船用热泵技术原理及主要系统形式

中国船级社 任 勇 陈 实

本文是热泵技术在船舶领域的应用研究系列报道的第二篇，也是“船舶节能减排新技术——船用热泵”一文的续篇。

热泵应用在船舶上，仍然遵循与陆地上相同的工作原理，但为了适应船上的工作环境，船用热泵在结构布置、工艺流程、系统形式等几个方面都做了相应改进。

本文将首先回顾热泵的工作和节能原理，然后叙述热泵的形式和研究现状，最后主要介绍海船用水源热泵的主要系统形式，惟愿能帮助读者加深对船用热泵这种节能减排技术的理解。

热泵的工作原理

热泵是利用逆向热力循环产生热能的装置。热泵的作用是从周围环境中吸收热量，并把它传递给被加热的对象（温度较高的物体或空间）。其工作原理与制冷机相同，都是按照热机的逆循环工作的，差别只是工作温度范围不同，如图1所示。

(a)热泵系统；(b)制冷系统；(c)同时供冷供热联合循环系统。

图1 热泵原理图

图1中Th是高温物体（空间）的温度，Ta是环境温度，T0是低温物体（空间）的温度。(a)表示热泵系统，从环境中吸取热量传递给高温物体（空间），实现供热目的；(b)表示制冷系统，从低温物体（空间）吸取热量传递给环境，实现制冷目的；(c)表示同时供冷供热联合循环系统，从低温物体（空间）吸热，实现制冷，同时又把热量传递给被加热的对象，实现供热目的。

以普通家用热泵（空调）系统为例对图1进行进一步说明：

夏季热泵系统按照(b)制冷系统模式运行，此时低温热源为房间，通过消耗能量W（可以是电能，也可以是机械能或热能，家用空调为电能），将热量Q1由室内搬运到高温热源（室外），从而实现对房间的制冷。

冬季热泵系统按照(a)热泵系统模式运行，此时高温热源为房间，热泵系统通过消耗能量W把低温热源（室外）的热量Q1搬运到室内，实现对室内的供热。

当热泵系统应用到船上时，工作原理可以描述为：夏季，船舶舱室需要热泵提供冷量，此时，制冷剂通过蒸发器从舱室中吸收热量，然后外部输入能量通过压缩机驱动制冷剂循环至冷凝器，将热量释放到水、空气等环境中，完成制冷循环。冬季则正好相反。

热泵技术节能原理

热泵系统的能量利用情况用收获的能量与付出能量的比值来评价。在冬季供热时，设计工况下的运行性能系数指冬季室外空气调节计算温度和达到设计需求参数时的机组供热量与机组输入功率之比。在夏季制冷时，名义工况制冷性能系数是指在名义工况温度条件下，机组以同一单位标准的制冷量除以总输入电功率的比值。性能系数通常用COP表示。

两式中的W、Q1、Q2含义与图1中相同。从公式（1）来看，COPh值一定是大于1的；从公式（2）来看，理论上说，COPC可能大于1，也可能小于或等于1。以目前的技术水平来讲，普通的压缩式热泵机组的COP大部分都在3以上，也就是说，在消耗1份能量的情况下，通常能够取得3份以上的收益，这就是热泵技术能够节能的根本原因。

热泵的主要形式

根据不同的分类方法，热泵可以进行不同分类。

按照热源类别分类。根据热泵的原理可知，热泵需要工作在具有温差的两个热源之间，分析可知，其中的一个热源就是我们要获得人工环境的空间，如房间、舱室等，而另一个热源则可以是空气、水（地表水如江、河、湖、海水，地下水和污水）和土壤，相应的热泵系统称为空气源热泵、水源热泵和地源热泵。

根据输入能量方式分类。通常输入能量W有电能、机械能和热能三种，对应于电能的通常是压缩式热泵，也就是目前比较常用的一种热泵形式；对应于机械能的是内燃机热泵，不需要消耗电能，只需要燃油或燃气等燃料即可，是目前热泵研究领域的一个重要方向；对应于热能的有吸收式、吸附式等形式，这类热泵通常都用作对余热进行回收，效率比压缩式热泵低，但整体经济性也较好。

水源热泵技术的研究现状

经综合分析，水源热泵被认为是目前在船舶领域最适合推广的热泵形式。

水源热泵的发展已有较长的历史，在陆地上的应用比较广泛。上世纪60年代首先出现在美国加州，70 年代进入日本，至80年代初期，在美、日、德、法及其它发达国家均得到了广泛的应用，并形成了欧洲以发展大型热泵机组或热泵站为重点，美、日以中小型热泵装置领先的大格局。目前，水源热泵的研究与应用主要集中在欧美各地区的陆用产品开发方面，如瑞典、瑞士、奥地利、丹麦、美国等国家。位于瑞典斯德哥尔摩市苏伦图那的集中供热供冷系统制热制冷能力为200MW，管网延伸距岸边最长达20公里。该工程建于上世纪八十年代中期，位于波罗的海海边，是利用海水制热制冷的典范。

自从上世纪90年代开始，考虑到水源热泵良好的节能效果和经济效益，水源热泵技术已经广泛应用于国内的陆用空调工程领域，成为华北和中原地区空调系统应用大家族中的一股重要力量。目前，全国在运行的水地源热泵项目超过千个，供热空调面积以数亿平方米计。不过同时也应看到，水源热泵在实际应用过程中出现了一些问题，所以，各级政府应进一步加强对市场的监管，共同推动水源热泵技术，切实发挥好节能减排作用。

我国第一个陆用海水源热泵项目于2004年在青岛发电厂建成使用，大连港集团矿石码头、天津港船闸所、青岛国际帆船中心媒体中心等也都采用了海水源热泵系统。对于利用江、河、湖水的水源热泵技术，目前国内已经有了非常多的应用实例，重庆市在先后组织建设了江北嘴中央商务区、涪陵CBD中央商务区、重庆市CBD总部经济区等可再生能源区域集中供冷供热项目后，发文鼓励有条件的项目采用水源热泵进行集中供热供冷。沈阳市政府大力扶持水地源热泵项目，也特意下发文件予以支持。

水源热泵技术在船上的应用目前还没有有效开展，国际上还没有应用的实例报道。在国内，中国船级社于几年前率先牵头在内河客船上开展了水源热泵技术应用研究。目前，应用水源热泵机组的某内河客船已经安全运行两年多，节能减排效果明显，研究取得了阶段性成功。

海水源热泵系统主要形式

海水源热泵属于水源热泵的一种，因其与海洋运输船舶密切相关，所以对其系统主要形式进行单独阐述。

海水源热泵就是以海水为冷热源的热泵系统，本质上属于地表水源热泵系统，但是由于其冷热源为海水，所以系统特征与海水特性密切相关。以海水作为冷热源时，室外温度对海水温度的影响缓慢，与当地空气的最高和最低温度存在差别，这对热泵的工作非常有利。

海水源热泵系统的工作原理是在夏季将船舶中的热量转移到海水中，由于海水温度相对于空气温度要低，所以可以高效地带走热量，而冬季则从海水中提取低位热能，由热泵原理通过温度提升后的空气或水送到船舶中，为舱室和各种处所供热。

在海水源热泵系统中，依据海水利用方式不同，一般将海水源热泵系统分为直接利用方式和间接利用方式，其中间接利用方式有两种形式。

对于直接利用方式，海水通过取水管道直接引入热泵机组的蒸发器（或冷凝器），使海水的热量（或冷量）直接传递给热泵工质，换热后的海水再通过排水管道输送回海面。这种方式的原理如图2所示。

这种方式的优点是：海水与热泵机组制冷剂直接换热，供热和制冷效率较高；系统结构形式简单，初期建设费用低。缺点是由于海水直接作为换热介质，与热泵机组的蒸发器（或冷凝器）接触，要求蒸发器（或冷凝器）需采取防腐措施，并且需要定期对其进行清洗，维护费用高。

间接利用方式有两种具体系统形式，第一种是指利用换热器将海水与热泵机组隔离开，利用循环水泵将海水通过输送管道送至换热器中，使其与热泵回水在换热器中实现能量交换，从而将海水的冷热量传递给水环系统的换热介质，再通过换热介质的循环将冷热量传递给热泵的蒸发器（或冷凝器），而放出冷热量的海水则通过排水管道输送回海面。这种方式的原理如图3所示。

图2 直接利用式原理示意图

图3 间接利用式I原理示意图

这种方式的优点主要包括：保证了海水与热泵机组不直接接触，因此热泵机组的蒸发器（或冷凝器）无需进行特殊处理，扩大了热泵机组的选择范围；在热泵机组换热器内的循环工质为水或防冻液，机组结垢的可能性很小，机组的维修费用也相对要少；由于系统中进行换热循环的工质不是海水，因此对水源水质情况无需特殊要求，不必增设过滤装置、杀菌祛藻装置等；由于与海水直接接触的设备只有换热器，当换热器受到腐蚀或管路堵塞时，只需对换热器进行更换或清洗。缺点是海水与热泵工质间接换热，减小了换热温差，对热泵能效造成一定影响，而且需设置一套换热装置，系统的初投资增大。

图4 间接利用式II原理示意图

第二种间接利用方式是指在冷热源侧采用闭环的水系统，一般采用高密度聚乙烯塑料管作为热交换器，直接将其投放于海水中，通过换热盘管中的介质与海水之间的换热来实现能量转移。这种方式的原理如图4所示。

这种方式除具有第一种间接利用方式的大部分优点外，还因为无需增设换热设备，减小了初投资。这种方式的缺点是由于采用塑料换热盘管进行换热，其供热和制冷效率较低；而且水下换热盘管的布置面积大，船上很难找到合适的换热海水空间。

从目前的技术发展来看，直接利用方式和第一种间接利用方式比较适合在船舶领域推广应用。