吳曉陽

綠色裝備技術(shù)

船舶機艙空氣與海水復(fù)合熱源熱泵技術(shù)應(yīng)用分析

吳曉陽

（公安海警學(xué)院機電管理系，浙江寧波315801）

介紹了船舶機艙空氣與海水復(fù)合熱源熱泵技術(shù)，探討了該技術(shù)的可行性，并且提出了一種適用于船舶的機艙空氣和海水復(fù)合熱源熱泵方案，同時指出了該技術(shù)實現(xiàn)實用化的關(guān)鍵問題。

船舶機艙；空氣源熱泵；海水源熱泵；復(fù)合熱泵

常規(guī)能源的日漸短缺和環(huán)境污染是當(dāng)代社會面臨的兩大主要問題。在這種背景下，以環(huán)保和節(jié)能為主要特征的熱泵技術(shù)應(yīng)運而生。熱泵技術(shù)與鍋爐和電加熱等為代表的普通制熱裝置相比，具有較大的經(jīng)濟優(yōu)勢、環(huán)保優(yōu)勢及應(yīng)用前景[1]。在船舶上，機艙空氣以及海水都蘊含大量的低品位熱源，因此探索船舶機艙空氣與海水復(fù)合熱源熱泵技術(shù)的實際應(yīng)用具有一定的節(jié)能和經(jīng)濟效益。

1 空氣與海水復(fù)合熱源熱泵技術(shù)簡介

空氣與海水復(fù)合熱源熱泵技術(shù)是同時利用了空氣與海水的低溫低品位熱能，通過應(yīng)用熱泵工作原理，消耗少量高品位的電能，實現(xiàn)低品位熱能向高品位熱能轉(zhuǎn)移的一種節(jié)能技術(shù)。如圖1所示，該技術(shù)借助熱泵循環(huán)系統(tǒng)，僅利用由壓縮機所消耗的少量電能，就能把貯藏于空氣和海水中的低品位能量提取出來，通過冷凝器的放熱，把熱量傳遞給淡水，具有較高的能效比。

圖1 空氣與海水復(fù)合熱源熱泵工作原理

熱泵機組實現(xiàn)了對低品位熱源的高效利用，它雖然以空氣和海水為熱源，但是既不會消耗空氣或海水，也不會對空氣和海水造成污染，可以滿足生活熱水和取暖等多方面的需求。

2 船舶機艙空氣和海水復(fù)合熱源熱泵技術(shù)的可行性

我國海域非常遼闊，陸地海岸線長約1.8萬公里，島嶼海岸線長約1.4萬公里。從渤海到南海，橫跨熱帶、亞熱帶和溫帶，在同一時間不同海域的水溫差異較大。圖2反映了2016年我國海域月均海洋表層水溫變化趨勢圖[2]，其中縱坐標單位為℃.從該圖可以看出，我國海域的海水表層水溫均大于0℃，黃海海區(qū)的全年平均海水表層溫度達到了17.08℃，因此我國海域完全能夠滿足海水源熱泵的運行要求。

圖22016 年我國海域月均海洋表層水溫變化趨勢

常規(guī)空氣源熱泵工作的環(huán)境溫度一般是建議在環(huán)境溫度-5℃以上運行，低于-5℃以后效果比較差，效果接近電加熱。由于船舶機艙是一個相對獨立和封閉的空間，在船舶航行過程中，機艙所有機電設(shè)備的散熱都將進入到機艙的空氣中，盡管在機艙中有通風(fēng)換氣等設(shè)備，但是機艙空氣的平均溫度比大氣溫度要高出10℃以上，而且機艙溫度在低于5℃的情況下，還要對機艙進行加熱，以滿足機械設(shè)備正常工作條件，防止低溫天氣因結(jié)冰損壞設(shè)備。因此機艙空氣環(huán)境完全滿足空氣源熱泵的運行要求[3]。

因此在我國海域，將機艙空氣與海水作為復(fù)合熱源的熱泵技術(shù)具有較大的可行性。

3 船舶機艙空氣和海水復(fù)合熱源熱泵方案設(shè)計

3.1 方案設(shè)計

熱泵的性能系數(shù)受環(huán)境因素影響大，對于船舶這種移動的獨立系統(tǒng)，環(huán)境波動較大，熱泵工作的性能系數(shù)不穩(wěn)定，單一熱源熱泵不能很好的達到節(jié)能的效果。復(fù)合熱源熱泵以兩種或多種熱源相結(jié)合同時作為低位熱源的工作方式，大大提高了熱泵運行的穩(wěn)定性和可靠性，填補了單一熱源熱泵存在的局限性、不穩(wěn)定性，充分利用了低品位熱量[4]。

針對船舶的特殊環(huán)境，設(shè)計了一種適用于船舶的機艙空氣和海水復(fù)合熱源熱泵方案，如圖3所示。

圖3 船舶機艙空氣和海水復(fù)合熱源熱泵工作原理圖

從圖3可以看出，空氣源熱泵系統(tǒng)的工質(zhì)在空氣蒸發(fā)器中與機艙空氣進行換熱以后進入壓縮機進行壓縮，變?yōu)楦邷馗邏簹怏w進入到冷凝器進行換熱，經(jīng)過冷凝器放熱后，熱泵工質(zhì)再經(jīng)過膨脹閥降壓以后進入到機艙空氣蒸發(fā)器進行下一個循環(huán)，同時冷凝器中的熱水輸送到熱水水箱以備使用。海水源熱泵中，海水在海水泵的作用下抽到蒸發(fā)器進行熱交換之后排出舷外，熱泵工質(zhì)進入到循環(huán)系統(tǒng)進行換熱，最終將熱水輸送到熱水箱以供使用。

該方案可以實現(xiàn)多種運行方式。通過三通閥和截止閥控制冷水的流向，可選擇由單一熱源熱泵供熱、復(fù)合熱源熱泵供熱或者船舶輔助鍋爐供熱，以保證熱泵在合理和高效率狀態(tài)下工作。即使當(dāng)熱泵系統(tǒng)發(fā)生故障，不能滿足生活需求時，仍然使用燃油輔助鍋爐保障供熱。

與鍋爐制熱裝置相比，復(fù)合熱源熱泵的優(yōu)點是只需消耗少量的電能，就可得到大量的熱能。熱泵的制熱系數(shù)永遠大于1，因此得到的熱能總是大于所消耗的電能或燃料能，具有較高的效率。在船舶上，使用空氣和海水復(fù)合熱源熱泵技術(shù)可以實現(xiàn)艙室供暖，也可以制備生活熱水。

3.2 存在不足

盡管復(fù)合熱源熱泵具有較大的優(yōu)勢，但是要實現(xiàn)船舶上的實用化，仍然具有一定的困難，主要存在以下需要克服的問題。

（1）防污染問題。熱泵機組和風(fēng)機的增設(shè)導(dǎo)致噪聲增加，在設(shè)計安裝時需要考慮降低噪聲的措施；海水的成分非常復(fù)雜，并且具有腐蝕性，需要綜合考慮防腐、防污染的問題。

（2）必須具備良好的抗顛簸和振動的能力。整個復(fù)合熱泵系統(tǒng)的各設(shè)備在安裝時需采取一定措施進行加固，同時要做好防止設(shè)備的隔振措施。

（3）初投資較高，在船舶建造時會提升預(yù)算。

4 結(jié)束語

復(fù)合熱源熱泵技術(shù)是一種同時使用多種低溫?zé)嵩吹男滦铜h(huán)保技術(shù)，在環(huán)保性、節(jié)能性和安全性等方面有絕對的優(yōu)勢。無論與傳統(tǒng)的燃油鍋爐還是與電加熱器相比，雖然初期投資比較高，但是后期運行費用要低很多。在傳統(tǒng)石化能源不斷消耗、燃料價格上漲的現(xiàn)實背景下，使用復(fù)合熱源熱泵技術(shù)不僅節(jié)約了一部分油料，同時在經(jīng)濟、安全、環(huán)保和發(fā)展等方面都有良好的效果，在船舶上有著廣闊的應(yīng)用前景。

[1]陳東，謝繼紅.熱泵熱水裝置[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

[2]國家海洋局.2016中國海洋環(huán)境狀況公報[EB/OL].國家海洋局官方網(wǎng)站，http://www.soa.gov.cn.2016.

[3]吳曉陽.船舶機艙空氣源熱泵技術(shù)應(yīng)用分析[J].機電設(shè)備，2014（3）：21-23.

[4]任勇，陳實.船用熱泵技術(shù)原理及主要系統(tǒng)形式[J].中國船檢，2015（9）：105－109.

The Application Analysis on Composite Heat Pump of Marine Engine Room Air and Seawater

WU Xiao－yang
（China Maritime Police Academy，Ningbo Zhejiang 315801，China）

The composite heat pump of marine engine room air and seawater was introduced in this paper，and its feasibility was discusses.A kind of application solutions for marine engine room air and seawater composite heat pump was put forward，and the key problems to realize practical application were pointed out.

marine engine room；air heat pump；seawater heat pump；composite heat pump

TU831.8

B

1672-545X（2017）07-0206-03

2017-04-16

浙江省教育廳一般科研項目（編號：Y201533899）

吳曉陽（1982-），男，江西余干人，講師，主要從事船舶輔機的教學(xué)與研究工作。