船舶机舱空气源热泵技术应用分析

吴晓阳

● （公安海警学院，浙江宁波 315801）

船舶机舱空气源热泵技术应用分析

吴晓阳

● （公安海警学院，浙江宁波 315801）

阐述了船舶节能的重要性。通过分析船舶机舱空气的特点，提出了一种利用空气源热泵对机舱余热进行回收利用的技术，进行了理论分析与计算，并与传统的船舶锅炉供热系统做了对比分析。分析了该技术的应用前景和关键问题。

船舶；机舱；空气源热泵；节能

0 引言

自能源危机以来，节能成为了举世瞩目的重大问题。国家发改委《节能中长期规划》(发改环资[2004]2505号)中明确指出，2003-2020年年均节能率达到3%，2020年节能要达到国际先进水平。2007年我国正式颁布了《中华人民共和国节约能源法》，把节能提高到了一个前所未有的高度。船舶是燃料消耗的大户，推进船舶节能是实现节能目标的关键之一。其中，推进船舶节能的一个重要途径是利用船舶的低品位热源。船舶的低品位热源，绝大多数文献基本上都定义为柴油机的排气热、缸套冷却水及船舶锅炉的余热等[1-2]，有关这些热量的研究利用也非常多。但在船舶航行过程中，机舱空气也蕴含着大量的热量，其主要来源于柴油机、辅助设备的散热，关于这部分能量利用的研究很少。随着空气源热泵技术的发展及不断成熟，利用热泵技术来回收利用船舶机舱空气的热量，具有较为重要的现实意义。

1 船舶机舱空气源热泵技术

热水在船员的工作和生活中发挥着重要的作用，尤其是体现在空调、船员洗澡和清洗餐具等等。目前船舶上的热水主要来源于传统的燃油锅炉，利用燃油燃烧产生的热量来加热水。由于其存在不完全燃烧损失、排烟损失及散热损失等，热效率一般只有80%～90%。而热泵热水器的COP可达4.5～5[3]，节能安全环保的优势相对锅炉来讲非常明显。船舶机舱是一个相对独立的空间，在船舶航行的过程中，主机及其他辅助机械的散热最终都进入到了机舱空气，尽管船舶机舱都设有机械通风来保证内部空气温度稳定和必要的换气，但机舱空气的平均温度仍比外界的环境温度要高 10℃以上。这为空气源热泵技术的应用创造了良好的环境条件，因为环境温度越高，系统地COP就越大。

在船舶上，一台完整的空气源热泵热水器主要包含2个主要系统：热泵循环系统和热水系统。如图1所示，这两个系统是密不可分的，必须同时工作，即在加热热水的同时对船舶机舱进行制冷。它的工作流程为：压缩机将回流的低压冷媒压缩后，变成高温高压的气体排出，高温高压的冷媒气体流经水热交换器，使冷水加热。冷却下来的冷媒在压力的持续作用下变成液态，经膨胀阀后进入蒸发器，由于蒸发器的压力骤然降低，因此液态的冷媒在此迅速蒸发变成气态，并吸收大量的机舱空气热量。在鼓风机作用下，大量较高温度的机舱空气流过蒸发器的外表面，其热能被蒸发器吸收。吸收了一定能量的冷媒回流到压缩机，进入下一个循环。由以上的工作原理可看出，空气源热泵热水器的工作原理与空调原理类似，应用了逆卡诺原理，通过吸收机舱空气中大量的低温热能，经压缩机的压缩变为高温热能，传递给水。整个过程是一种能量转移的过程。

图1 机舱空气源热泵热水器的原理图

2 节能计算分析

以某船舶为例，船上人员为30人，每人每天需要热水50 L，每年以250d计算，则需要热水总量约为375t。取水的比热为4.2kJ/kg℃，冷水温度平均为15℃，热水温度55℃。因此产生满足足够数量的热水，需付出的热量Q为：

船舶副机采用 4135柴油机，其燃油消耗率为234g/kW·h[4]，电网功率因数取0.9。

第一种方案：此热量由燃油锅炉提供，船舶采用的锅炉型号为KDB-700R，基本参数如下：

供热量293.02kJ/h；水容量89L；燃油消耗量9.66L/h；热效率87.6%；耗电量270W(包括燃烧器电机及给水泵电机，可忽略不计)。

根据以上的锅炉基本参数，取柴油的密度为0.84kg/L。那么要提供Q的热量，柴油的消耗量M1计算如下：

第二种方案，采用热泵供热，压缩机由船舶电网供电。机舱空气源热泵的能效比取为4。

要提供Q的热量，消耗的电能QD=0.25Q。电能由船舶电网提供，发电柴油机的燃油消耗率为234g/kW·h(65g/ kJ)，电网功率因数取0.9。则消耗的燃油量M2计算如下：

很明显，第二种方案的燃油消耗量要低，每年可节约燃油约610t，具有较高的经济效益。

3 应用前景分析

船舶有着自身的特殊性。如机舱空间狭小、夏季舱室温度高、主机的排烟余热温度高等。利用机舱空气源热泵技术具备较大的节能和环保优势。大量的研究表明，空气源热泵热水器具有较高的经济效益[5]。但是在船舶上，它的推广使用还是受到了限制。主要是因为目前空气源热泵只能提供 50～60℃的热水，无法满足油类预热的需要，并且它的可靠性还有待于进一步研究[6]。因此在船舶上，它目前不可能取代锅炉的地位。但由于它的效率比锅炉高，因此应用前景还较好。

3.1 锅炉给水预热

根据空气源热泵的特点，用机舱空气源热泵作为锅炉给水的预热源，来提高锅炉的给水温度。它可以和锅炉的经济器联合使用，充当一级预热，锅炉的经济器充当二级预热。经过预热后的锅炉水被加热至蒸汽所需的能量大为减少，从而锅炉的燃油消耗可大幅降低。

3.2 船员生活

目前船员的生活如洗浴、取暖、冲洗餐具等所用的热水均来源于辅助锅炉。根据节能计算分析，采取机舱热源热泵的节能效果较为显著，而且所提供热水温度正好适合生活所用，因此在提供船员生活热水方面的应用前景较好。

3.3 海水淡化

船舶上常见的海水淡化技术是真空沸腾式，利用主机的缸套冷却水作为热源。真空度通常维持在90%～94%，对应的海水蒸发温度为 35℃～45℃。根据机舱空气源热泵的特点，可将热泵的冷凝器同时作为海水淡化装置的加热器，充分利用热泵的高效率，组成热泵型海水淡化装置，这也是今后船舶海水淡化的发展方向之一。

4 关键技术分析

根据船舶机舱的空气特点、空气源热泵原理以及船舶的热量需求，可知上述方案具有良好的应用前景。但要达到实用化程度，尚需进一步研究。本文认为，上述方案要解决的关键技术问题有以下两点：

4.1 传热强化

上述方案原理中，提高水与冷媒、机舱空气与冷媒的换热效率非常关键，这是能保证较高能效比的重要因素。由于机舱空间的相对封闭性，空气不易流通，易导致传热的短路，降低热泵效率。必须从安装位置、结构形式和空气流通等方面给予充分考虑。

4.2 体积与投资的控制

由于机舱的空间非常狭小，要求机舱的空间利用率非常高。目前，空气源热泵装置的体积还比较大，限制了其在机舱中的使用。如果采用高效循环，但增加了系统的复杂性与初投资。因此，要求在提高能效比的同时，控制系统的体积是在船舶上实用化的关键。

5 结语

船舶上船员的工作和生活都离不开热水，而热水主要由传统的燃油锅炉供应。船舶机舱空气含有大量的余热，利用好这部分余热也是推进船舶节能的一个重要方面。利用机舱空气源热泵技术，产生船员生活用热水，与锅炉相比节能优势非常，在当前节能的大背景下具有良好的发展前景。本文提出的机舱空气源热泵技术有利于充分回收机舱空气的余热，但要完全实用化还需解决不少关键的技术问题。

[1]吴伯才.船舶柴油机余热的利用[J]. 浙江海洋学院学报:自然科学版, 2002, 21(2): 187-190.

[2]李红霞,张文孝,任莉.船舶动力装置的余热研究利用综述[J]. 造船技术, 2013(2): 4-6.

[3]郝吉波,王志华,姜宇光,等.空气源热泵热水器系统性能分析[J]. 制冷与空调, 2013, 13(1): 59-62.

[4]应连春.舰艇柴油机构造[M]. 北京:群众出版社,2002.

[5]王沣浩,王志华,郑煜鑫,等.低温环境下空气源热泵的研究现状及展望[J]. 制冷学报, 2013, 34(5):47-54.

[6]苗文凭,吴永明,张建成.空气源热泵热水器的可靠性研究[J]. 流体机械, 2011, 39(12): 74-79.

太平洋海工再获3艘气体船订单

据悉，丹麦气体运输商Evergas首席执行官阿克曼（Martin Ackermann）已对外宣布，世界最大化工公司之一的瑞士英力士（Ineos）向Evergas租赁的2.75万立方米 LNG船将增加至6艘。据此，Evergas原与太平洋合同订造的3艘该型新船，现亦相应增至6艘。

作为全球最大型、最先进的多用途气体运输船，这批船只订单即将在太平洋海工开始建造，未来将为英力士的乙烷运输提供更具灵活性的解决方案，亦可同时运输液化天然气（LNG）、液化石油气（LPG）、乙烯等石油化工气体。

阿克曼表示，“先进的设计使该型气体运输船兼具高效性、高灵活性，英力士亦将得益于此，继续保持长久的市场竞争力。”据悉，这批双燃料船将在“Tier III型”主机上使用LNG燃料，符合未来低排放和低耗能的国际标准。

Evergas去年宣布与英力士签订为期15年的租约，将从2015年开始从美国“Mariner East”项目运输乙烷原料至欧洲，成为全球第一份美国乙烷出口合同迄今为止Evergas是全球唯一专为解决乙烷运输需求订造新船的船东，其已制定明确策略，今后将进一步扩充船队。而此番Evergas在宣布上述新订单的同时，还称即将从太平洋海工接收1.2万立方米的气体运输船“JS Greenstone轮”，该船亦有3艘兄弟船，目前正按计划建造中。

Analysis on Application of Air Source Heat Pump in Ship Engine Room

WU Xiao-yang
(Pubilc Security Marine Police Academy, Ningbo 315801, China)

The importance of energy conservation in ships is expounded. By analyzing the characteristics of air in ship engine room,this paper puts forward a method by using air source heat pump to recycle the waste heat of air. The method is compared with the traditional boiler heating system. The analysis of application prospect and key problems is discussed in the end.

ship; engine room; air source heat pump; energy conservation

TM40

A

吴晓阳（1982-），男，讲师，硕士。主要从事船舶辅机的教学与研究。