CN211739241U - 一种热水梯级利用三级串联式供暖系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种热水梯级利用三级串联式供暖系统，热水供应系统与换热系统连接，热水供应系统向换热系统供应温度大于等于70℃的热水；第一换热器、第二换热器及第三换热器三者的吸热端依次串联，第一换热器与散热器采暖端之间设有第一循环管路；第二换热器、第一热泵组及散热器采暖端依次连接，第三换热器、第二热泵组及地暖采暖端依次连接；第二换热器、第一热泵组的第一蒸发器及第三热泵组的第三蒸发器之间设有第二循环管路；第一热泵组的第一冷凝器、第三热泵的第三冷凝器与散热器采暖端之间设有第三循环管路。采用的梯级供热系统，高温水逐级降温利用，不仅实现一水多用，同时使热水资源得到充分的利用，达到了节能与节水的双重目的。

Description

一种热水梯级利用三级串联式供暖系统

技术领域

本实用新型涉及供暖系统领域，尤其涉及一种热水梯级利用三级串联式供暖系统。

背景技术

随着科技的发展，人们的生活水平提高，越来越多住宅需要进行冬季供暖，城市供暖大部分依靠锅炉等热水供应系统进行热水的供给，其中原有的供暖方式多为散热器结构的采暖方式，近年来地暖等辐射的采暖方式行为主流，其中散热器的供给温度要求最低在65℃，而地暖的供暖温度要求在50℃以上。

如何实现充分利用热水的热能同时兼具散热器采暖端与地暖采暖端的匹配供应，关系到供暖系统的有效能效，直接影响供热的耗能。

有鉴于此，现提出一种热水梯级利用三级串联式供暖系统来解决上述问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种热水梯级利用三级串联式供暖系统，通过三个换热器对热水进行充分的热量利用，合理布置两个采暖端的管路，减少热泵机组的电能投入，提高整体COP，实现能源节约，节能节水。

本实用新型采用的技术是：

一种热水梯级利用三级串联式供暖系统，包括热水供应系统、换热系统、加热系统、散热器采暖端及地暖采暖端，热水供应系统与换热系统连接，热水供应系统向换热系统供应温度大于等于70℃的热水；

换热系统包括第一换热器、第二换热器及第三换热器，第一换热器、第二换热器及第三换热器三者的吸热端依次串联，第一换热器与散热器采暖端之间设有第一循环管路；

加热系统包括第一热泵组、第二热泵组及第三热泵组，第二换热器、第一热泵组及散热器采暖端依次连接，第三换热器、第二热泵组及地暖采暖端依次连接；第二换热器、第一热泵组的第一蒸发器及第三热泵组的第三蒸发器之间设有第二循环管路，第二换热器放热端的热端与第一蒸发器的热端连接，第一蒸发器的冷端与第三蒸发器的热端连接，第三蒸发器的冷端与第二换热器放热端的冷端连接；

第一热泵组的第一冷凝器、第三热泵的第三冷凝器与散热器采暖端之间设有第三循环管路，第一冷凝器的热端与散热器采暖端的热端连接，散热器采暖端的冷端与第三冷凝器的冷端连接，第三冷凝器的热端与第一冷凝器的冷端连接。

作为方案的进一步优化，第一换热器与第二换热器的换热温度为大于等于20℃，第三换热器的换热温度为大于等于15℃。

作为方案的进一步优化，第三换热器与第二热泵组的第二蒸发器之间设有第四循环管路，第二热泵组的第二冷凝器与地暖采暖端之间设有第五循环管路。

作为方案的进一步优化，第一循环管路上设有第一循环泵组，第一循环泵组包括至少两个并联连接的循环泵；第二循环管路上设有第二循环泵组，第二循环泵组包括至少两个并联连接的循环泵；第三循环管路上设有第三循环泵组，第三循环泵组包括至少两个并联连接的循环泵；第四循环管路上设有第四循环泵组，第四循环泵组包括至少两个并联连接的循环泵；第五循环管路上设有第五循环泵组，第五循环泵组包括至少两个并联连接的循环泵。

作为方案的进一步优化，第一循环泵组设于第一换热器放热端的热端与散热器采暖端热端之间，第二循环泵组设于第二换热器放热端的热端与第一蒸发器热端之间，第三循环泵组设于第一冷凝器热端与散热器采暖端热端之间，第四循环泵组设于第三换热器放热端的热端与第二蒸发器热端之间，第五循环泵组设于第二冷凝器热端与地暖采暖端热端之间。

作为方案的进一步优化，第一循环管路与第三循环管路并联连接，同时向散热器采暖端提供热水，其并联点在第一热泵组与第一换热器放热端的热端之间，第一循环泵组与第三循环泵组为同一循环泵组。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1.高温热水通过直接换热的形式，直接供应建筑末端进行采暖。中温水(30～50℃)经间接换热后进入高温热泵机组，经机组提升温度后供应建筑末端采暖。低温水(10～30℃)经间接换热后进入常规热泵机组，梯级利用热水，能够提升热泵机组的总体COP，达到热泵机组高效节能的目的。高温热泵机组串联运行，能够拉大主管网供回水温差，减小主管网管径及输送能耗。每级热泵冷凝器进出口温差为10℃，降低热泵冷凝器换热面积，减小热泵设备制造成本。

2.本实用新型采用的梯级供热系统，将来自热水供应系统的高温水逐级降温利用，不仅实现“一水多用”，同时使热水资源得到充分的利用，达到了节能与节水的双重目的。

3.本实用新型中的热水首先经过第一换热器换热后进入第二换热器，通过与第二换热器换热后再供高温热泵使用，经过一级降温的水温无需混水即可直接供高温热泵使用，避免了此环节的能源浪费。

附图说明

图1为本实用新型提供的一种热水梯级利用三级串联式供暖系统的示意图；

图2本实用新型提供的一种热水梯级利用三级串联式供暖系统运行过程中部分水温示意图；

图3为本实用新型提供的一种热水梯级利用三级串联式供暖系统的第一循环管路的示意图；

图4为本实用新型提供的一种热水梯级利用三级串联式供暖系统的第二循环管路与第三循环管路的示意图；

图5为本实用新型提供的一种热水梯级利用三级串联式供暖系统的第四循环管路与第五循环管路的示意图；

图6为本实用新型提供的一种热水梯级利用三级串联式供暖系统的第一换热器/第二换热器/第三换热器的结构示意图；

图7为本实用新型提供的一种热水梯级利用三级串联式供暖系统的第一热泵机组/第二热泵机组/第三热泵机组的结构示意图；

图中：

1、热水供应系统，2循环水箱，3、第一换热器，4、第二换热器， 5、第三换热器，6、换热系统，7、第一热泵机组，8、第二热泵机组，9、第三热泵机组，10、散热器采暖端，11、地暖采暖端，12、第一循环管路，13、第二循环管路，14、第三循环管路，15、第四循环管路，16、第五循环管路，17、第一循环泵组，18、第三循环泵组，19、第二循环泵组，20、第四循环泵组，21、第五循环泵组，31、第一换热器吸热端， 32、第一换热器放热端，41、第二换热器吸热端，42、第二换热器放热端，51、第三换热器吸热端，52、第三换热器放热端，71、第一冷凝器， 72、第一蒸发器，81、第二冷凝器，82、第二蒸发器，91、第三冷凝器， 92、第三蒸发器。

具体实施方式

下面结合附图所示的各实施方式对本实用新型进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本实用新型的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本实用新型的保护范围之内。

在本实施例的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明创造和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明创造的限制。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

术语“安装”、“相连”、“连接”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，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明创造中的具体含义。

实施例1：

参照附图1-7所示，一种热水梯级利用三级串联式供暖系统，包括热水供应系统1、换热系统6、加热系统、散热器采暖端10及地暖采暖端11，热水供应系统1与换热系统6连接，热水供应系统1向换热系统6供应温度大于等于70℃的热水；

换热系统6包括第一换热器3、第二换热器4及第三换热器5，第一换热器3、第二换热器4及第三换热器5三者的吸热端依次串联，第一换热器 3与散热器采暖端10之间设有第一循环管路12，即图3所示；

加热系统包括第一热泵组7、第二热泵组8及第三热泵组9，第二换热器4、第一热泵组7及散热器采暖端10依次连接，第三换热器5、第二热泵组8及地暖采暖端11依次连接；结合图4所示，第二换热器4、第一热泵组 7的第一蒸发器72及第三热泵组9的第三蒸发器92之间设有第二循环管路 13，第二换热器4放热端的热端与第一蒸发器72的热端连接，第一蒸发器72的冷端与第三蒸发器92的热端连接，第三蒸发器92的冷端与第二换热器 4放热端的冷端连接；

第一热泵组7的第一冷凝器71、第三热泵的第三冷凝器91与散热器采暖端10之间设有第三循环管路14，第一冷凝器71的热端与散热器采暖端 10的热端连接，散热器采暖端10的冷端与第三冷凝器91的冷端连接，第三冷凝器91的热端与第一冷凝器71的冷端连接。

在本实施例中，利用换热器为板式换热器，锅炉烧水的温度一般带 70℃以上，可以换热利用至常温15-20℃之间，单一换热器并不能在短时间内充分换热50℃左右的热量，为了充分利用热水的热量，通过三级串联的板式换热器，能保证短时间完成换热工作。常用的换热器其传热情况从水到水，一般传热系数为1000-2500W/m².℃，换热温度越高的换热器价格越高。

通过第一换热器3，高温换热器，能在放热端的水进行直接加热并利用，作为散热器采暖端10的供暖使用，散热器的要求的水温为大于等于65℃，传统锅炉的热水温度在70℃以上，常规的板式换热器已经能保证吸热端温度与放热端温度的温度差在5℃以内，符合直接换热的使用要求，并不需要进行热泵机组的二次加热。在本发明中，针对与散热器采暖端10采用第一换热器3进行换热后，直接进行散热器采暖端10的热水的循环供给。而第二换热器4对经过第一换热器3换热后的热水进行第二级换热，基于第一次换热的热水温度已经降低，只能作为地暖采暖端11的供给，基于散热器采暖端10的用户还是居多，为供热重点，为了保证散热器采暖端10的热水供给，通过第一热泵机组再次进行换热，提高水温，为散热器采暖端10进行供给。经过了两级换热后的热水，需要通过第二热泵机组进行加热后才能对地暖采暖端11的供暖使用。经过三级换热的热水温度降至常温15-20℃之间，从热水供应系统1出来的热水被充分吸热后，流向循环水箱2等设备中，可以回流至热水供应系统1的加热炉中循环使用。

通过上述方案，通过三级直接换热的方式，第一换热器吸热端31、第二换热器吸热端41及第三换热器吸热端51依次将将热水的热量充分吸收进行利用，同时进行回流再次加热，实现对热水的用热不用水，保证水资源的保护，采用热泵机组对中低温段换热器的水进行再次加热，保证满足供暖的需要，同时高温段换热器换热后可直接为散热器采暖端 10进行供暖，无需热泵机组进行加热。

采用两个热泵机组进行串联利用，保证中温段热水进行再次利用，降低第一热泵机组7的电能投入。热泵机组通过蒸发器进行吸热，通过冷凝器将蒸发器吸取的热量进行放热至需要加热的流体介质中，需要采用电能驱动压缩机进行热量的传递，在同样的吸热端介质与放热端介质中，根据能量守恒定律，需要电能来补充热量传递过程中损失的能源，以及作为压缩机工作的能源，对于同一热泵机组，放热端与吸热端介质单位时间流量一致的情况下，吸热端介质变化温度大于等于放热端介质温度，压缩机的工作能耗最低。

其中介质温度变化越大，介质流速越慢，热量流失越严重，对热泵机组的能耗与设备的先进程度要求越高，单一热泵机组越接近极限功率下的能耗越高。

在本实施例中，通过第一换热器3换热后的热水的温度大概率低于散热器采暖端10的温度要求(常规大于等于65℃)，通过第二换热器4 换热后，其热端输出的水的温度更低，需要第一热泵机组进行升温，其中升温温度要求大于等于20℃，这对热泵机组的设备要求特别高，能耗也很高，性价比低，通过设置串联的第一热泵机组与第三热泵机组进行接力式换热，降低单一热泵机组的等级要求，保证热泵机组的工作功率低能耗级别。

如图2所示，在第二换热器4的热端输出温度为45℃，假顶从热水供应系统1中抽取温度为70℃的热水，作为散热器采暖端10热端65℃的供热需求，需要进行20℃的热量转换，对于单一热泵机组的要求明显高于平均的水平，而采用接力式的第一热泵机组与第三热泵机组各自进行10℃的换热，能在常规热泵机组的常规工作能耗下完成20℃换热的工作任务。第三冷凝器91为第一冷凝器71提供加热后的冷端进水，降低第一冷凝器71的放热功率，降低对设备的要求。

通过本实施例提供的方案，在第二循环管路13中，第二换热器放热端42的热端提供温度为45℃的热水流向第一蒸发器72热端，第一蒸发器72吸收热量，水温降至35℃，在流向第三蒸发器92热端进行二次吸热，水温降至25℃，最后从第三蒸发器92冷端流回第二换热器放热端 42的冷端，吸收热量升温至45℃，形成循环的热量转换。

实施例2：

请参照图1-7所示，本实施例对换热系统6与加热系统的设备参数提出要求，以满足本供暖系统的运行要求。

在本实施例中，如图2所示，第一换热器3与第二换热器4的换热温度为大于等于20℃，第三换热器5的换热温度为大于等于15℃；第一热泵组7 的吸热温度10℃、放热温度为10℃，第三热泵的吸热温度10℃、放热温度为10℃，第二热泵的吸热温度15℃、放热温度为10℃。70℃的热水在热水供应系统1中能稳定获得，板式换热器的换热温度在15℃-20℃的级别处于常用水平，能在市面上容易获得。

三级换热器的设置，能降低对换热器的设备等级要求，同时保证快速换热，提高换热效率。热水通过三个换热器的换热后，从温度为70℃依次变为50℃、30℃、15℃，变温过程合理。

对应三个换热器的换热温度，通过合理控制热泵机组的吸热温度与放热温度等关系，保证吸热温度大于等于放热温度，保证热泵机组的能耗最低。控制热泵机组吸热与放热温度，配合三个换热器的换热温度，降低热泵机组的电耗。

如图5所示，对于实施例1与实施例2中，对于第三换热器5与地暖采暖端11的管路设置是一致的，作为方案的进一步优化，第三换热器5 与第二热泵组8的第二蒸发器82之间设有第四循环管路15，第二热泵组8 的第二冷凝器81与地暖采暖端11之间设有第五循环管路16。

实施例3：

请参照图1-7所示，为了保证五个循环管路的稳定工作，通过设计合理的循环泵组合来保证。

在本实施例中，第一循环管路12上设有第一循环泵组17，第一循环泵组17包括至少两个并联连接的循环泵；第二循环管路13上设有第二循环泵组19，第二循环泵组19包括至少两个并联连接的循环泵；第三循环管路14 上设有第三循环泵组18，第三循环泵组18包括至少两个并联连接的循环泵；第四循环管路15上设有第四循环泵组20，第四循环泵组20包括至少两个并联连接的循环泵；第五循环管路16上设有第五循环泵组21，第五循环泵组21包括至少两个并联连接的循环泵。

循环管路上设置互为备用的循环泵组，能防止单一循环泵故障导致系统异常，提高异常处理速率。

作为方案的进一步优化，第一循环泵组17设于第一换热器放热端32的热端与散热器采暖端10热端之间，第二循环泵组19设于第二换热器放热端 42的热端与第一蒸发器72热端之间，第三循环泵组18设于第一冷凝器71 热端与散热器采暖端10热端之间，第四循环泵组20设于第三换热器放热端 52的热端与第二蒸发器82热端之间，第五循环泵组21设于第二冷凝器81 热端与地暖采暖端11热端之间。

循环泵组设置在热端，提高热端水流运送，降低热端水热量的流失。

作为方案的进一步优化，第一循环管路12与第三循环管路14并联连接，同时向散热器采暖端10提供热水，其并联点在第一热泵组7与第一换热器放热端32的热端之间，第一循环泵组17与第三循环泵组18为同一循环泵组。

并联设置的第一循环管路12与第三循环管路14，减少了一个循环泵组的设备投入。并联设计的第一循环管路12与第三循环管路14，能保证散热器采暖端10始终有热水供应，第一循环管路12与第三循环管路14均与散热器采暖端10的总管路连接在一起。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本实用新型的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本实用新型的保护范围，凡未脱离本实用新型技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本实用新型的保护范围之内。

对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (6)

1.一种热水梯级利用三级串联式供暖系统，其特征在于，包括热水供应系统（1）、换热系统（6）、加热系统、散热器采暖端（10）及地暖采暖端（11），所述热水供应系统（1）与所述换热系统（6）连接，所述热水供应系统（1）向所述换热系统（6）供应温度大于等于70℃的热水；

所述换热系统（6）包括第一换热器（3）、第二换热器（4）及第三换热器（5），所述第一换热器（3）、第二换热器（4）及第三换热器（5）三者的吸热端依次串联，所述第一换热器（3）与所述散热器采暖端（10）之间设有第一循环管路（12）；

所述加热系统包括第一热泵组（7）、第二热泵组（8）及第三热泵组（9），所述第二换热器（4）、第一热泵组（7）及散热器采暖端（10）依次连接，所述第三换热器（5）、第二热泵组（8）及地暖采暖端（11）依次连接；所述第二换热器（4）、第一热泵组（7）的第一蒸发器（72）及第三热泵组（9）的第三蒸发器（92）之间设有第二循环管路（13），所述第二换热器（4）放热端的热端与所述第一蒸发器（72）的热端连接，所述第一蒸发器（72）的冷端与所述第三蒸发器（92）的热端连接，所述第三蒸发器（92）的冷端与所述第二换热器（4）放热端的冷端连接；

所述第一热泵组（7）的第一冷凝器（71）、第三热泵的第三冷凝器（91）与散热器采暖端（10）之间设有第三循环管路（14），所述第一冷凝器（71）的热端与所述散热器采暖端（10）的热端连接，所述散热器采暖端（10）的冷端与所述第三冷凝器（91）的冷端连接，所述第三冷凝器（91）的热端与所述第一冷凝器（71）的冷端连接。

2.根据权利要求1所述的一种热水梯级利用三级串联式供暖系统，其特征在于，所述第一换热器（3）与所述第二换热器（4）的换热温度为大于等于20℃，所述第三换热器（5）的换热温度为大于等于15℃。

3.根据权利要求2所述的一种热水梯级利用三级串联式供暖系统，其特征在于，所述第三换热器（5）与所述第二热泵组（8）的第二蒸发器（82）之间设有第四循环管路（15），所述第二热泵组（8）的第二冷凝器（81）与所述地暖采暖端（11）之间设有第五循环管路（16）。

4.根据权利要求3所述的一种热水梯级利用三级串联式供暖系统，其特征在于，所述第一循环管路（12）上设有第一循环泵组（17），所述第一循环泵组（17）包括至少两个并联连接的循环泵；所述第二循环管路（13）上设有第二循环泵组（19），所述第二循环泵组（19）包括至少两个并联连接的循环泵；所述第三循环管路（14）上设有第三循环泵组（18），所述第三循环泵组（18）包括至少两个并联连接的循环泵；所述第四循环管路（15）上设有第四循环泵组（20），所述第四循环泵组（20）包括至少两个并联连接的循环泵；所述第五循环管路（16）上设有第五循环泵组（21），所述第五循环泵组（21）包括至少两个并联连接的循环泵。

5.根据权利要求4所述的一种热水梯级利用三级串联式供暖系统，其特征在于，所述第一循环泵组（17）设于所述第一换热器（3）放热端的热端与所述散热器采暖端（10）热端之间，所述第二循环泵组（19）设于所述第二换热器（4）放热端的热端与所述第一蒸发器（72）热端之间，所述第三循环泵组（18）设于所述第一冷凝器（71）热端与所述散热器采暖端（10）热端之间，所述第四循环泵组（20）设于所述第三换热器（5）放热端的热端与所述第二蒸发器（82）热端之间，所述第五循环泵组（21）设于所述第二冷凝器（81）热端与所述地暖采暖端（11）热端之间。

6.根据权利要求5所述的一种热水梯级利用三级串联式供暖系统，其特征在于，所述第一循环管路（12）与所述第三循环管路（14）并联连接，同时向所述散热器采暖端（10）提供热水，其并联点在所述第一热泵组（7）与所述第一换热器（3）放热端的热端之间，所述第一循环泵组（17）与所述第三循环泵组（18）为同一循环泵组。

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