專利名稱：一種直接式土壤源熱泵系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種直接式土壤源熱泵系統(tǒng)，采用雙向異工質(zhì)充注熱力膨脹 閥節(jié)流，制熱運(yùn)行時(shí)氣液分離后再對(duì)液體制冷劑進(jìn)行分液，埋地?fù)Q熱器采用緊湊的外肋片結(jié)構(gòu)，可制熱和制冷運(yùn)行，屬制冷和熱泵技術(shù)領(lǐng)域。祖旦仕士 胃豕伎不土壤源熱泵系統(tǒng)根據(jù)是否存在中間傳熱介質(zhì)其可分為第二環(huán)路土壤源熱 泵系統(tǒng)和直接式土壤源熱泵系統(tǒng)。在第二環(huán)路系統(tǒng)中，土壤先和水泵驅(qū)動(dòng)的 中間傳熱介質(zhì)(水或添加防凍劑的水溶液)進(jìn)行熱量交換，然后此中間介質(zhì) 再通過(guò)熱泵機(jī)組內(nèi)置的中間換熱器和制冷劑進(jìn)行熱量交換，實(shí)現(xiàn)供暖和制冷 循環(huán)。直接式系統(tǒng)中省去中間換熱器和循環(huán)水泵，中間換熱器和埋地?fù)Q熱器 合二為一，土壤通過(guò)銅管埋地?fù)Q熱器直接和制冷劑進(jìn)行熱量交換。和第二環(huán)路系統(tǒng)相比，直接式系統(tǒng)沒有中間換熱的熱力學(xué)損失和水泵耗功，系統(tǒng)更為簡(jiǎn)單并且效率高，系統(tǒng)的能效比可以達(dá)到4.0 5.0。然而直接式 土壤源熱泵系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)高效可靠的運(yùn)行，在壓縮機(jī)的回油、制冷運(yùn)行壓縮機(jī) 的啟動(dòng)、膨脹閥的振蕩現(xiàn)象、埋地銅管換熱器的設(shè)計(jì)、防腐和防泄漏、制熱 和制冷運(yùn)行需要的制冷劑充注量的差別等方面，需要進(jìn)一步的改進(jìn)和努力。直接式系統(tǒng)的現(xiàn)有技術(shù)中，銅管埋地?fù)Q熱器一般埋入水平管溝或豎直鉆 孔中，普遍采用外表面光滑銅管(銅管外表面無(wú)外肋片)和分路結(jié)構(gòu)，即土 壤和多個(gè)并聯(lián)的光滑銅管埋地?fù)Q熱器支路進(jìn)行熱交換。因此，系統(tǒng)制熱時(shí)通 常采用一只熱力膨脹閥依據(jù)各銅管埋地?fù)Q熱器支路混合后的總過(guò)熱度控制制 冷劑的總流量，此同工質(zhì)充注熱力膨脹閥后再接分液器，完成制冷劑在各埋 地?fù)Q熱器支路間的流量分配。經(jīng)熱力膨脹閥節(jié)流后的制冷劑已經(jīng)閃蒸成氣液 兩相流體，此兩相流的流量、流形、含氣率、分液器的幾何尺寸和安裝位置、埋地?fù)Q熱器的分路數(shù)、負(fù)荷、壓力損失、長(zhǎng)度、位置和方向多個(gè)復(fù)雜參數(shù)影 響各支路間的制冷劑分配量。由于各支路在土壤中的布局難以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)度和形 狀完全相同，多參數(shù)影響的復(fù)雜性導(dǎo)致沒有準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)物理模型能正確指導(dǎo) 分液器的合理設(shè)計(jì)，因此這類流量分配裝置的缺點(diǎn)是難以保證兩相流的均勻 分液，若在安裝現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)來(lái)改進(jìn)和驗(yàn)證分液器的性能，會(huì)使設(shè)計(jì)效 率大大降低。如果制冷劑分液器設(shè)計(jì)不合理，必將導(dǎo)致有的埋地?fù)Q熱器支路 出口制冷劑蒸氣過(guò)熱度極大(其換熱面積未能充分利用，大部分面積都被用 為加熱制冷劑蒸氣而不是制冷劑液體)，而有的埋地?fù)Q熱器出口制冷劑還未完 全蒸發(fā)并帶液(其換熱面積過(guò)度利用，壓縮機(jī)可能發(fā)生液擊)，過(guò)熱度大的制 冷劑蒸氣和未完全蒸發(fā)的兩相制冷劑在埋地?fù)Q熱器出口集管混合時(shí)也產(chǎn)生熱 力學(xué)損失，結(jié)果是整個(gè)埋地?fù)Q熱器的總換熱效率低下。有關(guān)實(shí)驗(yàn)研究表明， 制冷劑流量分配不當(dāng)可能導(dǎo)致蒸發(fā)器的蒸發(fā)能力損失高達(dá)85 % 。使用一只熱力膨脹閥對(duì)各支路出口的總過(guò)熱度調(diào)節(jié)的另一個(gè)缺點(diǎn)是系統(tǒng) 容易產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象。各銅管埋地?fù)Q熱器支路長(zhǎng)度較長(zhǎng)，制熱運(yùn)行當(dāng)負(fù)荷變化 時(shí)，熱力膨脹閥響應(yīng)的延遲時(shí)間較長(zhǎng)，通常超過(guò)l分鐘，延遲的結(jié)果會(huì)導(dǎo)致同 工質(zhì)充注熱力膨脹閥交替地突然開大或關(guān)小，這種振蕩現(xiàn)象會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng) 的效率和安全性。比如，當(dāng)埋地?fù)Q熱器出口的蒸氣過(guò)熱度所對(duì)應(yīng)的感溫包壓 力要求更多的制冷劑進(jìn)入埋地?fù)Q熱器時(shí)熱力膨脹閥會(huì)迅速開大，但提高了的 制冷劑流量通過(guò)較長(zhǎng)的銅管埋地?fù)Q熱器管路可能要超過(guò)l分鐘才能到達(dá)其出 口，在這段時(shí)間內(nèi)若系統(tǒng)的熱負(fù)荷減少而不需要提高制冷劑流量，從而會(huì)導(dǎo) 致埋地?fù)Q熱器供液過(guò)多影響系統(tǒng)安全運(yùn)行，當(dāng)熱力膨脹閥開始關(guān)小時(shí)，滯后 可能使熱力膨脹閥持續(xù)的關(guān)小，直到感溫包感受到出口過(guò)熱度過(guò)大。此外，埋地?fù)Q熱器換熱和土壤之間的傳熱量由傳熱面積、溫差和傳熱系 數(shù)決定?，F(xiàn)有技術(shù)為保證外表面光滑銅管埋地?fù)Q熱器和土壤的傳熱面積和傳熱量，普遍采用較大的管徑，通常8 —12mm左右。直接式土壤源熱泵系統(tǒng)制熱運(yùn)行時(shí)，埋地?fù)Q熱器是蒸發(fā)器，制冷劑/水換熱器是冷凝器；制冷運(yùn)行時(shí)， 埋地?fù)Q熱器是冷凝器，制冷劑/水換熱器是蒸發(fā)器，制冷系統(tǒng)內(nèi)換熱器中制冷 劑分布量約占系統(tǒng)總充注量的70%。由于直接式土壤源熱泵系統(tǒng)埋地?fù)Q熱器 管路較長(zhǎng)，其內(nèi)部容積較大，結(jié)果是系統(tǒng)制熱運(yùn)行時(shí)需要的制冷劑充注量遠(yuǎn) 大于冬季制熱運(yùn)行的制冷劑充注量(制冷時(shí)光滑銅管埋地?fù)Q熱器作為系統(tǒng)冷 凝器，因其內(nèi)部容積大，需要的制冷劑較多)。目前的解決辦法是在系統(tǒng)中添 加大容量的儲(chǔ)液器，當(dāng)系統(tǒng)制熱運(yùn)行時(shí)儲(chǔ)存系統(tǒng)中多余的制冷劑，這樣一方 面使制冷劑充注量過(guò)多對(duì)環(huán)保不利(目前直接式系統(tǒng)中使用的制冷劑都對(duì)環(huán)境有一定影響，R22是臭氧層破壞氣體和溫室效應(yīng)氣體，其替代制冷劑R407c、 R410a和R134a雖不是臭氧層破壞氣體，但仍然是溫室效應(yīng)氣體)，另一方面系 統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜并增加成本。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，設(shè)計(jì)提供一種直接式土壤源熱泵系 統(tǒng)。采用可雙向流動(dòng)的異工質(zhì)充注熱力膨脹閥節(jié)流防止系統(tǒng)的振蕩；制熱運(yùn) 行時(shí)，氣液分離后再對(duì)液體制冷劑進(jìn)行分液，實(shí)現(xiàn)進(jìn)入各埋地?fù)Q熱器支路制 冷劑流量的均勻分配；采用內(nèi)部容積較小的外肋片埋地?fù)Q熱器，可減少系統(tǒng) 的制冷劑充注量。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取了如下技術(shù)方案。 一種直接式土壤源熱 泵系統(tǒng)，包括有壓縮機(jī)l、油分離器2、四通換向閥3、制冷劑/水換熱器4、 水泵5、風(fēng)機(jī)盤管6、視液鏡8、干燥過(guò)濾器7和埋地?fù)Q熱器支路、氣液分離 裝置11和雙向異工質(zhì)充注熱力膨脹閥9;壓縮機(jī)1的吸氣管經(jīng)氣液分離器19 及其進(jìn)氣管19-1與四通換向閥3的3-4端相連，壓縮機(jī)1的排氣管經(jīng)油分離 器2與四通換向閥3的3-1端相連；油分離器2的回油管2-1與壓縮機(jī)1的吸 氣管相連；四通換向陶3的3-2端與制冷劑/水換熱器4的接管4-l相連，，制 冷劑/水換熱器4的接管4-2與干燥過(guò)濾器7相連，干燥過(guò)濾器7的另一端與視液鏡8相連，視液鏡8的另一端與可雙向流動(dòng)的異工質(zhì)充注熱力膨脹閥9相連；雙向異工質(zhì)充注熱力膨脹閥9的感溫包9-1貼于氣液分離器19的進(jìn)氣 管19-1上，其外平衡管9-2分別與四通換向閥的3-3端和氣液分離器19的進(jìn) 氣管19-1相連通；雙向異工質(zhì)充注熱力膨脹閥9的出口分兩路， 一路與電磁 閥10相連， 一路與電磁閥14相連，電磁閥10與氣液分離裝置11的進(jìn)液管 11-1相連，電磁閥14與單向閥12的下游相連，然后合為一路與分液器13相 連；氣液分離裝置11的蒸氣管11-2與氣液分離器19的進(jìn)氣管19-1連通，氣 液分離裝置11的出液口與單向閥12的上游相連；分液器13的各分液管與各 埋地?fù)Q熱器支路相連，可分為二至十個(gè)支路，各個(gè)支路匯合于集氣管18，集 氣管18與四通換向閥3的3-4端相連；制冷劑/水換熱器4的水側(cè)管路的一端 與水泵5相連,另一端與風(fēng)機(jī)盤管6相連。所述的雙向異工質(zhì)充注熱力膨脹閥9的感溫包內(nèi)充注的工質(zhì)與系統(tǒng)內(nèi)充 注的制冷劑種類不同，且這種工質(zhì)的飽和壓力溫度曲線的斜率比系統(tǒng)內(nèi)充注 的制冷劑的飽和壓力溫度曲線的斜率小。因而，這種膨脹閥感溫包的反應(yīng)沒 有同工質(zhì)充注熱力膨脹閥(感溫包內(nèi)充注的工質(zhì)與系統(tǒng)內(nèi)充注的制冷劑種類 相同)敏感，這種不敏感性可使膨脹閥的振蕩現(xiàn)象得到有效的緩沖。例如， 當(dāng)系統(tǒng)制熱運(yùn)行時(shí)各埋地?fù)Q熱器作為蒸發(fā)器使用，如果其出口過(guò)熱度過(guò)高， 表明需要更多的制冷劑，感溫包溫度上升。由于此雙向異工質(zhì)充注熱力膨脹 閥感溫包內(nèi)充注的工質(zhì)的飽和壓力溫度曲線斜率小，因此其感溫包開啟力增 加的速度比同工質(zhì)充注感溫包要低很多，可防止膨脹閥突然開啟和開的過(guò)大 的振蕩現(xiàn)象。同理，當(dāng)銅管埋地?fù)Q熱器出口過(guò)熱度過(guò)低時(shí)也可防止膨脹閥突 然關(guān)閉和開的過(guò)小的振蕩現(xiàn)象。制冷運(yùn)行時(shí)此雙向異工質(zhì)充注熱力膨脹閥仍 可作為節(jié)流元件。所述的氣液分離裝置11豎直放置，氣液分離裝置11的進(jìn)液管11-1安裝 于氣液分離裝置的側(cè)方中下部，氣液分離裝置11的蒸氣管11-2安裝于氣液分離裝置的頂部，氣液分離裝置11的出液口 11-3位于氣液分離裝置的最底部中 心處。系統(tǒng)制熱運(yùn)行時(shí)電磁閥IO打開，電磁閥14關(guān)閉。膨脹閥節(jié)流后的兩 相制冷劑經(jīng)進(jìn)液管進(jìn)入氣液分離裝置依靠重力作用氣液分離，制冷劑液體從 氣液分離裝置的底部流出后，進(jìn)入分液器13的各分液管分配進(jìn)入各埋地?fù)Q熱 器支路的流量。這樣，將公認(rèn)的沒有數(shù)學(xué)物理模型可準(zhǔn)確描述的兩相流分液 問題，轉(zhuǎn)化為可按照流體力學(xué)基本理論求解的簡(jiǎn)單問題，即并聯(lián)管路各支路 的流量和各支路阻抗的平方根的倒數(shù)成正比。聚集在氣液分離裝置11上部的制冷劑蒸氣經(jīng)蒸氣管11-2直接旁通至氣液分離器19的進(jìn)氣管19-1處，與埋 地?fù)Q熱器集氣管18流出的制冷劑蒸氣混和。系統(tǒng)制冷運(yùn)行時(shí)，電磁閥10關(guān) 閉，電磁閥14打開，因而埋地?fù)Q熱器出口的制冷劑液體則不通過(guò)氣液分離裝 置ll，直接進(jìn)入雙向異工質(zhì)充注熱力膨脹閥9節(jié)流，制熱時(shí)氣液分離裝置ll 內(nèi)殘留的制冷劑經(jīng)蒸氣管11-2旁通至氣液分離器19的進(jìn)氣管19-1，被壓縮機(jī) 吸入。所述的各埋地?fù)Q熱器支路采用具有較小內(nèi)徑的緊湊的外肋片銅管埋地?fù)Q 熱器，各支路的兩端經(jīng)分液器13的各分液管和集氣管18并聯(lián)，可在豎直鉆 孔內(nèi)或水平管溝內(nèi)安裝，其安裝原則是各外肋片銅管埋地?fù)Q熱器支路內(nèi)部容積的總和等于制冷劑/水換熱器4的內(nèi)部容積；且各外肋片銅管埋地?fù)Q熱器支路的外表面換熱面積(銅管加肋片外表面)的總和及其所占的土壤面積， 等于按相同系統(tǒng)容量設(shè)計(jì)時(shí)，采用外表面光滑銅管埋地?fù)Q熱器的外表面換熱 面積(銅管外表面)的總和及其所占的土壤面積。對(duì)于在豎直鉆孔內(nèi)安裝的外肋片銅管埋地?fù)Q熱器，采用小內(nèi)徑的緊湊的外肋片豎直U型銅管埋地?fù)Q熱器，即兩根4 6mm內(nèi)徑的銅管底部U型連接， 距鉆孔頂端距離4米以內(nèi)的兩根銅管外壁不安裝外肋片，距鉆孔頂端距離4 米以外的兩根銅管外壁安裝兩組外肋片，同一銅管外肋片組的肋片間距大于 等于40mm，外肋組沿銅管軸向方向的高度為60 100mm，且兩組外肋片肋頂方向相反。對(duì)于在水平管溝內(nèi)安裝的外肋片銅管埋地?fù)Q熱器，采用小內(nèi)徑的緊湊的外肋片水平U型銅管埋地?fù)Q熱器，即兩根4 6mm內(nèi)徑的銅管U型連接，距 水平管溝靠近分液器的一端4米以內(nèi)的兩根銅管外壁不安裝外肋片，距水平 管溝靠近分液器的一端4米以外的兩根銅管外壁安裝兩組外肋片，同一銅管 肋片組的肋片間距大于等于40mm，外肋組沿銅管軸向方向的長(zhǎng)度為60 100mm的，且兩組外肋片肋頂方向相反。本發(fā)明的主要優(yōu)點(diǎn)在于其可靠性、高效性和環(huán)保性。與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的直接 式土壤源熱泵系統(tǒng)相比，采用異工質(zhì)充注的外平衡式熱力膨脹閥有效防止系 統(tǒng)的振蕩現(xiàn)象，保證了系統(tǒng)的可靠性；應(yīng)用小內(nèi)徑的緊湊的外肋片銅管埋地 換熱器，減少了其內(nèi)部容積，但又保證了和土壤的換熱面積，從而最大限度 的減少了系統(tǒng)制冷劑充注量，符合環(huán)保日益提高的要求；氣液分離后，再對(duì) 制冷劑液體按照"流量和各支路阻抗的平方根的倒數(shù)成正比的關(guān)系"分配進(jìn) 入各換熱器支路的質(zhì)量流量，提高了系統(tǒng)的性能和COP。


圖1本發(fā)明實(shí)施例的制熱模式結(jié)構(gòu)圖； 圖2本發(fā)明實(shí)施例的制冷模式結(jié)構(gòu)圖；圖3本發(fā)明實(shí)施例的雙向異工質(zhì)充注型熱力膨脹閥減緩振蕩效果示意圖； 圖4本發(fā)明實(shí)施例的豎直鉆孔內(nèi)安裝的外肋片銅管埋地?fù)Q熱器結(jié)構(gòu)主視圖 圖5本發(fā)明實(shí)施例的豎直鉆孔內(nèi)安裝的外肋片銅管埋地?fù)Q熱器結(jié)構(gòu)俯視圖 圖6本發(fā)明實(shí)施例的水平管溝內(nèi)安裝的外肋片銅管埋地?fù)Q熱器結(jié)構(gòu)主視圖 圖7本發(fā)明實(shí)施例的水平管溝內(nèi)安裝的外肋片銅管埋地?fù)Q熱器結(jié)構(gòu)俯視中l(wèi)一壓縮機(jī)；2 —油分離器；2-l —回油管；3 —四通換向閥；4一制 冷劑/水換熱器；4-1、 4-2-制冷劑/水換熱器的制冷劑接管；5—水泵；6—風(fēng) 機(jī)盤管；7 —干燥過(guò)濾器；8 —視液鏡；9一雙向異工質(zhì)充注熱力膨脹閥；10 —電磁閥；ll一氣液分離裝置；ll-l一氣液分離裝置的進(jìn)液管；11-2 —?dú)庖悍蛛x 裝置的蒸氣管；11-3 —?dú)庖悍蛛x裝置的出液口； 12 —單向閥；13 —分液器；13-1、 13-2、 13-3 —分液器的分液管；14一電磁閥；15-1、 15-2、 15-3 —外肋片銅管埋地?fù)Q熱器支路；16 —外肋片；17 — 土壤；18 —集氣管；19一氣液分離器；19-1一氣液分離器的進(jìn)氣管；20 —豎直鉆孔；20-1—鉆孔頂端；20-1 _鉆孔回 填材料；21-1、 21-2—銅管；22-1、 22-2 —外肋片；23 —外肋片豎直U型銅管 埋地?fù)Q熱器；24 —水平管溝；24-1—水平管溝靠近分液器一端；24-1—管溝 回填材料；25-1、 25-2_銅管；26-1、 26-2 —外肋片組；27 —外肋片水平U型 銅管埋地?fù)Q熱器。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合圖1和圖2說(shuō)明本發(fā)明的制熱模式和制冷模式。圖1和圖2的 實(shí)施例中，采用三個(gè)并聯(lián)的外肋片銅管埋地?fù)Q熱器支路。如圖1所示，本實(shí)施例包括有壓縮機(jī)l、油分離器2、四通換向閥3、制 冷劑/水換熱器4、水泵5、風(fēng)機(jī)盤管6、視液鏡8、干燥過(guò)濾器7和埋地?fù)Q熱 器支路、氣液分離裝置11和雙向異工質(zhì)充注熱力膨脹閥9;壓縮機(jī)1的吸氣 管經(jīng)氣液分離器19及其進(jìn)氣管19-1與四通換向閥3的3-4端相連，壓縮機(jī)1 的排氣管經(jīng)油分離器2與四通換向閥3的3-1端相連；油分離器2的回油管 2-1與壓縮機(jī)1的吸氣管相連；四通換向閥3的3-2端與制冷劑/水換熱器4的 接管4-l相連，，制冷劑/水換熱器4的接管4-2與干燥過(guò)濾器7相連，干燥過(guò) 濾器7的另一端與視液鏡8相連，視液鏡8的另一端與可雙向流動(dòng)的異工質(zhì) 充注熱力膨脹閥9相連；雙向異工質(zhì)充注熱力膨脹閥9的感溫包9-1貼于氣液 分離器19的進(jìn)氣管19-1上，其外平衡管9-2分別與四通換向閥的3-3端和氣 液分離器19的進(jìn)氣管19-1相連通；雙向異工質(zhì)充注熱力膨脹閥9的出口分兩 路， 一路與電磁閥10相連， 一路與電磁閥14相連，電磁閥10與氣液分離裝 置11的進(jìn)液管11-1相連，電磁閥14與單向閥12的下游相連，然后合為一路與分液器13相連；氣液分離裝置11的蒸氣管11-2與氣液分離器19的進(jìn)氣管 19-1連通，氣液分離裝置11的出液口與單向閥12的上游相連；分液器13的 各分液管與各埋地?fù)Q熱器支路相連，可分為二至十個(gè)支路，各個(gè)支路匯合于集氣管18，集氣管18與四通換向閥3的3-4端相連；制冷劑/水換熱器4的水 側(cè)管路的一端與水泵5相連,另一端與風(fēng)機(jī)盤管6相連。本實(shí)施例的兩種工作模式(1)制熱模式結(jié)合圖1說(shuō)明，壓縮機(jī)1啟動(dòng)，四通換向閥3的3-1端和3-2接通，3-3 端和3-4接通，電磁閥10打開，電磁閥14關(guān)閉。被壓縮機(jī)1壓縮成高溫高壓 的制冷劑過(guò)熱蒸氣，經(jīng)油分離器2分離出制冷劑蒸氣中夾帶的潤(rùn)滑油，潤(rùn)滑 油依靠壓差經(jīng)回油管2-1返回壓縮機(jī)吸氣口被壓縮機(jī)1吸入，制冷劑蒸氣則進(jìn) 入四通閥的3-1端而后從3-2端流出，經(jīng)制冷劑/水換熱器4的制冷劑接管4-1 進(jìn)入制冷劑/水換熱器4中向水釋放出冷凝熱而成為制冷劑液體。制冷劑液體 從制冷劑/水換熱器4的制冷劑接管4-2流出，經(jīng)干燥過(guò)濾器7和示液鏡8，流 入雙向異工質(zhì)充注熱力膨脹閥9節(jié)流降壓成兩相制冷劑。雙向異工質(zhì)充注熱力膨脹閥9的感溫包9-1貼于氣液分離器19的進(jìn)氣管 19-1上，其外平衡管9-2和氣液分離器19的進(jìn)氣管19-1相連，因而其可依據(jù) 氣液分離器19的進(jìn)氣管19-1的制冷劑蒸氣過(guò)熱度節(jié)流并調(diào)節(jié)制冷劑質(zhì)量流 量，其感溫包內(nèi)充注的工質(zhì)與系統(tǒng)內(nèi)充注的制冷劑種類不同，且這種工質(zhì)的 飽和壓力溫度曲線的斜率比系統(tǒng)內(nèi)充注的制冷劑的飽和壓力溫度曲線的斜率 小。因而，這種膨脹閥感溫包的反應(yīng)沒有同工質(zhì)充注熱力膨脹閥(感溫包內(nèi) 充注的工質(zhì)與系統(tǒng)內(nèi)充注的制冷劑種類相同)敏感，這種不敏感性可使膨脹 閥的振蕩現(xiàn)象得到有效的緩沖。系統(tǒng)制熱運(yùn)行時(shí)，各外肋片銅管埋地?fù)Q熱器 支路作為蒸發(fā)器使用，如果其出口過(guò)熱度過(guò)高，即感溫包9-l感受的氣液分離 器19的進(jìn)氣管19-1內(nèi)的蒸氣過(guò)熱度高，感溫包溫度上升，表明埋地?fù)Q熱器內(nèi)需要更多的制冷劑。由于此雙向異工質(zhì)充注熱力膨脹閥感溫包內(nèi)充注的工質(zhì) 的飽和壓力溫度曲線斜率小，因此其感溫包開啟力增加的速度比同工質(zhì)充注 感溫包要低很多，可防止膨脹閥突然開啟和開的過(guò)大的振蕩現(xiàn)象。同理，當(dāng) 銅管埋地?fù)Q熱器出口過(guò)熱度過(guò)低時(shí)也可防止膨脹閥突然關(guān)閉和開的過(guò)小的振 蕩現(xiàn)象。因電磁閥10打開，電磁閥14關(guān)閉，雙向異工質(zhì)充注熱力膨脹閥9節(jié)流 后的兩相制冷劑只流入電磁閥14所在管路，再經(jīng)氣液分離裝置的進(jìn)液管11-1 進(jìn)入氣液分離裝置11，在氣液分離裝置11內(nèi)依靠重力作用氣液分離，制冷劑 液體聚集于氣液分離裝置底部，制冷劑氣體聚集于氣液分離裝置頂部。制冷劑液體從氣液分離裝置11底部的出液口 11-3流出后，進(jìn)入分液器13的各分 液管13-1、 13-2和13-3，依據(jù)各外肋片銅管埋地?fù)Q熱器支路15-1、 15-2、 15-3 的尺寸和結(jié)構(gòu)計(jì)算其阻抗，則分液管13-1、 13-2和13-3的內(nèi)徑按照"并聯(lián)管 路各支路的流量和各支路阻抗的平方根的倒數(shù)成成正比"的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)， 從而實(shí)現(xiàn)了進(jìn)入各外肋片銅管埋地?fù)Q熱器支路制冷劑液體流量的均勻分配。 這樣，將公認(rèn)的沒有數(shù)學(xué)物理模型可準(zhǔn)確描述的兩相流分液?jiǎn)栴}，轉(zhuǎn)化為可 按照流體力學(xué)基本理論求解的簡(jiǎn)單問題。聚集在氣液分離裝置11上部的制冷 劑蒸氣經(jīng)蒸氣管11-2直接旁通至氣液分離器19的進(jìn)氣管19-1處，與集氣管 18流出的制冷劑蒸氣混和。制冷劑液體進(jìn)入各外肋片銅管埋地?fù)Q熱器支路15-1、 15-2、 15-3后，吸 收土壤17內(nèi)儲(chǔ)存的熱量而蒸發(fā)，生成的制冷劑蒸氣經(jīng)集氣管18進(jìn)入四通換 向閥3的3-4端從3-3端流出，和氣液分離裝置11的分離出的制冷劑蒸氣在 氣液分離器19的進(jìn)氣管19-1內(nèi)混合后，進(jìn)入氣液分離器19，而后被壓縮機(jī)1 壓縮成高溫高壓的制冷劑過(guò)熱蒸氣，完成一個(gè)制熱循環(huán)。該制熱循環(huán)不斷重 復(fù)，在制冷劑/水換熱器4中吸收制冷劑冷凝熱的熱水，經(jīng)水泵5驅(qū)動(dòng)送往風(fēng) 機(jī)盤管6向室內(nèi)空氣釋放熱量實(shí)現(xiàn)制熱模式。(2)制冷模式結(jié)合圖2說(shuō)明，壓縮機(jī)1啟動(dòng)，四通換向閥3的3-l端和3-4接通，3-2 端和3-3接通，電磁閥10關(guān)閉，電磁閥14打開。被壓縮機(jī)1壓縮成高溫高壓 的制冷劑過(guò)熱蒸氣，經(jīng)油分離器2分離出制冷劑蒸氣中夾帶的潤(rùn)滑油，潤(rùn)滑 油依靠壓差經(jīng)回油管2-1返回壓縮機(jī)吸氣口被壓縮機(jī)1吸入，制冷劑蒸氣則進(jìn) 入四通閥的3-1端而后從3-4端流出后，流入集氣管18，而后流入各外肋片 銅管埋地?fù)Q熱器支路15-1、 15-2和15-3，向土壤放出熱量而冷凝成制冷劑液 體。各支路15-1、15-2和15-3內(nèi)生成的制冷劑液體經(jīng)分液器13的分液管13-1、 13-2和13-3流入分液器13進(jìn)行混合。電磁閥IO關(guān)閉，制冷劑的流動(dòng)方向和單向閥12的方向相反，因而不流 入單向閥12所在管路，即不會(huì)流入氣液分離裝置ll。上一個(gè)冬季制熱時(shí)氣液 分離裝置11內(nèi)殘存的制冷劑液體，會(huì)經(jīng)氣液分離裝置11的蒸氣管11-1旁通 至氣液分離器19的入口管19-1，被壓縮機(jī)吸入，因而系統(tǒng)不會(huì)損失制冷劑。電磁閥14打開，來(lái)自分液器13的制冷劑液體經(jīng)電磁閥14所在管路流入 雙向異工質(zhì)充注熱力膨脹閥9節(jié)流降壓后，依次經(jīng)示液鏡8、干燥過(guò)濾器7、 制冷劑/水換熱器4的制冷劑接管4-2，進(jìn)入制冷劑/水換熱器4中吸收水的熱 量而蒸發(fā)，生成的制冷劑蒸氣則進(jìn)入四通閥的3-2端從3-3端流出，經(jīng)氣液分 離器19的進(jìn)氣管19-1進(jìn)入氣液分離器19，而后進(jìn)入壓縮機(jī)1，完成一個(gè)制冷 循環(huán)。該制冷循環(huán)不斷重復(fù)，在制冷劑/水換熱器4中向制冷劑放出熱量的冷 水經(jīng)水泵5驅(qū)動(dòng)進(jìn)入風(fēng)機(jī)盤管6送往室內(nèi)空氣進(jìn)行制冷，實(shí)現(xiàn)制冷模式運(yùn)行。因雙向異工質(zhì)充注熱力膨脹閥9的感溫包9-1貼于氣液分離器19的進(jìn)氣 管19-1上，其外平衡管9-2和氣液分離器19的進(jìn)氣管19-1相連，因此雙向 異工質(zhì)充注熱力膨脹閥9的感溫包9-1感受的氣液分離器19的進(jìn)氣管內(nèi)19-1 的制冷劑蒸氣過(guò)熱度即為制冷劑/水換熱器4的接管4-l內(nèi)的蒸氣過(guò)熱度，實(shí) 現(xiàn)節(jié)流并調(diào)節(jié)進(jìn)入制冷劑/水換熱器4的制冷劑流量。在圖1和圖2的實(shí)施例中，壓縮機(jī)1、制冷劑/水換熱器4、各外肋片銅管埋地?fù)Q熱器支路15-K 15-2和15-3、氣液分離裝置ll、雙向異工質(zhì)充注熱力 膨脹閥、氣液分離器19等，需相互匹配和耦合，才能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高效運(yùn)行。系統(tǒng)的匹配原則是各外肋片銅管埋地?fù)Q熱器支路內(nèi)容積的總和等于制冷劑/ 水換熱器4的內(nèi)部容積；且各外肋片銅管埋地?fù)Q熱器支路的外表面(銅管加外肋片的外表面)面積的總和及其所占的土壤面積，等于按相同系統(tǒng)容量設(shè) 計(jì)時(shí)，采用外表面光滑銅管埋地?fù)Q熱器的外表面換熱面積(銅管外表面)的 總和及其所占的土壤面積。本實(shí)施例中若設(shè)計(jì)直接式土壤源熱泵系統(tǒng)的容量為6kW，則選用容量為 6kW的壓縮機(jī)，容量為6kW的雙向異工質(zhì)充注外平衡式熱力膨脹閥，選用容 量為6kW的套管式制冷劑/水換熱器并計(jì)算其內(nèi)部容積。按照上述的匹配原 則，若采用在豎直鉆孔內(nèi)安裝的外肋片銅管埋地?fù)Q熱器，則選用3個(gè)鉆孔深 度20米內(nèi)徑為6mm的外肋片銅管埋地?fù)Q熱器15-1、 15-2和15-3，肋片高度 6mm，間距60mm，三個(gè)外肋片銅管埋地?fù)Q熱器15-1 、 15-2和15-3的內(nèi)部容 積總和正好等于所選用的套管式制冷劑/水換熱器的內(nèi)部容積，且三個(gè)外肋片 銅管埋地?fù)Q熱器15-1、15-2和15-3的外表面積和所占的土地面積，等于按6kW 容量設(shè)計(jì)時(shí)，采用內(nèi)徑為12mm的外表面光滑銅管埋地?fù)Q熱器的外表面換熱 面積(銅管外表面)的總和及其所占的土壤面積。上述的原則保證了外肋片 銅管埋地?fù)Q熱器和土壤的換熱能力能滿足系統(tǒng)的容量要求。外肋片銅管埋地 換熱器有較小內(nèi)徑6mm，其內(nèi)部容積和12mm內(nèi)徑的相比，減少了 75%，制 冷系統(tǒng)內(nèi)換熱器中制冷劑分布量約占系統(tǒng)總充注量的70%，因而較小內(nèi)部容 積的外肋片銅管埋地?fù)Q熱器可以大大減少系統(tǒng)的制冷劑充注量。系統(tǒng)不需設(shè) 置大容量的儲(chǔ)液器，節(jié)省了安裝成本和制冷劑費(fèi)用，符合環(huán)保的要求。 (3)雙向異工質(zhì)充注型熱力膨脹閥減緩振蕩效果示意圖結(jié)合圖3說(shuō)明，斜率較小(較平緩)的粗實(shí)線為雙向異工質(zhì)充注熱力膨脹閥9的感溫包內(nèi)充注的工質(zhì)的飽和壓力溫度曲線，斜率較大(較陡峭)的 粗實(shí)線為外肋片銅管埋地?fù)Q熱器內(nèi)的制冷劑工質(zhì)的飽和壓力溫度曲線。當(dāng)系 統(tǒng)制熱運(yùn)行時(shí)，銅管埋地?fù)Q熱器作為蒸發(fā)器使用，如果其出口過(guò)熱度過(guò)高， 表明需要更多的制冷劑，感溫包溫度上升。由于雙向異工質(zhì)充注熱力膨脹閥9 的感溫包內(nèi)充注的工質(zhì)與系統(tǒng)內(nèi)充注的制冷劑種類不同，且這種工質(zhì)的飽和 壓力溫度曲線的斜率比系統(tǒng)內(nèi)充注的制冷劑的飽和壓力溫度曲線的斜率小， 即使過(guò)熱度增加很多，其感溫包溫度所對(duì)應(yīng)的工質(zhì)的飽和壓力(此飽和壓力 的增加就是圖中所示的開啟力的變化)只增加一點(diǎn)點(diǎn)，即開啟力只增加一點(diǎn) 點(diǎn)。飽和壓力溫度曲線的斜率就是開啟力增加的速度，若采用同工質(zhì)充注感 溫包，則開啟力增加的速度較大，因而雙向異工質(zhì)充注熱力膨脹閥9可防止 膨脹閥突然開啟和突然開的過(guò)大的振蕩現(xiàn)象。同理，如圖所示，當(dāng)銅管埋地?fù)Q熱器出口過(guò)熱度過(guò)低時(shí)，也可防止膨脹 閥突然關(guān)閉和突然開的過(guò)小。選用的異工質(zhì)充注外平衡式熱力膨脹閥可雙向 流動(dòng)，當(dāng)系統(tǒng)制冷運(yùn)行時(shí)其仍可作為節(jié)流元件。(4) 豎直鉆孔內(nèi)安裝的外肋片銅管埋地?fù)Q熱器結(jié)構(gòu)主視圖結(jié)合圖4說(shuō)明，豎直鉆孔20深度為30 50米，兩根內(nèi)徑為4 6mm的 銅管21-1和21-2在豎直鉆孔20的底部U型連接，距鉆孔頂端20-1距離4米 以上的兩根銅管21-1和21-2的外壁為光管(即不安裝外肋片)，有效防止兩 根銅管21-1和21-2在這一部分由于管內(nèi)制冷劑溫差太大而產(chǎn)生熱短路現(xiàn)象 (即管內(nèi)制冷劑溫度高的銅管向管內(nèi)制冷劑溫度低的銅管傳熱，此熱量傳遞 會(huì)降低和土壤的傳熱能力)。距鉆孔頂端20-l距離4米以下的銅管22-l和22-2 外壁安裝兩組高度60 100mm的半肋片，片間距不小于40mm。(5) 豎直鉆孔內(nèi)安裝的外肋片銅管埋地?fù)Q熱器結(jié)構(gòu)俯視圖結(jié)合圖5說(shuō)明，銅管21-1和21-2外壁安裝的外肋片組22-1和22-2的肋 頂方向相反，防止兩根銅管21-1和21-2管內(nèi)制冷劑溫差太大而產(chǎn)生熱短路現(xiàn)象，肋基緊套在銅管外壁上。鉆孔回填材料20-1可采用石英沙、水泥、膨潤(rùn) 土和水的混和回填料，或其它熱力性能和穩(wěn)定性更好的細(xì)顆粒回填料回填， 以確保肋片和回填料的良好接觸中間不能有空氣隙，肋片擴(kuò)大了銅管與土壤 的傳熱面積。(6) 水平管溝內(nèi)安裝的外肋片銅管埋地?fù)Q熱器結(jié)構(gòu)主視圖結(jié)合圖6說(shuō)明，水平管溝24深度為1.5至2米，銅管25-1和25-2外壁 安裝的外肋片組26-1和26-2的肋頂方向相反，防止兩根銅管21-1和21-2管 內(nèi)制冷劑溫差太大而產(chǎn)生熱短路現(xiàn)象，肋基分別緊套在銅管25-1和25-2的外 壁上。管溝回填材料24-2可采用石英沙、水泥、膨潤(rùn)土和水的混和回填料， 或其它熱力性能和穩(wěn)定性更好的細(xì)顆?；靥盍匣靥?，以確保肋片和回填料的 良好接觸中間不能有空氣隙，肋片擴(kuò)大了銅管與土壤的傳熱面積。(7) 水平管溝內(nèi)安裝的外肋片銅管埋地?fù)Q熱器結(jié)構(gòu)俯視圖結(jié)合圖7說(shuō)明，兩根內(nèi)徑為4 6mm的銅管25-1和25-2在水平管溝24 的一端U型連接，24-1為距水平管溝靠近分液器的一端，距其4米以內(nèi)的兩 根銅管25-1和25-2外壁不安裝外肋片的外壁為光管(即不安裝外肋片)，有 效防止兩根銅管在這一部分由于管內(nèi)制冷劑溫差太大而產(chǎn)生熱短路現(xiàn)象(即 管內(nèi)制冷劑溫度高的銅管向管內(nèi)制冷劑溫度低的銅管傳熱，此熱量傳遞會(huì)降 低和土壤的傳熱能力)。距其4米以外的兩根銅管25-1和25-2外壁安裝兩組 高度60 — 100mm的外肋片26-1和26-2，片間距不小于40mm。
權(quán)利要求
1、一種直接式土壤源熱泵系統(tǒng)，包括有壓縮機(jī)(1)、油分離器(2、四通換向閥(3)、制冷劑/水換熱器(4)、水泵(5)、風(fēng)機(jī)盤管(6)、視液鏡(8)、干燥過(guò)濾器(7)和埋地?fù)Q熱器支路；其特征在于還包括有氣液分離裝置(11)和雙向異工質(zhì)充注熱力膨脹閥(9)；其中，壓縮機(jī)(1)的吸氣管經(jīng)氣液分離器(19)及其進(jìn)氣管(19-1)與四通換向閥(3)的3-4端相連，壓縮機(jī)(1)的排氣管經(jīng)油分離器(2)與四通換向閥(3)的3-1端相連；油分離器(2)的回油管2-1與壓縮機(jī)(1)的吸氣管相連；四通換向閥(3)的3-2端與制冷劑/水換熱器(4)的接管4-1相連通，制冷劑/水換熱器(4)的接管4-2與干燥過(guò)濾器(7)相連，干燥過(guò)濾器(7)的另一端與視液鏡(8)相連，視液鏡(8)的另一端與可雙向流動(dòng)的異工質(zhì)充注熱力膨脹閥(9)相連；雙向異工質(zhì)充注熱力膨脹閥(9)的感溫包(9-1)貼于氣液分離器(19)的進(jìn)氣管(19-1)上，其外平衡管(9-2)分別與四通換向閥的3-3端和氣液分離器(19)的進(jìn)氣管(19-1)相連通；雙向異工質(zhì)充注熱力膨脹閥(9)的出口分兩路，一路與電磁閥(10)相連，一路與電磁閥(14)相連，電磁閥(10)與氣液分離裝置(11)的進(jìn)液管(11-1)相連，電磁閥(14)與單向閥(12)的下游相連，然后合為一路與分液器(13)相連；氣液分離裝置(11)的蒸氣管(11-2)與氣液分離器(19)的進(jìn)氣管(19-1)連通，氣液分離裝置(11)的出液口與單向閥(12)的上游相連；分液器(13)的各分液管與各埋地?fù)Q熱器支路相連，各個(gè)支路匯合于集氣管(18)，集氣管(18)與四通換向閥(3)的3-4端相連；制冷劑/水換熱器(4)的水側(cè)管路的一端與水泵(5)相連，另一端與風(fēng)機(jī)盤管(6)相連。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種直接式土壤源熱泵系統(tǒng)，其特征在于所述的 埋地?fù)Q熱器的支路個(gè)數(shù)為2 20個(gè)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種直接式土壤源熱泵系統(tǒng)，其特征在于所述的 雙向異工質(zhì)充注熱力膨脹闊(9)的感溫包內(nèi)充注的工質(zhì)與系統(tǒng)內(nèi)充注的制冷 劑種類不同，且這種工質(zhì)的飽和壓力溫度曲線的斜率比系統(tǒng)內(nèi)充注的制冷劑的飽和壓力溫度曲線的斜率小。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種直接式土壤源熱泵系統(tǒng)，其特征在于所述的 氣液分離裝置(11)豎直放置，氣液分離裝置(11)的進(jìn)液管(11-1)安裝于 氣液分離裝置的側(cè)面中下部，氣液分離裝置(11)的蒸氣管(11-2)安裝于氣 液分離裝置的頂部，氣液分離裝置(11)的出液口 (11-3)位于氣液分離裝置 的最底部中心處。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種直接式土壤源熱泵系統(tǒng)，其特征在于所述的各埋地?fù)Q熱器支路采用具有內(nèi)徑為4 6mm的外肋片銅管埋地?fù)Q熱器，各支 路可設(shè)置在豎直鉆孔內(nèi)或水平管溝內(nèi)。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的外肋片銅管埋地?fù)Q熱器，其特征在于對(duì)于設(shè)置在 豎直鉆孔內(nèi)的外肋片銅管埋地?fù)Q熱器，采用外肋片豎直U型銅管埋地?fù)Q熱器， 即兩根4 6mm內(nèi)徑的銅管底部U型連接，距鉆孔頂端距離4米以內(nèi)的兩根 銅管外壁不安裝外肋片，距鉆孔頂端距離4米以外的兩根銅管外壁安裝兩組 外肋片，同一銅管外肋片組的肋片間距大于等于40mm，外肋組沿銅管軸向方 向的高度為60 100mm，且兩組外肋片肋頂方向相反。
7、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的外肋片銅管埋地?fù)Q熱器，其特征在于對(duì)于在水平 管溝內(nèi)安裝的外肋片銅管埋地?fù)Q熱器，采用外肋片水平U型銅管埋地?fù)Q熱器， 即兩根4 6mm內(nèi)徑的銅管U型連接，距水平管溝靠近分液器的一端4米以 內(nèi)的兩根銅管外壁不安裝外肋片，距水平管溝靠近分液器的一端4米以外的 兩根銅管外壁安裝兩組外肋片，同一銅管肋片組的肋片間距大于等于40mm， 外肋組沿銅管軸向方向的長(zhǎng)度為60 100mm的，且兩組外肋片肋頂方向相反。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種直接式土壤源熱泵系統(tǒng)，屬制冷和熱泵技術(shù)領(lǐng)域。系統(tǒng)由壓縮機(jī)、氣液分離器、油分離器、四通換向閥、制冷劑/水換熱器、雙向異工質(zhì)充注熱力膨脹閥、干燥過(guò)濾器、視液鏡、分液器、集氣管、外翅片銅管埋地?fù)Q熱器并聯(lián)支路、單向閥、電磁閥等組成。采用雙向異工質(zhì)充注熱力膨脹閥節(jié)流，制熱運(yùn)行時(shí)氣液分離后再對(duì)液體制冷劑進(jìn)行分液，埋地?fù)Q熱器采用緊湊的外肋片結(jié)構(gòu)，可制熱和制冷運(yùn)行，本發(fā)明的主要優(yōu)點(diǎn)在于其可靠性、高效性和環(huán)保性。
文檔編號(hào)F25B30/06GK101236030SQ200810057379
公開日2008年8月6日 申請(qǐng)日期2008年2月1日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月1日
發(fā)明者吳玉庭, 偉 王, 王曉濤, 王景甫, 馬重芳, 鹿院衛(wèi) 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)