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。如图1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。

图2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3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，酒店的最大负荷发生在夜间，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: （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。2100433B

按热源种类不同分为：空气源热泵，水源热泵，地源热泵，双源热泵（水源热泵和空气源热泵结合）等。

热泵空气源热泵

原理

空气源热泵在运行中，蒸发器从空气中的环境热能中吸取热量以蒸发传热工质，工质蒸气经压缩机压缩后压力和温度上升，高温蒸气通过黏结在贮水箱外表面的特制环形管时，冷凝器冷凝成液体，将热量传递给空气源热泵贮水箱中的水。

热泵工质

空气源热泵传热工质是一种特殊物质，常压下其沸点为零下40℃，凝固点为零下100℃以下，该物质冷的时候是液体，但很容易被蒸发成气体，反之亦然。在实际运行中，空气源热泵中传热工质的蒸发极限温度为零下20℃左右，因此5℃的环境温度对如此低的温度也是“热”的，甚至下雪的温度，比如说0℃，相比之下也是热的，因此，仍可交换一些热能。

热泵水源热泵

原理

地球表面浅层水源（一般在1000 米以内），如地下水、地表的河流、湖泊和海洋，吸收了太阳进入地球的相当的辐射能量，并且水源的温度一般都十分稳定。水源热泵技术的工作原理就是：通过输入少量高品位能源（如电能），实现低温位热能向高温位转移。水体分别作为冬季热泵供暖的热源和夏季空调的冷源，即在夏季将建筑物中的热量“取”出来，释放到水体中去，由于水源温度低，所以可以高效地带走热量，以达到夏季给建筑物室内制冷的目的；而冬季，则是通过水源热泵机组，从水源中“提取”热能，送到建筑物中采暖。

优势

与锅炉（电、燃料）和空气源热泵的供热系统相比，水源热泵具明显的优势。锅炉供热只能将90%～98%的电能或70%～90%的燃料内能转化为热量，供用户使用，因此地源热泵要比电锅炉加热节省三分之二以上的电能，比燃料锅炉节省二分之一以上的能量；由于水源热泵的热源温度全年较为稳定，一般为10～25℃，其制冷、制热系数可达3.5～4.4，与传统的空气源热泵相比，要高出40%左右，其运行费用为普通中央空调的50%～60%。因此，近十几年来，水源热泵空调系统在北美及中、北欧等国家取得了较快的发展，中国的水源热泵市场也日趋活跃，使该项技术得到了相当广泛的应用，成为一种有效的供热和供冷空调技术。

热泵地源热泵

地源热泵是一种利用浅层地热资源（也称地能，包括地下水、土壤或地表水等）的既可供热又可制冷的高效节能空调设备。地源热泵通过输入少量的高品位能源（如电能），实现由低温位热能向高温位热能转移。地能分别在冬季作为热泵供热的热源和夏季制冷的冷源，即在冬季，把地能中的热量取出来，提高温度后，供给室内采暖；夏季，把室内的热量取出来，释放到地能中去。通常地源热泵消耗1kWh的能量，用户可以得到4kWh以上的热量或冷量。

热泵高温空气能热泵

高温空气能热泵从字面来理解是指制热出水温度高于60℃（即：高温热水）或出风温度能够达到 80 ℃以上的热泵（即：高温烘干热泵）。相对今天市场上热销的常规热泵而言，常规热水温度一般是55℃以下，而新一代高温空气能热泵可制取高达85℃左右的高温热水，能够运用于电镀，巴氏消毒，屠宰，玻璃清洗，印染等行业。

工作原理

高温空气能热泵工作原理是：利用逆卡诺循环原理，通过自然能(空气蓄热)获取低温热源，经系统高效集热整合后成为高温热源，用来取(供)暖、干燥或供应热水。

优点

高温空气能热泵的四大优点：第一，节能，有利于能源的综合利用，高温空气能热泵是把空气中的低温热能吸收进来，经过压缩机压缩后转化为高温热能，其节能效果相当显著；第二，有利于环境保护；第三，冷热结合，设备应用率高，节省出投资，第四，因为它是电驱动，调控比较方便。相比电锅炉，可以节约50%以上的电力消耗，而且减少了经常更换电热管的麻烦；相比传统煤锅炉和燃油锅炉，无污染，无排放，安全，省去了每年例行的安检，省去了专业的锅炉工，全自动控温，运行费用也大幅降低50%以上。高温热泵能够完成某种特殊领域供热供冷需求的热泵。一般来讲，高温空气能热泵采用专门的热泵压缩机，特殊的制冷剂及系统。

根据热泵所利用能源的不同，热泵可作如下分类：

一、空气源热泵

以空气作为“源体”，空气源热泵，通过冷媒作用，进行能量转移。目前的产品主要是家用热泵空调器、商用单元式热泵空调机组和热泵冷热水机组。热泵空调器已占到家用空调器销量的40—50%，年产量为400余万台。热泵冷热水机组自90年代初开始，在夏热冬冷地区得到了广泛应用，据不完全统计，该地区部分城市中央空调冷热源采用热泵冷热水机组的已占到20—30%，而且应用范围继续扩大并有向此移动的趋势。

二、水源热泵

以地下水作为冷热"源体"，在冬季利用热泵吸收其热量向建筑物供暖，在夏季热泵将吸收到的热量向其排放、实现对建筑物供冷。虽然目前空气能热泵机组在我国有着相当广泛的应用，但它存在着热泵供热量随着室外气温的降低而减少和结霜问题，而水源热泵克服了以上不足，而且运行可靠性又高，近年来国内应用有逐渐扩大的趋势。

三、地源热泵

地源热泵是以大地为热源对建筑进行空调的技术，冬季通过热泵将大地中的低位热能提高对建筑供暖，同时蓄存冷量，以备夏用；夏季通过热泵将建筑物内的热量转移到地下对建筑进行降温，同时蓄存热量，以备冬用。由于其节能、环保、热稳定等特点，引起了世界各国的重视。欧美等发达国家地源热泵的利用已有几十年的历史，特别是供热方面已积累了大量设计、施工和运行方面的资料和数据。

四、复合热泵 为了弥补单一热源热泵存在的局限性和充分利用低位能量，运用了各种复合热泵。如空气-空气热泵机组、空气-水热泵机组、水-水热泵机组、水-空气热泵机组、太阳-空气源热泵系统、空气回热热泵、太阳-水源热泵系统、热电水三联复合热泵、土壤-水源热泵系统等。

1、太阳-空气热源热泵系统 太阳-空气热源热泵系统是在传统的空气热源热泵系统的基础上，利用太阳能热源而新开发的系统。它可以制冷、供热、供生活热水，是一种利用自然能源、无污染、适用性广、效率高的新型冷热源系统。

2、土壤-水热泵系统 土壤-水热泵（下称土壤热泵）可利用低品位的土壤热能提供热水或向建筑物供暖。美国、德国及瑞典等北欧国家，已有上万台此类热泵装置在运行，土壤热泵技术已趋成熟，并迅速地加以推广使用。目前正在制订土壤热泵用于供暖的技术规范。

3、太阳能-水源热泵空调系统 太阳能水源热泵系统由三部分组成，即太阳能集热系统、水源热泵系统和热水供应系统。其系统是将建筑物的消防水池作为蓄水供应系统。以解决太阳能的间歇性和不稳定性。当环路水温高于35℃时，水源热泵空调系统同消防水池断开，冷却塔投入运行，当环路水温在15~35℃之间时，太阳能作为冷却塔停止运行，生活热水供应的热源收集的太阳能用来加热生活用水；当环路水温低于15℃时，环路与消防水池连通，太阳能水源热泵空调系统吸收太阳能。若仍有多余的太阳能时，可继续加热生活用水。 热泵除上述四类以外，还有喷射式热泵、吸收式热泵、工质变浓度容量调节式热泵及以CO2为工质的热泵系统。