三维热泵蓄热和传统热泵蓄能比较及分析

三维热泵作为一种新型热泵，实现了热量在热泵系统中的多方灵活转移，比普通热泵的应用范围更广泛。在实际工程案例中，配合蓄能水箱蓄热解决对于昼夜温差大的地区如西北、华北等地区的采暖问题，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。

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.

3.2机组参数

采用PHNIX三维热泵机组25P机组，该机组的参数如下：

3.3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420kW，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。