现象发生，并依此判断是否开启其他工作模式。图2中， a表示标准工况自然水源水工作
液位；b表示融冰工况升高液位；c表示换热介 质输出端11管径；d表示列管换热装置中列管间距；e表示列管组合换热器管 径。
80.在本发明中，本发明上述大型换热装置中列管换热单元4的列管或管段可 以包括批量化生产的翅片管和/或光管，其材质可以是不锈钢、铝合金、钛合 金、工程塑料等。当列管换热单元4的列管选用翅片管时，由于自然水源水流 动方向顺隧道方向流动，各翅片管的管道走向与敞开式隧道结构1内流动的自 然水源水的流向垂直，可以实现翅片管的翅片的延伸方向与敞开式隧道结构1 内流动的自然水源水的流向平行，增加列管换热单元4与自然水源水的换热面 积，从而缩小两种介质的流动换热系数差距影响，使本发明所述大型换热装置 的能力得以充分发挥。
81.相应地，在本发明所述的列管换热装置3中，流动的换热介质可以包括纯 水和/或水溶液，其中水溶液含有降低水的冰点的溶质，该溶质可以包括盐、 糖、醇或其他类似的可溶性物质。列管换热装置3内流通的换热介质能够依靠 循环泵流通，其可以通过改变换热介质流速来改变列管换热系数，采用高流速 可以有效提高流动换热系数，因此在某些实施方式中，可以优选地控制换热介 质的流速≥1m/s。
82.在本发明中，本发明所述的大型换热装置采用了自然水源水宽间隙流通的 方式，其中敞开式隧道结构1可供自然水源水流通的间隙不再狭窄，列管换热 装置3中的列管换热单元4在隧道内采用大间隙布置，对水质无极端要求，并 可允许自然水源水在近冰点温度下流出，在一些优选的实施方式中，可以控制 列管换热单元4中各相邻管段或列管之间的间距≥30mm，以降低对自然水源 悬浮物含量的要求，减少泥沙沉积、壁面结垢、形成的苔藓、吸附生长的壳类 软体动物和结冰等增加阻力因素的影响。
83.此外，如图3所示，在本实施方式中，列管换热单元4前后还设有800～ 1000mm的空白间距，在非工作期间，工作人员可以进入敞开式隧道结构1内 对列管换热单元4进行清洗维修。
84.另外，结合图1和图3可以看出，在本发明所述的大型换热装置中，列管 换热单元4允许以不同接入方式与敞开式隧道结构1结合，根据列管换热单元 4内的换热介质流动方向与自然流体流动方向的关系，可分为顺流、逆流等多 种换热模式组合，根据具体工作温度设定可分别安装设置。
85.图4为本发明所述的用于自然水源与换热介质热交换的大型换热装置在 另一种实施方式下的结构俯视图。
86.如图4所示，图4所示实施方式的大型换热装置的结构与本发明图1-图 3所示实施方式的大型换热装置存在明显差异。在该实施方式中，本发明所述 的大型换热装置中设置有两个干个扰流板2。在该实施方式中，大型换热装置 中两个扰流板2自敞开式隧道结构1的壁所伸出移动的方向与图1所示实施方 式的扰流板2不同。其中，两个扰流板2可以分别设置于敞开式隧道结构1的 两个侧壁上，通过控制扰流板调节装置21，可以使得扰流板2前后移动，以调 节扰流板2自敞开式隧道结构1的侧壁所伸出的量，从而调节其开启程度。
87.图5示意性地显示了本发明所述的用于自然水源与换热介质热交换的大 型换热系统在一种实施方式下的流程示意图。
88.如图5所示，同时结合参考图1-3所示的大型换热装置，在本发明中，本 发明所述的用于自然水源与换热介质热交换的大型换热系统除了本发明上述 的大型换热装置外，
还包括有：自然水源水输入端8、自然水源水输出端9、 换热介质输入端10、换热介质输出端11和热泵系统。
89.在本发明所述的大型换热系统中，自然水源水输入端8可以将自然水源水 输入所述敞开式隧道结构1中；自然水源水输出端9可以将所述敞开式隧道结 构1内的自然水源水排出。相应地，大型换热系统中的热泵系统12与换热介 质输入端10和换热介质输出端11均分别连接，换热介质输入端10可以将换 热介质输入到列管换热单元3内。
90.需要说明的是，本发明所述的自然水源水输入端10可以外接输入泵或逆 止阀，自然水源水输出端11同样可以外接有输出泵或逆止阀。
91.当采用本发明所述的大型换热系统对自然水源进行换热时，大型换热系统 中的自然水源水输入端8可以将自然水源水输入大型换热装置的敞开式隧道结 构1中，敞开式隧道结构1中的坡度能够有效驱动自然水源水在敞开式隧道结 构1内流动，自然水源水可以进入敞开式隧道结构1内彼此连通的腔室5中， 与列管换热装置3的列管内流动的换热介质通过强制对流、管壁传导、强制对 流等方式完成热交换，其换热量q1可以为热泵机组所需换热量q2的1.2倍以 上，从而保证热泵系统12的正常工作需求。在此过程中，循环泵能够有效驱 动换热介质的流动，换热介质可以通过换热介质输入端10输入到列管换热单 元3内，并通过换热介质输出端11输出，换热介质依靠循环泵与热泵系统12 连接并完成热交换，构成地表水源热泵系统。
92.图6示意性地显示了本发明所述的用于自然水源与换热介质热交换的大 型换热系统在另一种实施方式下的示意图。
93.如图6所示，在该实施方式中，列管换热装置3可以包括18个列管换热 单元4，其中每6个列管换热单元4可以先并联连接成1个换热单元组，从而 形成3个换热单元组；而后，形成的3个换热单元组可以再串联连接以形成列 管换热装置，浸入地设置在敞开式隧道结构1中。
94.由此可见，列管换热装置4中的列管换热单元3彼此之间不仅可以采用串 联或并联的方式连接。在某些实施方式中，若干个列管换热单元3彼此之间可 以先串联连接形成一个换热单元组，而后多个这种换热单元组彼此再并联连 接，以形成本技术方案中所述的列管换热装置3。另外，在一些其他的实施方 式中，若干个列管换热单元4彼此之间也可以先并联连接形成一个换热单元组， 而后多个换热单元组彼此之间再串联连接，以形成本技术方案中所述的列管换 热装置3。
95.图7示意性地显示了本发明所述的用于自然水源与换热介质热交换的大 型换热系统的列管换热装置在另一种实施方式下的示意图。
96.如图7所示，在该实施方式中，本发明所述大型换热系统中的列管换热装 置3包括超长管束，该超长管束在大型换热装置中敞开式隧道结构的长度方向 上延伸。需要说明的是，在该实施方式中，大型换热装置中的扰流板2上需要 开设供超长管束穿过的槽(图中未示出)。
97.为了更好地说明本发明所述用于自然水源与换热介质热交换的大型换热 装置及系统的应用情况，分别设置两种截然不同的实施方式进行分析，以进行 进一步说明。
98.实施例1
99.在实施例1的大型换热系统中，大型换热装置中敞开式隧道结构长度设定 为
144m，敞开式隧道结构截面设定为2m
×
3m，其宽度为2m，高度为3m。 在该实施方式中，系统中的列管换热装置包括列管换热单元，敞开式隧道结构 两侧与列管换热单元保留100mm缝隙，则列管换热单元宽度设定为1.8m。隧 道上部为敞开式结构，为克服列管换热单元中列管结冰、结垢、沉积泥沙、管 壁形成的苔藓、吸附生长的壳类软体动物阻力波动等因素，为水位预留1m升 高空间，则列管换热单元的高度设定为2m。
100.在本实施方式中，列管换热单元均选定铝合金材质的光管列管换热器，且 采用全并联组合方式，其管径d＝32mm，列管壁厚σ＝3mm，列管换热器导热 系数λ1＝273w/(m*k)，列管换热器外形尺寸为长
×
宽
×
高＝4000mm
×
1800mm
ꢀ×
2000mm。列管换热器采用铝合金光管180
°
折弯反复排列，其单列长度为 1.8m，折反31次，单管总长57.4m。
101.在本实施方式中，每个列管换热单元中并列70根换热管排，列管换热单 元管排总长为4000m，则列管换热单元的换热面积为4000
×
3.14
×ꢀ
0.032＝401.92m2。设定相邻管段间的间隙为33mm，控制列管换热单元的排列 间隔为2m，由于敞开式隧道结构的长度为144m，因此可以在敞开式隧道结构 中总共放置24个列管换热单元。
102.在实施例1的大型换热系统中，该系统的总换热面积为9600m2，列管换 热单元综合换热系数为900w/(m2*k)，该系统总的换热功率为8.64mw/k。
103.实施例2
104.在实施例1的大型换热系统中，大型换热装置中敞开式隧道结构长度设定 为108m，敞开式隧道结构截面设定为2m
×
3m，其宽度为2m，高度为3m。 在该实施方式中，系统中的列管换热装置包括列管换热单元，敞开式隧道结构 两侧与列管换热单元保留100mm缝隙，则列管换热单元宽度设定为1.8m。隧 道上部为敞开式结构，为克服列管换热单元中列管结冰、结垢、沉积泥沙、管 壁形成的苔藓、吸附生长的壳类软体动物阻力波动等因素，为水位预留1m升 高空间，则列管换热单元的高度设定为2m。
105.在本实施方式中，列管换热单元均选定铝合金材质的光管列管换热器。列 管换热单元的管径d＝32mm，列管壁厚σ＝3mm，列管换热器导热系数λ 1
＝273w/(m*k)，列管换热器外形尺寸为长
×
宽
×
高＝4000mm
×
1800mm
×ꢀ
2000mm。列管换热器采用铝合金光管180
°
折弯反复排列，其单列长度为 1.8m，折反31次，其单管总长57.4m。
106.在本实施方式中，每个列管换热单元中并列70根换热管排，列管换热单 元的管排总长为4000m，则列管换热单元的换热面积为4000
×
3.14
×ꢀ
0.032＝401.92m2。设定相邻管段间的间隙为33mm，控制列管换热单元的排列 间隔为2m，由于敞开式隧道结构的长度为144m，因此可以在敞开式隧道结构 中总共放置18个列管换热单元，且采用每6个列管换热单元并联为一组换热 单元组，而后3组换热单元组再串联连接的形式。
107.在实施例2的大型换热系统中，该系统的总换热面积为7235m2，列管换 热单元综合换热系数为750w/(m2*k)，该系统总的换热功率为5.43mw/k。
108.实施例3
109.在实施例3的大型换热系统中，大型换热装置中敞开式隧道结构长度设定 为72m，敞开式隧道结构截面设定为2m
×
3m，其宽度为2m，高度为3m。在 本实施方式中，列管换热装置包括超长管束，其在敞开式隧道结构的长度方向 上延伸，且本发明的扰流板上设有供超长管束穿过的槽。相应地，敞开式隧道 结构两侧与列管换热装置保留100mm缝隙，则列管换热装置宽度设定为1.8m。 隧道上部为敞开式结构，为克服列管换热单元中列管结冰、结垢、
沉积泥沙、 管壁形成的苔藓、吸附生长的壳类软体动物阻力波动等因素，为水位预留1m 升高空间，则列管换热装置的高度设定为2m。
110.在本实施方式中，列管换热装置均采用铝合金材质的光管，且该列管换热 装置采用列管组合，其由896根超长管束组合成为一体大型组合式列管换热器。 列管换热器的管径d＝32mm，列管壁厚σ＝3mm，列管换热器导热系数λ 1
＝273w/(m*k)，列管换热器外形尺寸为长
×
宽
×
高＝70000mm
×
1800mm
×ꢀ
2000mm。列管换热器采用铝合金材质的光管，其单管总长70m，共设32排， 单排根数28跟，总换热器单管数量896根；列管换热器单管换热面积：70*3.14
ꢀ×
0.032＝7m2；总换热面积：7*896＝6302m2。
111.在实施例3的大型换热系统中，该系统的总换热面积为6302m2，列管换 热装置综合换热系数为820w/(m2*k)，该系统总的换热功率为5.17mw/k。
112.综上所述可以看出，本发明所述的用于自然水源与换热介质热交换的大型 换热装置不仅可以解决采用板式换热器或管壳换热器所导致的前端水处理系 统庞大复杂的问题，其还能够有效解决因微生物滋长、自然水源结垢、冬季水 源在换热器壁面结冰相变引起的换热效率降低，所导致的热泵系统无法工作的 问题。
113.相较于现有技术中将换热圆盘管直接抛入自然水源水、列管组合成单体浸 入自然水源水的换热方法或装置，本发明所述的大型换热装置稳定了列管换热 单元在水体的存在形式，提高了列管换热单元与自然水源水的换热能力，其具 有良好的推广前景和应用价值。
114.相应地，本发明所述的用于自然水源与换热介质热交换的大型换热系统 中，采用了上述的大型换热装置，其同样具有上述的优点以及有益效果。
115.需要说明的是，本发明的保护范围中现有技术部分并不局限于本技术文件 所给出的实施例，所有不与本发明的方案相矛盾的现有技术，包括但不局限于 在先专利文献、在先公开出版物，在先公开使用等等，都可纳入本发明的保护 范围。
116.此外，本案中各技术特征的组合方式并不限本案权利要求中所记载的组合 方式或是具体实施例所记载的组合方式，本案记载的所有技术特征可以以任何 方式进行自由组合或结合，除非相互之间产生矛盾。
117.还需要注意的是，以上所列举的实施例仅为本发明的具体实施例。显然本 发明不局限于以上实施例，随之做出的类似变化或变形是本领域技术人员能从 本发明公开的内容直接得出或者很容易便联想到的，均应属于本发明的保护范 围。