[發(fā)明專利]一種直接式土壤源熱泵系統

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200810057379.4
• 申請日: 2008-02-01
• 公開（公告）號: CN101236030A
• 公開（公告）日: 2008-08-06
• 發(fā)明（設計）人: 馬重芳;王曉濤;吳玉庭;王偉;王景甫;鹿院衛(wèi)
• 申請（專利權）人: 北京工業(yè)大學
• 主分類號: F25B13/00
• 分類號: F25B13/00;F25B30/06
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司
• 代理人: 張慧

技術領域

本發(fā)明涉及一種直接式土壤源熱泵系統，采用雙向異工質充注熱力膨脹閥節(jié)流，制熱運行時氣液分離后再對液體制冷劑進行分液，埋地換熱器采用緊湊的外肋片結構，可制熱和制冷運行，屬制冷和熱泵技術領域。

背景技術

土壤源熱泵系統根據是否存在中間傳熱介質其可分為第二環(huán)路土壤源熱泵系統和直接式土壤源熱泵系統。在第二環(huán)路系統中，土壤先和水泵驅動的中間傳熱介質(水或添加防凍劑的水溶液)進行熱量交換，然后此中間介質再通過熱泵機組內置的中間換熱器和制冷劑進行熱量交換，實現供暖和制冷循環(huán)。直接式系統中省去中間換熱器和循環(huán)水泵，中間換熱器和埋地換熱器合二為一，土壤通過銅管埋地換熱器直接和制冷劑進行熱量交換。

和第二環(huán)路系統相比，直接式系統沒有中間換熱的熱力學損失和水泵耗功，系統更為簡單并且效率高，系統的能效比可以達到4.0～5.0。然而直接式土壤源熱泵系統要實現高效可靠的運行，在壓縮機的回油、制冷運行壓縮機的啟動、膨脹閥的振蕩現象、埋地銅管換熱器的設計、防腐和防泄漏、制熱和制冷運行需要的制冷劑充注量的差別等方面，需要進一步的改進和努力。

直接式系統的現有技術中，銅管埋地換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(銅管外表面無外肋片)和分路結構，即土壤和多個并聯的光滑銅管埋地換熱器支路進行熱交換。因此，系統制熱時通常采用一只熱力膨脹閥依據各銅管埋地換熱器支路混合后的總過熱度控制制冷劑的總流量，此同工質充注熱力膨脹閥后再接分液器，完成制冷劑在各埋地換熱器支路間的流量分配。經熱力膨脹閥節(jié)流后的制冷劑已經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、埋地換熱器的分路數、負荷、壓力損失、長度、位置和方向多個復雜參數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現長度和形狀完全相同，多參數影響的復雜性導致沒有準確的數學物理模型能正確指導分液器的合理設計，因此這類流量分配裝置的缺點是難以保證兩相流的均勻分液，若在安裝現場進行多次實驗來改進和驗證分液器的性能，會使設計效率大大降低。如果制冷劑分液器設計不合理，必將導致有的埋地換熱器支路出口制冷劑蒸氣過熱度極大(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)，而有的埋地換熱器出口制冷劑還未完全蒸發(fā)并帶液(其換熱面積過度利用，壓縮機可能發(fā)生液擊)，過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換熱器出口集管混合時也產生熱力學損失，結果是整個埋地換熱器的總換熱效率低下。有關實驗研究表明，制冷劑流量分配不當可能導致蒸發(fā)器的蒸發(fā)能力損失高達85％。

使用一只熱力膨脹閥對各支路出口的總過熱度調節(jié)的另一個缺點是系統容易產生振蕩現象。各銅管埋地換熱器支路長度較長，制熱運行當負荷變化時，熱力膨脹閥響應的延遲時間較長，通常超過1分鐘，延遲的結果會導致同工質充注熱力膨脹閥交替地突然開大或關小，這種振蕩現象會嚴重影響系統的效率和安全性。比如，當埋地換熱器出口的蒸氣過熱度所對應的感溫包壓力要求更多的制冷劑進入埋地換熱器時熱力膨脹閥會迅速開大，但提高了的制冷劑流量通過較長的銅管埋地換熱器管路可能要超過1分鐘才能到達其出口，在這段時間內若系統的熱負荷減少而不需要提高制冷劑流量，從而會導致埋地換熱器供液過多影響系統安全運行，當熱力膨脹閥開始關小時，滯后可能使熱力膨脹閥持續(xù)的關小，直到感溫包感受到出口過熱度過大。

此外，埋地換熱器換熱和土壤之間的傳熱量由傳熱面積、溫差和傳熱系數決定。現有技術為保證外表面光滑銅管埋地換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制熱運行時，埋地換熱器是蒸發(fā)器，制冷劑/水換熱器是冷凝器；制冷運行時，埋地換熱器是冷凝器，制冷劑/水換熱器是蒸發(fā)器，制冷系統內換熱器中制冷劑分布量約占系統總充注量的70％。由于直接式土壤源熱泵系統埋地換熱器管路較長，其內部容積較大，結果是系統制熱運行時需要的制冷劑充注量遠大于冬季制熱運行的制冷劑充注量(制冷時光滑銅管埋地換熱器作為系統冷凝器，因其內部容積大，需要的制冷劑較多)。目前的解決辦法是在系統中添加大容量的儲液器，當系統制熱運行時儲存系統中多余的制冷劑，這樣一方面使制冷劑充注量過多對環(huán)保不利(目前直接式系統中使用的制冷劑都對環(huán)境有一定影響，R22是臭氧層破壞氣體和溫室效應氣體，其替代制冷劑R407c、R410a和R134a雖不是臭氧層破壞氣體，但仍然是溫室效應氣體)，另一方面系統結構復雜并增加成本。

發(fā)明內容