CN201844484U - 一种直接式地源热泵空调系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种直接式地源热泵空调系统，包括压缩机、油分离器、四通换向阀、制冷剂/水换热器、空调侧水泵、风机盘管、地埋管换热器支路、气液分离器；压缩机的吸气管经气液分离器及其进气管与四通换向阀的其中一个接口相连；压缩机的排气管经油分离器也与四通换向阀的另一个接口相连；油分离器的回油管与压缩机的吸气管相连；四通换向阀的第三个接口与制冷剂/水换热器一端相连；地埋管换热器支路、经四通换向阀和气液分离器后与压缩机进口相连；换热器的水侧管路的一端与空调侧水泵相连，另一端与风机盘管相连。本实用新型实现了进入各埋地换热器支路制冷剂流量的均匀分配；防止了系统的振荡、解决了系统回油难的问题。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种直接式地源热泵空调系统，属于制冷和热泵技术领域，
背景技术
地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地源热泵系统和直接式地源热泵系统。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以上。然而直接式地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。
直接式地源热泵系统的现有技术中，使用一只热力膨胀阀对各支路出口的总过热度调节使系统容易产生振荡现象。各铜管地埋管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汽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。
只采用一只热力膨胀阀的另一个缺点是系统分液不均匀。采用一只热力膨胀阀依据各铜管地埋管换热器支路混合后的总过热度控制制冷剂的总流量，完成制冷剂在各地埋管换热器支路问的流量分配。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问的制冷剂分配量。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，必将导致有的地埋管换热器支路出口制冷剂蒸汽过热度极大，而有的埋地换热器出口制冷剂还未完全蒸发并带液，过热度大的制冷剂蒸汽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。
此外系统在冬季运行时，制冷剂与土壤进行换热的同时，由液态变为气态，而被制冷剂带入地埋管换热器中的润滑油则停留在地埋管底部，当制冷剂蒸汽流速较小时，润滑油不能被带回压缩机中，滞留在地埋管底部，随着系统运行，造成压缩机缺油甚至损坏压缩机。
实用新型内容
本实用新型要解决的问题是针对现有技术的不足，提供一种直接式地源热泵空调系统，能够实现进入各地埋管换热器支路制冷剂流量的均匀分配；防止系统的振荡、解决系统回油难的问题。
为了解决上述问题，本实用新型采用一下技术方案：
一种直接式地源热泵空调系统，包括压缩机、油分离器、四通换向阀、制冷剂/水换热器、空调侧水泵、风机盘管、地埋管换热器支路、气液分离器；压缩机的吸气管经气液分离器及其进气管与四通换向阀的其中一个接口相连；压缩机的排气管经油分离器也与四通换向阀的另一个接口相连；油分离器的回油管与压缩机的吸气管相连；四通换向阀的第三个接口与制冷剂/水换热器一端相连；地埋管换热器支路、、经四通换向阀和气液分离器后与压缩机进口相连；换热器的水侧管路的一端与空调侧水泵相连，另一端与风机盘管相连。
以下是本实用新型对上述方案的进一步改进：
所述制冷剂/水换热器的出管分成两路，一路依次连接有制热用单向阀、制热用干燥过滤器、制热用热力膨胀阀及毛细管；
另一路连接有制冷用单向阀、制冷用干燥过滤器、制冷用热力膨胀阀；
然后合成一路后，出口又分两路，其中一路连接有第一电磁阀，电磁阀与气液分离装置的进液管相连；
另一路连接有第二电磁阀，第二电磁阀连接有单向阀，第二电磁阀与单向阀的下游相连，然后合为一路与分液器相连。
进一步改进；
气液分离装置的蒸汽管与气液分离器的进气管连通，气液分离装置的出液口与单向阀的上游相连。
进一步改进；
所述各地埋管换热器支路的上升段分别设置S型回油弯，各个支路经S型回油弯后汇合于集气管，所述集气管与四通换向阀相连。
采用S型回油弯，使得油随制冷剂的流动和重力作用流向S型回油弯，S型回油弯内的油越集越多将管道完全堵死，S型回油弯后的管道会随着主机的运转压力越来越低，当低到S型回油弯前后的压差足以将S型回油弯内的油提升到最高点时，油就被提升到最高点，从而解决回油难的问题。这样一来，有利于提高整个系统在不同模式下的循环效率，同时也延长了压缩机的使用寿命。
本实用新型采用上述方案，系统制热运行时，毛细管与制热用膨胀阀的并联管路共同节流。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。
制热工况下，节流后的制冷剂，进入气液分离器进行分液，实现了进入各翅片铜管地埋管换热器支路制冷剂液体流量的均匀分配。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，进入分液器的各分液管分配进入各地埋管换热器支路的流量。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正比”的原则进行设计，就可实现了进入各翅片铜管地埋管换热器支路制冷剂液体流量的均匀分配。聚集在气液分离装置上部的制冷剂蒸汽经蒸汽管直接旁通至气液分离器的进气管处，与埋地换热器集气管流出的制冷剂蒸汽混和。
本实用新型实现了进入各地埋管换热器支路制冷剂流量的均匀分配；防止了系统的振荡、解决了系统回油难的问题。
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明：
附图说明
附图1为本实用新型实施例中直膨式地源热泵空调系统制热模式示意图；
附图2为本实用新型实施例中直膨式地源热泵空调系统制冷模式示意图。
图中：1-压缩机；2-油分离器；3-四通换向阀；4-制冷剂/水换热器；5-空调侧水泵；6-风机盘管；71-制热用单向阀；72-制冷用单向阀；81-制热用干燥过滤器；82-制冷用干燥过滤器；91-制热用热力膨胀阀；92-制冷用热力膨胀阀；10-毛细管；11-汽液分离装置；12-单向阀；13-集液管；141-第一电磁阀；142-第二电磁阀；151、152、153-地埋管换热器支路；161、162、163-S型回油弯；17-土壤；18-集气管；19-气液分离器。
具体实施方式
实施例，如图1所示，一种直接式地源热泵空调系统，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、风机盘管6、气液分离器19、气液分离装置11和地埋管换热器支路。
压缩机1的吸气管经气液分离器19及其进气管与四通换向阀3的一个接口相连，压缩机1的排气管经油分离器2也与四通换向阀3的一个接口相连；油分离器2的回油管与压缩机1的吸气管相连；四通换向阀的一个接口与制冷剂/水换热器4一端相连。
从制冷剂/水换热器4的出来后，分成两路，一路与制冷用膨胀阀92、制冷用干燥过滤器82及制冷用单向阀72相连，另一路与制热用单向阀71、制热用膨胀阀81、制热用膨胀阀91和毛细管10的并联分支路相连，之后两路合成一路；再分为两路，一路与第二电磁阀142相连，一路与第一电磁阀141相连，第一电磁阀141与气液分离装置11的进液管相连，第二电磁阀142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的蒸汽管与气液分离器19的进气管连通，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的各分液管与地地埋管换热器支路151、地埋管换热器支路152、地埋管换热器支路153相连，地埋管换热器支路151的上升段设有S型回油弯161、地埋管换热器支路152的上升段设有S型回油弯162、地埋管换热器支路153的上升段设有S型回油弯163，各地埋管换热器支路汇合于集气管18，集气管18与四通换向阀一个接口相连；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。
制热时，被压缩机1压缩成高温高压的制冷剂过热蒸汽从压缩机1的排气管排出，经油分离器2分离出制冷剂蒸汽中夹带的润滑油，润滑油依靠压差经回油管返回压缩机吸气管，被压缩机1吸入，制冷剂蒸汽则进入四通阀后，进入换热器4中，向水释放出冷凝热而成为制冷剂液体。
因制冷用单向阀的阻挡，制冷剂不会流入制冷用单向阀72所在管路，只能进入制热用单向阀71的管路，经毛细管10与制热用膨胀阀91的并联管路共同节流。毛细管进行流量调节的实质是冷凝器出口的过冷度调节。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。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。
第一电磁阀141打开，第二电磁阀142关闭，节流后的两相制冷剂只流入第二电磁阀142所在管路，再进入气液分离装置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项部。制冷剂液体从气液分离装置11底部的出液口流出后，进入分液器13，依据地埋管换热器支路151、地埋管换热器支路152和地埋管换热器支路153的尺寸和结构计算其阻抗，则分液器13的分液管的内径按照“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，从而实现了进入地埋管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上部的制冷剂蒸汽经蒸汽管直接旁通至气液分离器19，与集气管18流出的制冷剂蒸汽混和。
在每个地埋管换热器支路中，制冷剂在地埋管换热器支路151、地埋管换热器支路152、地埋管换热器支路153中吸收土壤热量而蒸发。油随制冷剂的流动和重力作用流向回油弯，回油弯内的油越集越多将管道完全堵死，回油弯后的管道回随着主机的运转压力越来越低，当低到回油弯前后的压差足以将回油弯内的油提升到最高点时，油就被提升到最高点，从而解决回油难的问题。这样一来，有利于提高整个系统在不同模式下的循环效率，同时也延长了压缩机的使用寿命。
生成的制冷剂蒸汽经S型回油弯161、S型回油弯162、S型回油弯163后，汇合于集气管18，再依次经四通换向阀3后，进入气液分离器19，进入压缩机1被压缩成高温高压的过热蒸汽，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，经空调侧水泵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。
制冷模式
如图2所示，制冷时，启动压缩机1，高温高压的制冷剂过热蒸汽从压缩机的排气管排出，经油分离器2分离出制冷剂蒸汽中夹带的润滑油，润滑油依靠压差经回油管返回压缩机吸气被压缩机1吸入。制冷剂蒸汽依次经四通换向阀，进入集气管18，流入地埋管换热器支路151、换热器支路152、换热器支路153，向土壤17放出热量而冷凝，汇合于集液管13。
而后制冷剂液体依次流入制冷用单向阀72、制冷干燥过滤器82、制冷用膨胀阀92，制冷用热力膨胀阀92的感温包感受换热器4出口的蒸汽过热度实现节流，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汽依次进入四通换向阀3和气液分离器19，经压缩机吸气管进入压缩机1被压缩成高温高压的过热蒸汽，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空调侧水泵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)
1.一种直接式地源热泵空调系统，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)、空调侧水泵(5)、风机盘管(6)、地埋管换热器支路(151、152、153)、气液分离器(19)；其特征在于：
压缩机(1)的吸气管经气液分离器(19)及其进气管与四通换向阀(3)的其中一个接口相连；
压缩机(1)的排气管经油分离器(2)也与四通换向阀(3)的另一个接口相连；
油分离器(2)的回油管与压缩机(1)的吸气管相连；
四通换向阀的第三个接口与制冷剂/水换热器(4)一端相连；
地埋管换热器支路(151、152、153)经四通换向阀(3)和气液分离器(19)后与压缩机进口相连；
制冷剂/水换热器(4)的水侧管路的一端与空调侧水泵(5)相连，另一端与风机盘管(6)相连。
2.根据权利要求1所述的一种直接式地源热泵空调系统，其特征在于：所述制冷剂/水换热器(4)的出管分成两路，一路依次连接有制热用单向阀(71)、制热用干燥过滤器(81)、制热用热力膨胀阀(91)及毛细管(10)；
另一路连接有制冷用单向阀(72)、制冷用干燥过滤器(82)、制冷用热力膨胀阀(92)；
然后合成一路后，出口又分两路，其中一路连接有第一电磁阀(141)，电磁阀(141)与气液分离装置(11)的进液管相连；
另一路连接有第二电磁阀(142)，第二电磁阀(142)连接有单向阀(12)，第二电磁阀(142)与单向阀(12)的下游相连，然后合为一路与分液器(13)相连。
3.根据权利要求1所述的一种直接式地源热泵空调系统，其特征在于：气液分离装置(11)的蒸汽管与气液分离器(19)的进气管连通，气液分离装置(11)的出液口与单向阀(12)的上游相连。
4.根据权利要求1所述的一种直接式地源热泵空调系统，其特征在于：所述各地埋管换热器支路的上升段分别设置S型回油弯，各个支路经S型回油弯后汇合于集气管(18)，所述集气管(18)与四通换向阀(3)相连。
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Owner name: SHANDONG HONGLI AIR CONDITIONING EQUIPMENT CO., LT Free format text: FORMER OWNER: YU KUIMING Effective date: 20110811 |
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Effective date of registration: 20110811 Address after: 261041 Shandong city of Weifang province high tech Zone Hui Middle Road Patentee after: Shandong Hongli Air-Conditioning Equipment Co., Ltd. Address before: 261041 Shandong city of Weifang province high tech Zone Hui Yin Road Middle Shandong Hongli air conditioning equipment Co. Ltd. Patentee before: Yu Kuiming |
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