CN100587364C - 一种直接式土壤源热泵系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种直接式土壤源热泵系统，属制冷和热泵技术领域。系统由压缩机、气液分离器、油分离器、四通换向阀、制冷剂/水换热器、双向异工质充注热力膨胀阀、干燥过滤器、视液镜、分液器、集气管、外翅片铜管埋地换热器并联支路、单向阀、电磁阀等组成。采用双向异工质充注热力膨胀阀节流，制热运行时气液分离后再对液体制冷剂进行分液，埋地换热器采用紧凑的外肋片结构，可制热和制冷运行，本发明的主要优点在于其可靠性、高效性和环保性。

Description

一种直接式土壤源热泵系统

技术领域

本发明涉及一种直接式土壤源热泵系统，采用双向异工质充注热力膨胀阀节流，制热运行时气液分离后再对液体制冷剂进行分液，埋地换热器采用紧凑的外肋片结构，可制热和制冷运行，属制冷和热泵技术领域。

背景技术

土壤源热泵系统根据是否存在中间传热介质其可分为第二环路土壤源热泵系统和直接式土壤源热泵系统。在第二环路系统中，土壤先和水泵驱动的中间传热介质(水或添加防冻剂的水溶液)进行热量交换，然后此中间介质再通过热泵机组内置的中间换热器和制冷剂进行热量交换，实现供暖和制冷循环。直接式系统中省去中间换热器和循环水泵，中间换热器和埋地换热器合二为一，土壤通过铜管埋地换热器直接和制冷剂进行热量交换。

和第二环路系统相比，直接式系统没有中间换热的热力学损失和水泵耗功，系统更为简单并且效率高，系统的能效比可以达到4.0～5.0。然而直接式土壤源热泵系统要实现高效可靠的运行，在压缩机的回油、制冷运行压缩机的启动、膨胀阀的振荡现象、埋地铜管换热器的设计、防腐和防泄漏、制热和制冷运行需要的制冷剂充注量的差别等方面，需要进一步的改进和努力。

直接式系统的现有技术中，铜管埋地换热器一般埋入水平管沟或竖直钻孔中，普遍采用外表面光滑铜管(铜管外表面无外肋片)和分路结构，即土壤和多个并联的光滑铜管埋地换热器支路进行热交换。因此，系统制热时通常采用一只热力膨胀阀依据各铜管埋地换热器支路混合后的总过热度控制制冷剂的总流量，此同工质充注热力膨胀阀后再接分液器，完成制冷剂在各埋地换热器支路间的流量分配。经热力膨胀阀节流后的制冷剂已经闪蒸成气液两相流体，此两相流的流量、流形、含气率、分液器的几何尺寸和安装位置、埋地换热器的分路数、负荷、压力损失、长度、位置和方向多个复杂参数影响各支路间的制冷剂分配量。由于各支路在土壤中的布局难以实现长度和形状完全相同，多参数影响的复杂性导致没有准确的数学物理模型能正确指导分液器的合理设计，因此这类流量分配装置的缺点是难以保证两相流的均匀分液，若在安装现场进行多次实验来改进和验证分液器的性能，会使设计效率大大降低。如果制冷剂分液器设计不合理，必将导致有的埋地换热器支路出口制冷剂蒸气过热度极大(其换热面积未能充分利用，大部分面积都被用为加热制冷剂蒸气而不是制冷剂液体)，而有的埋地换热器出口制冷剂还未完全蒸发并带液(其换热面积过度利用，压缩机可能发生液击)，过热度大的制冷剂蒸气和未完全蒸发的两相制冷剂在埋地换热器出口集管混合时也产生热力学损失，结果是整个埋地换热器的总换热效率低下。有关实验研究表明，制冷剂流量分配不当可能导致蒸发器的蒸发能力损失高达85％。

使用一只热力膨胀阀对各支路出口的总过热度调节的另一个缺点是系统容易产生振荡现象。各铜管埋地换热器支路长度较长，制热运行当负荷变化时，热力膨胀阀响应的延迟时间较长，通常超过1分钟，延迟的结果会导致同工质充注热力膨胀阀交替地突然开大或关小，这种振荡现象会严重影响系统的效率和安全性。比如，当埋地换热器出口的蒸气过热度所对应的感温包压力要求更多的制冷剂进入埋地换热器时热力膨胀阀会迅速开大，但提高了的制冷剂流量通过较长的铜管埋地换热器管路可能要超过1分钟才能到达其出口，在这段时间内若系统的热负荷减少而不需要提高制冷剂流量，从而会导致埋地换热器供液过多影响系统安全运行，当热力膨胀阀开始关小时，滞后可能使热力膨胀阀持续的关小，直到感温包感受到出口过热度过大。

此外，埋地换热器换热和土壤之间的传热量由传热面积、温差和传热系数决定。现有技术为保证外表面光滑铜管埋地换热器和土壤的传热面积和传热量，普遍采用较大的管径，通常8-12mm左右。直接式土壤源热泵系统制热运行时，埋地换热器是蒸发器，制冷剂/水换热器是冷凝器；制冷运行时，埋地换热器是冷凝器，制冷剂/水换热器是蒸发器，制冷系统内换热器中制冷剂分布量约占系统总充注量的70％。由于直接式土壤源热泵系统埋地换热器管路较长，其内部容积较大，结果是系统制热运行时需要的制冷剂充注量远大于冬季制热运行的制冷剂充注量(制冷时光滑铜管埋地换热器作为系统冷凝器，因其内部容积大，需要的制冷剂较多)。目前的解决办法是在系统中添加大容量的储液器，当系统制热运行时储存系统中多余的制冷剂，这样一方面使制冷剂充注量过多对环保不利(目前直接式系统中使用的制冷剂都对环境有一定影响，R22是臭氧层破坏气体和温室效应气体，其替代制冷剂R407c、R410a和R134a虽不是臭氧层破坏气体，但仍然是温室效应气体)，另一方面系统结构复杂并增加成本。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，设计提供一种直接式土壤源热泵系统。采用可双向流动的异工质充注热力膨胀阀节流防止系统的振荡；制热运行时，气液分离后再对液体制冷剂进行分液，实现进入各埋地换热器支路制冷剂流量的均匀分配；采用内部容积较小的外肋片埋地换热器，可减少系统的制冷剂充注量。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。一种直接式土壤源热泵系统，包括有压缩机1、油分离器2、四通换向阀3、制冷剂/水换热器4、水泵5、风机盘管6、视液镜8、干燥过滤器7和埋地换热器支路、气液分离装置11和双向异工质充注热力膨胀阀9；压缩机1的吸气管经气液分离器19及其进气管19-1与四通换向阀3的3-3端相连，压缩机1的排气管经油分离器2与四通换向阀3的3-1端相连；油分离器2的回油管2-1与压缩机1的吸气管相连；四通换向阀3的3-2端与制冷剂/水换热器4的制冷剂第一接管4-1相连，，制冷剂/水换热器4的制冷剂第二接管4-2与干燥过滤器7相连，干燥过滤器7的另一端与视液镜8相连，视液镜8的另一端与可双向流动的双向异工质充注热力膨胀阀9相连；双向异工质充注热力膨胀阀9的感温包9-1贴于气液分离器19的进气管19-1上，双向异工质充注热力膨胀阀9的外平衡管9-2分别与四通换向阀的3-3端和气液分离器19的进气管19-1相连通；双向异工质充注热力膨胀阀9的出口分两路，一路与第一电磁阀10相连，一路与第二电磁阀14相连，第一电磁阀10与气液分离装置11的进液管11-1相连，第二电磁阀14与单向阀12的下游相连，然后合为一路与分液器13相连；气液分离装置11的蒸气管11-2与气液分离器19的进气管19-1连通，气液分离装置11的出液口与单向阀12的上游相连；分液器13的各分液管与各埋地换热器支路相连，可分为二至十个支路，各个支路汇合于集气管18，集气管18与四通换向阀3的3-4端相连；制冷剂/水换热器4的水侧管路的一端与水泵5相连，另一端与风机盘管6相连。

所述的双向异工质充注热力膨胀阀9的感温包内充注的工质与系统内充注的制冷剂种类不同，且这种工质的饱和压力温度曲线的斜率比系统内充注的制冷剂的饱和压力温度曲线的斜率小。因而，这种膨胀阀感温包的反应没有同工质充注热力膨胀阀(感温包内充注的工质与系统内充注的制冷剂种类相同)敏感，这种不敏感性可使膨胀阀的振荡现象得到有效的缓冲。例如，当系统制热运行时各埋地换热器作为蒸发器使用，如果其出口过热度过高，表明需要更多的制冷剂，感温包温度上升。由于此双向异工质充注热力膨胀阀感温包内充注的工质的饱和压力温度曲线斜率小，因此其感温包开启力增加的速度比同工质充注感温包要低很多，可防止膨胀阀突然开启和开的过大的振荡现象。同理，当铜管埋地换热器出口过热度过低时也可防止膨胀阀突然关闭和开的过小的振荡现象。制冷运行时此双向异工质充注热力膨胀阀仍可作为节流元件。

所述的气液分离装置11竖直放置，气液分离装置11的进液管11-1安装于气液分离装置的侧方中下部，气液分离装置11的蒸气管11-2安装于气液分离装置的顶部，气液分离装置11的出液口11-3位于气液分离装置的最底部中心处。系统制热运行时第一电磁阀10打开，第二电磁阀14关闭。膨胀阀节流后的两相制冷剂经进液管进入气液分离装置依靠重力作用气液分离，制冷剂液体从气液分离装置的底部流出后，进入分液器13的各分液管分配进入各埋地换热器支路的流量。这样，将公认的没有数学物理模型可准确描述的两相流分液问题，转化为可按照流体力学基本理论求解的简单问题，即并联管路各支路的流量和各支路阻抗的平方根的倒数成正比。聚集在气液分离装置11上部的制冷剂蒸气经蒸气管11-2直接旁通至气液分离器19的进气管19-1处，与埋地换热器集气管18流出的制冷剂蒸气混和。系统制冷运行时，第一电磁阀10关闭，第二电磁阀14打开，因而埋地换热器出口的制冷剂液体则不通过气液分离装置11，直接进入双向异工质充注热力膨胀阀9节流，制热时气液分离装置11内残留的制冷剂经蒸气管11-2旁通至气液分离器19的进气管19-1，被压缩机吸入。

所述的各埋地换热器支路采用具有较小内径的紧凑的外肋片铜管埋地换热器，各支路的两端经分液器13的各分液管和集气管18并联，可在竖直钻孔内或水平管沟内安装，其安装原则是：各外肋片铜管埋地换热器支路内部容积的总和等于制冷剂/水换热器4的内部容积；且各外肋片铜管埋地换热器支路的外表面换热面积(铜管加肋片外表面)的总和及其所占的土壤面积，等于按相同系统容量设计时，采用外表面光滑铜管埋地换热器的外表面换热面积(铜管外表面)的总和及其所占的土壤面积。

对于在竖直钻孔内安装的外肋片铜管埋地换热器，采用小内径的紧凑的外肋片竖直U型铜管埋地换热器，即两根4～6mm内径的铜管底部U型连接，距钻孔顶端距离4米以内的两根铜管外壁不安装外肋片，距钻孔顶端距离4米以外的两根铜管外壁安装两组外肋片，同一铜管外肋片组的肋片间距大于等于40mm，外肋片组沿铜管轴向方向的高度为60～100mm，且两组外肋片肋顶方向相反。

对于在水平管沟内安装的外肋片铜管埋地换热器，采用小内径的紧凑的外肋片水平U型铜管埋地换热器，即两根4～6mm内径的铜管U型连接，距水平管沟靠近分液器的一端4米以内的两根铜管外壁不安装外肋片，距水平管沟靠近分液器的一端4米以外的两根铜管外壁安装两组外肋片，同一铜管肋片组的肋片间距大于等于40mm，外肋片组沿铜管轴向方向的长度为60～100mm，且两组外肋片肋顶方向相反。

本发明的主要优点在于其可靠性、高效性和环保性。与传统设计的直接式土壤源热泵系统相比，采用异工质充注的外平衡式热力膨胀阀有效防止系统的振荡现象，保证了系统的可靠性；应用小内径的紧凑的外肋片铜管埋地换热器，减少了其内部容积，但又保证了和土壤的换热面积，从而最大限度的减少了系统制冷剂充注量，符合环保日益提高的要求；气液分离后，再对制冷剂液体按照“流量和各支路阻抗的平方根的倒数成正比的关系”分配进入各换热器支路的质量流量，提高了系统的性能和COP。

附图说明

图1本发明实施例的制热模式结构图；

图2本发明实施例的制冷模式结构图；

图3本发明实施例的双向异工质充注型热力膨胀阀减缓振荡效果示意图；

图4本发明实施例的竖直钻孔内安装的外肋片铜管埋地换热器结构主视图

图5本发明实施例的竖直钻孔内安装的外肋片铜管埋地换热器结构俯视图

图6本发明实施例的水平管沟内安装的外肋片铜管埋地换热器结构主视图

图7本发明实施例的水平管沟内安装的外肋片铜管埋地换热器结构俯视图

图中：1-压缩机；2-油分离器；2-1-回油管；3-四通换向阀；4-制冷剂/水换热器；4-1、制冷剂第一接管，4-2-制冷剂第二接管；5-水泵；6-风机盘管；7-干燥过滤器；8-视液镜；9-双向异工质充注热力膨胀阀；10-第一电磁阀；11-气液分离装置；11-1-气液分离装置的进液管；11-2-气液分离装置的蒸气管；11-3-气液分离装置的出液口；12-单向阀；13-分液器；13-1、13-2、13-3-分液器的分液管；14-第二电磁阀；15-1、15-2、15-3-外肋片铜管埋地换热器支路；16-外肋片；17-土壤；18-集气管；19-气液分离器；19-1-气液分离器的进气管；20-竖直钻孔；20-1-钻孔顶端；20-1-钻孔回填材料；21-1、21-2-铜管；22-1、22-2-外肋片；23-外肋片竖直U型铜管埋地换热器；24-水平管沟；24-1-水平管沟靠近分液器一端；24-1-管沟回填材料；25-1、25-2-铜管；26-1、26-2-外肋片组；27-外肋片水平U型铜管埋地换热器。

具体实施方式

以下结合图1和图2说明本发明的制热模式和制冷模式。图1和图2的实施例中，采用三个并联的外肋片铜管埋地换热器支路。

如图1所示，本实施例包括有压缩机1、油分离器2、四通换向阀3、制冷剂/水换热器4、水泵5、风机盘管6、视液镜8、干燥过滤器7和埋地换热器支路、气液分离装置11和双向异工质充注热力膨胀阀9；压缩机1的吸气管经气液分离器19及其进气管19-1与四通换向阀3的3-4端相连，压缩机1的排气管经油分离器2与四通换向阀3的3-1端相连；油分离器2的回油管2-1与压缩机1的吸气管相连；四通换向阀3的3-2端与制冷剂/水换热器4的制冷剂第一接管4-1相连，，制冷剂/水换热器4的制冷剂第二接管4-2与干燥过滤器7相连，干燥过滤器7的另一端与视液镜8相连，视液镜8的另一端与可双向流动的异工质充注热力膨胀阀9相连；双向异工质充注热力膨胀阀9的感温包9-1贴于气液分离器19的进气管19-1上，其外平衡管9-2分别与四通换向阀的3-3端和气液分离器19的进气管19-1相连通；双向异工质充注热力膨胀阀9的出口分两路，一路与第一电磁阀10相连，一路与第二电磁阀14相连，第一电磁阀10与气液分离装置11的进液管11-1相连，第二电磁阀14与单向阀12的下游相连，然后合为一路与分液器13相连；气液分离装置11的蒸气管11-2与气液分离器19的进气管19-1连通，气液分离装置11的出液口与单向阀12的上游相连；分液器13的各分液管与各埋地换热器支路相连，可分为二至十个支路，各个支路汇合于集气管18，集气管18与四通换向阀3的3-4端相连；制冷剂/水换热器4的水侧管路的一端与水泵5相连，另一端与风机盘管6相连。

本实施例的两种工作模式：

(1)制热模式

结合图1说明，压缩机1启动，四通换向阀3的3-1端和3-2接通，3-3端和3-4接通，第一电磁阀10打开，第二电磁阀14关闭。被压缩机1压缩成高温高压的制冷剂过热蒸气，经油分离器2分离出制冷剂蒸气中夹带的润滑油，润滑油依靠压差经回油管2-1返回压缩机吸气口被压缩机1吸入，制冷剂蒸气则进入四通阀的3-1端而后从3-2端流出，经制冷剂/水换热器4的制冷剂第一接管4-1进入制冷剂/水换热器4中向水释放出冷凝热而成为制冷剂液体。制冷剂液体从制冷剂/水换热器4的制冷剂第二接管4-2流出，经干燥过滤器7和示液镜8，流入双向异工质充注热力膨胀阀9节流降压成两相制冷剂。

双向异工质充注热力膨胀阀9的感温包9-1贴于气液分离器19的进气管19-1上，其外平衡管9-2和气液分离器19的进气管19-1相连，因而其可依据气液分离器19的进气管19-1的制冷剂蒸气过热度节流并调节制冷剂质量流量，其感温包内充注的工质与系统内充注的制冷剂种类不同，且这种工质的饱和压力温度曲线的斜率比系统内充注的制冷剂的饱和压力温度曲线的斜率小。因而，这种膨胀阀感温包的反应没有同工质充注热力膨胀阀(感温包内充注的工质与系统内充注的制冷剂种类相同)敏感，这种不敏感性可使膨胀阀的振荡现象得到有效的缓冲。系统制热运行时，各外肋片铜管埋地换热器支路作为蒸发器使用，如果其出口过热度过高，即感温包9-1感受的气液分离器19的进气管19-1内的蒸气过热度高，感温包温度上升，表明埋地换热器内需要更多的制冷剂。由于此双向异工质充注热力膨胀阀感温包内充注的工质的饱和压力温度曲线斜率小，因此其感温包开启力增加的速度比同工质充注感温包要低很多，可防止膨胀阀突然开启和开的过大的振荡现象。同理，当铜管埋地换热器出口过热度过低时也可防止膨胀阀突然关闭和开的过小的振荡现象。

因第一电磁阀10打开，第二电磁阀14关闭，双向异工质充注热力膨胀阀9节流后的两相制冷剂只流入第二电磁阀14所在管路，再经气液分离装置的进液管11-1进入气液分离装置11，在气液分离装置11内依靠重力作用气液分离，制冷剂液体聚集于气液分离装置底部，制冷剂气体聚集于气液分离装置顶部。制冷剂液体从气液分离装置11底部的出液口11-3流出后，进入分液器13的各分液管13-1、13-2和13-3，依据各外肋片铜管埋地换热器支路15-1、15-2、15-3的尺寸和结构计算其阻抗，则分液管13-1、13-2和13-3的内径按照“并联管路各支路的流量和各支路阻抗的平方根的倒数成成正比”的原则进行设计，从而实现了进入各外肋片铜管埋地换热器支路制冷剂液体流量的均匀分配。这样，将公认的没有数学物理模型可准确描述的两相流分液问题，转化为可按照流体力学基本理论求解的简单问题。聚集在气液分离装置11上部的制冷剂蒸气经蒸气管11-2直接旁通至气液分离器19的进气管19-1处，与集气管18流出的制冷剂蒸气混和。

制冷剂液体进入各外肋片铜管埋地换热器支路15-1、15-2、15-3后，吸收土壤17内储存的热量而蒸发，生成的制冷剂蒸气经集气管18进入四通换向阀3的3-4端从3-3端流出，和气液分离装置11的分离出的制冷剂蒸气在气液分离器19的进气管19-1内混合后，进入气液分离器19，而后被压缩机1压缩成高温高压的制冷剂过热蒸气，完成一个制热循环。该制热循环不断重复，在制冷剂/水换热器4中吸收制冷剂冷凝热的热水，经水泵5驱动送往风机盘管6向室内空气释放热量实现制热模式。

(2)制冷模式

结合图2说明，压缩机1启动，四通换向阀3的3-1端和3-4接通，3-2端和3-3接通，第一电磁阀10关闭，第二电磁阀14打开。被压缩机1压缩成高温高压的制冷剂过热蒸气，经油分离器2分离出制冷剂蒸气中夹带的润滑油，润滑油依靠压差经回油管2-1返回压缩机吸气口被压缩机1吸入，制冷剂蒸气则进入四通阀的3-1端而后从3-4端流出后，流入集气管18，而后流入各外肋片铜管埋地换热器支路15-1、15-2和15-3，向土壤放出热量而冷凝成制冷剂液体。各支路15-1、15-2和15-3内生成的制冷剂液体经分液器13的分液管13-1、13-2和13-3流入分液器13进行混合。

第一电磁阀10关闭，制冷剂的流动方向和单向阀12的方向相反，因而不流入单向阀12所在管路，即不会流入气液分离装置11。上一个冬季制热时气液分离装置11内残存的制冷剂液体，会经气液分离装置11的蒸气管11-1旁通至气液分离器19的入口管19-1，被压缩机吸入，因而系统不会损失制冷剂。

电磁阀14打开，来自分液器13的制冷剂液体经电磁阀14所在管路流入双向异工质充注热力膨胀阀9节流降压后，依次经示液镜8、干燥过滤器7、制冷剂/水换热器4的制冷剂接管4-2，进入制冷剂/水换热器4中吸收水的热量而蒸发，生成的制冷剂蒸气则进入四通阀的3-2端从3-3端流出，经气液分离器19的进气管19-1进入气液分离器19，而后进入压缩机1，完成一个制冷循环。该制冷循环不断重复，在制冷剂/水换热器4中向制冷剂放出热量的冷水经水泵5驱动进入风机盘管6送往室内空气进行制冷，实现制冷模式运行。

因双向异工质充注热力膨胀阀9的感温包9-1贴于气液分离器19的进气管19-1上，其外平衡管9-2和气液分离器19的进气管19-1相连，因此双向异工质充注热力膨胀阀9的感温包9-1感受的气液分离器19的进气管内19-1的制冷剂蒸气过热度即为制冷剂/水换热器4的接管4-1内的蒸气过热度，实现节流并调节进入制冷剂/水换热器4的制冷剂流量。

在图1和图2的实施例中，压缩机1、制冷剂/水换热器4、各外肋片铜管埋地换热器支路15-1、15-2和15-3、气液分离装置11、双向异工质充注热力膨胀阀、气液分离器19等，需相互匹配和耦合，才能实现系统的高效运行。系统的匹配原则是：各外肋片铜管埋地换热器支路内容积的总和等于制冷剂/水换热器4的内部容积；且各外肋片铜管埋地换热器支路的外表面(铜管加外肋片的外表面)面积的总和及其所占的土壤面积，等于按相同系统容量设计时，采用外表面光滑铜管埋地换热器的外表面换热面积(铜管外表面)的总和及其所占的土壤面积。

本实施例中若设计直接式土壤源热泵系统的容量为6kW，则选用容量为6kW的压缩机，容量为6kW的双向异工质充注外平衡式热力膨胀阀，选用容量为6kW的套管式制冷剂/水换热器并计算其内部容积。按照上述的匹配原则，若采用在竖直钻孔内安装的外肋片铜管埋地换热器，则选用3个钻孔深度20米内径为6mm的外肋片铜管埋地换热器15-1、15-2和15-3，肋片高度6mm，间距60mm，三个外肋片铜管埋地换热器15-1、15-2和15-3的内部容积总和正好等于所选用的套管式制冷剂/水换热器的内部容积，且三个外肋片铜管埋地换热器15-1、15-2和15-3的外表面积和所占的土地面积，等于按6kW容量设计时，采用内径为12mm的外表面光滑铜管埋地换热器的外表面换热面积(铜管外表面)的总和及其所占的土壤面积。上述的原则保证了外肋片铜管埋地换热器和土壤的换热能力能满足系统的容量要求。外肋片铜管埋地换热器有较小内径6mm，其内部容积和12mm内径的相比，减少了75％，制冷系统内换热器中制冷剂分布量约占系统总充注量的70％，因而较小内部容积的外肋片铜管埋地换热器可以大大减少系统的制冷剂充注量。系统不需设置大容量的储液器，节省了安装成本和制冷剂费用，符合环保的要求。

(3)双向异工质充注型热力膨胀阀减缓振荡效果示意图

结合图3说明，斜率较小(较平缓)的粗实线为双向异工质充注热力膨胀阀9的感温包内充注的工质的饱和压力温度曲线，斜率较大(较陡峭)的粗实线为外肋片铜管埋地换热器内的制冷剂工质的饱和压力温度曲线。当系统制热运行时，铜管埋地换热器作为蒸发器使用，如果其出口过热度过高，表明需要更多的制冷剂，感温包温度上升。由于双向异工质充注热力膨胀阀9的感温包内充注的工质与系统内充注的制冷剂种类不同，且这种工质的饱和压力温度曲线的斜率比系统内充注的制冷剂的饱和压力温度曲线的斜率小，即使过热度增加很多，其感温包温度所对应的工质的饱和压力(此饱和压力的增加就是图中所示的开启力的变化)只增加一点点，即开启力只增加一点点。饱和压力温度曲线的斜率就是开启力增加的速度，若采用同工质充注感温包，则开启力增加的速度较大，因而双向异工质充注热力膨胀阀9可防止膨胀阀突然开启和突然开的过大的振荡现象。

同理，如图所示，当铜管埋地换热器出口过热度过低时，也可防止膨胀阀突然关闭和突然开的过小。选用的异工质充注外平衡式热力膨胀阀可双向流动，当系统制冷运行时其仍可作为节流元件。

(4)竖直钻孔内安装的外肋片铜管埋地换热器结构主视图

结合图4说明，竖直钻孔20深度为30～50米，两根内径为4～6mm的铜管21-1和21-2在竖直钻孔20的底部U型连接，距钻孔顶端20-1距离4米以上的两根铜管21-1和21-2的外壁为光管(即不安装外肋片)，有效防止两根铜管21-1和21-2在这一部分由于管内制冷剂温差太大而产生热短路现象(即管内制冷剂温度高的铜管向管内制冷剂温度低的铜管传热，此热量传递会降低和土壤的传热能力)。距钻孔顶端20-1距离4米以下的铜管22-1和22-2外壁安装两组高度60～100mm的半肋片，片间距不小于40mm。

(5)竖直钻孔内安装的外肋片铜管埋地换热器结构俯视图

结合图5说明，铜管21-1和21-2外壁安装的外肋片组22-1和22-2的肋顶方向相反，防止两根铜管21-1和21-2管内制冷剂温差太大而产生热短路现象，肋基紧套在铜管外壁上。钻孔回填材料20-1可采用石英沙、水泥、膨润土和水的混和回填料，或其它热力性能和稳定性更好的细颗粒回填料回填，以确保肋片和回填料的良好接触中间不能有空气隙，肋片扩大了铜管与土壤的传热面积。

(6)水平管沟内安装的外肋片铜管埋地换热器结构主视图

结合图6说明，水平管沟24深度为1.5至2米，铜管25-1和25-2外壁安装的外肋片组26-1和26-2的肋顶方向相反，防止两根铜管21-1和21-2管内制冷剂温差太大而产生热短路现象，肋基分别紧套在铜管25-1和25-2的外壁上。管沟回填材料24-2可采用石英沙、水泥、膨润土和水的混和回填料，或其它热力性能和稳定性更好的细颗粒回填料回填，以确保肋片和回填料的良好接触中间不能有空气隙，肋片扩大了铜管与土壤的传热面积。

(7)水平管沟内安装的外肋片铜管埋地换热器结构俯视图

结合图7说明，两根内径为4～6mm的铜管25-1和25-2在水平管沟24的一端U型连接，24-1为距水平管沟靠近分液器的一端，距其4米以内的两根铜管25-1和25-2外壁不安装外肋片的外壁为光管(即不安装外肋片)，有效防止两根铜管在这一部分由于管内制冷剂温差太大而产生热短路现象(即管内制冷剂温度高的铜管向管内制冷剂温度低的铜管传热，此热量传递会降低和土壤的传热能力)。距其4米以外的两根铜管25-1和25-2外壁安装两组高度60-100mm的外肋片26-1和26-2，片间距不小于40mm。

Claims (7)

1、一种直接式土壤源热泵系统，包括有压缩机(1)、油分离器(2)、四通换向阀(3)、制冷剂/水换热器(4)、水泵(5)、风机盘管(6)、视液镜(8)、干燥过滤器(7)和埋地换热器支路；其特征在于：还包括有气液分离装置(11)和双向异工质充注热力膨胀阀(9)；其中，压缩机(1)的吸气管经气液分离器(19)及其进气管(19-1)与四通换向阀(3)的3-3端相连，压缩机(1)的排气管经油分离器(2)与四通换向阀(3)的3-1端相连；油分离器(2)的回油管(2-1)与压缩机(1)的吸气管相连；四通换向阀(3)的3-2端与制冷剂/水换热器(4)的制冷剂第一接管(4-1)相连通，制冷剂/水换热器(4)的制冷剂第二接管(4-2)与干燥过滤器(7)相连，干燥过滤器(7)的另一端与视液镜(8)相连，视液镜(8)的另一端与能够双向流动的双向异工质充注热力膨胀阀(9)相连；双向异工质充注热力膨胀阀(9)的感温包(9-1)贴于气液分离器(19)的进气管(19-1)上，双向异工质充注热力膨胀阀(9)的外平衡管(9-2)分别与四通换向阀的3-3端和气液分离器(19)的进气管(19-1)相连通；双向异工质充注热力膨胀阀(9)的出口分两路，一路与第一电磁阀(10)相连，一路与第二电磁阀(14)相连，第一电磁阀(10)与气液分离装置(11)的进液管(11-1)相连，第二电磁阀(14)与单向阀(12)的下游相连，然后合为一路与分液器(13)相连；气液分离装置(11)的蒸气管(11-2)与气液分离器(19)的进气管(19-1)连通，气液分离装置(11)的出液口与单向阀(12)的上游相连；分液器(13)的各分液管与各埋地换热器支路相连，各个支路汇合于集气管(18)，集气管(18)与四通换向阀(3)的3-4端相连；制冷剂/水换热器(4)的水侧管路的一端与水泵(5)相连，另一端与风机盘管(6)相连。

2、根据权利要求1所述的一种直接式土壤源热泵系统，其特征在于：所述的埋地换热器的支路个数为2～20个。

3、根据权利要求1所述的一种直接式土壤源热泵系统，其特征在于：所述的双向异工质充注热力膨胀阀(9)的感温包内充注的工质与系统内充注的制冷剂种类不同，且这种工质的饱和压力温度曲线的斜率比系统内充注的制冷剂的饱和压力温度曲线的斜率小。

4、根据权利要求1所述的一种直接式土壤源热泵系统，其特征在于：所述的气液分离装置(11)竖直放置，气液分离装置(11)的进液管(11-1)安装于气液分离装置的侧面中下部，气液分离装置(11)的蒸气管(11-2)安装于气液分离装置的顶部，气液分离装置(11)的出液口(11-3)位于气液分离装置的最底部中心处。

5、根据权利要求1所述的一种直接式土壤源热泵系统，其特征在于：所述的各埋地换热器支路采用具有内径为4～6mm的外肋片铜管埋地换热器，各支路设置在竖直钻孔内或水平管沟内。

6、根据权利要求5所述的一种直接式土壤源热泵系统，其特征在于：对于设置在竖直钻孔内的外肋片铜管埋地换热器，采用外肋片竖直U型铜管埋地换热器，即两根4～6mm内径的铜管底部U型连接，距钻孔顶端距离4米以内的两根铜管外壁不安装外肋片，距钻孔顶端距离4米以外的两根铜管外壁安装两组外肋片，同一铜管外肋片组的肋片间距大于等于40mm，外肋片组的外肋片的高度为60～100mm，且两组外肋片肋顶方向相反。

7、根据权利要求5所述的一种直接式土壤源热泵系统，其特征在于：对于在水平管沟内安装的外肋片铜管埋地换热器，采用外肋片水平U型铜管埋地换热器，即两根4～6mm内径的铜管U型连接，距水平管沟靠近分液器的一端4米以内的两根铜管外壁不安装外肋片，距水平管沟靠近分液器的一端4米以外的两根铜管外壁安装两组外肋片，同一铜管肋片组的肋片间距大于等于40mm，外肋片组的外肋片的高度为60～100mm，且两组外肋片肋顶方向相反。

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