船舶机舱空气与海水复合热源热泵技术应用分析

吴晓阳

绿色装备技术

船舶机舱空气与海水复合热源热泵技术应用分析

吴晓阳

（公安海警学院机电管理系，浙江宁波315801）

介绍了船舶机舱空气与海水复合热源热泵技术，探讨了该技术的可行性，并且提出了一种适用于船舶的机舱空气和海水复合热源热泵方案，同时指出了该技术实现实用化的关键问题。

船舶机舱；空气源热泵；海水源热泵；复合热泵

常规能源的日渐短缺和环境污染是当代社会面临的两大主要问题。在这种背景下，以环保和节能为主要特征的热泵技术应运而生。热泵技术与锅炉和电加热等为代表的普通制热装置相比，具有较大的经济优势、环保优势及应用前景[1]。在船舶上，机舱空气以及海水都蕴含大量的低品位热源，因此探索船舶机舱空气与海水复合热源热泵技术的实际应用具有一定的节能和经济效益。

1 空气与海水复合热源热泵技术简介

空气与海水复合热源热泵技术是同时利用了空气与海水的低温低品位热能，通过应用热泵工作原理，消耗少量高品位的电能，实现低品位热能向高品位热能转移的一种节能技术。如图1所示，该技术借助热泵循环系统，仅利用由压缩机所消耗的少量电能，就能把贮藏于空气和海水中的低品位能量提取出来，通过冷凝器的放热，把热量传递给淡水，具有较高的能效比。

图1 空气与海水复合热源热泵工作原理

热泵机组实现了对低品位热源的高效利用，它虽然以空气和海水为热源，但是既不会消耗空气或海水，也不会对空气和海水造成污染，可以满足生活热水和取暖等多方面的需求。

2 船舶机舱空气和海水复合热源热泵技术的可行性

我国海域非常辽阔，陆地海岸线长约1.8万公里，岛屿海岸线长约1.4万公里。从渤海到南海，横跨热带、亚热带和温带，在同一时间不同海域的水温差异较大。图2反映了2016年我国海域月均海洋表层水温变化趋势图[2]，其中纵坐标单位为℃.从该图可以看出，我国海域的海水表层水温均大于0℃，黄海海区的全年平均海水表层温度达到了17.08℃，因此我国海域完全能够满足海水源热泵的运行要求。

图22016 年我国海域月均海洋表层水温变化趋势

常规空气源热泵工作的环境温度一般是建议在环境温度-5℃以上运行，低于-5℃以后效果比较差，效果接近电加热。由于船舶机舱是一个相对独立和封闭的空间，在船舶航行过程中，机舱所有机电设备的散热都将进入到机舱的空气中，尽管在机舱中有通风换气等设备，但是机舱空气的平均温度比大气温度要高出10℃以上，而且机舱温度在低于5℃的情况下，还要对机舱进行加热，以满足机械设备正常工作条件，防止低温天气因结冰损坏设备。因此机舱空气环境完全满足空气源热泵的运行要求[3]。

因此在我国海域，将机舱空气与海水作为复合热源的热泵技术具有较大的可行性。

3 船舶机舱空气和海水复合热源热泵方案设计

3.1 方案设计

热泵的性能系数受环境因素影响大，对于船舶这种移动的独立系统，环境波动较大，热泵工作的性能系数不稳定，单一热源热泵不能很好的达到节能的效果。复合热源热泵以两种或多种热源相结合同时作为低位热源的工作方式，大大提高了热泵运行的稳定性和可靠性，填补了单一热源热泵存在的局限性、不稳定性，充分利用了低品位热量[4]。

针对船舶的特殊环境，设计了一种适用于船舶的机舱空气和海水复合热源热泵方案，如图3所示。

图3 船舶机舱空气和海水复合热源热泵工作原理图

从图3可以看出，空气源热泵系统的工质在空气蒸发器中与机舱空气进行换热以后进入压缩机进行压缩，变为高温高压气体进入到冷凝器进行换热，经过冷凝器放热后，热泵工质再经过膨胀阀降压以后进入到机舱空气蒸发器进行下一个循环，同时冷凝器中的热水输送到热水水箱以备使用。海水源热泵中，海水在海水泵的作用下抽到蒸发器进行热交换之后排出舷外，热泵工质进入到循环系统进行换热，最终将热水输送到热水箱以供使用。

该方案可以实现多种运行方式。通过三通阀和截止阀控制冷水的流向，可选择由单一热源热泵供热、复合热源热泵供热或者船舶辅助锅炉供热，以保证热泵在合理和高效率状态下工作。即使当热泵系统发生故障，不能满足生活需求时，仍然使用燃油辅助锅炉保障供热。

与锅炉制热装置相比，复合热源热泵的优点是只需消耗少量的电能，就可得到大量的热能。热泵的制热系数永远大于1，因此得到的热能总是大于所消耗的电能或燃料能，具有较高的效率。在船舶上，使用空气和海水复合热源热泵技术可以实现舱室供暖，也可以制备生活热水。

3.2 存在不足

尽管复合热源热泵具有较大的优势，但是要实现船舶上的实用化，仍然具有一定的困难，主要存在以下需要克服的问题。

（1）防污染问题。热泵机组和风机的增设导致噪声增加，在设计安装时需要考虑降低噪声的措施；海水的成分非常复杂，并且具有腐蚀性，需要综合考虑防腐、防污染的问题。

（2）必须具备良好的抗颠簸和振动的能力。整个复合热泵系统的各设备在安装时需采取一定措施进行加固，同时要做好防止设备的隔振措施。

（3）初投资较高，在船舶建造时会提升预算。

4 结束语

复合热源热泵技术是一种同时使用多种低温热源的新型环保技术，在环保性、节能性和安全性等方面有绝对的优势。无论与传统的燃油锅炉还是与电加热器相比，虽然初期投资比较高，但是后期运行费用要低很多。在传统石化能源不断消耗、燃料价格上涨的现实背景下，使用复合热源热泵技术不仅节约了一部分油料，同时在经济、安全、环保和发展等方面都有良好的效果，在船舶上有着广阔的应用前景。

[1]陈东，谢继红.热泵热水装置[M].北京：化学工业出版社，2009.

[2]国家海洋局.2016中国海洋环境状况公报[EB/OL].国家海洋局官方网站，http://www.soa.gov.cn.2016.

[3]吴晓阳.船舶机舱空气源热泵技术应用分析[J].机电设备，2014（3）：21-23.

[4]任勇，陈实.船用热泵技术原理及主要系统形式[J].中国船检，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

浙江省教育厅一般科研项目（编号：Y201533899）

吴晓阳（1982-），男，江西余干人，讲师，主要从事船舶辅机的教学与研究工作。