苏ICP备112451047180号-6
直接膨胀耦合地源热泵系统的可靠性和性能分析
摘要对直接膨胀耦合地源热泵（DX-GCHP）的文献进行了回顾，尽管DX-GCHP是基于蒸汽压缩空调系统的最有效的系统，但是由于它们面临的许多操作和设计问题而不受欢迎，具体包括：缺少现场研究，压缩机回油，膨胀阀振荡，制冷剂在并联回路中的流量不均匀分布，地面热交换器中高压工质的压力增加和下降，压缩机的可变速操作，缺乏地面热交换器和整个系统的可靠数值模型以及缺乏一般化设计指导等问题。 本文主要讨论这些问题，并给出可能的解决方案。
关键词直接膨胀；压缩机回油；地热交换器；地耦热泵；地源热泵；地热热泵
1、绪论
地面耦合热泵（GCHP）是一种地源热泵的一种，把埋在土壤中的封闭地热交换器作为热源/水槽。 它可以细分为次循环GCHP（SL-GCHP）和直接扩展GCHP（DX-GCHP）[1]。 与SL-GCHP不同，DX-GCHP（也称为直接交换GCHP）与地面直接进行热交换，不需要泵（图1）。 地面热交换器（GHE）在加热模式下作为蒸发器，在冷却模式下作为冷凝器。 由于在相对恒定并且比环境温度更利于换热的温度下与地面直接热交换，DX-GCHP是基于蒸汽压缩空调系统最有效的热泵系统。
图1以加热模式显示的两种类型的地面耦合热泵：a）二级回路GCHP； 和b)直接膨胀GCHP
在美国，DX-GCHP的性能由AHRI标准870评定[2]，最新的标准870认证产品目录[3]列出了四个制造商：ECR工业公司（高级地热技术），地球链接技术，海上地热有限公司和地球到空气系统有限责任公司。第一个是在Reading，PA;第二个是在在佛罗里达州莱克兰;第三个是在加拿大，最后一个，在富兰克林。加拿大也同样使用这个标准[4]。
在热泵发展历史上，DX-GCHP的研究是在SL-GCHP之前，在1940 - 1950年的早期研究被报道（见[5]，[6]和[7]）中可以找到相关资料。然而DX-GCHP也存在多个问题，在压缩机启动时，需要注入更多制冷剂来回油，以及制冷剂泄漏造成地面污染[7]。由于这些问题，DX-GCHP被SL-GCHP快速取代。虽然DX-GCHP具有高效率的优点，但是DX-GCHP系统在热泵市场中占有份额很小，并且研究人员对DX-GCHP的可靠性和性能研究也相对较少。本文主要回顾这些研究，并讨论DX-GCHP面临的问题以及可能的解决方案。
本论文主要分为9个部分， 第2节和第3节分别介绍了DX系统的现场研究和实验研究，第4节讨论了回油到压缩机的问题，在第5节讨论了阀门摆动问题，在第6节中讨论制冷剂动力学（制冷剂流量不均匀和通过制冷回路的压降和增益），第7节讨论了变速压缩的重要问题，在第8节讨论了制冷剂和替代GHE循环材料的替代问题，第9节讨论系统建模问题，第10节主要是系统设计指南。
结论
各种研究表明直接膨胀接地耦合热泵系统具有比二次回路接地耦合热泵通常更高的全负载效率，并且相对可靠。然而尽管潜在地是市场上最有效的基于蒸汽压缩的空调系统，但是直接膨胀地耦合热泵不能满足期望，并且仍然困扰各种衰减的操作和设计问题。
压缩机回油，阀门振荡，制冷模式下的压缩机启动，平行地面热交换器回路中的制冷剂流量不均匀，压缩机的变速操作，地面热交换器的高成本以及缺乏一般设计指南的问题已被识别，并列出可能的解决方案。然而需要对这些问题，这些系统在各种操作条件下的性能以及适当的一般设计指南进行更多的研究。
在整个系统的有效瞬态模型的帮助下最后两个目标可以更好地实现。这种模型的发展也将允许推导用于在流行的整体建模工具中实现的仿真模型，允许这些系统被高效率住宅和商业/机构建筑的设计者更多地使用。
摘要对直接膨胀耦合地源热泵（DX-GCHP）的文献进行了回顾，尽管DX-GCHP是基于蒸汽压缩空调系统的最有效的系统，但是由于它们面临的许多操作和设计问题而不受欢迎，具体包括：缺少现场研究，压缩机回油，膨胀阀振荡，制冷剂在并联回路中的流量不均匀分布，地面热交换器中高压工质的压力增加和下降，压缩机的可变速操作，缺乏地面热交换器和整个系统的可靠数值模型以及缺乏一般化设计指导等问题。 本文主要讨论这些问题，并给出可能的解决方案。
关键词直接膨胀；压缩机回油；地热交换器；地耦热泵；地源热泵；地热热泵
目录
1、绪论 3
2、实地研究 5
3、实验分析 9
5、油回到压缩机 14
5、阀门摆动 16
6、制冷剂动力学 17
7、变速运行 19
8、替代组件 20
9、地面换热器和整个系统建模 23
10、系统设计指南 25
11、结论 27
参考文献 28
地面耦合热泵（GCHP）是一种地源热泵的一种，把埋在土壤中的封闭地热交换器作为热源/水槽。 它可以细分为次循环GCHP（SL-GCHP）和直接扩展GCHP（DX-GCHP）[1]。 与SL-GCHP不同，DX-GCHP（也称为直接交换GCHP）与地面直接进行热交换，不需要泵（图1）。 地面热交换器（GHE）在加热模式下作为蒸发器，在冷却模式下作为冷凝器。 由于在相对恒定并且比环境温度更利于换热的温度下与地面直接热交换，DX-GCHP是基于蒸汽压缩空调系统最有效的热泵系统。
图1以加热模式显示的两种类型的地面耦合热泵：a）二级回路GCHP； 和b)直接膨胀GCHP
在美国，DX-GCHP的性能由AHRI标准870评定[2]，最新的标准870认证产品目录[3]列出了四个制造商：ECR工业公司（高级地热技术），地球链接技术，海上地热有限公司和地球到空气系统有限责任公司。第一个是在Reading，PA;第二个是在在佛罗里达州莱克兰;第三个是在加拿大，最后一个，在富兰克林。加拿大也同样使用这个标准[4]。
在热泵发展历史上，DX-GCHP的研究是在SL-GCHP之前，在1940 - 1950年的早期研究被报道（见[5]，[6]和[7]）中可以找到相关资料。然而DX-GCHP也存在多个问题，在压缩机启动时，需要注入更多制冷剂来回油，以及制冷剂泄漏造成地面污染[7]。由于这些问题，DX-GCHP被SL-GCHP快速取代。虽然DX-GCHP具有高效率的优点，但是DX-GCHP系统在热泵市场中占有份额很小，并且研究人员对DX-GCHP的可靠性和性能研究也相对较少。本文主要回顾这些研究，并讨论DX-GCHP面临的问题以及可能的解决方案。
本论文主要分为9个部分， 第2节和第3节分别介绍了DX系统的现场研究和实验研究，第4节讨论了回油到压缩机的问题，在第5节讨论了阀门摆动问题，在第6节中讨论制冷剂动力学（制冷剂流量不均匀和通过制冷回路的压降和增益），第7节讨论了变速压缩的重要问题，在第8节讨论了制冷剂和替代GHE循环材料的替代问题，第9节讨论系统建模问题，第10节主要是系统设计指南。
结论
各种研究表明直接膨胀接地耦合热泵系统具有比二次回路接地耦合热泵通常更高的全负载效率，并且相对可靠。然而尽管潜在地是市场上最有效的基于蒸汽压缩的空调系统，但是直接膨胀地耦合热泵不能满足期望，并且仍然困扰各种衰减的操作和设计问题。
压缩机回油，阀门振荡，制冷模式下的压缩机启动，平行地面热交换器回路中的制冷剂流量不均匀，压缩机的变速操作，地面热交换器的高成本以及缺乏一般设计指南的问题已被识别，并列出可能的解决方案。然而需要对这些问题，这些系统在各种操作条件下的性能以及适当的一般设计指南进行更多的研究。
在整个系统的有效瞬态模型的帮助下最后两个目标可以更好地实现。这种模型的发展也将允许推导用于在流行的整体建模工具中实现的仿真模型，允许这些系统被高效率住宅和商业/机构建筑的设计者更多地使用。