(上海打撈局，上海 200090)

在陸地上，為減少溫室氣體排放，降低對化石燃料的依賴，人們在使用石油煤炭等化石能源的同時也在不斷開發(fā)利用新能源。大氣、土壤、水中含有的低位熱能和工業(yè)廢熱正成為新的能源利用亮點。熱泵在利用低位能源方面有很大的優(yōu)勢。

海水源熱泵是水源熱泵的一種，是以海水為熱源的，可以進行制冷/制熱循環(huán)的一種熱泵型空調(diào)裝置，它在制熱時以海水為熱源(低溫?zé)嵩?，而在制冷時以海水為排熱源(高溫?zé)嵩?。目前，海水源熱泵已在我國一些沿海城市(大連、青島等)陸地建筑物取暖中獲得了廣泛應(yīng)用,相關(guān)技術(shù)也逐步完善[1]。與使用鍋爐制取蒸汽或高溫?zé)崴∨啾?，采用海水作為熱泵低溫?zé)嵩词且环N綠色環(huán)保的采暖方式。

船舶航行于大海之中，采用海水作為熱泵熱源具有得天獨厚的優(yōu)勢，同時船舶柴油機冷卻器出口的海水也是可以利用的優(yōu)質(zhì)熱源。將已經(jīng)日趨成熟的水源熱泵技術(shù)運用于某些特定船舶有著極大的可行性。

1 三用拖船空調(diào)系統(tǒng)的特點

隨著我國海上石油產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，近海三用拖船日益增多。與一般遠洋貨船不同，三用拖船一般噸位不大，主機功率比較高，雙機雙槳；駕駛臺與船員生活區(qū)相對較小，集中于船艏部；船中部一般布置有拖纜機等拖帶設(shè)備，船后部的通敞式甲板占全船的2/3，機艙位于通敞式甲板以下，由于甲板高度的限制，機艙采用水平布置。實船的空調(diào)系統(tǒng)通常采用夏季制冷，冬季用燃油輔鍋爐產(chǎn)生70 ℃的熱水來對空氣進行加溫處理以滿足船舶取暖需求，在極冷條件下加開電加熱與暖風(fēng)機。

經(jīng)過比較[2]，筆者發(fā)現(xiàn)用于近海海上油田服務(wù)的三用拖船，其船用空調(diào)系統(tǒng)與熱泵的工作特點和布置要求比較符合。

1) 船舶生活區(qū)面積相對較小，整個空調(diào)系統(tǒng)的布置及要求類似陸地建筑物；

2) 船舶航區(qū)相對固定，主要用于海上油田各石油鉆井平臺之間運輸供應(yīng)作業(yè)和海上結(jié)構(gòu)物(鉆井平臺、系泊提油裝置等)建設(shè)，一般不具備冰區(qū)航行條件；

3) 三用拖船要求高機動性和可操作性，主副機均使用輕質(zhì)柴油( 0#或-10#)，無重油艙，不需要油艙加熱；

4) 由于主機經(jīng)常運行于低負(fù)荷工況，加上機艙布置的限制，三用拖船一般不配備廢氣鍋爐系統(tǒng)，僅設(shè)有燃油輔鍋爐產(chǎn)生生活熱水及滿足冬季船舶艙室取暖需要；

5) 機艙布置比較緊湊，主機冷卻水系統(tǒng)的管路布置易于改造；

6) 機艙海水系統(tǒng)各泵浦之間可以互相替代，管路可以通過閥件的開關(guān)實現(xiàn)互通，便于對用于熱泵系統(tǒng)的海水低溫?zé)嵩催M行處理；

7) 現(xiàn)有空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備的布置可以滿足改造的空間要求。

由此，提出將陸地建筑物使用的水源熱泵技術(shù)用于該類船舶空調(diào)系統(tǒng)。

2 復(fù)合熱源熱泵技術(shù)概述

國家機械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T7227-1994給出了復(fù)合熱源熱泵型螺桿式冷水機組的定義[3]。復(fù)合熱源熱泵的原理見圖1。

圖1 復(fù)合熱源熱泵原理

在此，同樣可以把復(fù)合熱源的定義理解為兩種及兩種以上不同溫度級的低品味熱能，由此，也可以理解為復(fù)合熱源熱泵能同時分級回收兩種或兩種以上不同溫度級的低品味熱能的熱泵循環(huán)。因為對于中間進氣的螺桿式壓縮機而言，在維持螺桿低壓一次吸氣腔吸收空氣熱能量不變的同時，通過中壓二次吸氣腔補償回收水的廢熱量，以達到循環(huán)總制熱量的增加。

對于船舶而言，海水是非常理想的熱泵系統(tǒng)低位熱能來源，即利用兩種不同能級的低溫?zé)嵩矗簛碜源瑲ね夂５组T進口處的海水以及來自船舶柴油機冷卻器的海水。對于后者，以作為船舶主機的柴油機為例，海水從冷卻器中帶走的熱量實際上可以達到柴油機發(fā)出功率的20%以上[4]。同時，船舶主輔機系統(tǒng)的缸套冷卻水也是可以利用的廢熱源。這就意味著該熱泵系統(tǒng)可以利用的低溫?zé)嵩磳嶋H上有多個，即構(gòu)成了所謂的復(fù)合熱源。

3 復(fù)合熱源熱泵方案

結(jié)合三用拖船空調(diào)系統(tǒng)特點，提出采用復(fù)合熱源熱泵的思想，利用帶經(jīng)濟器的中間補氣螺桿壓縮機熱泵(制冷)循環(huán)，設(shè)計一套三用拖船船用復(fù)合熱源熱泵空調(diào)系統(tǒng)，見圖2。

整個系統(tǒng)可以分為兩部分。

1) 復(fù)合熱源熱泵系統(tǒng)。復(fù)合熱源熱泵系統(tǒng)由螺桿式壓縮機、四通換向閥、兩個雙向節(jié)流閥、兩個換熱器(分別實現(xiàn)蒸發(fā)器和冷凝器功能)和經(jīng)濟器組成。為了保證低溫?zé)嵩础Ｋ臏囟龋梢栽趽Q熱器B的海水進口附近加裝一個溫控閥，引入來自主機海水系統(tǒng)出口的海水來調(diào)節(jié)該處的海水進口溫度，使其保證滿足熱泵壓縮機所要求的最低工作溫度(實際混合后，海水進換熱器溫度高于-2 ℃)。同時在經(jīng)濟器處可以引入來自主副機缸套冷卻水的富余熱量，實現(xiàn)兩個不同能量級的低溫?zé)嵩茨芰炕厥铡?/p>

1-壓縮機；2-換熱器A；3-雙向節(jié)流閥；4-換熱器B；5-四通閥；6-經(jīng)濟器；7-風(fēng)機；8-循環(huán)水泵；9-膨脹水箱

圖2船用復(fù)合熱源熱泵循環(huán)系統(tǒng)布置方案

該方案的工作循環(huán)如下。

① 制熱循環(huán)。制熱循環(huán)中，由壓縮機出來的高溫高壓氣體工質(zhì)，經(jīng)換熱器A(此時為冷凝器功能)冷卻為液體工質(zhì)，經(jīng)過一級節(jié)流閥節(jié)流一次后，進入經(jīng)濟器6形成一中壓區(qū)。工質(zhì)在經(jīng)濟器中進入中間壓力狀態(tài)，工質(zhì)變成氣液兩相狀態(tài)。一方面一部分工質(zhì)吸收剩余液體的熱量而成為蒸氣，通過壓縮機中間補氣口進入機內(nèi)，而另一方面經(jīng)濟器內(nèi)的液體過冷度增加，通過二級節(jié)流閥二級節(jié)流，進入換熱器B(蒸發(fā)器)，從蒸發(fā)器蒸發(fā)的氣體由壓縮機吸入，再與中間補氣混合壓縮，完成循環(huán)。

在用熱低峰狀態(tài)下，上述循環(huán)即為兩級節(jié)流、中間補氣的帶經(jīng)濟器的螺桿式熱泵循環(huán)。在極限低環(huán)境溫度下，用熱高峰時，可以在經(jīng)濟器處利用來自主副機缸套冷卻水的熱量，使中間補氣量增大，從而實現(xiàn)較高品味熱量的回收，增加系統(tǒng)的制熱量。

② 制冷循環(huán)。制冷循環(huán)中，工質(zhì)通過四通閥實現(xiàn)逆向循環(huán)，工質(zhì)的流向過程相反。

2) 末端處理系統(tǒng)。末端處理裝置主要部件有循環(huán)水泵，風(fēng)機盤管，軸流風(fēng)機，高位膨脹水箱等。通過冬季制取45 ℃的熱水，夏季制取7 ℃的冷凍水來實現(xiàn)對末端裝置的空氣處理。

由于該設(shè)計方案可以用于夏季制冷循環(huán)與冬季取暖熱泵循環(huán)，為了避免概念混淆，將傳統(tǒng)意義上的冷凝器和蒸發(fā)器統(tǒng)一標(biāo)示為換熱器，并根據(jù)實際循環(huán)的需要，執(zhí)行冷凝器與蒸發(fā)器功能。

4 復(fù)合熱源熱泵方案制熱性能評價

通常情況下，對于熱泵系統(tǒng)的制熱性能評價參數(shù)包括基于熱力學(xué)第一定律的性能系數(shù)ηCOP、熱力學(xué)完善度、一次能源利用率。下面分別校驗以下數(shù)據(jù)，以確定該設(shè)計方案的可行性。

1) 性能系數(shù)ηCOP。性能系數(shù)ηCOP是熱泵用少量的功產(chǎn)生大量熱的有效性的一種度量。從理論上講，在一般的供暖條件下，熱泵可以獲得很高的性能系數(shù)。

(1)

ηCOP分析是基于熱力學(xué)第一定律，對能量做等量變換的一種收支狀況的數(shù)量分析，這使得在相同外界條件下，不同循環(huán)的能量轉(zhuǎn)換率的分析一目了然[5]。對逆卡諾循環(huán)

(2)

分別對Tk、To取偏微分，則有

(3)

即ηCOP隨To同增同減；

(4)

即ηCOP隨Tk增大或減小，又Tk>To，則有：

(5)

即低溫?zé)嵩礈囟茸兓瘜Ζ荂OP影響大于高溫?zé)嵩礈囟茸兓a(chǎn)生的影響，故對熱泵，應(yīng)盡可能采用較高溫度的低溫?zé)嵩碵6]。設(shè)計時仍采用目前市場上海水源熱泵機組能夠使用的極限溫度-2 ℃作為熱泵的熱源，以40 ℃熱水作為冷媒，制取45 ℃熱水對空氣進行加熱至船舶冬季設(shè)計工況[7]。據(jù)此計算，蒸發(fā)溫度t0為-6 ℃，冷凝溫度tk為46 ℃，則設(shè)計方案的理論ηCOP分析如下。

2) 熱力完善度ζ。其定義為性能系數(shù)與相同冷凝溫度、蒸發(fā)溫度下的逆卡諾循環(huán)的ηCOP之比。帶入工況條件參數(shù)進行計算，方案的理論熱力學(xué)完善度為

3) 一次能源利用率PERηPER分析。ηPER分析可評價熱泵的節(jié)能效果。

(3)

式中：η——設(shè)備熱效率，包括發(fā)電效率η1和電力輸配效率η2，分別可取0.3、0.9。

則該方案的ηPER為

ηPER=η1×η2×ηCOPh=

0.3×0.9×5.509=1.487

通過上述分析可以看出，設(shè)計方案的理論制熱性能系數(shù)與逆卡諾制熱性能系數(shù)比較接近，理論熱力學(xué)完善度高。同時，方案的一次能源利用率計算表明該熱泵系統(tǒng)能夠以少量的電力輸入從低溫?zé)嵩粗腥〉幂^多的高溫?zé)崃枯敵觯f明該設(shè)計方案是節(jié)能的。

5 結(jié)論

用于近海海上油田服務(wù)的三用拖船等近海支持船的中央空調(diào)設(shè)置要求類似于陸地建筑物，符合復(fù)合熱源熱泵的應(yīng)用特點。同時，經(jīng)過理論計算分析，所提出的帶經(jīng)濟器的中間補氣螺桿壓縮熱泵循環(huán)的復(fù)合熱源熱泵方案，體現(xiàn)出較好的節(jié)能性能。與使用燃油輔鍋爐取暖相比，可以減少船舶的燃油消耗，降低污染氣體排放，節(jié)省船舶運營費用，將具有一定的環(huán)境、經(jīng)濟效益。

但是，這種船用復(fù)合熱源熱泵方案的可行性分析只是停留在理論分析層面上，還有待在實船改裝或新船建造使用證明。同時方案的經(jīng)濟性與優(yōu)化還有待在今后的研究中進一步論證。

[1] 張 莉,胡松濤,韓國君.淺談海水在熱泵空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].制冷空調(diào),2006,(3)：101-102.

[2] 吳昭成.復(fù)合熱源熱泵技術(shù)用于近海三用拖輪的可行性研究[D].大連：大連海事大學(xué),2008.

[3] JB/T 7227-1994復(fù)合熱源熱泵型螺桿式冷水機組[S].北京：機械科學(xué)研究院，1995.

[4] 孫培廷.船舶柴油機[M].大連：大連海事大學(xué)出版社，2002.

[5] 鄭祖義.熱泵空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計與創(chuàng)新[M].武漢:華中科技大學(xué)出版社,1994.

[6] ZHANG Jinyang, LIN Duanmu,SHU Haiwen,et al.The analysis about economics and energy-saving of district cooling and heating using sewage-source heat pump in dalian[C]∥4th International Symposium on Heating,Ventilation and Air Conditioning,Oct.9-11 2003,Beijing: Tsinghua University Press,2003.

[7] 費 千.船舶輔機[M].大連:大連海事大學(xué)出版社,1998.