中國船級(jí)社 任 勇 陳 實(shí)

船用熱泵與陸用熱泵都遵循相同的工作原理，但由于工作環(huán)境發(fā)生了變化，熱泵應(yīng)用在船上不可避免地面臨一些新的問題，特別是遠(yuǎn)洋船舶航行水域范圍廣，水溫、水質(zhì)、氣象等條件差異大，這就給熱泵在船上的穩(wěn)定工作帶來了不利影響；另外，船舶在航行過程中產(chǎn)生的傾斜搖擺運(yùn)動(dòng)，會(huì)對(duì)熱泵機(jī)組中的設(shè)備產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響船用熱泵工作的可靠性和穩(wěn)定性；船用熱泵還必須有效解決面臨的腐蝕和臟堵問題。對(duì)于更適合船舶應(yīng)用的水源熱泵而言，不利影響尤為明顯。

水源熱泵在船上應(yīng)用的共性技術(shù)問題

船舶航行范圍廣，各地區(qū)的水溫、水質(zhì)、氣象等條件又存在較大差別，因此船舶所處外界環(huán)境的變化是非常復(fù)雜的，這就決定了船用熱泵要面臨比一般陸用熱泵更困難的工作環(huán)境，從而產(chǎn)生出一系列新的技術(shù)問題，解決這些技術(shù)問題是保證熱泵在船上可靠、高效工作的前提。水源熱泵應(yīng)用在海洋船舶和內(nèi)河船舶上面臨的共同問題有：

確定船用水源熱泵工況參數(shù)。由于船用水源熱泵的水源水質(zhì)、水溫等參數(shù)與陸上水源熱泵的水源情況不同，因此，需要根據(jù)不同航行海域進(jìn)行船用熱泵水源側(cè)工況參數(shù)的歸并分析，確定水源側(cè)和用戶側(cè)的工況參數(shù)。而且，并非所有海區(qū)、所有航線的水質(zhì)條件都適合熱泵正常高效運(yùn)行，所以有必要進(jìn)行區(qū)別分析。

船用水源熱泵系統(tǒng)的可靠性問題。船舶在航行過程中會(huì)產(chǎn)生傾斜與搖擺現(xiàn)象，船舶的傾斜與搖擺又會(huì)影響到水源熱泵的正常工作，對(duì)熱泵機(jī)組產(chǎn)生不利影響。因此，為了保證水源熱泵在船上可靠工作，首先有必要對(duì)不利因素進(jìn)行識(shí)別，然后針對(duì)具體的不利因素進(jìn)行專門研究，并提出合理的解決方案。

船用水源熱泵系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題。船舶在航行過程中產(chǎn)生的傾斜與搖擺問題是無法避免的，針對(duì)這一應(yīng)用環(huán)境，應(yīng)對(duì)水源熱泵系統(tǒng)采取必要的改進(jìn)措施，切實(shí)保證熱泵機(jī)組在船上能夠穩(wěn)定工作，能夠按照設(shè)計(jì)的要求提供必要的冷量和熱量。

船用水源熱泵系統(tǒng)的適應(yīng)性問題。船舶處在不斷的運(yùn)動(dòng)當(dāng)中，水質(zhì)條件也在持續(xù)發(fā)生變化，這是船用水源熱泵工作環(huán)境與陸用的又一個(gè)不同。應(yīng)該采取有效措施保證水源熱泵在不同的水域都具有較好的工作能力，都具有較高的能效比。

海洋船舶應(yīng)用水源熱泵的特殊問題

水源熱泵應(yīng)用到海洋船舶上面臨的特殊問題主要集中在海水腐蝕和海洋生物附著兩個(gè)方面。

海水中含有自然界最豐富的天然電解質(zhì)，有很強(qiáng)的腐蝕性，許多材料在海洋環(huán)境中使用時(shí)都會(huì)遭受不同程度的腐蝕破壞，材料腐蝕加劇最終會(huì)導(dǎo)致海水源熱泵系統(tǒng)失去正常工作能力，影響相關(guān)系統(tǒng)正常運(yùn)行并造成經(jīng)濟(jì)損失。

金屬在海水中的腐蝕程度主要與如下因素有關(guān)。

鹽類及其濃度：海水濃度的增加會(huì)造成海水的比電導(dǎo)增加，使腐蝕速度加快，同時(shí)因?yàn)楹Ｋ写罅康穆入x子，它會(huì)妨礙或者破壞金屬鈍化。

溶解氧：溶解氧量是影響海水腐蝕的另一個(gè)重要因素，因?yàn)榻饘僭诤Ｋ械母g過程主要受陰極氧去極化過程所控制。對(duì)于許多常用金屬，含氧量越高，侵蝕率越大。海水表面經(jīng)常與大氣接觸，所溶解的氧量較多，可達(dá)12ppm。海水中綠色植物的光合作用、波浪作用等，能提高海水含氧量，加速金屬腐蝕。

溫度：金屬在海水中的腐蝕還與海水的溫度有關(guān)，海水溫度越高，對(duì)金屬的腐蝕速度越快，一般認(rèn)為海水溫度每上升10℃，其腐蝕速度將增加一倍。在大多數(shù)海域，水溫的季節(jié)變化都比較大，因此，夏季海水的腐蝕性比冬季海水的腐蝕性要強(qiáng)。

海水流速：海水腐蝕借助氧的去極化而進(jìn)行，腐蝕受氧向金屬表面的擴(kuò)散速度所控制，海水的運(yùn)動(dòng)速度是影響腐蝕過程的主要因素之一。水運(yùn)動(dòng)速度的增大將使金屬的腐蝕速度加快。當(dāng)水的運(yùn)動(dòng)速度很大時(shí)，所發(fā)生的湍流會(huì)重新引起不均勻腐蝕，并由于金屬的部分鈍化而產(chǎn)生小孔。當(dāng)運(yùn)動(dòng)速度更大時(shí)，會(huì)產(chǎn)生腐蝕性磨蝕，使海水中金屬的破壞進(jìn)一步加大。

由不同種類的金屬相接觸而引起的腐蝕（電偶腐蝕）：海水水源熱泵系統(tǒng)中，幾乎所有的機(jī)器、設(shè)備都有不同金屬材料的部件。在海水中不同種類金屬的接觸將導(dǎo)致低電位金屬更強(qiáng)烈的腐蝕，而高電位金屬的腐蝕則將會(huì)降低。

海洋附著生物又稱為污損生物，最常見的有硬殼生物和無硬殼生物，前者如結(jié)殼苔蘚蟲、軟體動(dòng)物、珊瑚蟲等；后者如海藻、腔腸動(dòng)物或水螅蟲等。

海生物附著造成的破壞作用包括：由于海生物附著不完整、不均勻，將造成金屬管道的局部腐蝕或縫隙腐蝕；由于生物的生命活動(dòng)，使局部海水的成分發(fā)生改變，如藻類植物由于光合作用將使附著區(qū)域海水的氧濃度增加，從而加速了金屬的腐蝕速度；藻類、硬殼類生物附著在管道內(nèi)部，在適宜的條件下大量繁殖，可堵塞管道，影響設(shè)備的正常運(yùn)行等。

在進(jìn)行海水源熱泵研究開發(fā)時(shí)，要充分考慮海水腐蝕、海洋生物附著等問題，采取有效措施避免或盡量降低不利因素對(duì)海水源熱泵系統(tǒng)的影響。此外，由于高緯度海水在冬季的溫度很低，此時(shí)要充分考慮海水源熱泵系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)問題，還有海水源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行特性等也要進(jìn)行充分分析。

水源熱泵船舶應(yīng)用的主要方案

理論上，熱泵應(yīng)用在船上是可行的，但是，將熱泵系統(tǒng)由陸上移到船上，工作環(huán)境發(fā)生了變化，也就隨之帶來了一些新的問題，這些問題要通過認(rèn)真研究予以解決，從而保證熱泵系統(tǒng)能在船上有效工作。

船上熱泵應(yīng)用包括供熱應(yīng)用和制冷應(yīng)用兩種。船上用熱量較大，如果采用熱泵系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)供熱，將大大節(jié)省能量，這是因?yàn)橛脽岜脕砉岬哪芰坷眯室h(yuǎn)高于采用鍋爐時(shí)的效率。船上也有很多處所是需要提供冷量的，熱泵既能實(shí)現(xiàn)供熱，也能實(shí)現(xiàn)制冷，一套系統(tǒng)即可滿足兩種需求。這對(duì)降低設(shè)備初投資和減輕船舶重量都有幫助。

中國船級(jí)社牽頭實(shí)施了工信部高技術(shù)船舶科研項(xiàng)目，首次將研發(fā)出的水源熱泵系統(tǒng)產(chǎn)品應(yīng)用到了長(zhǎng)江某系列涉外豪華游輪上，經(jīng)過兩年多的實(shí)際運(yùn)行，節(jié)能減排效果明顯。

水源熱泵在系列內(nèi)河豪華游輪上的應(yīng)用原理如圖1所示。

圖1 內(nèi)河船用水源熱泵系統(tǒng)原理圖

以該系列豪華游輪的2號(hào)船為例，該船選用了3臺(tái)冷熱全效的水源熱泵機(jī)組，室內(nèi)末端采用除濕型風(fēng)機(jī)盤管。

夏季，1、2號(hào)機(jī)組提供空調(diào)冷水的同時(shí)，加熱衛(wèi)生熱水，3號(hào)機(jī)組完全備用。此方案替代傳統(tǒng)船舶所用的冷水機(jī)組＋燃油廢氣鍋爐制備生活熱水的系統(tǒng)。

冬季，根據(jù)熱水需求情況，1、2號(hào)機(jī)組可同時(shí)供應(yīng)衛(wèi)生熱水，并且互為備用；3號(hào)機(jī)組用于供暖；2號(hào)機(jī)組可以作為3號(hào)機(jī)組的備用機(jī)組。此方案替代傳統(tǒng)的冬季完全靠燃油廢氣鍋爐供熱和生活熱水系統(tǒng)。

節(jié)能減排效益

以上文提及的2號(hào)豪華游輪為例，經(jīng)測(cè)算，采用改進(jìn)的水源熱泵技術(shù)之后，夏季平均每天比原來采用的冷水機(jī)組+鍋爐方案節(jié)油39.31%；冬季平均每天比原來采用的冷水機(jī)組+鍋爐方案節(jié)油45.94%；按夏季運(yùn)行135天、冬季運(yùn)行80天計(jì)算，每年節(jié)約燃油247.9噸，折合357噸標(biāo)準(zhǔn)煤，減排二氧化碳956.8噸，節(jié)能減排效益明顯。

投資成本上，采用水源熱泵技術(shù)比原有的冷水機(jī)組+鍋爐方案增加不多，按照目前的燃油價(jià)格進(jìn)行計(jì)算，大約2年時(shí)間可以收回投資，經(jīng)濟(jì)效益良好。

水源熱泵主要從海水、河水、船舶各種冷卻水中提取熱量，理論上說，只要水質(zhì)條件和工作環(huán)境滿足要求，水源熱泵即可得到應(yīng)用。而且，水源熱泵在陸地上已經(jīng)應(yīng)用了幾十年，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，將水源熱泵技術(shù)應(yīng)用到船舶領(lǐng)域沒有根本的技術(shù)障礙。當(dāng)然，將水源熱泵系統(tǒng)由陸上移到船上，工作環(huán)境發(fā)生了變化，也就隨之帶來了一些新的問題，如傾斜、搖擺、振動(dòng)、鹽霧、大溫度變化范圍等，都需要經(jīng)過相應(yīng)的認(rèn)真研究予以解決。

目前，各國為了在新一輪的船舶節(jié)能減排工作中搶占先機(jī)，都紛紛開展了各種形式的研究工作。船用供熱和制冷系統(tǒng)是創(chuàng)造船上人工環(huán)境的根本保障，因此，中國船級(jí)社開展的水源熱泵系統(tǒng)船舶應(yīng)用研究具有明顯節(jié)能效益和前瞻性。

中國船級(jí)社多年來一直積極推動(dòng)節(jié)能減排技術(shù)在船舶中的應(yīng)用研究工作，努力促進(jìn)船舶節(jié)能減排水平的提高。目前，在熱泵技術(shù)船舶應(yīng)用方面已經(jīng)形成了較完善的技術(shù)咨詢服務(wù)能力，可以為客戶提供技術(shù)方案咨詢、設(shè)計(jì)審圖、建造檢驗(yàn)等一系列服務(wù)。中國船級(jí)社開展的船舶節(jié)能減排研究，在提升自身技術(shù)實(shí)力的同時(shí)，也必將會(huì)進(jìn)一步推動(dòng)我國船舶節(jié)能減排事業(yè)的發(fā)展和船用配套產(chǎn)品的進(jìn)步。

中國船級(jí)社多年的研究和實(shí)踐表明，熱泵這項(xiàng)節(jié)能技術(shù)在船舶上應(yīng)用是很有前景的，具體表現(xiàn)在：

水源熱泵技術(shù)節(jié)能減排效果明顯，所以，在冷熱量需求較大的客船上具有廣闊應(yīng)用空間，如，采用水源熱泵機(jī)組為客船艙室提供冷熱量和供應(yīng)生活熱水等。

目前由于節(jié)能減排的需要，大部分船舶都采取了降速航行措施，導(dǎo)致船上廢氣量不足。為了減少燃油鍋爐的能耗，普通干貨船也可以采用水源熱泵技術(shù)解決制冷制熱和生活熱水的問題。

熱泵機(jī)組既能供應(yīng)熱量，也能制取冷量，在燃油加熱、普通貨船船員艙室空調(diào)、機(jī)艙降溫等方面也是非常有前景的。

分析認(rèn)為，熱泵技術(shù)同樣適用于對(duì)冷熱量有較大需求的海上設(shè)施。