三维热泵

三维热泵概述

0 引言

目前，由于热泵是一种转移热量的装置，采用热泵来蓄能是比较节能的。作为热泵蓄能的介质，主要有水和各种相变材料。以下是这两类蓄热材料的对比:

基于上述原因，蓄热型热泵系统并未得到广泛的应用。其中水蓄热可以采用现成的消防水池来做蓄能水箱，具有投资低、冷暖兼用的特点。如果能解决蓄能容量偏低的缺点，则水蓄能具有广泛的应用前景。

1.三维热泵的原理

本文旨在讨论一种新型热泵，这种热泵在原有热泵的基础上，巧妙地利用双四通阀切换系统，使热泵系统能将热量自由地在三种环境或物体中相互转移，为了很好地和原有热泵系统区分，所以形象地称之为三维热泵。如下图所示:

普通热泵只能使热量在两个物体中转移，而热泵可以使热量自由地在三个物体中转移，在这三个物体中，可以两个是使用端，也可以两个物体作为热源端，使能源可以得到进一步的综合应用。

下图表示的是三维热泵的系统原理图:

由于热量的转移非常灵活，可以非常广泛地应用在很多商业和住宅场所。下面就PHNIX三维热泵在蓄热方面应用的可行性做一个简单的分析。

2.三维热泵蓄能应用简图

下面的图例描述三维热泵在冬季蓄热的应用原理。

a.冬天的蓄热

b.冬天的放热

下表是同样1吨水，采用三维热泵蓄热和传统热泵蓄能的比较如下:

3.实际工程案例分析

3.1工程基本情况

甘肃武威回民大酒店，其建筑面积为6000m2，设计采暖负荷为420kW，楼顶有一个100T的消防水箱，可以用来做蓄能水箱。

甘肃武威是典型的温带大陆性干旱半干旱气候, 特点是降水稀少，气温温差大，夏季炎热而短促，冬季寒冷而漫长，太阳辐射强，日照充足，蒸发强烈，空气干燥。如能解决空气源热泵衰减的问题，则非常合适采用空气源热泵来采暖。

以最冷的5个月计算，武威的平均气温为-4℃，其日间平均气温在2℃左右，夜间平均气温在-10℃左右。夜间(晚上7时~早上7时)的平均负荷为420kW,日间(早上8时~下午6时)的平均负荷为210kW.

例如:

采用PHNIX三维热泵机组25P机组，该机组的参数如下:

3.2 机组选型

如果没有蓄能，只能按酒店的最大负荷来选择机组，酒店的最大负荷出现在夜间，其负荷为420 kW，此时机组能力为35kW，能效比为1.7。 所以，应选机组数量=420/35=12台，其能耗分析如下表1;采用蓄能方案机组容量可以选小一些，下表2选择了4台普通风冷模块和6台三维热泵. 3.4 系统原理图: 如下图所示系统说明: (1)白天: a. 普通模块机组M2给房间采暖提供热量; b. 三维热泵机组M1给蓄能水箱V的水蓄能，直至水温达到50℃; (2)夜晚: a.夜晚，蓄能水箱首先给房间采暖提供热量; b. 当蓄能水温下降至40℃时，三维热泵开启给蓄能水箱补充热量; c. 当蓄能水箱水温降至37℃时，蓄能水箱停止向房间供热，这时，启动三维热泵，从蓄能水箱中吸收低位热源，经热泵提升后继续向房间供热; d. 当水箱水温低于7℃时，三维热泵停止从蓄能水箱吸热，这时，普通热泵和三维热泵同时启动，同时从空气中吸收热量，向房间供暖. 3.5 能耗分析: 下表1是无蓄能方案的能耗计算: 表1 下表2是蓄能方案的能耗计算: 表2 4.总结: 采用三维热泵的方案，机组数量由12台减少为10台(其中6台为三维热泵)，机组容量减少了16.7%，增加了一些水管和水泵，利用现成的消防水箱，系统成本相当或略为增加，但是综合能效提高了16.4%，更为关键的是，三维热泵相当于是双热源热泵，它利用昼夜温差大的自然现象，白天蓄能，晚上通过热泵提升后再放热，使相同容积的蓄能水箱蓄能容量增加了2倍。对于昼夜温差大的区域如西北、华北等区域，其节能的优势更明显。同时，以下几点有必要注意和进一步改进的: (1)如何将热泵制取的水温提高，将进一步减少蓄能水箱的容积，提高一次放热的比例，有助于提高综合能效比，这里PHNIX(芬尼克兹)已开发出出水温度65℃的北极星系列产品，该产品和三维热泵技术融合，将进一步提高蓄能的效率; (2)如果结合太阳能做蓄能热源，会进一步提高蓄热能效比;1、如果有峰谷电政策，可灵活调节机组的工作时间，以获得更好的经济效益; 2、在放热的系统中，采用变频水泵和电动混水阀，进行恒温放热，可以提高系统的稳定性。 总而言之，三维热泵配合蓄能水箱蓄热解决北方高寒地区的采暖问题，具有较大的可行性，符合国家的环保政策，具有较大的经济效益和社会效益。

相信现如今人们都希望过上舒适健康的生活，而当前生活中应用的地源热泵是比较高档的保暖设施，地源热泵在家庭中使用可以较好的提供暖气。那么，地源热泵有什么优势呢？下文为大家具体分析。

地源热泵功率—地源热泵优缺点的原理介绍

地源热泵是利用浅层地能进行供热制冷的新型能源利用技术，热泵是利用逆卡诺循环原理转移冷量和热量的设备。地源热泵通常是指能转移地下土壤中热量或者冷量到所需要的地方，通常都是用来做为空调制冷或者采暖用的。地源热泵还利用了地下土壤巨大的蓄热蓄冷能力，冬季把热量从地下土壤中转移到建筑物内部，夏季再把地下的冷量转移到建筑物内部，只是冬夏两季工作的温度范围不同而已。

地源热泵功率—地源热泵优缺点的优缺点介绍

对于垂直式埋管系统，其优点有。较小的土地占用，管路及水泵用电少，其缺点是钻井费用较高；对于水平式埋管系统，其优点有：安装费用比垂直式埋管系统低，应用广泛，使用者易于掌握，其缺点有：占地面积大，受地面温度影响大，水泵耗电量大。

地源热泵功率—地源热泵优缺点的结构介绍

地源热泵系统的组成部分。地源热泵系统由以室外系统，室内系统，机房系统三部分组成。也就是我们经常说的地源热泵空调三合一。地源热泵系统的室外系统地源热泵系统的室外系统主要由地埋管，地埋管填料，组成。 地埋管是室外地下换热器，就是降水通过地埋管在地下循环，在底下进行热交换。 地埋管填料是地埋管的辅助材料，是为了让地埋管能够更好的在底下达到换热的效果。地源热泵系统的室内系统地源热泵系统的室内系统中包含连接水管，电动二通阀门组件和风机盘管（空调），以及地暖组成。 连接水管主要的作用是进行热水和冷水的输送。

地源热泵是一种家庭生活中应用逐渐普及的一种取暖设施，使用地源热泵可以较好的改变人们生活质量。上文中讲解了地源热泵的一些特性，感兴趣的朋友们可以参考本文介绍，详细了解地源热泵的知识。

一、 定义上的区别：

地源热泵和水源热泵在概念上来讲主要是针对系统所说的，也就是地源热泵系统和水源热泵系统，而不是针对主机，有很多人在这方面有误解，换句话说地源热泵主机和水源热泵主机是一样的主机。

而我们通常所说的地源热泵或者水源热泵就是指主机源水侧水源的来源。 如果是地源热泵的话，那么他的水源来源于地下埋管的闭式环路，源水侧的水通过地下埋管与地下进行热交换，而不发生物质交换，这就是我们通常所说的地源热泵，欧美的表示方法为geothermal-heatpump。

水源热泵区别于地源热泵的就是源水侧水源直接取自地下水或者江水或者海水等，它是一种开式的型式，水被直接拿来取热或排热并按要求排放回原取水点，只是利用了自然界水中的能量，这样的形式就称为水源热泵了。

二、 简理解单的区别：

1：地源热泵是室外打孔，占地面积比水源热泵要大

2：水源热泵是室外打水井，但现在政府对打井审批比较复杂（水源热泵是需要打井的，通常都需要水务局批准。），而地源热泵国家不需要相关的审批手续

3：地源热泵比水源热泵室外部分投资要高

所有的浅层低温能热泵都统称为：地源热泵

地源热泵分为开式系统和闭式系统。

你所说的地源热泵应该是指土壤源的。

“地源”和“水源”的区别主要是介质不同，设计和施工方法也不同。

土壤源热泵也是闭式系统的一种，主要是在建筑物周围的地下铺设地耦管，封闭的管内流动介质与建筑物内部完成热交换。

水源热泵是开式系统的一种，地下水或地表水经过换热器提取热量。

地源热泵用地埋管收集土壤中的热量 水源热泵用地下水收集水体中的热量 两者原理类似，实际设计温度，载冷剂和阀部件有一定区别，因为地下水温度较高，可直接作为载冷剂。而地埋管出水温度较低，经常有可能低于零度，所以常采用乙二醇溶液作为载冷剂，乙二醇浓度视最低出水温度而定。 原理一样，取热源的方式不同。

水源热泵是打井直接取地下水进行换热或换冷；

地源热泵是在地下埋设很多管道，然后再在管道内注满水或者防冻液作为换热介质，通过管道内的介质循环吸收地下的热量或冷量。

三、 其它区别：

地源热泵是地下闭式系统，水源是热泵是地下开区系统，水源受到政府限制，还有地下水源是否长期稳定的影响。地源则相对稳定的多。联系是，它们都是相同的制冷（热）原理，只是所用的媒介不一样。

地源热泵包括土壤源热泵和水源热泵

水源热泵包括地表水和地下水源热泵

简单的说地源热泵是提取地下土壤源的温度,水源热泵是提取地下水的温度,再通过组机等来达到供暖或制冷,地源热泵要比小源热泵贵很多,所以一般只要一个地区地下水丰富的话就会采用水源热泵

四、 简单的图对比：

五、 地源热泵的优点：

地源热泵中央空调的工作原理，是充分利用了地表下土壤及水资源具有恒温和偿量大的特点，为空调机组创造了一个极佳的工作条件，在制冷过程中，机组将空调空间的热量置换出来，并带入地下被土壤或水源所吸收,制热时机组将地下土壤中的热能转换出来带入所需采暖的空间；

由于地下土壤焓量大及选定温度适宜，所以机组的工作效率大为提高；

其COP（能效比）值在采暖时达3.8以上，而在制冷时，则高达5.2以上，与普通中央空调相比，其节能达30％－50％，从而达到了高效节能的效果；

机组在工作过程中噪音小、不耗水、不产生任何废弃及污染物，环保效果显著；机组安装简便，占地小免去了室外冷却塔，使维修量极小，投资成本大为降低，是当今最为经济的空调技术。

水源空调用地表水就可以，如湖泊、江河等均可 。

六、水源热泵与地源热泵打井的区别：

地下水源地源热泵和地埋管地源热泵的打井设计规则：

地源：井口间隔4米以上，采用DN32管地埋，管型U，材质PE，井深60~180米，井口直径160~200毫米。

水源：间隔15米以上，采用大径单管，材质PE，井深60~150米，井口400毫米。根据地质条件不同每口取水井配2~15口回灌井。

地质特点可以从相关部门索取，也可以先打一口研究井。

比如：若制冷量为1200KW：

地源热泵：需要180口，100m深的地埋井，采用DN32，PE，双U管。

水源热泵： 需要3口，60~150m（根据地下水位，国家规定不允许超过150m）供水井，每口供水井需要3~15口回灌井（根据地质构造决定）。

打井需要注意的问题：

最好是通过打实验井做热响应实验,通过专业的软件计算后得出更准确的数据

1.根据所打试验井所做的水文地质勘察报告和水资源论证报告中的内容，出水量（与含水层厚度有关，井口大小也稍有影响），回灌能力等；

2.根据所要采暖或制冷的面积，计算冷热负荷，确定水源热泵机组型号及数量和需水量；

3.考虑井位所在地理位置，以及气候影响。（比如附近有河坝，雨季长短都有影响）先根据负荷算排热量，吸热量。在做热响应测试，如无条件做测试，可以按照经验估算~埋管分单U、双U、套管等形式，一般都是定制产品，工地上现做的不多，也不经济，所以没有井底连接的问题。

4、要是做地源热泵的话 得坐地质勘探，了解地下土壤温度，一般做地源热泵的成本造价要比水源热泵成本高很多，用水源热泵的话得看你那工程地下水每口井出水能达到多少吨每小时，但是用水源热泵的话得考虑回灌问题，水源热泵回灌问题是水源热泵良好运行的前提，用备用井的话是考虑回灌的问题 假如每口井出水200吨每小时 但是回灌压力大不能能200吨水都能回灌回去一般都得分2 口井或者3口井分流回灌水源热泵的运行取水的同时，也同时回灌地源热泵闭式系统不会影响水，水就在地埋管里流通，不到外面的；土层的话就目前好像没有说有什么大的影响；弊端有啊，造价昂贵，

七、 其它考虑：

如果绿化面积或停车场面积比较大，可以考虑地源，因为地源需要较大的面积做地埋管。反之，考虑水源热泵。还有就是地源打井部分的费用要大大高于水源，而且有的地质条件不太适合做地源热泵，打井难度太大。

八、 泵的区别：

不管水源还是地源：一般两套泵，一套给机组提供冷热负荷的供水泵，一套用来给末端供水的空调泵

地源热泵主要用管道离心泵根据水温选择泵！ 立式离心泵又叫做管道泵，一般土壤源热泵用这种的，地下水源热泵用潜水泵地源热泵是个空调系统，包括冷热源和末端部分机房部分，末端和常规空调一样。

机房部分包括主机，水泵，分集水器，地埋管，检修井，或许如果冷热不平衡的话，要采用冷却塔，或者板换。

安装就按照施工图和施工规范，地埋部分有专业的打井公司的，横埋管竖埋管都可以做。

大型的项目还是小型别墅类的，这两种类型的在机房部分是有差别的。

A、目前市面上的地源热泵主机按压缩机分类，主要是由两种类型的，一种是涡旋压缩机的全封闭式机组，另一种是螺杆式压缩机的半封闭式机组。该两种的主机设备的安装有所不同。

1）涡旋式地源热泵主机是内置四通换向阀门的，其蒸发器和冷凝器在制冷和制热的情况下会自动切换，所以主机水侧的管路不需要做管路切换，直接按照标准的负载侧和源水侧接管就可以了，当然，所有空调的水侧都需要水泵(空调泵)。

2）螺杆式地源热泵主机是没有内置四通换向阀门的，所以主机的冷冻水侧必须要做好水路切换，主机制冷和制热的情况下，其蒸发器和冷凝器的作用互换，夏季时蒸发器是接负载侧的，而冬季时冷凝器是接负载侧的。

B、设计这块不由你做，但地源热泵的室外埋管部分的设计非常重要，如果你有图纸，按图施工就是了。地埋管施工外包就可以了。但一定要控制好，因为现在很多打井队都是糊弄事的，做完走人，等你运行起来发现问题就晚了。有几个注意事项，可供参考：

1）管材到场一定要做好保压，并封住两头，避免杂质进入，因为地埋管系统一旦做好，就很难清理了，时间长了会降低地埋管换热效率；

2）下管时一定要带压下管，一方面是为了使管子方便下放，另一方面为了防止管子做好后上浮；

3）横埋的连接管一定要埋在距地面至少1.5米深(1.5-2m)以下，否则将来地埋管的热损失极大，而且如果将来上面的地上有重物等，容易压坏管子。

C、机房内的配置其实都是水系统的配置，主要零配件有负载侧水泵、源水侧水泵、压力表、温度计、流量开关、Y型过滤器、定压罐或膨胀水箱、软接、无缝钢管及相应的管件、PE管及相应的管件、电子水处理仪、自动排气阀、集分水器、电控柜等。

其实地源热泵安装除了室外部分，都可以按照水冷系统来做。

九、 地源热泵打井数量的确定：

1、打井的数量与地质条件有很大的关系，粗细纱，黄土层，或卵石层、基岩层打孔的深度都不一样的，

2、与所配的地源热泵机组的制热量有关系，比如：制热量是100KW，每延米的换热量是45W

3、上述两个条件就能算出打井的数量来

十、地埋管：

地源热泵埋管共分两种，一种水平地埋，一种为垂直埋管。

规范规定：水平连接管的深度应在冻土层以下0.6m，且距地面不宜小于1.5m。

水平地埋管普遍使用在单相运行状态的空调系统中，一般的设计埋管深度在2～4米之间，在只用于采暖时，土壤在整个冬天处于放热状态，沟的深度一定要深，管间距要大。

规范规定：竖直地埋管换热器埋管深度宜大于20m，钻孔孔径不宜小于0.11m，钻孔间距应满足换热需要，间距宜为3～6m。

垂直埋管换热器通常采用的是U型方式，按其埋管深度可分为浅层（＜ 30 m），中层（30～100 m）和深层（＞100 m）3种。埋管深，地下岩土温度比较稳定，钻孔占地面积较少，但相应会带来钻孔、钻孔设备的经费和高承压埋管的造价提高。

来源：地源热泵服务联盟