專利名稱：直接交換式地溫加熱/冷卻系統(tǒng)的多方面設計的制作方法
直接交換式地溫加熱/冷卻系統(tǒng)的多方面^:計相關(guān)申請的交叉引用本申請要求2007年1月18日提交的第60/881, OOO號美國臨時申 請的權(quán)益。技術(shù)領(lǐng)域本公開文本涉及一種包括了多種設計上的改進的地溫直接交換式 ("DX")加熱/冷卻系統(tǒng)，其通常也被稱作"直接膨脹，，式加熱/冷卻系 統(tǒng)。
背景技術(shù)：
常規(guī)的地溫地源/水源熱交換系統(tǒng)通常使用埋在土地中或浸沒在水 體中的充滿液體的閉合回路管道(通常是管壁厚度為大約1/4英寸的聚 乙烯管道)，以從包圍那埋藏或浸沒的液體輸送管道的天然地熱物質(zhì)或 水中吸收熱量，或?qū)崃颗欧胖猎摰責嵛镔|(zhì)或水中。該管道回路——其 通常充滿液體及可選擇的防凍劑和防銹劑——延伸至表面。水泵將該經(jīng) 天然加熱或冷卻的液體循環(huán)至一個液體至制冷劑熱交換器。將地溫熱量從塑料管道中的液體傳遞至土地或反之是第一熱交換 步驟。通過一個第二熱交換步驟，制冷劑熱泵系統(tǒng)將熱量從塑料管中的 液體傳遞至制冷劑或反之。最后，常規(guī)系統(tǒng)可以使用第三熱交換步驟， 在該步驟中內(nèi)部空氣處理器(由翅片管和風扇組成)將熱量傳遞至制冷 劑或從制冷劑傳遞熱量，以加熱或冷卻內(nèi)部空氣空間。較新設計的地溫DX熱交換系統(tǒng)(其中制冷劑流體輸送管線直接放 置在土地地表下和/或水中)通常在淺表面制冷劑管線(其通常由銅管 道組成)中循環(huán)例如R-22、 R-410A以及類似制冷劑等的制冷劑流體， 以通過一個第一熱交換步驟將地溫熱量傳遞至該淺表面元件，或從該淺 表面元件傳遞熱量。DX系統(tǒng)僅需要一個第二熱交換步驟，以將熱量傳 遞至內(nèi)部空氣空間或從該內(nèi)部空氣空間傳遞熱量(通常通過內(nèi)部空氣處 理器)。因此，DX系統(tǒng)一般比水源系統(tǒng)更高效，因為其需要更少的熱交10換步驟，也因為其不需要水泵能量消耗。更進一步地，因為較之大部分塑料，銅是更好的熱導體，也因為DX系統(tǒng)銅管道內(nèi)循環(huán)的制冷劑流體 相比于水源系統(tǒng)中塑料管道內(nèi)循環(huán)的水，與周圍的土地具有更大的溫 差，所以DX系統(tǒng)較之水源系統(tǒng)一般需要更少的挖掘和鉆孔(以及安裝 成本通常更低)。因為大部分土地中/水中的DX熱交換設計是可行的，為提高系統(tǒng)的 整體運行效率，發(fā)展了各種改進。多個這樣的設計改進，尤其是在直接導Wiggs的第5, 623， 986號美國專利；Wiggs等的第5, 816, 314 號美國專利；Wiggs的第5， 946, 928號美國專利；以及Wiggs的6， 615， 601 Bl號美國專利，上述公開文本以引證方式納入本說明書中。 這些公開文本包含水平取向的和豎直取向的地表下熱量地溫熱交換裝 置，該裝置使用例如R-22等的過去常規(guī)的制冷劑以及標識為R-410A的 較新設計的制冷劑。R-410A是一種HFC-32和HFC-125的HFC共沸混合 物。DX加熱/冷卻系統(tǒng)具有三個主要目標。第 一是提供可能的最大運行 效率，這能夠?qū)崿F(xiàn)可能的最低加熱/冷卻運行成本和其他優(yōu)勢，例如， 明顯有助于減少動力公司的高峰顧慮。笫二目標是通過利用對環(huán)境安全 的部件和流體以環(huán)境安全方式運行。第三目標是在不需要任何重大的保 養(yǎng)和修理的情況下長期運行，因而較之其他常規(guī)系統(tǒng)設計顯著降低了維 護和更新成本。在過去，雖然DX加熱/冷卻系統(tǒng)一般地較之其他常規(guī)加熱/冷卻系 統(tǒng)更有效，由于需要相對大的表面陸地面積來容納地表下的熱交換管 道，因此該系統(tǒng)存在安裝限制。例如，在水平"坑道(pit)"系統(tǒng)中， 笫一代設計中的每噸系統(tǒng)設計容量通常需要500平方英尺的陸地面積， 以容納淺表面(在表面以下IO英尺)的多重的、分布式的銅熱交換管 道陣列。進一步地，在各種豎直取向的第一代DX系統(tǒng)設計中，每噸系 統(tǒng)設計容量要大約一到二個50-100英尺(最大)深度的井或鉆孔，每 個井間隔至少約20英尺，每個井包括單獨的制冷劑輸送管道回路。這 些必須的表面面積實際上排除了系統(tǒng)在許多商業(yè)和/或高密度住宅應用 中的應用。Wiggs教導了對于這些前期設計的一個改進，該改進使得DX系統(tǒng)可以在大約300英尺深的井或鉆孔內(nèi)運行，從而顯著地降低了 DX 系統(tǒng)的要求的必要陸地表面面積。在過去，銅管道已在DX系統(tǒng)應用中 被用于地表下的制冷劑輸送的目的。發(fā)明內(nèi)容利用多方面手段改進早期和從前的DX系統(tǒng)技術(shù)，以便整個都以最 小的可能初始成本，來提供在各種條件下都具有最大運行效率和最小維 護要求的對環(huán)境安全的設計。這些改進方式如下所述壓縮機設計:在常規(guī)的DX和其他熱泵系統(tǒng)中，壓縮機的大小匹配 于系統(tǒng)負載設計，這樣，3噸的系統(tǒng)通常需要3噸的壓縮機。加熱/冷 卻場(field)的一噸容量設計等于12， 000 BTU。因此用于一個結(jié)構(gòu) 的3噸加熱和/或冷卻負栽設計將通常需要帶有3噸容量設計壓縮機的 系統(tǒng)。負栽設計通常通過ACCA手冊J (ACCA Manual J)或類似標準計 算出來。但是，通過在此教導的獨特的DX系統(tǒng)設計改進，壓縮機的實 際大小需要可以減小，從而需要更少的運行功率抽運，并提高系統(tǒng)運行 效率。利用在此公開的一些或所有改進，試驗顯示壓縮機大小優(yōu)選地為 上述最大計算加熱/冷卻負載下的常規(guī)大小標準的80%至95%。例如，對 于3噸系統(tǒng)負栽設計，壓縮機不應該具有36， OOOBTU的運行容量，而 是替代地應具有28， 800至34, 200 BTU的運行容量。該可接受的范圍 是必要的，因為并非所有的壓縮機制造廠商生產(chǎn)相同BTU容量的壓縮 機。油分離器:油分離器已被公知并用于各種常規(guī)熱泵系統(tǒng)。油分離器 通常包括具有將油從制冷劑中過濾出來的金屬絲網(wǎng)或網(wǎng)的金屬缸或其 他容器。過濾出的油通過重力作用滴落到缸的底部，通常僅允許制冷劑 從缸頂部逸入系統(tǒng)的其他部分。當充足量的油積聚在圓筒的底部時，一 個鐵浮子或類似物向上升起而露出一個孔，油通過該孔，在壓縮機吸力 下，經(jīng)由從油分離器底部到壓縮機的油返回管線而被直接吸回壓縮機本 身。但是，常規(guī)的分離器通常僅過濾至IOO微米而僅有80%到90%的效 率，該效率對于帶有豎直取向的地溫熱交換管道的DX系統(tǒng)來說是無法 接受的。試驗顯示，在DX系統(tǒng)中，如果壓縮機中的大部分潤滑油沒有被保果該場管線是豎直傾斜的，則當DX系統(tǒng)在加熱模式下運行時，來自壓縮機的油將趨向于保留在場管線 中，那么壓縮機將由于缺乏足夠的返回潤滑油而損壞。因此，對DX系 統(tǒng)的改進油分離設計是更優(yōu)選的。這樣的改進設計包括可以過濾至至少0. 3;敞米且具有至少98%效率 的油分離器。 一個優(yōu)選的過濾器由玻璃材料制成，例如硼硅酸鹽過濾器 等等。進一步地，當大部分蒸汽形式的制冷劑從場中的地溫熱交換管道返 回壓縮機時，應優(yōu)選地添加某一量的額外的油，以補償在加熱模式運行 中損失至場的任何#:小損失。該額外油量應等于系統(tǒng)運行中將油分離器 密閉殼的底部填充至分離器內(nèi)的過濾器以下的指定點所需的量。優(yōu)選 地，為了在總油容量中允許一些誤差容限，添加的額外油量應滿足在 密閉殼中的油過濾器的底部和額外油高度的頂部之間留出一個例如1/2 英寸±1/4英寸的豎直余量(在油分離器中的過濾器的底部/基部以下 1/2英寸處)。如果供給了過多的額外油，過濾器區(qū)域的必需的設計在 其預期用途上被削減和/或受到阻礙。額外油在此限定為超出或高于壓 縮機內(nèi)通常由壓縮機制造者提供的油量的壓縮機潤滑油量。此外，常規(guī)油分離器沒有提供查明油分離器在運行中是否正常運 轉(zhuǎn)，或究竟是否需要添加附加的油的方法。當前這些問題僅能在壓縮機 發(fā)生故障或燒壞后察覺。因此，希望有一種改進提供一種檢查油分離 器實際運轉(zhuǎn)以及油分離器內(nèi)的實際油面高度的方法。本公開包括油分離 器壁內(nèi)的觀測鏡，以允許可視地查明油面高度。觀測鏡被定位為使得當 DX系統(tǒng)不運轉(zhuǎn)時，期望的油面高度處在觀測鏡的中心或附近。該期望 油面高度是過濾器底部下方的一個預定距離，例如約1/2英寸。當DX 系統(tǒng)運行時，分離器的正常運轉(zhuǎn)可以通過觀測鏡中觀測到——通過尋找 從內(nèi)部觀測鏡壁上落下的 一層層油來觀測。最后，各種已知油分離器過去會將油直接返回壓縮機。 一個優(yōu)選的 油返回方法是以計量的方式返回。計量油返回是通過將油經(jīng)由吸入管線 返回至系統(tǒng)儲存器，或?qū)⒂头祷刂羶Υ嫫鞅旧矶鴮崿F(xiàn)。儲存器是本領(lǐng)域 普通技術(shù)人員眾所周知的，由其內(nèi)帶有蒸汽管線U型管的制冷劑密閉殼 組成。U型管的頂部將蒸汽制冷劑從儲存器中吸出并送至壓縮機中，而任何液態(tài)形式的制冷劑將保留在容器的底端，所述液體形式的制冷劑使壓縮機"緩動(slug)"。但是儲存器內(nèi)的U型管在其底部具有一個小孔 或小口 ，該小孔或小口持續(xù)地從所述底部吸入和返回油和、液體制冷劑的 少量混合物，以將油完全循環(huán)返回至壓縮機。如本領(lǐng)域通常知曉的，該 小口的尺寸根據(jù)系統(tǒng)尺寸來確定。例如，在2-5噸的系統(tǒng)中，該小口的 直徑通常是大約0.4到0.55英寸。因此，在本改進的設計中，常規(guī)的 少量油返回孔以計量的方式將油從分離器返回至壓縮機，而不是常規(guī)地 通過相對大的5/8英寸O.D.(外徑)排出管線等，以未計量的流直接將 油返回實際的壓縮機本身。這樣的大的油返回管線也增加了將排出的熱 的制冷劑蒸汽連同油一起返回壓縮機的可能性，而這會降低系統(tǒng)效率。作為DX系統(tǒng)的油分離器的油返回裝置的另一設計改進，附加量的 油將優(yōu)選地添加至儲存器本身(過去并未這樣做過)，以協(xié)助確保儲存 器的底部總是被油填充至所述小油返回孔(口 )以上的高度，并優(yōu)選地 填充至該孔的頂部以上的1/6英寸至1/4英寸。這將協(xié)助確保最大量的 額外油可操作地放置于系統(tǒng)內(nèi)，而并不會多至削弱油分離器中的儲存器 或過濾器的預期運行，并將不會顯著地損害接收器容納足夠量的液體制 冷劑的能力以至于其不會使壓縮機緩動。更高運行壓力的制冷劑:常規(guī)的DX系統(tǒng)用R-22或類似的制冷劑運 行。但是，試驗顯示，當使用運行壓力為比R-22等制冷劑的運行壓力 至少大25%的制冷劑時，在DX系統(tǒng)中——尤其在具有豎直取向的地溫 熱交換制冷劑輸送管道設計的DX系統(tǒng)中一一獲取了更高的運行效率。 這是因為在很大的深度處，在冷卻模式運行中更大的運行制冷劑壓力顯 著地幫助抵消重力對液體返回管線中的液體制冷劑的不利影響，從而降 低壓縮機功率抽運要求并提高系統(tǒng)運行效率。R-410A是具有比R-22的 運行壓力至少大25%的制冷劑的一個例子。R-22的運行壓力是本領(lǐng)域公 知的。更強的系統(tǒng)部件:與使用比R-22的運行壓力至少大25%的優(yōu)選制 冷劑直接相關(guān)的是，使用該更高運行壓力的制冷劑的DX系統(tǒng)的所有部 件必須具有比R-22等的制冷劑系統(tǒng)的常規(guī)設計大至少25%的相應安全 工作負載。R-22的運行壓力及R-22系統(tǒng)的部件安全工作負載強度是本 領(lǐng)域普通技術(shù)人員公知的。14高壓力切斷開關(guān):高壓力切斷開關(guān)是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員公知的。 但是，對于以最小功率消耗運行的改進后的DX系統(tǒng)設計，實驗顯示系 統(tǒng)運行制冷劑壓力低于正常值。因此，對于使用R-410A或類似制冷劑 的DX系統(tǒng)，應優(yōu)選地將高壓力切斷開關(guān)設計為在運行的系統(tǒng)壓力達到 至少500psi (正負不超過25psi)的水平時關(guān)閉壓縮機。這樣允許應用 充分強的系統(tǒng)部件，但所使用的部件不需要如用于常規(guī)空氣源R-410A 熱泵系統(tǒng)設計中所使用的部件那樣強，在該R-410A熱泵系統(tǒng)設計中，在冷卻模式下通常出現(xiàn)更高的運行壓力，這是由夏天的室外空氣中出現(xiàn) 的潛在的和通常更高的冷凝溫度范圍引起的。常規(guī)的空氣源R-410A熱 泵通常要求600-650psi范圍內(nèi)的高壓切斷開關(guān)。因為以R-410A制冷劑 運行的DX系統(tǒng)部件可以足夠強，但沒有必要過于強，DX系統(tǒng)設備制造 成本可以降低以在500psi的安全工作負栽而不是600psi的安全工作負 載下運行'接收器大小:在常規(guī)的熱泵系統(tǒng)及DX系統(tǒng)中，接收器的使用是已 知的。但是，常規(guī)的DX系統(tǒng)接收器遠非最優(yōu)的。這是因為DX系統(tǒng)中涉 及接收器應用的早期裝置牽涉了對從接收器至壓縮機的油返回管線的 低效率應用，或為確定優(yōu)選的接受器大小和/或制冷劑容納量建立了一 個不適當?shù)幕A(chǔ)。試驗顯示，在DX系統(tǒng)設計中，尤其在牽涉使用豎直取向的地溫熱 交換管道的DX系統(tǒng)設計中，例如在井/鉆孔設計應用中一一其中，暴露 的蒸汽熱交換管線長度非常近似于全部或部分隔熱液體制冷劑輸送管 線的長度一一接收器應優(yōu)選地設計為包括地溫熱交換場中的蒸汽制冷 劑輸送管線的暴露的熱傳遞部分的總潛在液體含量的16%士2%，以實現(xiàn) 最大潛在負載去除能力(load removal capacity)和良好的效率。可 替代地，如果在冷卻模式中期望最大運行效率和良好的潛在負載去除能 力，所述接收器應優(yōu)選地設計為包括地溫熱交換場中的蒸汽制冷劑輸送 管線的暴露的熱傳遞部分的總潛在液體含量的8%土2%。地溫熱交換場 中的蒸汽制冷劑輸送管線暴露的熱傳遞部分的總潛在液體含量等于所 述管線充滿制冷劑流體的內(nèi)部體積區(qū)域的重量。與一般的根據(jù)系統(tǒng)制冷劑壓力來自動調(diào)整接收器液體制冷劑容量 的接收器設計不同，在此公開的優(yōu)選的接收器位于空氣處理器和加熱模式膨脹裝置之間的液體制冷劑輸送管線內(nèi)，具有在加熱模式中從接收器 上部離開的液體輸送管線，還具有在冷卻模式中從接收器的下部離開的 液體管線，同時，接收器內(nèi)的進入和離開液體輸送管線之間的內(nèi)部空間 被配置為在加熱模式中保持上述所規(guī)定的液體量，而在冷卻模式中將全 部上述規(guī)定的液體量釋放進入系統(tǒng)的井/鉆孔。
液體和蒸汽管線規(guī)模:在各種DX系統(tǒng)設計中，液體和蒸汽管線尺 寸各不相同。但是，試驗顯示，年度基準的最優(yōu)效率來自使用豎直取向 的井/鉆孔系統(tǒng)設計，該豎直取向的井/鉆孔系統(tǒng)設計利用了超過65.5 英尺深的深度處的全年穩(wěn)定的地表下溫度的優(yōu)勢。在豎直取向、水平取 向或其他的回路配置中，用于30， OOOBTU容量或更小容量的壓縮機的 優(yōu)選管線組規(guī)模是一條或二條3/8" 0. D.制冷劑級的液體制冷劑輸送管 線，連同相應數(shù)量的一條或二條蒸汽制冷劑級的輸送線路，其中每一蒸 汽管線具有液體管線的0. D.的2至2. 4倍大的0. D.。用于大于30， 000 BTU容量但小于90， 000 BTU容量的壓縮機的優(yōu)選管線組規(guī)模是二條或 三條3/8" O.D.制冷劑級的液體制冷劑輸送管線，連同相應數(shù)量的兩條 或三條蒸汽制冷劑級輸送線路，其中每一蒸汽管線具有液體管線的0. D. 的2至2. 4倍大的0. D.。
在具有至少1.4 BTU/Ft.Hr.。F熱量傳遞率的地表下環(huán)境中的一個 優(yōu)選設計將是每噸加熱和冷卻設計負栽容量中的較大的負載容量對應 于至少120英尺的暴露蒸汽管線。當?shù)乇硐虑闆r允許時，應使用最小數(shù) 量的管線組。但是，例如，如果在某深度遇到大的洞穴或空間——其將 阻礙井/鉆孔的最小數(shù)量一一每一系統(tǒng)將鉆一個附加的井以有效地縮短 其他井/鉆孔的必須深度，而各井/鉆孔中都使用上述公開的液體和蒸汽 管線尺寸。
當超過30， 000 BTU且最高達90， 000 BTU的系統(tǒng)壓縮機設計負載 需要兩個或更多個井/鉆孔時，主液體制冷劑輸送管線應優(yōu)選地由1/2" 0. D.制冷劑級管線組成，而主蒸汽制冷劑輸送管線應優(yōu)選地為7/8"0. D. 制冷劑級管線。較大管線中的每一個分配至服務于各個井/鉆孔的各個 較小的0. D.液體和蒸汽管線。
內(nèi)部空氣處理器:內(nèi)部空氣處理器是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員公知的， 主要由密封盒內(nèi)的帶翅片的管道和風扇(送風機)組成，通過該處理器，返回的內(nèi)部空氣被吹出，以根據(jù)系統(tǒng)運行在加熱模式還是冷卻模式下， 被帶翅片的制冷劑輸送管道內(nèi)的熱或冷的制冷劑的循環(huán)而加熱或冷卻。 但是，雖然住宅的空氣處理器通常具有多排用于制冷劑到內(nèi)部空氣的熱
交換的帶翅片的(通常每英寸12到14個翅片)的3/8" O.D.制冷劑輸 送管道，事實上，在每噸系統(tǒng)設計加熱/冷卻容量使用多少英尺帶翅片 的3/8" O.D.管道的設計上，沒有空氣處理器是一致的。對于本公開文 本，使用了每噸系統(tǒng)負載設計對應一特定優(yōu)選數(shù)量的延長英尺(linear feet)(其中1噸等于12， 000 BTU，并且負載設計通常是如本領(lǐng)域技 術(shù)人員公知的那樣依照ACCA Manual J )。試驗顯示DX系統(tǒng)的每噸系統(tǒng) 負載設計的3/8" O.D.帶翅片的(每延長英寸12到14個翅片)管道的 優(yōu)選延長英尺數(shù)量是大約72延長英尺± 12英尺。對于該帶翅片管道的 優(yōu)選長度，空氣流在加熱和冷卻運行模式中都是優(yōu)選地大約每噸系統(tǒng)設 計容量400 CFM，在冷卻模式中最高達每噸系統(tǒng)設計容量"0 CFM,在 加熱模式中最低達每噸系統(tǒng)設計容量350CFM。
加熱模式膨脹裝置:常規(guī)的加熱模式膨脹裝置為本領(lǐng)域普通技術(shù)人 員所公知，并通常包括固定口釘限流器(orifice pin restrictor )(通 常稱為"釘限流器")和自適應膨脹裝置(通常稱為"TXV")。該加熱模 式膨脹裝置通常放置于緊靠制冷劑的通向外部熱吸收區(qū)域的入口的前 方，以使制冷劑蒸汽膨脹并降低其溫度/壓力，以使其更好地從外部空 氣或地溫熱源中吸收熱量。
試驗顯示，在DX系統(tǒng)中，在加熱模式下加熱模式膨脹裝置不應是 通常使用的標準自適應膨脹裝置，因為與空氣源或水源熱泵系統(tǒng)相反， 制冷劑在地表下的DX系統(tǒng)中所必須行進的相對大的距離，是如此之大， 以致自適應閥太過頻繁地"搜尋"最優(yōu)設置，這樣產(chǎn)生相差大的波動和 頻繁的低效率的閥設置。因此，試驗顯示，固定口釘限流器膨脹裝置可 以用于加熱模式。固定口釘限流器膨脹裝置是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員公知 的，并由圓頭子彈形釘組成，帶有穿過其中心的特殊尺寸的口。該釘通 常在其側(cè)面具有翅片并被裝入一個特殊外殼，該外殼在加熱模式下限制 制冷劑流過所述中心口 ，但在冷卻模式下一一此時制冷劑朝相反方向行 進一一該外殼允許全部制冷劑既流動通過中心口也繞釘?shù)某崞鬟^，因 為所述釘被推回至一個并不會發(fā)生如加熱模式中那樣限制制冷劑從中
17心口流過的容納位置(containment provision)。
試驗顯示，并非只有固定口釘限流器膨脹裝置是優(yōu)選的，但中心口 的尺寸應優(yōu)選地被確定為在此闡述的尺寸，正負不超過10%。到地溫熱 交換場的加熱模式液體制冷劑輸送管線通常由一條被分配至兩條或多 條管線的一條管線組成。以下管線的優(yōu)選的釘限流器口尺寸在此以英寸 示出服務于DX系統(tǒng)中所使用的30, 000 BTU或更小的壓縮機的單個 液體管線；分配至兩個服務于超過30, 000 BTU的壓縮機的液體管線的 單條管線；及分配至三個服務于超過87， 000 BTU的壓縮機的液體管線 的單條管線。在優(yōu)選的DX系統(tǒng)設計中，至少兩個分配的液體管線將進 入優(yōu)選地在豎直取向的深井/鉆孔地溫熱交換系統(tǒng)設計中的地溫熱交換 場。但是，無論使用一條或多條液體管線，對于位于每個通向所述場的 液體管線中的釘限流器，總的組合的孔/鉆孔尺寸必須，基于下述每壓 縮機大小所對應的孔/鉆孔尺寸和所得比率的標準，在優(yōu)選^L用于任何 具體系統(tǒng)的固定口釘限流器的數(shù)量之間平均劃分
當加熱模式負載設計是冷卻模式負載設計的三分之二或更小時，以英寸 為單位的加熱模式釘限流器尺寸，以BTU為單位的每系統(tǒng)壓縮機大小 壓縮機BTU——加熱模式 以英寸為單位的釘限流器鉆孔尺寸 *對于單管線DX系統(tǒng)(在通向所述場的單獨的液體管線中具有下列
尺寸的單個釘)一一加熱模式
13, 400............................................................0. 034
16, 000 ......................................................... 0. 039
18, 000............................................................0. 041
19， 000............................................................0. 042
20， 000.................................................... 0. 044
20, 100............................................................0. 044
21, 000............................................................0. 045
22， ,............................................................0. 046
23， 000............................................................0. 048
24， 000............................................................0. 049
25， 000............................................................0. 05026, 000...................................................... 0.051
26, 800............................................................0.052
27, 000.........................................................."0.052
28, 000............................................................0. 053
29, 000..................... ......................................0.054
30， ,............................................................0. 055
豐對于雙管線DX系統(tǒng)(雙釘……在主液體管線平均地分配至兩個液 體制冷劑輸送管線時，在通向所述場的兩個液體管線中的每一個管線內(nèi) 具有下列尺寸的一個釘)一一加熱模式
31, 000............................................................■ 0. 040
32， 000.................................................. 0. 040
33， 000............................................................. 0. 040
34, 000............................................................. 0. 041
34, 170............................................................. 0. 041
35, 000............................................................. 0. 041
36, 000............................................................. 0. 042
37, 000............................................................. 0. 043
38, 000.................................................... 0. 043
39, 000............................................................. 0.043
40， 000............................................................. 0. 044
41, 000............................................................. 0. 044
42, 000............................................................. 0. 044
43, 000............................................................. 0. 044
44,000....................................................0. 045
45, 000............................................................. 0. 045
46， 000............................................................. 0. 045
47, 000..........................................................…0. 046
48, 000............................................................. 0.046
49, 000............................................................. 0. 046
50， 000.............................................................0.047
1951， 000............................................................. 0. 047
52, 000............................................................. 0. 047
53， 000"...........................................................0. 047
54， 000 ................................................. 0. 048
55， 000............................................................. 0. 049
56， 000............................................................. 0. 049
57， 000............................................................0. 050
58， 000............................................................. 0. 050
59， 000............................................................. 0. 050
60， 000............................................................. 0. 050
*對于三管線DX系統(tǒng)(三個釘……在主液體管線平均地分配至三個 液體制冷劑輸送管線時，在通向所述場的三個液體管線中的每一個管線 內(nèi)具有下列尺寸的一個釘)一一加熱模式
87， 000............................................................. 0. 048
當冷卻模式負載設計超過加熱模式負載設計的三分之二時，以英寸為單 位的加熱模式釘限流器尺寸，以BTU為單位的每系統(tǒng)壓縮機大小
壓縮機BTU——加熱模式 以英寸為單位的釘限流器鉆孔尺寸 孝對于單管線DX系統(tǒng)(在通向所述場的單獨的液體管線中具有下列
尺寸的單個釘)一一加熱模式
壓縮機大小 釘尺寸
13， 400................、 ...........................................O. 031
16， 000 ......................................................... 0. 036
18， 000............................................................0. 038
19， 000............................................................0. 039
20, 000.................................................... 0. 040
20， 100............................................................0. 040
21， 000............................................................0. 04222， 000............................................................0. 043
23， 000............................................................0. 044
24， 000............................................................0. 045
25, 000............................................................0. 046
26,000...................................................... 0. 047
26, 800............................................................0. 048
27， 000............................................................0. 048
28, 000............................................................0. 049
29， 000............................................................0. 050
30， 000............................................................0. 051
豐對于雙管線DX系統(tǒng)(雙釘……在主液體管線平均地分配至兩個液 體制冷劑輸送管線時，在通向所述場的兩個液體管線中的每一個管線內(nèi) 具有下列尺寸的一個釘)一一加熱模式
壓縮機大小 釘尺寸
31, 000............................................................. 0. 036
32, 000.................................................. 0. 037
33, 000............................................................. 0. 037
34,000............................................................. 0. 038
34， 170............................................................. 0. 038
35， 000............................................................. 0. 038
36， 000............................................................. 0. 038
37， 000............................................................. 0. 039
38， 000.................................................... 0. 040
39， 000............................................................. 0. 040
40， 000............................................................. 0. 040
41, 000............................................................. 0. 041
42， 000............................................................. 0. 041
2143， 000............................................................. 0. 041
44， 000....................................................0. 042
45, 000............................................................. 0. 042
46， 000............................................................. 0. 042
47， 000............................................................. 0. 042
48， 000............................................................. 0. 042
49， ,.............................................................0. 043
50， 000.............................................................0. 043
51， 000............................................................. 0. 043
52， 000............................................................. 0. 044
53， 000............................................................. 0. 044
54， 000....................................................0. 044
55， 000............................................................. 0. 045
56， 000............................................................. 0. 045
57， 000............................................................0. 045
58， 000............................................................. 0. 046
59， 000............................................................. 0. 046
60， 000............................................................. 0. 046
豐對于三管線DX系統(tǒng)(三個釘…在主液體管線平均地分配至三個液 體制冷劑輸送管線時，在通向所述場的三個液體管線中的每一個管線內(nèi) 具有下列尺寸的一個釘)一一加熱模式
壓縮機大小 釘尺寸 83，謂.................................................0. 044
上述壓縮機大小-釘尺寸提供了清楚的比率，該比率可以在當DX系 統(tǒng)在加熱模式中運行時，用于為任意的壓縮機大小的熱模式釘限流器膨脹裝置提供正確的孔/鉆孔尺寸。
冷卻模式膨脹裝置:常規(guī)的冷卻模式膨脹裝置是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員公知的，并通常包括固定口釘限流器(通常稱為"釘限流器")和自適應膨脹裝置(通常稱為"TXV")中的一個。該冷卻模式膨脹裝置通常放置于大部分是液體制冷劑的輸送管線中，緊靠制冷劑的通向內(nèi)部空氣處理器的入口的前方，以使制冷劑蒸汽膨脹并降低其溫度/壓力，以使其更好地從內(nèi)部空氣中吸收多余的熱量。 一般地，自適應(TXV)冷卻模式膨脹裝置是優(yōu)選的，因為其能自動適應變化的條件。
但是，在DX系統(tǒng)中，在供熱季節(jié)的結(jié)尾，土地冷于常態(tài)，甚至頻繁地低于冰點，在冬天，將熱量供給給循環(huán)制冷劑，以用于內(nèi)部空氣空間的加熱。在常規(guī)空氣源系統(tǒng)中未注意到該種情況，因為當空氣源熱泵開啟時，室外空氣通常接近或超過70華氏度的范圍。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員公知的常規(guī)冷卻模式TXV并未設計為在行進至TXV的液體制冷劑溫度低于約47華氏度時能夠有效地運行，在DX系統(tǒng)設計中，該種行進至TXV的液體制冷劑溫度低于約47華氏度的情形會在供熱季節(jié)的結(jié)束和供冷季節(jié)的開始時發(fā)生。當這樣的情況在DX設計中發(fā)生，使得離開地溫熱交換場并進入TXV (在進入內(nèi)部空氣處理器之前)的制冷劑低于大約47華氏度時，TXV不能良好運轉(zhuǎn)，以及系統(tǒng)壓縮機吸力psi水平保持得過低，通常在50psi以下。
為修正這一])X系統(tǒng)應用特有的問題，在此教授了多種方法。 一種方法是以通常100%的系數(shù)增加制冷劑注入(refrigerant charge )。但是，當達到正常的系統(tǒng)地表下運行溫度時(經(jīng)由充足的熱被釋放至土地而使土地回復至正常或高于正常溫度)，需要人移除附加的制冷劑，因此，這并不是一個優(yōu)選的修正手段/方法。
另 一個并且優(yōu)選的方法是以充足的附加制冷劑流將TXV旁通，以將運行壓縮機吸力psi提高至50以上，但是就沒有足夠的附加制冷劑流來削弱在峰值冷卻負載條件下附近TXV的運行。廣泛的試驗證明，這是一種能滿意地解決相關(guān)問題的優(yōu)選手段，并通過提供由下列步驟組成的TXV旁通手段而實現(xiàn)添加液體制冷劑輸送管線(通常具有3/8英寸0. D.尺寸)，使繞過TXV自身，同時選擇至少一種以下方式將具有特定優(yōu)選尺寸的固定口釘限流器位于所添加的TXV旁通管線內(nèi)；將一個壓力自適應閥安裝在所添加的TXV旁通管線內(nèi)。可替代地，在TXV自身上可以提供優(yōu)選尺寸的小孔/通道(通常稱為泄放端口 (bleed port))，以實現(xiàn)該相同的優(yōu)選手段。TXV中的泄放端口是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員公知的并且將不會在下文中通過附圖描述。但是，對于這樣的DX系統(tǒng)應用而言，當土地在冷卻模式系統(tǒng)運行中異常冷時，這樣的泄放端口的優(yōu)選尺寸并非之前已知的。
當在TXV旁通管線中使用固定口釘限流器，或通過為TXV自身提供泄放端口時，釘內(nèi)的孔/鉆孔(口 )的尺寸或TXV泄放端口必須是一個優(yōu)選尺寸，否則當吸入壓力低于50psi時，不足的附加制冷劑被允許補充TXV，或者當正常表面溫度通過多余熱量在一些連續(xù)的冷卻模式運行時段被釋放至土地而恢復或更高時，過多的制冷劑被允許補充TXV,以致削弱常規(guī)的TXV運行。
廣泛的試驗證明，將空氣處理器中的TXV膨脹裝置旁通掉的釘限流器膨脹裝置內(nèi)的孔/鉆孔(口 )的優(yōu)選尺寸，或在服務于空氣處理器的TXV中的TXV泄放端口的優(yōu)選尺寸，在冷卻模式中依據(jù)于以下設計當量± 10%:
實際壓縮機大小 以英寸為單位的對于TXV制冷劑流補充n BTU (旁通)裝置的釘尺寸，也稱為內(nèi)部孔/
當DX系統(tǒng)在冷卻模式下運行時，上述壓縮機大小-釘尺寸為任何壓
鉆孔(口)尺寸
16， 000 BTU21， 000 BTU25, 000 BTU29， 000 BTU32， 000 BTU38， 000 BTU44,000 BTU51, 000 BTU54,000 BTU57， 000 BTU
0. 0440. 0500. 0550. 0590. 0620. 0650. 0700. 0760. 0780. 081
24縮機大小提供了 一些可用于為制冷劑流補充/旁通裝置提供正確的孔/鉆孔(口)尺寸的比率。
替換TXV旁通管線中的釘限流器，及替換帶有泄放端口的TXV， TXV旁通管線中可以使用壓力調(diào)節(jié)閥，其中該壓力調(diào)節(jié)閥的尺寸被確定為允許全部制冷劑流通過該閥，直到壓縮機的吸入壓力達到80psi±20psi，在該點上，所述閥自動關(guān)閉，系統(tǒng)從而在沒有任何制冷劑TXV旁通流的情況下完全發(fā)揮作用。
壓力調(diào)節(jié)閥是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員公知的，但此前沒有因為該獨特目的而用于DX系統(tǒng)設計。如果快速的冷卻系統(tǒng)運行和在TXV旁通管線中的更快的吸入壓力增加是優(yōu)選的，則使用壓力調(diào)節(jié)閥是優(yōu)選的，而如果最低可能的部件成本是優(yōu)選的，則使用固定口釘限流器是優(yōu)選的。
蒸汽管線預熱器:在任一熱泵系統(tǒng)中，在加熱模式中離開系統(tǒng)的內(nèi)部空氣處理器的大部分液體制冷劑輸送管線充滿了溫熱的制冷劑，通常在高于70到低于90華氏度的溫度范圍內(nèi)。在進入外部熱交換裝置(加熱模式中的蒸發(fā)器)之前，該暖的、大部分是液體的制冷劑流體通過加熱模式膨脹裝置傳送以降低溫度/壓力，以使得當前冷的制冷劑能夠從外部環(huán)境中自然地吸收通常更暖的熱量。但是，在空氣源系統(tǒng)中，如果被發(fā)送以與外部空氣交換熱量的制冷劑流體在水點以下，空氣中的濕氣將被吸引至通常帶翅片的外部制冷劑輸送管道并結(jié)水，最終導致水聚集，這些水會阻礙在帶翅片的管道上的設計空氣流(經(jīng)由外部風扇)。當水阻礙了設計空氣流，就需要昂貴的"除霜"循環(huán)運行，這從實質(zhì)上將熱泵的運行模式改變至冷卻模式，以將熱制冷劑蒸汽送入外部管道以融化水，同時，冬天里，該通過冷卻模式運行而從內(nèi)部空氣中移除的熱量必須被補充的熱替代，例如昂貴的電阻熱或危險的化石燃料熱。因此，在空氣源系統(tǒng)中，在離開空氣處理器的熱的、大部分是液體的制冷劑進入加熱模式膨脹裝置前，降低該制冷劑的熱量級并不必然有利，因為降低進入該膨脹裝置的溫度將潛在地導致離開加熱模式膨脹裝置的制冷劑流體溫度降低，從而增加除霜循環(huán)運行的考慮。
但是，在DX系統(tǒng)中沒有除霜循環(huán)顧慮，因為沒有一個帶翅片的管道被暴露在外部空氣中的濕氣里。因此，在DX系統(tǒng)中，試驗顯示，有利的是，在制冷劑進入加熱模式膨脹裝置(如上文所述，優(yōu)選固定口釘限流器膨脹裝置)之前，利用暖的制冷劑液體管線中的熱量，從而在離
開地表下地溫熱交換場(該離開場的蒸汽管線通常僅在35華氏度到60華氏度的溫度范圍內(nèi))的蒸汽管線到達系統(tǒng)壓縮機之前向其自然地提供額外熱量，所有這些均不需要任何附加運行能量要求/功率抽運(powerdraw)。這樣的壓縮機蒸汽吸入管線預熱裝置通過內(nèi)部空氣處理器提供更溫暖和更舒適的內(nèi)部供給空氣，從而實現(xiàn)下列兩項中的至少一項(a)對于離開加熱模式膨脹裝置的制冷劑溫度不產(chǎn)生影響，因為空氣處理器上/膨脹裝置預熱器側(cè)的制冷劑溫度/壓力仍高于所述場側(cè)的制冷劑溫度/壓力，以及(b)降低進入膨脹裝置及離開膨脹裝置的制冷劑溫度，以
提高冷的制冷劑和土地之間的溫差，從而提供更好的地溫熱傳遞，并增加整個系統(tǒng)熱模式運行效率。
上述DX系統(tǒng)的吸入蒸汽管線預熱器將在加熱模式下運行，并包括放置在以下兩個管線之間的熱交換器位于制冷劑流到達熱加熱模式膨脹裝置之前的位置處，離開系統(tǒng)內(nèi)部空氣處理器的溫的、大部分是液體的制冷劑輸送管線；和在制冷劑流離開地溫熱交換裝置進入系統(tǒng)壓縮機之前，離開地溫熱交換裝置的制冷劑蒸汽輸送管線，在冷卻模式中，將旁通且不使用蒸汽管線預熱器。
例如，這樣的熱交換器將包括下述裝置布置在絕熱的封閉殼之內(nèi)的暖液體管線(在這特定的預熱位置上優(yōu)選地帶有翅片)，例如管道等，將在離開空氣處理器(在加熱模式膨脹裝置之前)的液體制冷劑里的較暖的熱量傳遞至離開土地并正在通向系統(tǒng)壓縮機的較冷的蒸汽，以通過熱自然地流向冷而影響自然的熱交換。所述封閉殼將優(yōu)選地充滿液體，
以增強該封閉殼內(nèi)的各液體管線和蒸汽管線部分之間的熱傳遞。例如，該各液體管線和蒸汽管線也可以直接互相環(huán)繞并絕熱，以作為提供所述
熱量傳遞的另一裝置。
雖然在低溫空氣源熱泵系統(tǒng)中使用離開內(nèi)部空氣處理器的制冷劑中的熱量是已知的，該熱量的使用是通過第二系統(tǒng)壓縮機進行的，這需要附加的系統(tǒng)功率抽運。附加的第二壓縮機提供更溫暖的內(nèi)部空氣但也降低整個系統(tǒng)運行效率水平，這在通常主要考慮最高可能運行效率的DX系統(tǒng)應用中將起相反作用。
在冷卻模式中，所述熱交換裝置由于其起相反作用，將不被使用，而替代地通過制冷劑管道和止回閥等而#:旁通。因此，服務于預熱組件的蒸汽管線優(yōu)選地設有在加熱模式中開啟的第一止回閥，以及在加熱模式中關(guān)閉的第二止回閥，以迫使液體制冷劑在加熱模式中通過預熱器/盒。在冷卻模式中，第一止回閥可以關(guān)閉而第二止回閥可以打開，以將液體制冷劑保持在所述盒外，以及避免從離開系統(tǒng)壓縮機的熱氣體/蒸汽管線向行進至空氣處理器(在冷卻模式中)的冷液體管線提供不需要的附加熱量。


附解了當前優(yōu)選的本公開文本的實施方案。然而，應理解的是，本公開文本并不限于所示的精確布置和方式。
圖l是一個運行的dx系統(tǒng)的側(cè)視圖，其地溫熱交換管道位于豎直取向的井/鉆孔中，并具有多種優(yōu)選的部件設計。
圖2是在冷卻模式下服務于內(nèi)部空氣處理器的txv的側(cè)視圖，其中在txv旁通管線上具有釘限流器。圖3是釘限流器的側(cè)視圖。圖4是蒸汽管線預熱器的側(cè)視圖。
具體實施例方式
下文的詳細描述是當前所構(gòu)想的能實現(xiàn)所要求保護的主題的的最好模式。該描述并不意在限制，并出于闡釋本公開文本的一般原理的目的而描述。本公開文本的各種特征和優(yōu)點參考下述結(jié)合附圖的詳細描述可以更容易地理解。
現(xiàn)在詳細參照附圖，附圖中相同的數(shù)字表示相同的部件或元件，圖1示出了一個未按比例繪制的運行在冷卻模式的dx熱泵系統(tǒng)的側(cè)視圖。該系統(tǒng)包括壓縮機l,該壓縮機具有從壓縮機l行進至油分離器3中的熱氣體蒸汽制冷劑(除了指示制冷劑流的方向的箭頭2之外，未示出該制冷劑)。所述壓縮機1被設計為具有計算出的最大加熱/冷卻btu負載的80%到95°/。。所述制冷劑優(yōu)選地是運行壓力至少比r-22大25%的制冷劑，例如優(yōu)選的r-410a或者類似制冷劑。當運行在比r-22至少大25。/。的壓力下時，所有其他系統(tǒng)部件必須具有比常規(guī)的r-"系統(tǒng)部件的安
27全工作負載結(jié)構(gòu)至少大25%的安全工作負載結(jié)構(gòu)設計。制冷劑接下來流經(jīng)回動閥(reversing valve ) 4 (如此處所示，該回動閥將制冷劑的流動方向從冷卻模式改變至加熱模式，該回動閥未示出，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員公知)且接著進入地表下的地溫熱交換器的較大直徑的蒸汽制冷劑輸送管線5—一在此被顯示為位于井/鉆孔8內(nèi)的優(yōu)選豎直取向的蒸汽管線5。制冷劑接著流經(jīng)制冷劑管道聯(lián)結(jié)件22進入更小直徑的液體制冷劑輸送管線6，該管線6也在地表7之下延伸至同一井/鉆孔8 (未按比例示出)，其中現(xiàn)在大部分已凝結(jié)的制冷劑流體流出井/鉆孔8。在所有不期望熱傳遞的區(qū)域內(nèi)，制冷劑輸送管線可以被隔熱，而該公知的隔熱在此未示出。
如在上文"發(fā)明內(nèi)容"中"液體和蒸汽管線尺寸，，中更全面地解釋和闡述的，DX系統(tǒng)中——尤其在井/鉆孔8地溫熱交換系統(tǒng)設計中——較大直徑的蒸汽制冷劑輸送管線5的優(yōu)選尺寸和數(shù)量以及較小直徑的液體制冷劑輸送管線6的優(yōu)選尺寸和數(shù)量取決于實際的系統(tǒng)壓縮機l的大小。對于每噸系統(tǒng)設計容量，用于在井/鉆孔8設計中進行地溫熱傳遞的暴露的淺表面蒸汽管線5的優(yōu)選總長度也在上文"發(fā)明內(nèi)容"中"液體和蒸汽管線尺寸"中進行了闡述。
如已經(jīng)解釋的，已被相對冷的地表下溫度凝結(jié)成大部分液態(tài)的制冷劑，接著離開井8并以與加熱模式下的系統(tǒng)運行中的方向相反的方向，穿過加熱模式釘限流器膨脹裝置9，如本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的，在該冷卻模式的方向性流動中，對制冷劑流動并沒有嚴格限制(如同它在相反的加熱模式下的方向性流動那樣，這在此處未示出)。制冷劑隨后流入接收器IO。該接收器IO優(yōu)選地被設計為在冷卻模式下運行時，通過制冷劑流從接收器10底部14中自然排出，而釋放其所有或基本所有的內(nèi)容物，但是在一個優(yōu)選的豎直取向的地溫熱傳遞設計中，當優(yōu)選最大潛在負荷移除容量時，優(yōu)選的設計是(未按比例示出)包含地表7以下的地溫熱傳遞場中較大直徑蒸汽管線5的暴露的熱傳遞部分的全部潛在液體含量的16%，而當優(yōu)選最大運行效率時，優(yōu)選地包含所述全部潛在液體含量的8%。蒸汽管線5在這里示為一條管線5，但潛在的由不止一條管線5組成(多條地下地溫熱交換蒸汽管線并未在此示出，因為本領(lǐng)域普通技術(shù)人員公知下述的多DX系統(tǒng)設計其由僅僅一個壓縮機1來
28提供制冷劑流，該制冷劑流被分配至多個井中的多條蒸汽和液體管線，
或其他地溫熱交換回路中)，該蒸汽管線5在地表7以下的暴露的熱傳遞部分是蒸汽管線5的下述部分在地表7以下以及在井8底部44附近聯(lián)接至較小直徑液體管線6的聯(lián)結(jié)件22以上。
壓縮機1祐 沒計為提供用于以BTU為單位的目標最大計算加熱/冷卻噸位負栽的常規(guī)壓縮機的BTU運行設計大小的80%至95%的運行容量。壓縮機1具有高壓切斷開關(guān)20,該開關(guān)通過線路21與壓縮機1相連以在熱氣體排出壓力(head pressure)到達500psi ± 25psi時，自動關(guān)閉至壓縮機l的電源。壓縮機l的高壓切斷開關(guān)20是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員公知的。但是，例如對于運行在壓力高于R-22系統(tǒng)的系統(tǒng)，例如R-410系統(tǒng)，高壓切斷開關(guān)(在此以示例20示出)通常設置為在600psi或更高psi范圍切斷。
離開壓縮機1的高壓熱制冷劑氣體與一些和制冷劑自然混合的壓縮機潤滑油一起進入油分離器3。這些油必須返回至壓縮機1，否則壓縮機1將最終燒壞。油分離器3具有能夠過濾下至0. 3微米的過濾器11,且優(yōu)選地具有超過98%的效率。觀測鏡12位于油分離器3以使人能夠周期性觀測分離器3中的油位13是否適當(當系統(tǒng)不運行時)，以確保油位13優(yōu)選地位于過濾器11的底部14之下1/2英寸(未按比例示出)處(該高度的油量限定了要加至油分離器的正確的附加油量)。當系統(tǒng)運行時，分離器3中的油位13將不明顯，因為僅有一向下的"覆蓋(sheathing)"油流動將是明顯的(在此未示出)。
此外，來自油分離器3的油返回管線15在此示為進入通至儲存器17的吸入管線16 (并未直接通至壓縮機1 )。儲存器17內(nèi)具有一U型管18，在該U型管18底部有一小孔(或口 ) 19，油和一些液體制冷劑一起通過該孔19借助于壓縮機1的運行吸力(該吸力是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員公知的)被吸回壓縮機1。儲存器17中的初始的、附加添加的、額外的油面高度13被規(guī)定和示出(未按比例繪制)為在U型管18的孔19以上1/16英寸至1/4英寸之間。該附加額外油量保障了協(xié)助確保壓縮機l內(nèi)始終有充足的油，即使一些微量的油將在加熱模式(未示出)中逃逸至地下較小直徑液體制冷劑輸送管線6中。任何這些逃逸的油將不會返回至壓縮機l,直至該系統(tǒng)運行在此處所示的冷卻模式下，因為這些油將與液體制冷劑——但并不會和蒸汽制冷劑——混合和返回自
深井DX系統(tǒng)應用。
如所說明的，在如此處所示出的冷卻模式中，在離開由位于地表7 之卞的較大和較小直徑的制冷劑輸送管線(5和6)組成的地溫熱交換 管線組之后，以及在以通過和/或繞釘限流器9離開加熱模式之后，制 冷劑隨后流入接收器10。制冷劑從接收器10中流入冷卻模式膨脹裝置 23，該冷卻模式膨脹裝置在這里被顯示為自適應膨脹裝置(通常稱為 TXV) 23。該TXV冷卻模式膨脹裝置23在此被顯示為具有在TXV旁通管 線25中的壓力調(diào)節(jié)閥24。壓力調(diào)節(jié)閥24是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員公知 的，并被設計為在不同的預定制冷劑壓力下開啟和關(guān)閉，以允許或阻止 制冷劑的流動。
如上所述，在土地異常寒冷時，在冷卻系統(tǒng)的開始時刻，在DX系 統(tǒng)中需要制冷劑流旁通裝置，其允許附加制冷劑以繞過和通過中的至少 一種方式流過常規(guī)TXV23的。在這里，這樣的壓力調(diào)節(jié)閥24旁通裝置 應優(yōu)選地包括閥24，該閥24允許全部制冷劑流通過旁通管線25和閥 24，直到系統(tǒng)壓縮機1的psi吸入壓力對于特定的優(yōu)選設計達到至少 80psi土20psi,在該點上閥將自動關(guān)閉，以便其后不再減弱TXV23的運 行功能。在此，閥24被示為在打開位置，以模仿在地表下的地溫熱交 換環(huán)境異常寒冷時運行在冷卻模式下的DX系統(tǒng)。
作為TXV旁通管線25中在此處示出的閥24的替代，第二釘限流器 (在圖1中未示出，但類似于在較小直徑的液體制冷劑輸送管線6中描 繪的第一釘限流器9 )可用來代替閥24，只要對釘限流器9的尺寸加以 設計，如此處對TXV旁通管線25中的釘限流器9所做的闡述。第二釘 限流器圖解在圖2中。
為實現(xiàn)制冷劑流穿過本DX系統(tǒng)設計，制冷劑離開TXV23，流過內(nèi) 部空氣處理器45，該內(nèi)部空氣處理器45被顯示為由帶翅片的制冷劑輸 送熱交換管道26和風扇27組成。內(nèi)部空氣處理器45,包括其帶翅片 的制冷劑輸送熱交換管道26和風扇27 (通常稱為內(nèi)部空氣處理器中的 送風機)在內(nèi)，都是本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的。最后，制冷劑穿過回動閥 4進入儲存器17,隨后返回壓縮機l，進程在此被重復。
在每噸系統(tǒng)負載設計中，內(nèi)部空氣處理器45的帶翅片的管道26包
30括大約七十二延長英尺土十二延長英尺的3/8英寸O.D.帶翅片管道， 每延長英寸帶有十二到十四個翅片，'同時，在加熱^=莫式下氣流為350至 400CFM，以及在冷卻模式下氣流為400至450CFM,這些空氣流由風扇 27提供。
圖2是較小直徑液體制冷劑輸送管線6中的TXV 23的側(cè)視圖，該 管線6在冷卻模式中輸送制冷劑流體(未示出，除了以箭頭2指示方向 性流動之外)至內(nèi)部空氣處理器29 (內(nèi)部空氣處理器是本領(lǐng)域普通技 術(shù)人員公知的)。冷卻模式釘限流器28被顯示為位于繞TXV 23行進的 TXV 23旁通管線25中。冷卻模式釘限流器28位于外殼罩(housing encasement) 37中，該外殼罩是本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的。冷卻模式釘 限流器28具有僅允許優(yōu)選設計的制冷劑流在冷卻模式通過釘28的小孔 /鉆孔(口 ) 32，以在當?shù)乇硐碌販責峤粨Q環(huán)境比正常冷時，在冷卻模 式下向空氣處理器29提供足夠的制冷劑，而當?shù)叵颅h(huán)境達到正常或高 于正常溫度時，不會提供過多制冷劑流以致削弱TXV23的運行。TXV23 具有標準壓力感測管線30及標準溫度傳感器31，它們附接至在冷卻模 式下離開空氣處理器29的較大直徑蒸汽制冷劑輸送管線5。
當冷卻模式釘限流器28的小孔/鉆孔(口 ) 32位于TXV 23的旁通 管線25內(nèi)并且并用作一TXV23旁通裝置，以僅允許優(yōu)選量制冷劑在冷 卻模式下通過孔/鉆孔32時，該小孔/鉆孔(口 ) 32的優(yōu)選尺寸是如上 文"發(fā)明內(nèi)容"中"冷卻模式膨脹裝置"的討論中所充分闡述的那樣。
雖然并未在此示出，TXV23泄放端口 (bleed port)(未示出)可 以用于替換和取代在TXV 23旁通管線25中的冷卻模式釘限流器28。 TXV 23泄放端口 (未示出)是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員公知的。提供了補 充制冷劑流的泄放端口的孔口尺寸可以相應于冷卻模式釘限流器28的 小孔/鉆孔32 (當冷卻模式釘限流器28用作TXV (冷卻模式膨脹裝置) 23制冷劑流旁通裝置時)提供的相同的補充制冷劑流。當使用TXV 23 泄放端口時，旁通管線25是不需要的。
圖3是普通釘限流器33的更詳細的側(cè)視圖，該釘限流器在其中心 具有一小孔/鉆孔(口 ) 32，并具有翅片34和后尖端(rear tip) 35， 其允許大多數(shù)未被阻擋的制冷劑流(在此未示出)既能穿過釘限流器 33以及在所要求的相反模式中繞流過釘33。釘限流器33被顯示為具有
31朝向制冷劑的方向性流動的該釘33的圓頭36。
當釘33預期用于加熱模式膨脹裝置和TXV旁通裝直中的一個時， 釘33的圓頭36與前外殼(在此未示出，因為釘33的外殼罩是本領(lǐng)域 技術(shù)人員公知的)緊密地配合并且將制冷劑流限制至一僅被允許通過小 孔/鉆孔(口 ) 32的優(yōu)選的計量量。
當釘在加熱模式用于膨脹裝置時，小孔/鉆孔(口 ) 32的尺寸(± 10%)應優(yōu)選地被設計為匹配DX系統(tǒng)實際壓縮機(在此未示出，但在圖 l中示出)的BTU大小，如上文"發(fā)明內(nèi)容"中"加熱模式膨脹裝置" 的討論中所更全面闡述的。
當釘33用作TXV (在此未示出，但在上面圖2中示出)旁通裝置 時，小孔/鉆孔(口 ) 32的尺寸(± 10% )應優(yōu)選地被設計為匹配DX系 統(tǒng)實際壓縮機(在此未示出，但在圖1中示出)的BTU大小，如上文"發(fā) 明內(nèi)容"中"冷卻模式膨脹裝置"的討論中所充分闡述的。
圖4是蒸汽管線預熱器38的側(cè)視圖。在此，來自運行在加熱模式 下的DX系統(tǒng)的地溫地表下熱交換裝置的輸入的已加熱制冷劑蒸汽，被 顯示為在其較大直徑蒸汽制冷劑輸送管線5中行進。該蒸汽管線5從所 述場側(cè)42進入蒸汽管線預熱器38,該預熱器在此示為盒39 (任何收容 裝置都是可行的)。該盒39包括至少一條帶翅片34的較小直徑的液體 制冷劑輸送管線6。雖然帶翅片34的液體管線6在此被示為在盒39內(nèi)， 但盒39內(nèi)的液體管線6可以替代地由板狀制冷劑輸送熱交換器或其類 似裝置組成。
在加熱模式中，在帶翅片34的液體管線6內(nèi)的制冷劑流來自DX系 統(tǒng)的內(nèi)部空氣處理器(圖1)側(cè)43。當帶翅片34的液體管線6中的制 冷劑流離開盒39時，其隨后優(yōu)選地行進至加熱模式膨脹裝置9。當自 場側(cè)42從蒸汽管線5已經(jīng)進入盒39的制冷劑流離開盒39時，其隨后 優(yōu)選地通過DX系統(tǒng)的回動閥(圖1)進入DX系統(tǒng)的儲存器，以向壓縮 機提供更熱的輸入制冷劑蒸汽，從而，向內(nèi)部空氣處理器提供更熱的制 冷劑蒸汽，以獲取更熱的供應空氣。
同時，在離開空氣處理器(未顯示)的液體管線6行進穿過盒39 并將熱傳遞(經(jīng)由自然熱傳遞，如熱自然傳遞至冷)至蒸汽管線5內(nèi)的 從場側(cè)42進入盒39的更冷的制冷劑后，加熱模式下熱量從液體管線6內(nèi)的暖的制冷劑中被移除，在制冷劑蒸汽進入加熱模式的壓縮機(未顯
示)之前，液體管線6中的制冷劑隨后優(yōu)選地流入加熱模式膨脹裝置9 (現(xiàn)在制冷劑比正常更冷)，以在制冷劑和自然的地表下地溫溫度之間 產(chǎn)生更大的溫差，改進自然的熱量獲取能力。
服務于預熱器38組件運行的蒸汽管線5在此被示為具有在加熱模 式下關(guān)閉的第一止回閥40，以及具有在加熱模式下開啟的第二止回閥 41，以迫使液體制冷劑在加熱模式下通過預熱器38盒39。在冷卻模式 中，第一止回閥40將開啟，而第二止回閥41將關(guān)閉，以將液體制冷劑 保持在盒39外以防止加熱模式中的不需要的附加熱量。
雖然僅闡述了某些實施方案，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，根據(jù)上文 的描述，替代和修改將是明顯的。這些和其他替代被認為是等效的，并 在本公開文本和所附的權(quán)利要求的精神和范圍之內(nèi)。
3權(quán)利要求
1.一種直接交換式地溫加熱/冷卻系統(tǒng)，包括地溫熱交換場；制冷劑輸送管線，其包括液體制冷劑輸送管線和蒸汽制冷劑輸送管線；壓縮機，其大小被確定為在最大加熱/冷卻負載的80％至95％；膨脹裝置；熱交換器；含過濾器的油分離器，該過濾器配置為分離不大于大約0.3微米的微粒，并提供至少大約98％的效率；制冷劑，其具有比R-22大至少25％的運行壓力；高壓切斷開關(guān)，其可操作地連接至壓縮機并配置為在運行的系統(tǒng)壓力達到大約500psi±大約25psi時，切斷壓縮機；以及其中該系統(tǒng)的每一部件具有比R-22制冷劑系統(tǒng)中的部件的安全工作負載強度大至少25％的安全工作負載強度。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中附加的油被布置入油分離器 中，直至布置到油過濾器底部以下大約1/2英寸±大約1/4英寸的這一 高度上。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中油分離器還包括用于觀測油. 分離器中的油填充高度的觀測鏡。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括布置在與壓縮機流體連通 的吸入管線中的儲存器，該儲存器包括一個U型管和一個布置在該U型 管底部的油返回口，并且其中附加的油被沉積至儲存器中，沉積到一個 在油返回口以上大約1/16-1/4英寸的高度。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中制冷劑包括R-410A。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括一個空氣處理器和一個布 置在空氣處理器和膨脹裝置之間的液體制冷劑輸送管線內(nèi)的接收器、一 個從該接收器的上部離開的加熱模式液體制冷劑輸送管線，以及一個從 該接收器的下部離開的冷卻模式液體制冷劑輸送管線。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中為了實現(xiàn)最大潛在負載去除 能力，在加熱模式液體制冷劑輸送管線和冷卻模式液體制冷劑輸送管線之間的接收器的一個內(nèi)部空間的尺寸被確定為包括地溫熱交換場內(nèi)的蒸汽制冷劑輸送管線的暴露的熱傳遞部分的總潛在液體含量的大約16% ±大約2%。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中為了實現(xiàn)最大運行效率，在 加熱模式液體制冷劑輸送管線和冷卻模式液體制冷劑輸送管線之間的 接收器的一個內(nèi)部空間的尺寸被確定為包括地溫熱交換場內(nèi)的蒸汽制 冷劑輸送管線的暴露的熱傳遞部分的總潛在液體含量的大約8%±大約 2%。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中針對30， 000 BTU容量或更 小容量的壓縮機的管線組規(guī)模設計中包括至少一條且不多于二條的3/8 英寸O.D.制冷劑級的液體制冷劑輸送管線，連同相應數(shù)量的至少一條 且不多于二條的蒸汽制冷劑級的輸送線路，其中每一蒸汽管線具有液體 管線的0. D.的2至2. 4倍大0. D.。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中所述地溫熱交換場具有至少 1. 4BTU/Ft.Hr 。F的熱傳遞率，其中該系統(tǒng)還包括每噸加熱和冷卻設計 負載容量中的較大的負載容量所對應的至少120英尺的暴露蒸汽管線。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中針對大于30， OOOBTU容量 但小于90， 000 BTU容量的壓縮機的管線組規(guī)模設計包括至少二條且不 多于三條的3/8英寸O.D.制冷劑級的液體制冷劑輸送管線，連同相應 數(shù)量的至少二條且不多于三條的蒸汽制冷劑級的輸送線路，其中每一蒸 汽管線具有液體管線的0. D.的2至2. 4倍大的0. D.。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中所述地溫熱交換場具有至 少1.4 BTU/Ft.Hr 。F的熱傳遞率，其中該系統(tǒng)還包括每噸加熱和冷卻 設計負載容量中的較大的負載容量所對應的至少120英尺的暴露蒸汽 管線。
13. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，其中提供至少二個且不多于三個 井/鉆孔，以使得液體制冷劑輸送管線包括一條主管線和多條分配管線，且其中蒸汽制冷劑輸送管線包括一條主管線和多條分配管線，其中，對 于超過30， 000 BTU而最高達90， 000 BTU的系統(tǒng)壓縮機設計負栽，主 液體制冷劑輸送管線包括1/2英寸O.D.制冷劑級管線，以及主蒸汽制 冷劑輸送管線包括7/8英寸O.D.制冷劑級管線，所述分配液體制冷劑輸送管線包括3/8英寸O.D.制冷劑級管線，以及所述分配蒸汽制冷劑 輸送管線包括3/4英寸0. D.制冷劑級管線。
14. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括一個內(nèi)部空氣處理器，該 內(nèi)部空氣處理器包括每噸系統(tǒng)負載設計大約72延長英尺±大約12延長 英尺的3/8英寸0. D.的帶翅片 一一每延長英寸12到14個翅片 一一的 管道，所述內(nèi)部空氣處理器的尺寸被確定為在加熱模式下產(chǎn)生350至 400CFM的空氣流，以及在冷卻模式下產(chǎn)生400到450 CFM的空氣流。
15. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，其中還包括釘限流器膨脹裝置， 其中所述釘限流器膨脹裝置的尺寸根據(jù)以下闡述的壓縮機大小而設定， 其中在正負10%內(nèi)，其中釘限流器膨脹尺寸以英寸提供而壓縮機大小以 BTU提供，并且其中加熱模式負栽是冷卻模式負栽的大約三分之二或更 小壓縮機BTU—一加熱模式 以英寸為單位的釘限流器鉆孔尺寸 承對于單管線DX系統(tǒng)(在通向所述場的單獨的液體管線中具有下列尺寸的單個釘)一一加熱模式(13, 400............................................................0. 034(16, 000 ......................................................... 0. 039(18, 000............................................................0. 041(19, 000............................................................0. 042(20， 000................................................... 0. 044(20, 100............................................................0. 044(21, 000............................................................0. 045(22, 000............................................................0. 046(23, 000............................................................0. 048(24， 000............................................................0. 049(25， 000............................................................0. 050(26, 000...................................................... 0. 051(26, 800............................................................0. 052(27, 000............................................................0. 052(28， 000............................................................0. 053<formula>formula see original document page 5</formula>(55， 000............................................................. 0. 049(56,000............................................................. 0. 049(57, 000............................................................0. 050(58, 000............................................................. 0. 050(59， 000............................................................. 0. 050(60， 000............................................................. 0. 050本對于三管線DX系統(tǒng)(三個釘……在主液體管線平均地分配至三個 液體制冷劑輸送管線時，在通向所述場的三個液體管線中的每一個管線 內(nèi)具有下列尺寸的一個釘)——加熱模式(87， 000....................................................... 0. 048當冷卻模式負載設計超過加熱模式負載設計的三分之二時，以英寸為單 位的加熱模式釘限流器尺寸，以BTU為單位的每系統(tǒng)壓縮機大小壓縮機BTU——加熱模式 以英寸為單位的釘限流器鉆孔尺寸 *對于單管線DX系統(tǒng)(在通向所述場的單獨的液體管線中具有下列 尺寸的單個釘)一一加熱模式壓縮機大小 釘尺寸(13, 400............................................................0. 031(16， 000 ......................................................... 0. 036(185 000............................................................0. 038(19， 000............................................................0. 039(20， 000.................................................... 0. 040(20， 100............................................................0. 040(21, 000............................................................0. 042(22， 000............................................................0. 043(23， 000............................................................0. 044(24， 000............................................................0. 045(25， 000............................................................0. 046(26， 000...................................................... 0. 047,26, 800............................................................0. 048,27， 000............................................................0. 048,28， 000............................................................0. 049,29, 000............................................................0. 050,30， 000............................................................0. 051,孝對于雙管線DX系統(tǒng)(雙釘……在主液體管線平均地分配至兩個液 體制冷劑輸送管線時，在通向所述場的兩個液體管線中的每一 個管線內(nèi) 具有下列尺寸的一個釘)一一加熱模式壓縮機大小 釘尺寸,31, 000............................................................. 0. 036,32,000.................................................. 0. 037,33, 000............................................................. 0. 037,34, 000............................................................. 0. 038,34, 170............................................................. 0. 038,35, 000............................................................. 0. 038,36， 000............................................................. 0. 038,37, 000............................................................. 0. 039,38， 000.................................................... 0. 040,39， 000............................................................. 0. 040,40， 000............................................................. 0. 040,41,000............................................................. 0. 041,42, 000............................................................. 0. 041,43, 000............................................................. 0. 041,44, 000....................................................0. 042,45， 000............................................................. 0. 042,46, 000............................................................. 0. 042,47, 000............................................................. 0. 042,48， 000............................................................. 0. 042,49， 000............................................................. 0. 043,50, 000.............................................................0. 04351， 000............................................................. 0. 04352, 000............................................................. 0. 04453, 000............................................................. 0. 04454， 000 ....................................................0. 04455， 000............................................................. 0. 04556， 000............................................................. 0. 04557， 000............................................................0. 04558， 000............................................................. 0. 04659， 000............................................................. 0. 04660， 000............................................................. 0. 046*對于三管線DX系統(tǒng)(三個釘……在主液體管線平均地分配至三個 液體制冷劑輸送管線時，在通向所述場的三個液體管線中的每一個管線 內(nèi)具有下列尺寸的一個釘)一一加熱模式壓縮機大小 釘尺寸 83， 000................................................. 0. 044
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中將空氣處理器中TXV膨脹裝置旁通掉的至少一個釘限流器膨脹裝置內(nèi)的孔/鉆孔(口 )的優(yōu)選尺 寸，以及服務于空氣處理器的TXV中的TXV泄放端口的優(yōu)選尺寸，在冷卻模式中依據(jù)于以下設計當量± 1%:實際壓縮機大小 以英寸為單位的對于TXV制冷劑流補充(旁n BTU 通)裝置的釘尺寸，也稱為內(nèi)部孔/鉆孔(口 )尺寸16， 000 BTU 0. 04421， 000 BTU 0. 05025, 000 BTU 0. 05529， 000 BTU 0. 05932, 000 BTU 0. 06238， 000 BTU 0. 06544， 000 BTU 0. 07051， 000 BTU 0. 076( 54， 000 BTU 0. 078(57， 000 BTU 0. 081
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其中一個壓力調(diào)節(jié)閥用于所述 TXV旁通管線中，以及其中所述壓力調(diào)節(jié)閥設計為允許全部制冷劑流通 過該閥，直到壓縮才幾的吸入壓力達到80psi士20psi，在該點上，所述 閥自動關(guān)閉，系統(tǒng)從而在沒有任何制冷劑TXV旁通流的情況下完全發(fā)揮 作用。
18. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，運行在加熱模式下，并帶有一個 蒸汽管線預熱器，該預熱器包括放置在以下兩個管線之間的熱交換器 位于制冷劑流到達熱加熱模式膨脹裝置之前的位置處，離開系統(tǒng)內(nèi)部空 氣處理器的溫的、大部分是液體的制冷劑輸送管線；和在制冷劑流離開 地溫熱交換裝置進入系統(tǒng)壓縮機之前，離開地溫熱交換裝置的制冷劑蒸 汽輸送管線，在冷卻模式中，將旁通且不使用該蒸汽管線預熱器。
19. 一種直接交換式地溫加熱/冷卻系統(tǒng)，包括制冷劑輸送管線、 壓縮機、膨脹裝置，以及熱交換器，其中該系統(tǒng)運行在加熱模式下，并帶有一個蒸汽管線預熱器，該預熱器 包括放置在以下兩個管線之間的熱交換器位于制冷劑流到達熱加熱模 式膨脹裝置之前的位置處，離開系統(tǒng)內(nèi)部空氣處理器的溫的、大部分是 液體的制冷劑輸送管線；和在制冷劑流離開地溫熱交換裝置進入系統(tǒng)壓縮機之前，離開地溫熱交換裝置的制冷劑蒸汽輸送管線，在冷卻模式中， 將旁通且不使用該蒸汽管線預熱器。
全文摘要
一種直接交換式加熱/冷卻系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有至少一種減小的發(fā)動機大小、500psi高壓切斷開關(guān)、98％效率的油分離器、額外的油、在比R-22系統(tǒng)高的壓力下運行、針對效率和容量的接收器設計參數(shù)、地溫熱交換管線組設計參數(shù)、特定的加熱/冷卻膨脹裝置尺寸和設計、特定尺寸的空氣處理器，以及蒸汽管線預熱器。
文檔編號F25B30/06GK101636624SQ200880008785
公開日2010年1月27日 申請日期2008年1月18日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月18日
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