一种带套管翅片式换热器的热泵系统

1.本发明主要涉及建筑物供热、供热水用热泵系统的技术领域，特别是一种带套管翅片式换热器及其热泵系统，属于热泵技术领域。


背景技术：

2.区域供热系统是一种将热量从一个集中热源统一分配给用户的集中供热网络，多用于解决个人、家庭住宅、商业供暖以及工业加工过程的热需求问题。为了节约能源，区域供热的温度一降再降，目前广泛使用的第三代区域供热系统供应热水的温度在90℃左右；为了进一步回收利用锅炉排烟等中低余热资源达到节能减排的目的，进入21世纪之后人们一直在研究或大力推广第四代区域供热系统，其供应热水的温度可以降低到70℃或者更低至50℃，大大减少了系统的热损失、提高了供热效率。但是，第四代区域供热系统供热温度降低后只能直接供暖，而无法通过换热方式提供洗浴等需求的生活热水，还需要配备增温设备来提供生活热水，以供应热水为热源的增温热泵成为首选的增温热泵并广泛应用于第四代系统。近年来，在“双碳”目标的推动下，人们提出了第五代区域供热系统，即超低温区域供热系统，供水温度低于50℃，甚至可低至25℃，这样就能充分利用过去较难利用的低品位热源，如：太阳能、环境热源、数据中心余热，工艺冷却水等。相较于第四代系统，第五代系统的特点如下：1)热网供水无法直接用于供暖，再加上供暖和供热水的温度相差较大且生活热水需要随机性强，因而需要设置二套增温热泵；2)热网同时能够制冷，制冷时集中产生的余热可以加以利用，也可以用冷却塔等设备集中散掉。因此，对于第五代系统来说，节能减排及节省管网造价等方面优势非常明显，带来的问题也比较突出，例如，用户配置二套增温系统会带来造价和安装空间的较大增加，在制取生活热水或寒冷天气时供热时，热泵温升较大，即换热温差较大，会严重降低热泵的能效比。
3.为解决上述区域供热系统增温热泵存在的问题，设计出本发明的技术方案。


技术实现要素：

4.本发明的目的，是针对上述现有技术中存在的问题，提供一种水和空气同时与热泵工质换热且结构紧凑、能效比显著改善的一种带套管翅片式换热器及其热泵系统。本发明设计出套管翅片式换热器，工质与水和空气可以同时换热，能将供暖热泵和生活热水热泵两个增温系统集成到一套装置中，解决了供暖热泵和供生活热水热泵分置带来的造价高、安装尺寸大的问题；套管翅片式换热器上设置两个以上的工质流路，并与热泵其它部件构成两个以上的热泵回路，使每个回路承受的换热温差得以减少，解决了热泵在大温升工况能效比低的问题。
5.为了实现上述的发明目的，本发明的技术方案通过以下方式实现：
6.一种带套管翅片式换热器及其热泵系统，由若干的压缩机1、四通阀2和节流元件3，以及两个套管翅片式换热器等组成；所述的套管翅片式换热器的套管外侧设有翅片，套管的管间侧和内管侧为工质或液体流道；所述的套管翅片式换热器分别设有一个或多个工
质流路及液体流路，每个工质或液体流路均汇集到其进、出集管上；两个套管翅片式换热器各自的一个工质流路通过其进集管、出集管与压缩机1、四通阀2和节流元件3联接成独立的热泵回路，热泵回路充注适量的工质；两个套管翅片式换热器设置的工质流路数与相应构成的热泵回路数相同，液体流路通过其进集管、出集管与配置的液体管路连通。
7.两个套管翅片式换热器一种带套管包括第一套管翅片式换热器4和第二套管翅片式换热器5；第一套管翅片式换热器4上设有两个工质流路及一个液体流路，由外管401、内管402、内管弯管403、外管弯管a404、液体上集管405和下集管414、翅片406、工质流路一上集管407和下集管416、右边框408、上边框409、外管弯管b 410、左边框411、下边框412、工质流路二下集管413和上集管415等组成，其结构构成如下：所述外管401按照一定规则排成管阵列，外管401的外部串有若干翅片406；所述外管401的管阵列支撑在左边框411和右边框408之间并紧密连接在一起；内管402预制成u型管穿入外管401内并构成套管，外管弯管b410预先套入内管402的u型管弯部；u型管的张口部的内管402贯穿外管弯管a404；外管弯管a404和外管弯管b410按照要求的规则将外管401连接成若干支路，并分别汇集于工质流路一的上集管407和下集管416及工质流路二的上集管415和下集管413；所述的内管弯管403按照要求的规则将内管402连接成若干支路并汇集于液体上集管405和下集管414；上边框409、上边框412分别与右边框408和左边框411连接起来，并构成安装框架。第二套管翅片式换热器5的组成和构成，与套管翅片式换热器4类同或类似。
8.一种带套管两个热泵回路中，由第一压缩机1a和第二压缩机1b、第一四通阀2a和第二四通阀2b、第一节流元件3a和第二节流元件3b、第一套管翅片式换热器4、第二套管翅片式换热器5、分配器a6、分配器b7、分配器c8、分配器d9、风机a10和风机b11等组成。第一套管翅片式换热器4和第二套管翅片式换热器5的翅片侧装有风机a10和风机b11，第一套管翅片式换热器4工质流路一、第二套管翅片式换热器5工质流路二分别通过分配器a6和分配器d9后，与第一压缩机1a、第一四通阀2a、第一节流元件3a连接为热泵回路a；第一套管翅片式换热器4的工质流路二、第二套管翅片式换热器5工质流路一分别通过分配器b7和分配器c8后，与第二压缩机1b、第二四通阀2b、第二节流元件3b连接为热泵回路b；第一套管翅片式换热器4、第二套管翅片式换热器5配置一个或两个液体流路，其液体流路可以相同或不同。
9.一种带套管翅片式换热器及其热泵系统，其套管翅片式换热器的套管可以是管套翅片式、管轧翅片式或管绕片式等适合强制对流或自然对流的结构；所述翅片也可以省去，外管可以是单管按规则排列后用弯管连接成流路，也可先加工成u型管或s型管后再用弯管连接成流路，而翅片管内置的内管可以是单根管或多根管，其两端的连接方式应适应于翅片管的连接方式。
10.一种带套管翅片式换热器及其热泵系统，其两个套管翅片式换热器的流路排布可以相同、也可以不同。
11.一种带套管翅片式换热器及其热泵系统，其四通阀可以省去，节流元件可以是节流管、节流孔、节流阀或膨胀阀，压缩机可以是独立的压缩机或具有独立吸排气的压缩机气缸。
12.一种带套管翅片式换热器及其热泵系统，其套管翅片式换热器的内管和管间流道可以分别走液体和工质，也可以分别走工质和液体；工质是符合环保要求的r134a、r410a、r32、r290或r600a，流体可以是水、防冻液或合成流体等，不同热泵回路使用的工质可以相
同、也可以不同，不同液体流路使用的流体可以相同、也可以不同。
13.一种带套管翅片式换热器及其热泵系统，其第一套管翅片式换热器4中，外管401能够预制成u型管，这时可以省去外管弯管b410，内管402的u型管张口部贯穿外管401的u型管弯部，外管401另一端贯穿外管弯管a404。
14.一种带套管翅片式换热器及其热泵系统，其分配器可由四个二通阀或单相阀，或者两个三通阀按照工质流路中流向一致的原则连接而成的组件。
15.对于上述的一种带套管翅片式换热器及其热泵系统，套管翅片式换热器套管的管间、内管通道可以流过工质与水，翅片侧可以流过空气，使工质与水和空气能同时换热，可将供暖和供生活热水的两套增温热泵系统集成到一套装置中，使增温热泵的造价和安装空间得以有效降低；套管翅片式换热器上设置两个或多个工质流路，并与热泵其它部件构成两个以上的热泵回路，各回路可选配适宜的工质并共同承担热泵总温升，使每个回路承受的换热温差得以减少，有效地改善热泵的能效比，另外，热泵根据制热需求来调整其运行的回路数，即需求小单回路运行、需求大多回路运行，可有效降低热泵的全年耗电量。
附图说明
16.下面结合附图及具体的实施方式对本发明作进一步说明。
17.图1是本发明实施例一系统图。
18.图2是本发明实施例一套管翅片式换热器主视图。
19.图3是本发明实施例一套管翅片式换热器右视图。
20.图4是本发明实施例一的套管翅片式换热器左视图。
21.图5是本发明实施例二系统图。
22.图6是本发明实施例二套管翅片式换热器主视图。
23.图7是本发明实施例二套管翅片式换热器右视图。
24.图8是本发明实施例三系统图。
25.图9是本发明实施例三套管翅片式换热器主视图。
26.图10是本发明实施例三套管翅片式换热器右视图。
27.图11是本发明实施例四系统图。
28.图12是本发明实施例四套管翅片式换热器主视图。
29.图13是本发明实施例四套管翅片式换热器右视图。
30.图中：1a、1b—压缩机，2a、2b—四通阀，3a、3b—节流元件，4—流体a套管翅片式换热器，5—流体b套管翅片式换热器，6—分配器a，7—分配器b，8—分配器c，9—分配器d，10—风机a，11—风机b。
31.流体a的第一套管翅片式换热器4的构成如下：401—外管，402—内管，403—内管弯管，404—外管弯管a，405—液体上集管，406—翅片，407—工质流路一上集管，408—右边框，409—上边框，410—外管弯管b，411—左边框，412—下边框，413—工质流路二下集管，414—液体下集管，415—工质流路二上集管，416—工质流路一下集管，417—液体中上集管，418—液体中下集管。
32.流体b的第二套管翅片式换热器5的构成如下：501—外管，502—内管，503—内管弯管，504—外管弯管a，505—液体上集管，506—翅片，507—工质流路一上集管，508—右边
框，509—上边框，510—外管弯管b，511—左边框，512—下边框，513—工质流路二下集管，514—液体下集管，515—工质流路二上集管，516—工质流路一下集管，517—液体中上集管，518—液体中下集管。
33.分配器a 6构成的阀如下：61—上阀a，62—中上阀a，63—中下阀a，64—下阀a。
34.分配器b7构成的阀如下：71—上阀b，72—中上阀b，73—中下阀b，74—下阀b。
35.分配器c8构成的阀如下：81—上阀c，82—中上阀c，83—中下阀c，84—下阀c。
36.分配器d9构成的阀如下：91—上阀d，92—中上阀d，93—中下阀d，94—下阀d。
具体实施方式
37.以下结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
38.实施例一
39.参考图1，该实施例是采用工质双流路、内管液体单流路套管翅片式换热器的热泵系统。该热泵系统由压缩机1a和1b、四通阀2a和2b、节流元件3a和3b、流体a套管翅片式换热器4、流体b套管翅片式换热器5、分配器a6、分配器b7、分配器c8、分配器d9、风机a10和风机b11等组成。套管翅片式换热器4和5均由工质流路一、工质流路二和液体流路构成，其翅片侧装有风机a10和风机b11；套管内管构成一个液体流路，分别与流体a和流体b管路相接，流体a可为室内生活热水，流体b可为供给的热源水，分别在换热器4和5的内管中流动；风机a10和风机b11驱动室内空气和室内排风或室外空气掠过换热器4和5的翅片侧；其套管外管和内管的管间构成两个工质流路，靠上的工质流路一和靠下的工质流路二，换热器4工质流路一、换热器5工质流路二分别通过分配器a6和分配器d9后，与压缩机1a、四通阀2a、节流元件3a连接为热泵回路a，其工质可为r134a；换热器4工质流路二、换热器5工质流路一分别通过分配器b7和分配器c8后，与压缩机1b、四通阀2b、节流元件3b连接为热泵回路b，其工质可为r410a或r32。
40.参见图2、图3和图4，流体a套管翅片式换热器4由外管401、内管402、内管弯管403、外管弯管a 404、液体上集管405和下集管414、翅片406、工质流路一上集管407和下集管416、右边框408、上边框409、外管弯管b 410、左边框411、下边框412、工质流路二下集管413和上集管415等组成，其结构构成如下：外管401按照一定规则排成管阵列，其外串有若干翅片406，外管401管阵列支撑在左边框411和右边框408之间并紧密连接在一起；内管402预制成u型管穿入外管401内并构成套管，外管弯管b410预先套入内管402的u型管弯部，u型管张口部内管402贯穿外管弯管a404；外管弯管a404和弯管b410按照要求的规则将外管401连接成若干支路并分别汇集于工质流路一的上集管407和下集管416及工质流路二的上集管415和下集管413，内管弯管403按照要求的规则将内管402连接成若干支路并汇集于液体上集管405和下集管414；上边框409、上边框412分别与右边框408和左边框411连接起来，并构成安装框架。
41.流体b套管翅片式换热器5的组成和构成，与流体a套管翅片式换热器4类同或类似。
42.分配器a 6上阀a 61、中上阀a 62、中下阀a 63和下阀a 64等构成，其连接方式下：上阀a 61和中上阀a 62一端的并联后与工质流路一上集管407连接，中下阀a 63和下阀a 64一端的并联后与工质流路一下集管416连接；上阀a 61另一端和中下阀a 63并联后与四
通阀2a右侧管连接，中上阀a 62另一端和另一端和下阀a 64另一端并联后与节流元件3a一端连接。
43.分配器b7上阀b71、中上阀b72、中下阀b73和下阀b74等构成，其连接方式下：上阀b71和中上阀b72一端的并联后与工质流路二上集管415连接，中下阀b73和下阀b74一端的并联后与工质流路二下集管413连接；上阀b71另一端和中下阀b73并联后与四通阀2b左侧管连接，中上阀b72另一端和另一端和下阀b74另一端并联后与节流元件3b一端连接。
44.分配器c8上阀c81、中上阀c82、中下阀c83和下阀c84等构成，其连接方式下：上阀c81和中上阀c82一端的并联后与工质流路一上集管507连接，中下阀c83和下阀c84一端的并联后与工质流路一下集管516连接；上阀c81另一端和中下阀c83并联后与节流元件3b另一端连接，中上阀c82另一端和另一端和下阀c84另一端并联后与四通阀2b右侧管连接。
45.分配器b9上阀b91、中上阀b92、中下阀b93和下阀b94等构成，其连接方式下：上阀b91和中上阀b92一端的并联后与工质流路二上集管515连接，中下阀b93和下阀b94一端的并联后与工质流路二下集管513连接；上阀b91另一端和中下阀b93并联后与节流元件3a另一端连接，中上阀b92另一端和另一端和下阀b94另一端并联后与四通阀2b左侧管连接。
46.热泵回路a的压缩机1a吸气口和排气口分别与四通阀2a中指管和主管连接，而热泵回路b的压缩机1b吸气口和排气口分别与四通阀2b中指管和主管连接。
47.热泵回路a和热泵回路b分别通过四通阀2a和四通阀2b转换工质流向，来实现其制热模式和制冷模式的转变。制热模式工作时，就可以把换热器5热源水或/和室内排风的热量转到换热器4中，可以同时加热室内空气和生活热水。由于采用两个热泵回路，可以高效地将生活热水提升到较高的适宜温度，同时可使热源水产生较大温降以充分利用其热量。另外，若室内供热和供热水存在的时段差异，可以调节风机a10的转速来改变供热和供热水优先顺序，例如降低风机a10转速可以优先供热水，反之，可以优先供热。风机b11也可以根据室内排风情况来改变转速，直至停止运转。制冷模式工作时，换热器4就可以同时冷却室内空气和蓄冷水，换热器5可以加热水或/和释放热量给室内排风或室外空气，热水可以用作生活热水。
48.实施例二
49.参考图5，该实施例是采用内管工质双流路、液体单流路套管翅片式换热器的热泵系统。与实施例一相比，流体a套管翅片式换热器4和流体b套管翅片式换热器5的套管之内管流道构成两个工质流路、而管间流道构成一个液体流路。其余与实施例一相同。
50.参见图6和图7，流体a套管翅片式换热器4内管402按照要求的规则构成的工质支路分别汇集于工质流路一上集管407和下集管416，以及工质流路二下集管413和上集管415，组成工质流路一和工质流路二，而外管401按照要求的规则构成的液体支路分别汇集于液体上集管405和下集管414。除了工质流路、液体流路汇集管连接方式有所差异外，其余与实施例一换热器相同。
51.流体b套管翅片式换热器5的组成和构成，与流体a套管翅片式换热器4类同或类似。
52.相比于实施例一，当流体b温度较高或者房间供热需求较小时，实施例二可以有效减少热泵的运行时间，达到节能的目的。例如，若流体b为45℃左右的热水，这时不需启动热泵即可通过套管翅片式换热器5供热给室内空气；当同时需要55℃～65℃的生活热水时，启
动热泵从流体b吸热并释放到流体a中。
53.实施例三
54.参考图8，该实施例是采用工质双流路、液体双流路套管翅片式换热器的热泵系统。与实施例一相比，除了流体a套管翅片式换热器4和流体b套管翅片式换热器5的套管之管间流道分别构成两个工质流路外、而内管流道也分别构成两个液体流路；两个液体流路可并行使用，也串联起来使用，流体可以是二种温度区间的相同流体，也可以二种不同的流体，既增加了液体侧使用的灵活性，又方便于工质流路与液体流路对调使用。其余与实施例一相同。
55.参见图9和图10，与实施例一换热器相比，外管401也预制成u型管，内管402u型管张口部贯穿外管401u型管弯部，在外管401另一端再贯穿外管弯管a404，这时可以省去外管弯管b410；内管402通过内管弯管403按照要求的规则构成的液体支路分别汇集于液体流路一上集管405和中上集管417，以及液体流路二中下集管418和下集管414；外管401通过外管弯管a404按照要求的规则构成的工质支路分别汇集于工质流路一上集管407和下集管416，以及工质流路二下集管413和上集管415。除了增加一个液体流路后液体支路与汇集管连接方式有所差异外，其余与实施例一换热器相同。
56.流体b套管翅片式换热器5的组成和构成，与流体a套管翅片式换热器4类同或类似。
57.实施例四
58.参考图11，该实施例是采用工质单流路、液体单流路套管翅片式换热器的热泵系统。工质为r290或r32，与实施例一相比，除了流体a套管翅片式换热器4和流体b套管翅片式换热器5的套管之管间流道分别只构成一个工质流路外，其余与实施例一相同。
59.参见图12和图13，与实施例一换热器相比，流体a套管翅片式换热器4外管401通过外管弯管a404按照要求的规则构成的工质支路分别汇集于工质流路上集管407和下集管413，省去另外的上集管415和下集管416；同样地，内管402通过内管弯管403按照要求的规则构成的液体支路分别汇集于液体流路上集管405和和下集管414；除了减少一个工质流路后工质支路的连接，以及与汇集管连接方式有所差异外，其余与实施例一换热器相同。
60.流体b套管翅片式换热器5的组成和构成，与流体a套管翅片式换热器4类同或类似。
61.当流体a套管翅片式换热器4置于室内、流体b套管翅片式换热器5置于室外时，应用场景至少有二种：一种场景是流体a和流体b均为生活热水，冬季向室内供热的同时换热器4还可以供生活热水，夏季向室内供冷的同时换热器5还可以给家庭供生活热水，同时还能改善其夏季制冷的能效比；另一种场景是流体a为生活热水，而流体b为余热水或太阳能制的热水，冬季换热器4向室内供热时，除同时还可以供生活热水外，换热器5可以利用流体b和大气作热源，优先使用余热或太阳能，有效改善其冬季制热的能效比。
62.以上实施例仅是本技术的部分应用方案，实际应用场景中可根据实际需求还可以组合出新的应用方案，两个套管翅片式换热器的流路排布可以相同、也可以不同。例如，实施例一两个套管翅片式换热器的其中之一，可以根据需要选配实施例二或三中换热器的流路排布，实施例二或三也可以根据需要进行类似的选配。