地源热泵专用机组

  地源热泵专用机组就是根据土壤换热器的性能而专门设计的一种与土壤换热器配套使用的热泵机组。

 

  机组的设计原则：一是提高机组的能效比，做到运行高效节能；二是扩大机组进出液温度的范围（提高机组最高允许进液温度和降低最低进液温度），保证机组安全可靠的运行。

 

  热泵机组的工作原理和制冷机组是一致的。这些机组都是由压缩机冷凝器、节流装置和蒸发器四部分组成，通过管路连接，形成一个闭环系统。压缩机起输送制冷剂蒸汽的作用，在冷凝器内，高温、高压制冷剂蒸汽与冷媒进行热交换而被冷凝成液体，液体经调节装置降压后进入蒸发器，在蒸发器内吸收被冷却物体的热量而汽化，制冷剂蒸汽被压缩机吸走，即完成了压缩、冷凝、节流、蒸发四个过程的一个流程。在小型空调器中，制冷和制热运行，只是通过一个换向阀把蒸发器和冷凝器调换来进行工作的

 

  此热泵机组的特点有：

 

  先进的控制系统

 

  机组使用先进的微电脑控制系统，功能强大，运行可靠，并且可以将机组运行调节到最佳状态。

 

  运行可靠，寿命较长机组釆用名牌压缩机，名牌部件，运行平稳安静，运动部件少，保养、维修工作量少，寿命较长。

 

  环保节能

 

  机组在运行过程中噪音低，不破坏和污染水资源，不释放任何对环境有害的排泄物，卫生可靠不形成病源传染。因土壤温度相对恒定，所以机组运行稳定，效较高。

 

  应用范围广

 

  机组利用土壤热，使用不受地下水限制，无论有无地下水均可使用，模块机组调节灵活，占地面积省。

 

  压缩机

 

  在压缩蒸汽热泵机组中最主要的组成部分是压缩机，压缩机是用来压缩和传输制冷剂蒸汽的。压缩机的型式主要有活塞式、离心式、滑板式、滚动式、螺杆式和涡旋式。目前，土壤源热泵专用机组应用比较广泛的是涡旋式和螺杆式。这两种压缩机由于它的运动部件只作旋转运动，机器的动平衡性好，运动时几乎没有振动。密封性能好，容积效率高，而且对湿行程不敏感。此形式的压缩机具有体积小、重量轻、零件数量少、结构简单、运行可靠、适应温度范围广等特点，即便在较高压力比和较低蒸发温度等状态下输气系数仍很高。

 

  柔性变容量技术调节压缩机运行负载，节能效果比较显著，柔性螺杆压缩机分四段(25%、50%、75%、100%)容量调节，压缩机从25%容量开始启动，启动电流很小，避免对电网的冲击。温度传感器检测机组出水温度，当上载温度条件满足时，压缩机容量逐级上载，直到100%。当出水温度达到设定要求时，机组开始卸载，直到停机。柔性涡旋压缩机从10%?100%容量无级调节，节能效果更佳。

 

  为了达到高能效比、高可靠性和低噪声，压缩机内都要注入高低温特性优良、热稳定性好、耐负荷性高的冷冻机油，它的作用如下：

 

  增加润滑效果，降低机械磨损和振动；

 

  吸收摩擦热，起冷却作用；

 

  防止制冷剂泄漏，起密封作用；

 

  保护电动机，起绝缘作用；

 

  保护金属部分，起防锈作用。

 

  压缩机回油控制有以下几项措施：

 

  气液分离器

 

  ①热泵机组中釆用气液分离器，可存储一定的制冷剂，防止过剩的液体制冷剂被吸入压缩机；

 

  ②热泵机组在运行时，气液分离器可防止制冷剂的液体沉积在压缩机内使冷冻液稀释；

 

  ③气液分离器可保证经分离出的冷冻油回到压缩机内；

 

  ④气液分离器有一定容积密度，防止因过湿运转，造成压缩机的损坏。

 

  回油器

 

  在压缩机制冷系统中，目前都是注入润滑油来润滑压缩机。压缩机在运转时，排气温度高达90?140C，会将一部分润滑油汽化，而随制冷剂气体进入制冷系统。油分离器不能百分之百将油分离。少量的润滑油进冷凝器和蒸发器，产生油膜，使热阻增大，导热系数减小，造成寒热效果降低，冷凝温度升高，蒸发温度降低，制冷量下降，能耗增加。

 

  当热泵系统内的配管较长或换热器与压缩机垂直位差较大时，为了能使冷冻油回到压缩机油箱内，在垂直管道内作S形状的弯曲管道，即回油弯。在压缩机压缩高温制冷剂气体时，冷冻油和气态制冷剂是分离的。通过高速流动的气体将液体的冷冻油沿管道壁面带到一定的高度，这部分冷冻油逐渐积累在集油器的弯道内将管路流通截面减少，这样制冷剂气流速度加大，从而将集流器内的部分冷冻油带走。

 

  回油运行保护

 

  制冷剂的注入可分多次小剂量，确保每次充注制冷剂量不超过气液分离器的有效容积量，决不可将液体制冷剂充注至压缩机的高压侧，只允许制冷剂的气态缓缓吸入低压侧。将液体制冷剂直接从压缩机的高压侧注入会导致制冷剂流入压缩机油箱，这样是很危险的。

 

  最小运行时间的控制也就是压缩机在1小时内允许的启停频率。通常在压缩机的储油腔内，冷冻油溶有一定量的制冷剂。压缩机启动时，由于压力突然下降，导致溶解于冷冻油的制冷剂挥发沸腾，带动油液翻腾，由于油的粘度低和泡沬，易导致压缩机轴套烧损。

 

  压缩机的预热。在压缩机底部安装加热器，在停机时对储油腔通电加热，使气温提高，以便制冷剂分离出来。

 

  衡量压缩机质量的标志之一是输气系数。在选用压缩机时，要认真阅读产品技术数据，已经购入的压缩机在使用过程中，影响输气系数的最重要因素是压缩比（排气压力/吸气压力）。排气压力可视为冷凝压力，吸气压力可视为蒸发压力。因此，对于地耦管土壤换热器地源热泵专用机组最为重要的是冷凝器和蒸发器的设计和制作。

 

  热交换器

 

  对热交换的一般要求是：传热性能要好，热交换器内制冷剂和冷媒介质的流动阻力要小，结构紧凑，加工简单，维护方便。换热器有板式换热器、套管式换热器、壳管式换热器等形式。

 

  1、冷凝器：

 

  冷凝器是制冷装置的主要换热设备，在冷凝器中实现对制冷剂气体的冷却和冷凝。为了把制冷剂经过压缩而产生的高温、高压制冷剂气体液化，在冷凝器中将冷凝热能传给冷却介质，冷凝介质的吸热量应等于蒸发器从被冷却物质吸取的热量（制冷量）与压缩机运转所消耗的功转化的当量热之和。

 

  Qk=Q0+860NkCal/h

 

  其中：Qk：冷凝器的热负荷，单位kCal/h；

 

  Q：压缩机在设计工况下的制冷量，单位kCal/h;

 

  N：压缩机在设计工况下的指示功率，单位w/h。

 

  ⑴冷却介质流量的计算：

 

  冷却水流量=冷凝器热负荷(kCal/h)/(冷却水出口温度C一冷却水入口温度°C)冷凝器冷却水量的计算：

 

  Vk=QkIC(t2-11)=Qk/1000(t2-11)m3/h

 

  其中：Vk：冷凝器冷却水量，单位为m3/h

 

  C：水的比热，单位为kCal/k?C；

 

  t2-11：进出水温度差，单位°C。

 

  对于地源热泵机组，冷凝器的循环介质单位制冷量的流量：

 

  制冷时，1kCal/h制冷量所需水流量为（制冷工况的能效比COP&5)：

 

  水流量=1kCal/hx(1+1/5)/(30oC-25oC)=0.24kg/h

 

  制热时，1kCal/h制热量所需水流量为：

 

  水流量=1kCal/hx1/(50。C-45。C)=0.20kg/h

 

  冷凝水的最佳流速一般在0.8?1.2m/s。

 

  ⑵冷凝器传热面积的计算：

 

  冷凝器传热面积一般是按外表面计算，艮口：

 

  F=Qk/qt=Qk/KxAtm

 

  F：冷凝器的传热面积，单位m2；

 

  qt：单位热负荷kCal/m2*h，（3000?3500)；

 

  K：传热系数kCal/m2?h*°C，（700?800)；

 

  A^m：制冷剂和冷却水对数温度差，单位C，（4?6)。

 

  流体经过固体把热量转移到另一流体的过程称为传热。在数值上等于，两种流体温差为1C，每小时通过每平方米面积所传递的热量，kCal/m2?h^C

 

  2、蒸发器：

 

  蒸发器也是制冷装置的主要换热设备，在蒸发器内制冷剂液体在低温低压下沸腾以吸收被冷却介质的热量，从而达到制冷目的。常用的蒸发器有两种，一种是满液式蒸发器，一种是干式蒸发器。

 

  满液式蒸发器是液态制冷剂经过节流后进入蒸发器，在蒸发器内制冷剂保持一定自由液面并在管外蒸发的壳管式蒸发器。满液式蒸发器存在制冷剂充灌量大的缺点。在米用氟里昂的系统中，由于氟利昂溶解于油，并且油较氟利昂要轻，因而很难把存在于其中的润滑油排回压缩机，如果能解决回油难题，在大型地源热泵机组中，釆用满液式蒸发器的换热效率比较高，单机容量大。满液式蒸发器结构上的特征决定了在整个过程中，完全是制冷剂液体与水之间的换热，传热温差仅为2C，最低出水温度可达3C。小型地源热泵机组，多数是釆用干式蒸发器。经膨胀阀后的制冷剂从下部进入管内流动，传媒介质水在管外流动，这样可以增大管外的水流量，增加传热量，氟利昂的溶液混合物在铜管内流动，不断吸收管外水的热量而汽化，直至变成饱和蒸汽，并从上部的出汽管由压缩机吸走。只要管内制冷剂的流速大于4米/秒，就可使润滑油随同制冷剂蒸汽一起返回压缩机。

 

  ⑴蒸发器传热面积的计算：

 

  蒸发器的热负荷Ql为压缩机设计工况下的制冷量QkCal/h；

 

  FL=QdqL=Q0IKXDt0

 

  其中：Fl：为蒸发器传热面积，单位为m2；

 

  qL：为蒸发器的单位热负荷，单位为kCal/m2?h，(1500?1800)；

 

  Ql：为蒸发器的热负荷，单位为kCal/h；

 

  Qo：为压缩机设计工况下的制冷量，单位为kCal/h；

 

  36

 

  At0：为蒸发器中，制冷剂与载冷剂之间的对数平均温度，单位C(3?5)；K：蒸发器传热系数，单位为kCal/m2?h?C，(350?400)。

 

  ⑵冷媒水流量：

 

  Vl=QJ1000(^1-t2)m3/h

 

  其中：（^-彳)：蒸发器冷媒水温差，单位为C。

 

  3、换热器中制冷剂的流速和流向：

 

  冷凝器内冷却介质的最佳流速：冷却水为0.8?1.2m/s。

 

  如果冷凝液膜的流动方向与气流方向一致时，可使冷凝液膜能较迅速的流过传热表面，液膜层就薄，放热系数增大；否则蒸汽流速较小时，液膜层就厚，放热系数就会降低。要提高制冷剂在冷凝时的放热系数，就应保证冷凝液体能从传热表面上迅速排除。

 

  在蒸发器工作时，经膨胀阀减压后的制冷剂，从下部进入管内，制冷剂的混合物在铜管内流动，不断的吸收介质的热量而汽化，直至变成饱和蒸汽甚至达到过热状态，从上部的出气管由压缩机吸走。蒸发器管内制冷剂有一定流速，冲刷管子，使油返回压缩机。

 

  蒸发器的结构必须保证制冷剂蒸汽能很快地脱离传热表面，正确的自动控制使制冷剂液体节流后产生的蒸汽在其进入蒸发器前就从液体中分离出来，并使蒸发器内保持合理的制冷剂液面温度，以便更好的发挥蒸发器的传热效果。蒸发器必须考虑回油和防止液体被吸入压缩机等问题。

 

  热泵机组要求热交换器既是蒸发器，又是冷凝器。由于蒸发器和冷凝器的要求不同，因此要求换热器的大小、结构应满足夏、冬的工作条件。对较大容量的地源热泵系统中，宁可釆用变换机组外的冷、热水的循环管路也不可改变制冷剂的循环线路。