海水源热泵联供系统在船舶中的综合应用研究

薛 源，杜清府

● （山东大学（威海）机电与信息工程学院，山东威海 264209）

海水源热泵联供系统在船舶中的综合应用研究

薛 源，杜清府

● （山东大学（威海）机电与信息工程学院，山东威海 264209）

应用海水源热泵技术，建造联供系统。利用海水中的能量来制热和制冷，并且对换热器排出的低位热能进行回收重复利用。通过EASY5仿真软件建立系统模型并进行分析，达到预期效果。对某船厂使用海水源热泵系统的实际进行实时测量，数据与仿真结果一致。这表明海水源热泵系统节能效果好，为沿海地区船厂全面推广该技术提供理论和实践依据。

热泵；联供系统；低位热能；节能

0 引言

常规能源日见短缺和环境污染是当代社会面临的两大主要问题。在总能耗中，采暖、空调耗能比例逐年增长。目前传统空调存在一些诸如效率低、恶化城市大气环境质量等问题，在这种背景下，以环保和节能为主要特征的绿色的采暖、空调系统应运而生。热泵系统正是满足这些要求的新兴技术。海洋作为一种巨大而稳定的热储资源，其浅层水层在能源利用方面也有广泛应用前景。目前主要是直接利用如冬天供暖、供热水、温泉沐浴等。船舶航行于大海之上，采用海水源热泵技术具有得天独厚的优势，而且整个船舶相当于一个独立的系统，比较容易控制且受外界干扰不大。设计良好的水源热泵机组的耗电量比空气源热泵减少30%以上[1]。

1 海水源热泵技术现状及原理概述

水源热泵系统又叫做闭式环路水源热泵系统。60年代开始在美国提出后，经过30年的改进和发展，技术日益成熟，产品逐渐商品化[2]。70年代后，这项技术在日本推广很快，东芝、三菱电机公司均有水源热泵产品出售[3]。靠海岸的海水中，既有悬浮物、胶体和溶解物质，还含有大量有机物、微生物、细菌、藻类等，这些物质对设备有腐蚀作用，因此海水的腐蚀性比单纯盐溶液要复杂得多。从真正意义上解决海水腐蚀问题，是海水源热泵广泛应用和推广的关键[4]。

海水源热泵技术是利用地球表面浅层水源海水吸收的太阳能和地热能而形成的低温低位热能资源，并采用热泵原理，通过少量的高位电能输入，实现低位热能向高位热能转移的一种技术，向生产生活提供有用的热量[5]。其工作原理就是以海水作为提取和储存能量的基本“源体”。它借助制冷压缩机系统消耗少量电能，在冬季把存于海水中的低品位能量“取”出来给建筑物供热；夏季则把建筑物内的能量“取”出来释放到海水中，以达到调节室内温度的目的。整个系统无需燃烧，没有任何三态污染物排放。它的热效率高，供热时的能效比（COP值，即建筑物所获的热能与热泵压缩机所消耗的电能之比）可达3～6，即消耗1千瓦的电能可以获得3千瓦至6千瓦的热量或冷量[6]。从根本上改变了传统的能源利用方式[7]。尤其是该系统在供热供冷的同时还可以提供37℃左右生活用热水，实现“三联供”，如图1所示。

图1 海水源热泵系统工程组成图

2 海水源热泵在沿海地区的综合应用

2.1 海水源热泵系统两种工作模式

在供热模式时，高压高温制冷剂气体从压缩机压出后进人冷凝器，同时排放热量而冷却成高压液体，到热膨胀阀进行节流膨胀成低压液体进入蒸发器蒸发成低压蒸汽。蒸发过程中吸收水中的热量将水冷却。低压制冷剂蒸汽又进入压缩机压缩成高压气体，如此循环。此时，供热需要的热水在冷凝器中获得。

在制冷模式时，高压高温的制冷剂气体从压缩机出来后进人冷凝器向水中排放热量而冷却成高压液体。并使水温升高。到热膨胀阀进行节流膨胀成低压液体后进入蒸发器蒸发成低压蒸汽并同时吸收空气或水的热量。低压制冷剂蒸汽又进入压缩机压缩成高压气体。如此循环不已。此时制冷需要的冷水在蒸发器中获得。与传统的暖通空调系统相比水源热泵系统只是通过与地下水的热交换来完成制冷或制热的效果。

2.2 海水源热泵系统的方案设计

本文设计的系统主要由四个部分组成：海水源热泵空调器、水循环系统、辅助设备（辅助加热、水-水换热器）、风机盘管系统。水循环系统是海水源热泵系统的核心，由冷却塔、换热器、蓄热箱、辅助加热器、泵、阀及相连接的管路构成。水温相差越小，热泵的运行越稳定，制冷能力和供热能力也得到相应提高。选用开式冷却塔间接连接方式，即水环中的水经过冷却塔通过换热器进行热交换从而改变温度。为了缩小辅助热源能量，充分利用用电低谷阶段的电力，保持水温的恒定，在系统中加入蓄热装置。储热箱分为冬季使用的低温蓄热水箱和高温蓄热水箱。在水环调节阶段，冬季可用提高水温来增大制热能力，夏季使用增大水流量的方法提高制冷能力。在水源热泵空调系统中,其热负荷主要由一部分制冷方式运行的机组回收冷凝热来抵消,或者应采用其他的余热、废热来解决。辅助热源只提供10%～30%的热负荷的热量来弥补系统的热不平衡，主要使用电加热。

在风机盘管部分，采用新风/ 排风之间的全热交换器来回收排风的能量,将送到室内的新风温度达到水源热泵机组所需的进风温度值。

传统的空调系统需要很多辅助系统设备完成一个完整功能，而海水源热泵系统只是通过与海洋浅层水的热交换来完成制冷或制热的效果，只需要一种硬件系统（阀），即可以完成功能转换。本系统采用半封闭螺杆式制冷压缩机，压缩机吸气侧采用保温材料包覆，防止机器表面冷凝水凝结和冷量损失。蒸发器和冷凝器均为海水专用换热器（满液式）。现在有些系统将冷却后的海水通过换热器直接排入大海，带走了电机或柴油机功率的 20%以上[8]。也存在着能量的浪费。为最大限度的回收利用能量，现提供一种海水源热泵系统的技术原理图，如图2所示：

图2 海水源热泵系统技术原理图

具体的工作原理和工作模式见2.1中介绍，不再赘述。由图中可以看出，制冷剂冷凝器出来的冷却水（40℃左右）并不是全部进入冷却塔，而是分几路，一路仍然进入补水箱，配好比例仍然进入冷凝器回收利用，另一路流入储热箱（35℃左右），作为热泵的低温热源，放出热量并通过换热器加热生活用水的给水。这两路的流量可以通过阀门进行控制，通过比例的调配可以提高冷凝热的回收利用率，可以供应较大量的热水，真正实现最大程度的资源利用。而且在改造过程中只涉及到冷却水系统，不改变海水源热泵的系统核心，对机组影响较小。

在图中显示出了制冷和制热循环，可以看出两个循环都是可逆的，在不同的循环过程中蒸发器和冷凝器的作用不同，通过其作用的转换即能实现功能的转换。

2.3 系统模型仿真

本文使用美国波音公司根据航空技术发展需要开发的多专业动态系统仿真分析软件包 EASY5（Engineering Analysis System）仿真平台中的多相流库来搭建系统的仿真模型。仿真环境有所限制：必须是一维正向流，流体压力和焓值为连续状态变量，任何时候流体都可以转变为过冷液体状态、饱和混合状态或过热蒸汽状态[9]。

由于空调器不同类型有其自身结构的特点，因此在本文建模时忽略链接管路和阀件的影响或将其作为换热器的一部分进行简单的参数调整修正。主要模型构建就由以下三部分构成：压缩机、换热器（蒸发器、冷凝器）和节流装置（毛细管或者膨胀阀），系统仿真原理如图3所示。

图3 系统仿真原理图

这个模型包括压缩机、水冷冷凝器、膨胀阀、控制器（LM）和蒸发器与水换热器。LM为控制器，使用一个固定体积的含有制冷剂的管道连接在蒸发器出口，调整膨胀阀，以便蒸发器出口总是饱和蒸汽。在上图中也可以看到，仿真模型中包含了FP制冷剂物性模块和时钟模块，设定仿真时间为 200s。经过系统的仿真，可以得到的COP模型曲线如图4所示。

图4 COP值仿真曲线

3 海水源热泵系统在船舶中的应用分析

3.1 系统运行效果分析

通过调查，船厂绝大部分船舶航行时，都采用传统的加热方式，如蒸汽加热、电加热等方式，能耗巨大。特别是客船由于居住舱室面积较大，冬季航行状态下锅炉废气无法满足整个系统的供热需要，需要消耗大量的燃料。因此选取沿海地区某船厂的测量船用海水源热泵技术进行改造，经过调研论证决定采用海尔大型冷水机组水源热泵高温型LSFBLGR390S/R4机组（机组参数如表 1所示）作为该船冷热联供系统的核心。由于该技术在船舶中还没有大范围推广，经实地计算、测试、分析，为该技术在沿海地区船厂中的应用提供了进一步完善的理论和实践依据。

表1 LSFBLGR390S/R4机组性能指标参数

经过测量船的运行测试（供热），供回水温差5.8℃，机组实际制热量=循环水泵流量*供回水温差，即：

基本与机组总制热量420KW符合，实际运行结果，一小时内房间温度最高可达到35℃。经过计算，该系统实际COP值为：

COP值接近4，说明和仿真结果和海水源热泵在船舶中的实际应用得出的结果较为接近，即1KW的电能可以换将近4kW的热量或者冷量。该机组采用全自动控制，温度设定权限，室内温度可以在7℃～40℃之间调节。

3.2 系统经济性分析

由海水源热泵系统技术原理图可以看出在改造过程中只涉及到冷却水系统，不改变海水源热泵的系统核心，初始投资小。通常利用能源利用系数评价热泵的经济性。船舶海水源热泵是以电能驱动，电能由内燃机驱动发电机获得，在换热过程中会有损失，通常内燃机效率η=0.35～0.45，发电机效率η1=0.8～0.9[10]。以黄海地区为例，经统计，在冬季，海水表面温度为0℃～12℃，若取海水温度为零，船舱温度为30℃，经过计算，可得海水源热泵的制热系数L为13左右，若取η=0.35，η1=0.8，那么能源利用系数为，大大超过了只用锅炉产热或制冷的效果。

船舱面积大概在 300平方米左右，经统计，每天锅炉用水量大概在 1吨左右，锅炉出气压力为0.74MPa，温度 160℃，查表可知蒸汽相变热为1997kJ/kg。80%的蒸汽，即0.08吨水产生的蒸汽提供一部分生活用水用热。进水温度按照18℃算，焓值为75kJ/kg，由此可得，每天生活热水的耗热量为

传统采用燃油蒸汽锅炉进行制冷供热时，使用柴油取锅炉效率为 0.85，根据燃料燃烧值可算出每天需要消耗燃油为128kg，每天的运行费用大概为537元

现用海水源热泵技术进行改进，取功率为 60kW，运行时间按11h算，补水时间为3h。表2是市区电价表：

表2 市区电费价格表

该系统有储热箱和补水箱，运行时尽量使用谷时和平时段电，按6h谷时电，3h平时电和2h峰时电进行运算电费。每天的电费为：

那么按每个取暖季或者制冷季为 130天，那么可节省费用为1.2万元

3.3 系统环境效益

海水源热泵技术是新型清洁能源利用方案，它是利用海洋能量来实现建筑的制冷和采暖的需求，在夏季，减少噪音对环境的影响；在冬季，由于在系统中减少了燃煤或燃油锅炉的数量，大大降低了有害气体对环境的影响，据测算，每年减少向大气排放一氧化碳85t，二氧化硫50t，粉尘45t[11]该技术使用电能，电能本身就是一种清洁的能源，整个运行系统没有任何的污染，不排放三废，是理想的绿色技术。

4 结论

沿海地区具有丰富的海水资源，船厂靠海，有着取之不尽的海水能。海水源热泵是一种水源热泵冷暖新技术和新产品，投资少、费用低、无污染，较好的解决了节能和环保的实际问题[12]，为我国沿海地区的可持续发展提供可行的经验，值得大力推广和摸索。既具有现代化高科技成果的现实客观经济意义,更具有长远的节约型社会发展进步意义。

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[12]水源热泵机组(GB/T19409—2003)[S].2003.

Study on Comprehensive Application of Sea Water Heat Pump Cogeneration System in Ship

XUE Yuan,DU Qing-fu
(School of Electrical and Information Engineering,Shandong University,Weihai 264209,China)

This paper builds cogeneration system based on the application of sea water heat pump technology.The cogeneration system makes use of energy in the sea to generate heat.At the same time,it refrigerates by spilling out the heat into sea.This paper also puts forward the method of sea water heat pump used in ship which takes advantage of low-level heat.Combined with tests、statistics and calculations,its principle in technology,cost-effectiveness and energy-saving index are analyzed.The study provides the basis of theory and practice for spreading this technology in coastal areas.

heat pump,cogeneration system,low-level heat,energy-saving

U664

A

薛源（1990-），男，硕士研究生。研究方向为检测技术和新能源开发。