CN201155888Y - 制冷剂均匀分配的直接式土壤源热泵系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种直接式土壤源热泵系统，特别涉及一种制冷剂均匀分配的直接式土壤源热泵系统，可有效解决直接式土壤源热泵系统多个埋地换热器支路并联时制冷剂流量分配失衡和振荡的问题，实现制冷和制热运行。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、制冷用热力膨胀阀、干燥过滤器、视液镜、集液管、集气管、埋地换热器并联支路、单向阀、毛细管、制热用小容量热力膨胀阀等组成。系统制热运行时，由毛细管和制热用小容量热力膨胀阀并联，节流、分配并调节进入每个埋地换热器支路的制冷剂流量。系统制冷运行时，由制冷用热力膨胀阀节流并调节进入制冷剂/水换热器的制冷剂流量。本实用新型的主要优点在于其高效性、经济性和可靠性。

Description

制冷剂均匀分配的直接式土壤源热泵系统

技术领域

本实用新型涉及一种直接式土壤源热泵系统，特别涉及一种制冷剂均匀分配的直接式土壤源热泵系统，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，土壤通过埋地换热器直接和制冷剂进行热量交换。

直接式系统的现有技术中，埋地换热器一般埋入水平管沟或竖直钻孔中，普遍采用分路结构，即土壤和多个并联的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埋地换热器支路混合后的总过热度控制制冷剂的总流量，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，而有的埋地换热器出口制冷剂还未完全蒸发并带液，前者的原因是由于埋地换热器支路的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，而后者是因为埋地换热器支路的换热面积过度利用，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。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对现有技术的不足，设计提供一种新型的制冷剂流量均匀分配的直接式土壤源热泵系统，可有效抑制热力膨胀阀的振荡并实现制冷剂流量的均匀分配。本系统可制热和制冷模式运行，用于建筑物的供暖和空调。

为了实现上述的目的，本实用新型的设计方案如下。一种制冷剂均匀分配的直接式土壤源热泵系统，包括压缩机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、制冷用单向阀7、制冷用热力膨胀阀8、干燥过滤器9、视液镜10、集液管11、制冷用热力膨胀阀的感温包21、制冷用外平衡管22、埋地换热器支路、集气管18、气液分离器19，压缩机1的吸气管1-1经气液分离器19的入口管19-1与四通换向阀3的3-4端相连，压缩机1的排气管1-2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的入口管1-1相连；四通换向阀3的3-2端与制冷剂/水换热器4的一个接管相连，且在该接管上贴有制冷用热力膨胀阀的感温包21，制冷剂/水换热器4的另一个接管分成两路，一路与制冷用单向阀7的上游相连，另一路与制冷用热力膨胀阀8相连，然后合成一路接干燥过滤器9；干燥过滤器9的另一端与视液镜10连接，视液镜10的另一端接集液管11，集液管11接各埋地换热器支路；每个埋地换热器支路靠近集液管11的管道分成三路，第一路接制热用单向阀的下游，第二路接毛细管，第三路接制热用小容量热力膨胀阀，然后合成一路；各个埋地换热器支路汇合于集气管18，集气管18与四通换向阀的3-4端相连；埋地换热器支路可分为二至十个支路；在各个埋地换热器支路靠近集气管18的管道上贴有制热用小容量热力膨胀阀的感温包，制热用小容量热力膨胀阀的外平衡管、制冷用热力膨胀阀的外平衡管22和气液分离器19的入口管19-1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。

系统制热运行时，由毛细管和制热用小容量热力膨胀阀并联，节流、分配和调节进入每个埋地换热器支路的制冷剂流量。毛细管起主要流量调节作用，小容量热力膨胀进行辅助流量调节。制热运行时制冷剂流动方向与埋地换热器各支路中的制热用单向阀方向相反，因而不会流入制热用单向阀所在管路。毛细管进行流量调节的实质是冷凝器出口的过冷度调节，热力膨胀流量调节的实质是蒸发器出口的过热度调节，因而两者并联就可以实现冷凝器出口过冷度和蒸发器出口过热度的同时调节。毛细管起主要流量调节作用避免了在一定的热负荷范围内，只采用热力膨胀阀调节的振荡现象；而当系统热负荷变化较大时，热力膨胀阀的辅助调节又可解决毛细管供液量不能随工况变化任意调节的缺点。

系统制冷运行时，由制冷用热力膨胀阀8节流并调节进入制冷剂/水换热器4的制冷剂流量。此时各埋地换热器支路上的制热用小容量热力膨胀阀的感温包感受制冷剂集气管18附近的各埋地换热器支路内过热蒸气的温度处于关闭状态；各支路上的毛细管的流动阻力远大于制热用单向阀，因而制冷剂不流入各支路上的毛细管，只经过各支路上的制热用单向阀所在管路汇集于集液管11。

本实用新型的主要优点在于其高效性、经济性和可靠性。首先，系统制热运行由毛细管和制热用小容量热力膨胀阀并联，分配并调节每个埋地换热器支路流入的制冷剂流量，克服了现有技术中采用一只热力膨胀阀后接分液器的所产生分液不当和振荡现象，因而提高了系统的制热效率和可靠性。其次，系统制冷运行时由制冷用热力膨胀阀8感受制冷剂/水换热器4的制冷剂管的蒸气过热度进行制冷剂的节流和流量调节，优化了系统的制冷性能。相应地，系统不需要分液器，毛细管和热力膨胀阀价格便宜，因而具有经济性。

附图说明

图1，制冷剂均匀分配的直接式土壤源热泵系统制热模式示意图；

图2，制冷剂均匀分配的直接式土壤源热泵系统制冷模式示意图；

图中标号名称：1-压缩机；1-1-压缩机的吸气管；1-2-压缩机的排气管；2-油分离器；3-四通换向阀；4-制冷剂/水换热器；4-1-制冷剂/水换热器的一个接管；4-2-制冷剂/水换热器的另一个接管；5-水泵；6-风机盘管；7-制冷用单向阀；8-制冷用热力膨胀阀；9-干燥过滤器；10-视液镜；11-集液管；12-1、12-2、12-3-制热用单向阀；13-1、13-2、13-3-毛细管；14-1、14-2、14-3-制热用小容量热力膨胀阀；15-1、15-2、15-3-制热用小容量热力膨胀阀的感温包；16-1、16-2、16-3-制热用小容量热力膨胀阀的外平衡管；17-1、17-2、17-3-埋地换热器支路；18-集气管；19-气液分离器；19-1-气液分离器的入口管；20-土壤；21-制冷用热力膨胀阀的感温包；22-制冷用热力膨胀阀的外平衡管。

图中虚线表示各热力膨胀阀的外平衡管和感温包与热力膨胀阀的接管。

具体实施方式

以下结合图1和图2说明本实用新型的制热模式和制冷模式。图1和图2的实施例中，埋地换热器支路采用三个并联的铜管埋地换热器支路。

实施例1：制热模式

如图1所示，按照本实用新型的技术方案连接系统。启动压缩机1，将四通换向阀3的3-1端和3-2接通，3-3端和3-4接通。

被压缩机1压缩成高温高压的制冷剂过热蒸气从压缩机1的排气管1-2排出，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返回压缩机吸气管1-1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/水换热器的一个接管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。此时制冷用膨胀阀的感温包21感受过热蒸气的温度处于关闭状态，因此制冷剂液体从制冷剂/水换热器另一个接管4-2流出后只进入制冷用单向阀7所在的管路，依次经干燥过滤器9、示液镜10和集液管11后，流入各埋地换热器支路17-1、17-2、17-3。在每个埋地换热器支路中，毛细管13和制热用小容量热力膨胀阀14并联，分配并调节进入每个支路的制冷剂液体的流量，而后制冷剂在各支路中吸收土壤热量而蒸发，生成的制冷剂蒸气汇合于集气管18，再依次经四通换向阀3的3-4端、四通换向阀3的3-3端和气液分离器19，进入压缩机1被压缩成高温高压的过热蒸气，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。

制冷剂流入埋地换热器支路17-1、17-2、17-3靠近集液管11的各个管路后，各分出三路，第一路接制热用单向阀12-1、12-2、12-3的下游，第二路接毛细管13-1、13-2、13-3，第三路接制热用小容量热力膨胀阀14-1、14-2和14-3，制热用小容量热力膨胀阀的感温包15-1、15-2和15-3分别贴于其所在的埋地换热器支路靠近集气管18的管路上，各制热用小容量热力膨胀阀的外平衡管16-1、16-2和16-3和气液分离器19的入口管19-1相连。因制冷剂流动方向与制热用单向阀12-1、12-2、12-3的方向相反，三个单向阀处于关闭状态。进入埋地换热器支路17-1的制冷剂液体流量由毛细管13-1和制热用小容量热力膨胀阀14-1并联进行分配和调节，进入支路17-2的流量由毛细管13-2和制热用小容量热力膨胀阀14-2并联进行分配和调节，进入支路17-3的流量由毛细管13-3和制热用小容量热力膨胀阀14-3并联进行分配和调节。毛细管13-1、13-2和13-3起主要的流量调节作用，而各制热用小容量热力膨胀阀14-1、14-2和14-3进行辅助流量调节。毛细管13-1、13-2和13-3调节的实质是流出制冷剂/水换热器4的制冷剂液体的过冷度调节，即依据“液体比气体更容易通过”的原理工作，毛细管的供液能力主要取决于其入口处制冷剂的状态，即过冷度和压力，和毛细管的几何尺寸：长度和内径，蒸发压力，即制冷剂在埋地换热器中的压力，对其供液能力的影响较小，因而它可依据流出制冷剂/水换热器4的制冷剂液体的过冷度和压力调节进入每个埋地换热器的流量，是一种主动地及时调节，不会产生振荡现象。但毛细管的调节能力有供液量不能随工况变化任意调节的缺点，因而并联制热用小容量热力膨胀阀，当系统热负荷变化较大时，每个制热用小容量热力膨胀阀14-1、14-2和14-3可依据感温包15-1、15-2和15-3感受其所在的埋地换热器支路靠近集气管18的管路的制冷剂蒸气过热度，辅助调节进入各埋地换热器支路的制冷剂流量。因此毛细管和热力膨胀阀并联的实质是同时依据过冷度和过热度调节进入每个埋地换热器支路的制冷剂流量。毛细管起主要流量调节作用避免了在一定的热负荷范围内，只采用热力膨胀阀调节的振荡现象；而当系统热负荷变化较大时，热力膨胀阀的辅助调节又可解决毛细管供液量不能随工况变化任意调节的缺点。

实施例2：制冷模式

如图1所示，按照本实用新型的技术方案连接系统。启动压缩机1，将四通换向阀3的3-1端和3-4接通，3-2端和3-3接通。

被压缩机1压缩成高温高压的制冷剂过热蒸气从压缩机的排气管1-2排出，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返回压缩机吸气管1-1被压缩机1吸入。制冷剂蒸气依次经四通换向阀3的3-1端、四通换向阀3的3-4端和集气管18，流入埋地换热器支路17-1、17-2、17-3向土壤放出热量而冷凝，此时制热用小容量热力膨胀阀的感温包15-1、15-2和15-3因感受集气管18附近各埋地换热器支路17-1、17-2和17-3的过热蒸气温度而处于关闭状态，三路毛细管13-1、13-2和13-3的流动阻力远大于制热用单向阀12-1、12-2和12-3，因而生成的制冷剂液体分别经单向阀12-1、12-2和12-3汇合于集液管11。而后制冷剂液体依次流入示液镜10和干燥过滤器9后分出两路，第一路接制冷用单向阀7的下游，第二路接制冷用热力膨胀阀8。制冷剂流动方向与制冷用单向阀7的方向相反，因此制冷用单向阀7关闭。因制冷用热力膨胀阀的感温包21贴在制冷剂/水换热器的一个接管4-1上，制冷用热力膨胀阀的外平衡管22和气液分离器19的入口管相连，制冷用热力膨胀阀的感温包21感受制冷剂/水换热器的一个接管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。节流后的气液混合物制冷剂进入制冷剂/水换热器4中吸收水的热量而蒸发，生成的制冷剂过热蒸气依次进入四通换向阀3的3-2端、四通换向阀3的3-3端和气液分离器19，经压缩机吸气管1-1进入压缩机1被压缩成高温高压的过热蒸气，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。

Claims (4)

1、一种制冷剂均匀分配的直接式土壤源热泵系统，包括压缩机(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)、制冷用单向阀(7)、制冷用热力膨胀阀(8)、干燥过滤器(9)、视液镜(10)、集液管(11)、制冷用热力膨胀阀的感温包(21)、制冷用外平衡管(22)、埋地换热器支路、集气管(18)、气液分离器(19)，其特征在于：压缩机(1)的吸气管(1-1)经气液分离器(19)的入口管(19-1)与四通换向阀(3)的(3-4)端相连，压缩机(1)的排气管(1-2)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)的入口管(1-1)相连；四通换向阀(3)的(3-2)端与制冷剂/水换热器(4)的一个接管(4-1)相连，且在该接管上贴有制冷用热力膨胀阀的感温包(21)，制冷剂/水换热器(4)的另一个接管(4-2)分成两路，一路与单向阀(7)的上游相连，另一路与制冷用热力膨胀阀(8)相连，然后合成一路接干燥过滤器(9)；干燥过滤器(9)的另一端与视液镜(10)连接，视液镜(10)的另一端接集液管(11)，集液管(11)接各埋地换热器支路；每个埋地换热器支路靠近集液管(11)的管道分成三路，第一路接制热用单向阀的下游，第二路接毛细管，第三路接制热用小容量热力膨胀阀，然后合成一路；各个埋地换热器支路汇合于集气管(18)，集气管(18)与四通换向阀的(3-4)端相连；在各个埋地换热器支路靠近集气管(18)的管道上贴有制热用小容量热力膨胀阀的感温包，制热用小容量热力膨胀阀的外平衡管、制冷用热力膨胀阀的外平衡管(22)和气液分离器(19)的入口管相连；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所述的制冷剂均匀分配的直接式土壤源热泵系统，其特征在于：系统制热运行时，制冷剂流动方向与制热用单向阀(12)方向相反，制热用单向阀(12)处于关闭状态。由毛细管(13)和制热用小容量热力膨胀阀(14)并联，节流、分配并调节进入每个埋地换热器支路的制冷剂流量。

3、根据权利要求1所述的制冷剂均匀分配的直接式土壤源热泵系统，其特征在于：系统制冷运行时，制热用小容量热力膨胀阀处于关闭状态，毛细管的流动阻力远大于制热用单向阀，并且制冷剂流动方向与制冷用单向阀(7)的方向相反，制冷用单向阀(7)关闭，由制冷用热力膨胀阀8节流并调节进入制冷剂/水换热器4的制冷剂流量。

4、根据权利要求1所述的制冷剂均匀分配的直接式土壤源热泵系统，其特征在于：所述的埋地换热器支路个数为2～10个。

Images