三維熱泵

三維熱泵概述

0 引言

目前，由于熱泵是一種轉移熱量的裝置，采用熱泵來蓄能是比較節(jié)能的。作為熱泵蓄能的介質，主要有水和各種相變材料。以下是這兩類蓄熱材料的對比:

基于上述原因，蓄熱型熱泵系統(tǒng)并未得到廣泛的應用。其中水蓄熱可以采用現(xiàn)成的消防水池來做蓄能水箱，具有投資低、冷暖兼用的特點。如果能解決蓄能容量偏低的缺點，則水蓄能具有廣泛的應用前景。

1.三維熱泵的原理

本文旨在討論一種新型熱泵，這種熱泵在原有熱泵的基礎上，巧妙地利用雙四通閥切換系統(tǒng)，使熱泵系統(tǒng)能將熱量自由地在三種環(huán)境或物體中相互轉移，為了很好地和原有熱泵系統(tǒng)區(qū)分，所以形象地稱之為三維熱泵。如下圖所示:

普通熱泵只能使熱量在兩個物體中轉移，而熱泵可以使熱量自由地在三個物體中轉移，在這三個物體中，可以兩個是使用端，也可以兩個物體作為熱源端，使能源可以得到進一步的綜合應用。

下圖表示的是三維熱泵的系統(tǒng)原理圖:

由于熱量的轉移非常靈活，可以非常廣泛地應用在很多商業(yè)和住宅場所。下面就PHNIX三維熱泵在蓄熱方面應用的可行性做一個簡單的分析。

2.三維熱泵蓄能應用簡圖

下面的圖例描述三維熱泵在冬季蓄熱的應用原理。

a.冬天的蓄熱

b.冬天的放熱

下表是同樣1噸水，采用三維熱泵蓄熱和傳統(tǒng)熱泵蓄能的比較如下:

3.實際工程案例分析

3.1工程基本情況

甘肅武威回民大酒店，其建筑面積為6000m2，設計采暖負荷為420kW，樓頂有一個100T的消防水箱，可以用來做蓄能水箱。

甘肅武威是典型的溫帶大陸性干旱半干旱氣候, 特點是降水稀少，氣溫溫差大，夏季炎熱而短促，冬季寒冷而漫長，太陽輻射強，日照充足，蒸發(fā)強烈，空氣干燥。如能解決空氣源熱泵衰減的問題，則非常合適采用空氣源熱泵來采暖。

以最冷的5個月計算，武威的平均氣溫為-4℃，其日間平均氣溫在2℃左右，夜間平均氣溫在-10℃左右。夜間(晚上7時~早上7時)的平均負荷為420kW,日間(早上8時~下午6時)的平均負荷為210kW.

例如:

采用PHNIX三維熱泵機組25P機組，該機組的參數(shù)如下:

3.2 機組選型

如果沒有蓄能，只能按酒店的最大負荷來選擇機組，酒店的最大負荷出現(xiàn)在夜間，其負荷為420 kW，此時機組能力為35kW，能效比為1.7。 所以，應選機組數(shù)量=420/35=12臺，其能耗分析如下表1;采用蓄能方案機組容量可以選小一些，下表2選擇了4臺普通風冷模塊和6臺三維熱泵. 3.4 系統(tǒng)原理圖: 如下圖所示系統(tǒng)說明: (1)白天: a. 普通模塊機組M2給房間采暖提供熱量; b. 三維熱泵機組M1給蓄能水箱V的水蓄能，直至水溫達到50℃; (2)夜晚: a.夜晚，蓄能水箱首先給房間采暖提供熱量; b. 當蓄能水溫下降至40℃時，三維熱泵開啟給蓄能水箱補充熱量; c. 當蓄能水箱水溫降至37℃時，蓄能水箱停止向房間供熱，這時，啟動三維熱泵，從蓄能水箱中吸收低位熱源，經(jīng)熱泵提升后繼續(xù)向房間供熱; d. 當水箱水溫低于7℃時，三維熱泵停止從蓄能水箱吸熱，這時，普通熱泵和三維熱泵同時啟動，同時從空氣中吸收熱量，向房間供暖. 3.5 能耗分析: 下表1是無蓄能方案的能耗計算: 表1 下表2是蓄能方案的能耗計算: 表2 4.總結: 采用三維熱泵的方案，機組數(shù)量由12臺減少為10臺(其中6臺為三維熱泵)，機組容量減少了16.7%，增加了一些水管和水泵，利用現(xiàn)成的消防水箱，系統(tǒng)成本相當或略為增加，但是綜合能效提高了16.4%，更為關鍵的是，三維熱泵相當于是雙熱源熱泵，它利用晝夜溫差大的自然現(xiàn)象，白天蓄能，晚上通過熱泵提升后再放熱，使相同容積的蓄能水箱蓄能容量增加了2倍。對于晝夜溫差大的區(qū)域如西北、華北等區(qū)域，其節(jié)能的優(yōu)勢更明顯。同時，以下幾點有必要注意和進一步改進的: (1)如何將熱泵制取的水溫提高，將進一步減少蓄能水箱的容積，提高一次放熱的比例，有助于提高綜合能效比，這里PHNIX(芬尼克茲)已開發(fā)出出水溫度65℃的北極星系列產品，該產品和三維熱泵技術融合，將進一步提高蓄能的效率; (2)如果結合太陽能做蓄能熱源，會進一步提高蓄熱能效比;1、如果有峰谷電政策，可靈活調節(jié)機組的工作時間，以獲得更好的經(jīng)濟效益; 2、在放熱的系統(tǒng)中，采用變頻水泵和電動混水閥，進行恒溫放熱，可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 總而言之，三維熱泵配合蓄能水箱蓄熱解決北方高寒地區(qū)的采暖問題，具有較大的可行性，符合國家的環(huán)保政策，具有較大的經(jīng)濟效益和社會效益。

相信現(xiàn)如今人們都希望過上舒適健康的生活，而當前生活中應用的地源熱泵是比較高檔的保暖設施，地源熱泵在家庭中使用可以較好的提供暖氣。那么，地源熱泵有什么優(yōu)勢呢？下文為大家具體分析。

地源熱泵功率—地源熱泵優(yōu)缺點的原理介紹

地源熱泵是利用淺層地能進行供熱制冷的新型能源利用技術，熱泵是利用逆卡諾循環(huán)原理轉移冷量和熱量的設備。地源熱泵通常是指能轉移地下土壤中熱量或者冷量到所需要的地方，通常都是用來做為空調制冷或者采暖用的。地源熱泵還利用了地下土壤巨大的蓄熱蓄冷能力，冬季把熱量從地下土壤中轉移到建筑物內部，夏季再把地下的冷量轉移到建筑物內部，只是冬夏兩季工作的溫度范圍不同而已。

地源熱泵功率—地源熱泵優(yōu)缺點的優(yōu)缺點介紹

對于垂直式埋管系統(tǒng)，其優(yōu)點有。較小的土地占用，管路及水泵用電少，其缺點是鉆井費用較高；對于水平式埋管系統(tǒng)，其優(yōu)點有：安裝費用比垂直式埋管系統(tǒng)低，應用廣泛，使用者易于掌握，其缺點有：占地面積大，受地面溫度影響大，水泵耗電量大。

地源熱泵功率—地源熱泵優(yōu)缺點的結構介紹

地源熱泵系統(tǒng)的組成部分。地源熱泵系統(tǒng)由以室外系統(tǒng)，室內系統(tǒng)，機房系統(tǒng)三部分組成。也就是我們經(jīng)常說的地源熱泵空調三合一。地源熱泵系統(tǒng)的室外系統(tǒng)地源熱泵系統(tǒng)的室外系統(tǒng)主要由地埋管，地埋管填料，組成。 地埋管是室外地下?lián)Q熱器，就是降水通過地埋管在地下循環(huán)，在底下進行熱交換。 地埋管填料是地埋管的輔助材料，是為了讓地埋管能夠更好的在底下達到換熱的效果。地源熱泵系統(tǒng)的室內系統(tǒng)地源熱泵系統(tǒng)的室內系統(tǒng)中包含連接水管，電動二通閥門組件和風機盤管（空調），以及地暖組成。 連接水管主要的作用是進行熱水和冷水的輸送。

地源熱泵是一種家庭生活中應用逐漸普及的一種取暖設施，使用地源熱泵可以較好的改變人們生活質量。上文中講解了地源熱泵的一些特性，感興趣的朋友們可以參考本文介紹，詳細了解地源熱泵的知識。

一、 定義上的區(qū)別：

地源熱泵和水源熱泵在概念上來講主要是針對系統(tǒng)所說的，也就是地源熱泵系統(tǒng)和水源熱泵系統(tǒng)，而不是針對主機，有很多人在這方面有誤解，換句話說地源熱泵主機和水源熱泵主機是一樣的主機。

而我們通常所說的地源熱泵或者水源熱泵就是指主機源水側水源的來源。 如果是地源熱泵的話，那么他的水源來源于地下埋管的閉式環(huán)路，源水側的水通過地下埋管與地下進行熱交換，而不發(fā)生物質交換，這就是我們通常所說的地源熱泵，歐美的表示方法為geothermal-heatpump。

水源熱泵區(qū)別于地源熱泵的就是源水側水源直接取自地下水或者江水或者海水等，它是一種開式的型式，水被直接拿來取熱或排熱并按要求排放回原取水點，只是利用了自然界水中的能量，這樣的形式就稱為水源熱泵了。

二、 簡理解單的區(qū)別：

1：地源熱泵是室外打孔，占地面積比水源熱泵要大

2：水源熱泵是室外打水井，但現(xiàn)在政府對打井審批比較復雜（水源熱泵是需要打井的，通常都需要水務局批準。），而地源熱泵國家不需要相關的審批手續(xù)

3：地源熱泵比水源熱泵室外部分投資要高

所有的淺層低溫能熱泵都統(tǒng)稱為：地源熱泵

地源熱泵分為開式系統(tǒng)和閉式系統(tǒng)。

你所說的地源熱泵應該是指土壤源的。

“地源”和“水源”的區(qū)別主要是介質不同，設計和施工方法也不同。

土壤源熱泵也是閉式系統(tǒng)的一種，主要是在建筑物周圍的地下鋪設地耦管，封閉的管內流動介質與建筑物內部完成熱交換。

水源熱泵是開式系統(tǒng)的一種，地下水或地表水經(jīng)過換熱器提取熱量。

地源熱泵用地埋管收集土壤中的熱量 水源熱泵用地下水收集水體中的熱量 兩者原理類似，實際設計溫度，載冷劑和閥部件有一定區(qū)別，因為地下水溫度較高，可直接作為載冷劑。而地埋管出水溫度較低，經(jīng)常有可能低于零度，所以常采用乙二醇溶液作為載冷劑，乙二醇濃度視最低出水溫度而定。 原理一樣，取熱源的方式不同。

水源熱泵是打井直接取地下水進行換熱或換冷；

地源熱泵是在地下埋設很多管道，然后再在管道內注滿水或者防凍液作為換熱介質，通過管道內的介質循環(huán)吸收地下的熱量或冷量。

三、 其它區(qū)別：

地源熱泵是地下閉式系統(tǒng)，水源是熱泵是地下開區(qū)系統(tǒng)，水源受到政府限制，還有地下水源是否長期穩(wěn)定的影響。地源則相對穩(wěn)定的多。聯(lián)系是，它們都是相同的制冷（熱）原理，只是所用的媒介不一樣。

地源熱泵包括土壤源熱泵和水源熱泵

水源熱泵包括地表水和地下水源熱泵

簡單的說地源熱泵是提取地下土壤源的溫度,水源熱泵是提取地下水的溫度,再通過組機等來達到供暖或制冷,地源熱泵要比小源熱泵貴很多,所以一般只要一個地區(qū)地下水豐富的話就會采用水源熱泵

四、 簡單的圖對比：

五、 地源熱泵的優(yōu)點：

地源熱泵中央空調的工作原理，是充分利用了地表下土壤及水資源具有恒溫和償量大的特點，為空調機組創(chuàng)造了一個極佳的工作條件，在制冷過程中，機組將空調空間的熱量置換出來，并帶入地下被土壤或水源所吸收,制熱時機組將地下土壤中的熱能轉換出來帶入所需采暖的空間；

由于地下土壤焓量大及選定溫度適宜，所以機組的工作效率大為提高；

其COP（能效比）值在采暖時達3.8以上，而在制冷時，則高達5.2以上，與普通中央空調相比，其節(jié)能達30％－50％，從而達到了高效節(jié)能的效果；

機組在工作過程中噪音小、不耗水、不產生任何廢棄及污染物，環(huán)保效果顯著；機組安裝簡便，占地小免去了室外冷卻塔，使維修量極小，投資成本大為降低，是當今最為經(jīng)濟的空調技術。

水源空調用地表水就可以，如湖泊、江河等均可 。

六、水源熱泵與地源熱泵打井的區(qū)別：

地下水源地源熱泵和地埋管地源熱泵的打井設計規(guī)則：

地源：井口間隔4米以上，采用DN32管地埋，管型U，材質PE，井深60~180米，井口直徑160~200毫米。

水源：間隔15米以上，采用大徑單管，材質PE，井深60~150米，井口400毫米。根據(jù)地質條件不同每口取水井配2~15口回灌井。

地質特點可以從相關部門索取，也可以先打一口研究井。

比如：若制冷量為1200KW：

地源熱泵：需要180口，100m深的地埋井，采用DN32，PE，雙U管。

水源熱泵： 需要3口，60~150m（根據(jù)地下水位，國家規(guī)定不允許超過150m）供水井，每口供水井需要3~15口回灌井（根據(jù)地質構造決定）。

打井需要注意的問題：

最好是通過打實驗井做熱響應實驗,通過專業(yè)的軟件計算后得出更準確的數(shù)據(jù)

1.根據(jù)所打試驗井所做的水文地質勘察報告和水資源論證報告中的內容，出水量（與含水層厚度有關，井口大小也稍有影響），回灌能力等；

2.根據(jù)所要采暖或制冷的面積，計算冷熱負荷，確定水源熱泵機組型號及數(shù)量和需水量；

3.考慮井位所在地理位置，以及氣候影響。（比如附近有河壩，雨季長短都有影響）先根據(jù)負荷算排熱量，吸熱量。在做熱響應測試，如無條件做測試，可以按照經(jīng)驗估算~埋管分單U、雙U、套管等形式，一般都是定制產品，工地上現(xiàn)做的不多，也不經(jīng)濟，所以沒有井底連接的問題。

4、要是做地源熱泵的話 得坐地質勘探，了解地下土壤溫度，一般做地源熱泵的成本造價要比水源熱泵成本高很多，用水源熱泵的話得看你那工程地下水每口井出水能達到多少噸每小時，但是用水源熱泵的話得考慮回灌問題，水源熱泵回灌問題是水源熱泵良好運行的前提，用備用井的話是考慮回灌的問題 假如每口井出水200噸每小時 但是回灌壓力大不能能200噸水都能回灌回去一般都得分2 口井或者3口井分流回灌水源熱泵的運行取水的同時，也同時回灌地源熱泵閉式系統(tǒng)不會影響水，水就在地埋管里流通，不到外面的；土層的話就目前好像沒有說有什么大的影響；弊端有啊，造價昂貴，

七、 其它考慮：

如果綠化面積或停車場面積比較大，可以考慮地源，因為地源需要較大的面積做地埋管。反之，考慮水源熱泵。還有就是地源打井部分的費用要大大高于水源，而且有的地質條件不太適合做地源熱泵，打井難度太大。

八、 泵的區(qū)別：

不管水源還是地源：一般兩套泵，一套給機組提供冷熱負荷的供水泵，一套用來給末端供水的空調泵

地源熱泵主要用管道離心泵根據(jù)水溫選擇泵！ 立式離心泵又叫做管道泵，一般土壤源熱泵用這種的，地下水源熱泵用潛水泵地源熱泵是個空調系統(tǒng)，包括冷熱源和末端部分機房部分，末端和常規(guī)空調一樣。

機房部分包括主機，水泵，分集水器，地埋管，檢修井，或許如果冷熱不平衡的話，要采用冷卻塔，或者板換。

安裝就按照施工圖和施工規(guī)范，地埋部分有專業(yè)的打井公司的，橫埋管豎埋管都可以做。

大型的項目還是小型別墅類的，這兩種類型的在機房部分是有差別的。

A、目前市面上的地源熱泵主機按壓縮機分類，主要是由兩種類型的，一種是渦旋壓縮機的全封閉式機組，另一種是螺桿式壓縮機的半封閉式機組。該兩種的主機設備的安裝有所不同。

1）渦旋式地源熱泵主機是內置四通換向閥門的，其蒸發(fā)器和冷凝器在制冷和制熱的情況下會自動切換，所以主機水側的管路不需要做管路切換，直接按照標準的負載側和源水側接管就可以了，當然，所有空調的水側都需要水泵(空調泵)。

2）螺桿式地源熱泵主機是沒有內置四通換向閥門的，所以主機的冷凍水側必須要做好水路切換，主機制冷和制熱的情況下，其蒸發(fā)器和冷凝器的作用互換，夏季時蒸發(fā)器是接負載側的，而冬季時冷凝器是接負載側的。

B、設計這塊不由你做，但地源熱泵的室外埋管部分的設計非常重要，如果你有圖紙，按圖施工就是了。地埋管施工外包就可以了。但一定要控制好，因為現(xiàn)在很多打井隊都是糊弄事的，做完走人，等你運行起來發(fā)現(xiàn)問題就晚了。有幾個注意事項，可供參考：

1）管材到場一定要做好保壓，并封住兩頭，避免雜質進入，因為地埋管系統(tǒng)一旦做好，就很難清理了，時間長了會降低地埋管換熱效率；

2）下管時一定要帶壓下管，一方面是為了使管子方便下放，另一方面為了防止管子做好后上浮；

3）橫埋的連接管一定要埋在距地面至少1.5米深(1.5-2m)以下，否則將來地埋管的熱損失極大，而且如果將來上面的地上有重物等，容易壓壞管子。

C、機房內的配置其實都是水系統(tǒng)的配置，主要零配件有負載側水泵、源水側水泵、壓力表、溫度計、流量開關、Y型過濾器、定壓罐或膨脹水箱、軟接、無縫鋼管及相應的管件、PE管及相應的管件、電子水處理儀、自動排氣閥、集分水器、電控柜等。

其實地源熱泵安裝除了室外部分，都可以按照水冷系統(tǒng)來做。

九、 地源熱泵打井數(shù)量的確定：

1、打井的數(shù)量與地質條件有很大的關系，粗細紗，黃土層，或卵石層、基巖層打孔的深度都不一樣的，

2、與所配的地源熱泵機組的制熱量有關系，比如：制熱量是100KW，每延米的換熱量是45W

3、上述兩個條件就能算出打井的數(shù)量來

十、地埋管：

地源熱泵埋管共分兩種，一種水平地埋，一種為垂直埋管。

規(guī)范規(guī)定：水平連接管的深度應在凍土層以下0.6m，且距地面不宜小于1.5m。

水平地埋管普遍使用在單相運行狀態(tài)的空調系統(tǒng)中，一般的設計埋管深度在2～4米之間，在只用于采暖時，土壤在整個冬天處于放熱狀態(tài)，溝的深度一定要深，管間距要大。

規(guī)范規(guī)定：豎直地埋管換熱器埋管深度宜大于20m，鉆孔孔徑不宜小于0.11m，鉆孔間距應滿足換熱需要，間距宜為3～6m。

垂直埋管換熱器通常采用的是U型方式，按其埋管深度可分為淺層（＜ 30 m），中層（30～100 m）和深層（＞100 m）3種。埋管深，地下巖土溫度比較穩(wěn)定，鉆孔占地面積較少，但相應會帶來鉆孔、鉆孔設備的經(jīng)費和高承壓埋管的造價提高。

來源：地源熱泵服務聯(lián)盟