专利名称：一种地源热管热泵空调的制作方法
技术领域：
本发明给出一种地源热管热泵空调，属于机械工程领域，特别是属于制热制冷联合空调系统F25B领域。
背景技术：
空气源热泵空调是目前应用最广、技术最成熟的空调系统。其优点是价格低廉、安装容易、使用方便。其缺点是在寒冷地区冬天制热效率较低，无法替代供暖系统。地源热泵空调是新发展起来的一种节能空调系统。其优点是高效节能，既适应夏天制冷降温，又适用用冬天制热供暖。其缺点是系统复杂、造价高、安装困难，只适用整个小区安装，不适用单个家庭安装。地源热泵空调的地下部分就相当于传统热泵空调的外机部分，地下一定深度的土壤(地下水)温度随大气温度变化很小，基本上保持在13°C 15°C，这就不用考虑传统空调室外机必须考虑的温差问题，可以充分利用地源能。地源热泵是以地源能(土壤、地下水、地表水、低温地热水)作为热泵空调系统的能源，实现冬季可以取暖，夏季可以降温的节约型能源。它是可以取代传统热泵空调的一种有效途径。地源热泵系统主要由三种部分组成室外热泵系统、热泵机组和室内控温末端装置。地源热泵系统可以根据其室外地源热泵系统的不同分为土壤埋管式、地下水式和地表水式。土壤埋管式热泵系统有一个土壤耦合地热交换器，或水平安装在地沟中，或以U形管状垂直安装在竖井中，深度达到地表恒温层以下。通过中间介质(水或者加入防冻剂的水)作为热载体，在热交换器中循环流动从而实现冬天取热夏天制冷。这种系统的不足之处是需要大型循环泵把热介质送入地下换热器中，功耗很大；而且这种系统只适合用于大型建筑物(像整个居民楼、大型建筑物等)的室内控温，对单个中小型用户来说就很浪费能源。地下水系统是通过建造抽水井群，将地下水抽出，通过二次换热或直接送至水源热泵组，经提取热量或释放热量后，送回地下。不足之处是需要抽取地下水，容易形成地漏，不但破坏了地下水系统，还可能造成地面塌陷，对建筑物地基有一定的威胁，而且这种系统在缺水的地方是不能使用的。地表水热泵系统由潜在水面以下的多重并联的塑料管组成的地下水热交换器，取代了土壤热交换器，它们被连接到建筑物中的控温系统中，由于是利用自然水作为控温能源，在北方地区需要防冻处理。缺点是受到地域限制，只能是非常靠近水源的地方才能使用。 发明内容为了克服家用普通式热泵空调系统必须除霜的不足，以及目前现有各种地源热能空调的缺点，本发明的目的在于提供一种现有热泵空调和地源热能空调的结合型地源空调。[0010]该空调系统利用热管从地下恒温层提取能量，不需要传统热泵空调的室外机部分，而是使用地源空调技术，采用地下热管部分替代了热泵空调的室外机，这样不仅把传统空调的室外风扇所耗能源节省下来，而且还解决了冬天制热时必须除霜的大量能耗问题。相比普通地源热泵空调该空调系统不需要大型的循环泵来带动大量换热介质的来回循环，这样和现有地源热泵空调相比节省了功耗；且热管内采用的工作介质对地下热管没有腐蚀性，故地下热管可以长期使用；同时克服了常规地源热泵系统地下换热管较长、载冷剂流动阻力较大等缺点；另外整个地下系统是密闭型空间，不用担心冷凝剂的外漏和对地下土壤及地下水的危害，健康环保；由于在热管内发生的是气--液相变换热，其热流密度远高于常规地下换热管内单相换热的热流密度，这也就决定了不用很大的地下系统， 根据需求可控制地下热管横截面积和深度，这样就可以满足大中小型不同用户需求，从而再次提高了换热效率，间接节省了能源。地面下0nT7m左右叫做变温层(随地域变化深度有一些改变)，在这个层面土壤温度随着大气温度的变化而变化，而7m以下的土层由于随大气温度变化影响比较小，全年基本上都在13°C 15°C，叫做恒温层。所述该控温系统的地下导热管深度应达到地下恒温层，在深度达到地下恒温层的导热管外围镶套导热翅片后填埋导热介质，处于地表变温层的地下导热管外围填埋绝热介质，地下导热管内部放置液态冷凝剂，这样既保证液态冷凝剂在粗导管底部的吸热(放热)能力，也减少了冷凝剂在上升或者下降过程中降温(吸热)造成的能量损耗。室内温度需要提高时，该空调系统可提供两种升温方式第一种是热管节能式制热工作。开启该种工作模式后，利用中心控制系统控制气路三通阀、液泵三通阀和节流三通阀使压缩机支路、液泵和节流组件处于断路状态，而压缩机庞统支路、液泵旁通支路和节流旁通支路导通。地下热交换器中液态冷凝剂在地下吸收热量成为气态，由气体自身的性质上升到气体回路，经过气路三通阀和压缩机旁通支路进入地上热交换器的导气管中，然后分散到各个导热管支管内，在换热风扇的辅助下，气态冷凝剂通过多根并联竖直的导热管支管散热提高室内温度，散热后的气态冷凝剂变成液态，液态冷凝剂由自身重力作用落入地上热交换器的导液管中，再通过导液管流出，进入液体回路，分别经过储液罐、节流旁通支路、节流三通阀、液泵旁通支路和液泵三通阀进入地下热交换器中，液态冷凝剂通过地下热交换器的导液管落入地下导热管底部，这样节能式热管制热循环完成。第二种热泵式制热工作方式。在室内温度还需提高时，即可开启该种工作模式，利用中心控制系统控制气路三通阀、液泵三通阀和节流三通阀使压缩机支路、液泵旁通支路和节流阀组件处于通路状态，压缩机旁通支路、液泵、节流旁通支路处于断路状态。利用控制系统改变压缩机附件四通阀出气方向，压缩机加大气态冷凝剂压力和温度，经过提温加压的气态冷凝剂进入地上热交换器，在铝箔翅片组和换热风扇的辅助下，通过多根并联竖直的导热管支管散热提高室内温度，散热后的气态冷凝剂变成液态，液态冷凝剂由自身重力作用落入地上热交换器的导液管中，再通过导液管流入到液体回路，经过储液罐、单向阀和过滤干燥器后在膨胀阀处节流，然后流经节流三通阀、液泵旁通支路和液泵三通阀后进入地下热交换器，又从地下热交换器的导液管流回地下导热管中，液态冷凝剂在地下导热管中吸热变成气态进入下次循环。[0016]在这种为环境制热的工作状态下，上热交换器中的冷凝剂液面通过储液罐内的液位控制器和中心控制系统实现自动控制，使液位一直处于地上热交换器的导液管内，即满气工作状态，而地下导热管中的液态冷凝剂液位控制在恒温层以上，这样不仅可以增大液态冷凝剂与地下恒温层的接触面积，提高冷凝剂的吸热速率，而且还增加地上热交换器中气态冷凝剂的散热区域。室内温度需要降低时，该空调可提供两种降温方式第一种是节 能型热管制冷工作。开启该种工作模式后，利用中心控制系统控制气路三通阀、液泵三通阀和节流三通阀使压缩机支路、液泵旁通支路和节流组件处于断路状态，压缩机旁通支路、液泵和节流旁通支路处于通路状态。通过液体回路中液泵提供的动力带动地下热交换器中的液态冷凝剂通过地下导液管向地面流动，经过液泵三通阀、液泵、节流三通阀、节流旁通支路和储液罐后进入地上热交换器的导液管，然后分散到各个导热管支管中，液态冷凝剂在各个导热管支管中吸收室内热量变成气态，而吸热后变成气态的冷凝剂通过液态冷凝剂不断移动提供的动力和气体自身不断膨胀的压力驱动下向地下移动，经过压缩机旁通支路和气路三通阀进入地下导热管中，气态冷凝剂通过地下导热管散热冷却又变回液态冷凝剂落入地下导热管底部，进入下次循环。第二种为热泵式制冷模式。在室内消耗功率过高的情况下，即可开启该种工作模式，利用中心控制系统控制气路三通阀、液泵三通阀和节流三通阀使压缩机支路、液泵旁通支路和节流组件处于通路状态，压缩机旁通支路、液泵和节流旁通支路处于断路状态。利用控制系统改变压缩机附件四通阀的出气方向，气体回路中的压缩机带动气态冷凝剂向地下导热管运动，高温气态冷凝剂在地下恒温层被冷却变成液态冷凝剂，而液态冷凝剂在压缩机提供的压力下上升，经过液泵三通阀、液泵旁通支路、节流三通阀、单向阀和干燥过滤器后，根据感温包传递的温度信息，液态冷凝剂在膨胀阀中进行适当节流后进入地上热交换器，液态冷凝剂在地面换热器的导热管支管中汽化时吸收室内热量，从而调控室内温度。在这种为环境制冷工作状态下，地上热交换器中的冷凝剂液面通过储液罐内的液位控制器和中心控制系统实现自动控制，使液位一直处于地上热交换器导气管内，即满液工作状态，大部分冷凝剂都在导热管各个支管中，而地下中的液态冷凝剂剩余很少，这样不仅可以增大室内换热器中液态冷凝剂吸热面积，而且还增加地下气态冷凝剂和地下恒温层的接触面积，加大散热效率。在热管式制冷工作过程中，如果因工作环境过高而使液态冷凝剂在节流前气化，可采用两种方法解决。第一种是把液泵换成地下防水液泵安装在地下，和地下防水液泵并联的还有个联通阀，即当防水液泵工作时联通阀关闭，当防水液泵停止时联通阀打开，这种方式就解决了因液泵在地面输送液体冷凝剂时在导液管内产生的压降；另一种解决办法是在地下热交换器中安装过冷装置，过冷装置是由毛细管、过冷管道、过冷盘管和过冷压缩机组成，过冷盘管放在地下热交换器导热管底部，过冷压缩机安装在地面，过冷盘管的一端安装节流装置毛细管，另一端通过过冷管道连接压缩机，压缩机的出口处接入气体回路，这样就组成了一个微型冷凝器，而压缩机和液体回路中的液泵有中心控制系统控制同起同停，防止液态冷凝剂在节流前气化。本发明的地下热交换器可以直接埋入地下恒温层，也可以增加一个辅助传热管；辅助传热管为一个埋入地下的下端密封的直径大于地下热交换器的金属或塑料管，管内充满水或导热液体，地下热交换器置入辅助传热管内，这样算是增加了传热面积，提高工作效率。中心控制系统的温度检测部分可以检测室内温度的变化，从而自动从四种工作系统中选择所需要的工作状态，完成全自动控制，也可以通过人工手动控制调节工作状态，以满足用户需要为准。
图I为本发明地源热管热泵空调的整体结构实施图；图2是所述空调地下热交换器的结构放大图； 图3是所述空调地上热交换器的结构放大图；图4是所述空调气体回路放大图；图5是所述空调液体回路放大图；图6是所述空调液体回路中节流组件放大图；图7是热管节能式制热工作循环图；图8是热泵式制热工作循环图；图9是热管节能式制冷工作循环图；图10是热泵式制冷工作循环图；图11是液泵安装在地下时结构实施图；图12是地下热交换器安装过冷装置的结构实施图；图13是地下热交换器安装外壳的实施图；图标注释(100)、地下热交换器；(200)、地上热交换器；(300)、气体回路；(400)、液体回路；(I)、地表变温层；(2)、地下恒温层；(101)、地下导热管；(102)、绝热介质；(103)、导热介质；(104)、导热翅片；(105)、导液管绝热层；(106)、地下导液管；(107)、地下导气管；(108)、辅助传热管；(109)、水(导热液体)；(110)、地下防水液泵；(111)、联通阀;(201)、导热管；(202)、导气管；(203)、导液管；(204)、铝箔翅片组；(205)、换热风扇；(206)、液面位置；(301)、气路三通阀；(302)、压缩机旁通支路；(303)、压缩机支路；(304)、下部主导气管；(305)、上部主导气管；(331)、压缩机；(332)、四通阀；(333)、感温包；(334)、气液分离器；(401)、液泵三通阀；(402)、液泵；(403)、液泵旁通支路；(404)、节流三通阀；(405)、节流组件；(406)、节流旁通支路；(407)、储液罐；(408)、上部主导液管；(409)、下部主导液管；(451)、单向阀；(452)、干燥过滤器；(453)、膨胀阀；(454)、膨胀阀；(455)、干燥过滤器；(456)、单向阀；(501)、毛细管；(502)、过冷管；(503)、过冷盘管、(504)、过冷压缩机。
具体实施方式
室内温度需要提高时，该空调系统可提供两种升温方式第一种是热管节能式制热工作，如图7所示。开启该种工作模式后，利用中心控制系统控制气路三通阀(301)、液泵三通阀(401)和节流三通阀(404)使压缩机支路(303)、液泵(402 )和节流组件(405 )处于断路状态，而压缩机旁通支路(302 )、液泵旁通支路(403 )和节流旁通支路(406)导通。地下热交换器(100)中液态冷凝剂在地下吸收热量成为气态，由气体自身的性质上升到气体回路(300)，经过气路三通阀(301)和压缩机旁通支路(302)进入地上热交换器(200)的导气管(202)中，然后分散到各个导热管支管(201)内，在铝箔翅片组(204)和换热风扇(205)的辅助下，气态冷凝剂通过多根并联竖直的导热管支管(201)散热提高室内温度，散热后的气态冷凝剂变成液态，液态冷凝剂由自身重力作用落入地上热交换器(200)的导液管(203)中，再通过导液管(203)流出，进入液体回路(400)，分别经过储液罐(407)、节流旁通支路(406)、节流三通阀(404)、液泵旁通支路(403)和液泵三通阀(401)进入地下热交换器(100)中，液态冷凝剂通过地下热交换器(100)的导液管(106)落入地下导热管(101)底部，这样节能式热管制热循环完成。第二种热泵式制热工作方式，如图8所示。在室内温度还需提高时，即可开启该种工作模式，利用中心控制系统控制气路三通阀(301)、液泵三通阀(401)和节流三通阀(404 )使压缩机支路(303 )、液泵旁通支路(403 )和节流阀组件(405 )处于通路状态，压缩机 旁通支路(302)、液泵(402)、节流旁通支路(406)处于断路状态。利用控制系统改变压缩机(331)附件四通阀(332)出气方向，压缩机(331)加大气态冷凝剂压力和温度，经过提温加压的气态冷凝剂进入地上热交换器(200 )，在铝箔翅片组(204 )和换热风扇(205 )的辅助下，通过多根并联竖直的导热管支管(201)散热提高室内温度，散热后的气态冷凝剂变成液态，液态冷凝剂由自身重力作用落入地上热交换器(200)的导液管(203)中，再通过导液管(203)流入到液体回路(400)，经过储液罐(407)、单向阀(451)和过滤干燥器(452)后在膨胀阀(453 )处节流，然后流经节流三通阀(404 )、液泵旁通支路(403 )和液泵三通阀(401)后进入地下热交换器(100)，又从地下热交换器(100)的导液管(106)流回地下导热管(101)中，液态冷凝剂在地下导热管(101)中吸热变成气态进入下次循环。在这种为环境制热的工作状态下，地上热交换器中的冷凝剂液面(206)通过储液罐(407)内的液位控制器和中心控制系统实现自动控制,使液位一直处于地上热交换器(200)的导液管(203)内，即满气工作状态，而地下导热管(101)中的液态冷凝剂液位控制在恒温层(2)以上，这样不仅可以增大液态冷凝剂与地下恒温层(2)的接触面积，提高冷凝剂的吸热速率，而且还增加地上热交换器(200)中气态冷凝剂的散热区域。室内温度需要降低时，该空调可提供两种降温方式第一种是节能型热管制冷工作，如图9所示。开启该种工作模式后，利用中心控制系统控制气路三通阀(301)、液泵三通阀(401)和节流三通阀(404 )使压缩机支路(303 )、液泵旁通支路(403 )和节流组件(405 )处于断路状态，压缩机旁通支路(302 )、液泵(402 )和节流旁通支路(406)处于通路状态。通过液体回路(400)中液泵(402)提供的动力带动地下热交换器(100)中的液态冷凝剂通过地下导液管(106)向地面流动，经过液泵三通阀(401)、液泵(402)、节流三通阀(404)、节流旁通支路(406)和储液罐(407)后进入地上热交换器(200)的导液管(203)，然后分散到各个导热管支管(201)中，液态冷凝剂在各个导热管支管(201)中吸收室内热量变成气态，而吸热后变成气态的冷凝剂通过液态冷凝剂不断移动提供的动力和气体自身不断膨胀的压力驱动下向地下移动，经过压缩机旁通支路(302)和气路三通阀(301)进入地下导热管(101)中，气态冷凝剂通过地下导热管(101)散热冷却又变回液态冷凝剂落入地下导热管(101)底部，进入下次循环。第二种为热泵式制冷模式，如图10所示。在室内消耗功率过高的情况下，即可开启该种工作模式，利用中心控制系统控制气路三通阀(301)、液泵三通阀(401)和节流三通阀(404 )使压缩机支路(303 )、液泵旁通支路(403 )和节流组件(405 )处于通路状态，压缩机旁通支路(302)、液泵( 402)和节流旁通支路(406)处于断路状态。利用控制系统改变压缩机(331)附件四通阀(332)的出气方向，气体回路(300)中的压缩机(331)带动气态冷凝剂向地下导热管(201)运动，高温气态冷凝剂在地下恒温层(2 )被冷却变成液态冷凝剂，而液态冷凝剂在压缩机(331)提供的压力下上升，经过液泵三通阀(401)、液泵旁通支路(403)、节流三通阀(404)、单向阀(456)和干燥过滤器(455)后，根据感温包(333)传递的温度信息，液态冷凝剂在膨胀阀(454 )中进行适当节流后进入地上热交换器(200 )，液态冷凝剂在地面换热器(200)的导热管支管(201)中汽化时吸收室内热量，从而调控室内温度。在这种为环境制冷工作状态下，地上热交换器中的冷凝剂液面(206)通过储液罐(407 )内的液位控制器和中心控制系统实现自动控制，使液位一直处于地上热交换器(200 )的导气管(202)内，即满液工作状态，大部分冷凝剂都在导热管(201)各个支管中，而地下热交换器(100)中地下导热管(101)的液态冷凝剂剩余很少，这样不仅可以增大地面换热器(200)中液态冷凝剂吸热面积，而且还增加地下气态冷凝剂和地下恒温层(2)的接触面积，加大散热效率。在热管式制冷工作过程中，如果因工作环境过高而使液态冷凝剂在节流前气化，可采用两种方法解决。第一种是把液泵(402)换成地下防水液泵(110)安装在地下，如图11所示，和地下防水液泵(110)并联的还有个联通阀(111)，即当防水液泵(110)工作时联通阀(111)关闭，当防水液泵(110)停止时联通阀(111)打开，这种方式就解决了因液泵(402)放在地面输送液体冷凝剂时在导液管(106)内产生的压降；另一种解决办法是在地下热交换器(100)中安装过冷装置，如图十二所示，过冷装置是由毛细管(501)、过冷管道(502)、过冷盘管(503)和过冷压缩机(504)组成，过冷盘管(503)放在地下热交换器(100)的地下导热管(101)底部，过冷压缩机(504)安装在地面，过冷盘管(503)的一端安装节流装置毛细管(501 )，另一端通过过冷管道(502 )连接过冷压缩机(504 )，过冷压缩机(504 )的出口处接入气体回路(300)的下部主导气管(304)上，这样就组成了一个微型冷凝器，而过冷压缩机(504 )和液体回路(400 )中的液泵(402 )有中心控制系统控制同起同停，防止液态冷凝剂在节流前气化。本发明的地下热交换器(100)可以直接埋入地下恒温层2，也可以增加一个辅助传热管(108)，如图13所示；辅助传热管(108)为一个埋入地下的下端密封的直径大于地下热交换器(100)的金属或塑料管,管内充满水(导热液体)(109),地下热交换器(100)置入辅助传热管(108)内，这样算是增加了传热面积，提高工作效率。中心控制系统的温度检测部分可以检测室内温度的变化，从而自动从四种工作系统中选择所需要的工作状态，完成全自动控制，也可以通过人工手动控制调节工作状态，以满足用户需要为准。
权利要求1.一种地源热管热泵空调，其特征是，它由地下热交换器、地上热交换器、气体回路、液体回路和控制系统五部分构成；所述地下热交换器由地下导热管、辅助导热组件、地下导液管、辅助导液组件和地下导气管构成，地下热交换管下端连接地下导液管，上端连接地下导气管，地下导热管埋入地下恒温层，可以跟地下恒温层发生热交换；所述地面热交换器由导热管、铝箔翅片组和换热风扇构成，导热管包括多根相互并联导热管支管，导热管上部连接导气管，导热管下端连接导液管；所述气体回路由上下主导气管、气路三通阀、压缩机支路和旁通支路构成，压缩机支路包括压缩机、感温包、气液分离器、滤油装置和换向四通阀，上下主导气管分别连接地上热交换器的导气管和地下热交换器的导气管；液体回路由上下主导液管、液泵、液泵三通阀、液泵旁通支管、节流组件、节流三通阀、节流旁通支管和储液罐构成，节流组件包括两个膨胀阀、两个干燥过滤器和两个单向阀，上下主导液管分别连接地上热交换器的导液管和地下热交换器的导液管；地下热交换器、气体回路、地上热交换器、液体回路共同构成封闭制冷循环回路，回路内充有制冷剂；控制系统由传感器、控制芯片、手动和遥控输入装置、显示装置、电子开关构成，传感器包括多个温度传感器、多个压力传感器和多个液位传感器，压缩机、液泵、换热风扇和各个电磁阀都对应有电子开关，控制芯片根据人为输入指令和传感器参数来控制电子开关，从而控制空调的工作模式。
2.根据权利要求I给出的一种地源热管热泵空调，其特征是，所述地下热交换器可以有两种结构形式一种是地下热交换器的导热管和导气管较粗，导液管设置在热交换管和导气管的内部；另一种是地下热交换器的导热管和导气管较细，导液管平行的设置在热交换管和导气管的外部。
3.根据权利要求I给出的一种地源热管热泵空调，其特征是，所述地下热交换器可以直接埋入地下恒温层，也可以增加一个辅助传热管；辅助传热管为一个埋入地下的下端密封的直径大于地下热交换器的金属或塑料管，管内充满水或导热液体，地下热交换器置入辅助传热管内。
4.根据权利要求I给出的一种地源热管热泵空调，其特征是，所述液泵可以设置在地下热交换器的下端，也可以设置在地上；当液泵设置在地下热交换器的下端时，不需增加辅助装置液泵就可把液态制冷剂压出地面；当液泵设置在地上时，地下导液管的内压小于地下导热管的内压，需要增加制冷剂过冷装置才能避免地下导液管内的液态制冷剂的蒸发沸腾，同时地下导液管外要设绝热层；过冷装置由过冷节流阀、过冷管、过冷压缩机三部分构成，过冷节流阀安装在地下热交换器下端，过冷压缩机安装在地上，过冷管连接节流阀和过冷压缩机，过冷管下端直接浸入制冷液并对制冷液进行冷却，使其低于临界温度达到过冷状态。
5.根据权利要求I给出的一种地源热管热泵空调，其特征是，所述地下热交换器可以是独立的一个，也可以是多个地下热交换器并联组成一个大的地下热交换器。
6.根据权利要求I给出的一种地源热管热泵空调，其特征是，所述地上热交换器可以是独立的一个，也可以是多个地上热交换器并联，从而组成一个中央空调系统。
专利摘要本实用新型提供一种地源热管热泵空调，它由地下热交换器、地上热交换器、气体回路、液体回路和控制系统五部分构成；所述地下热交换器由地下导热管、辅助导热组件、地下导液管、辅助导液组件和地下导气管构成，地下热交换管下端连接地下导液管，上端连接地下导气管，地下导热管埋入地下恒温层，可以跟地下恒温层发生热交换，以实现不用破坏地层环境下制冷或制热功能。这种地源热管热泵空调具有热泵制冷、热管制冷、热泵制热、热管制热四种工作模式，是一种理想的节能空调系统。
文档编号F25B30/06GK202419820SQ201120387900
公开日2012年9月5日 申请日期2011年10月13日 优先权日2011年10月13日
发明者丁式平, 祝长宇 申请人:北京德能恒信科技有限公司