海水源热泵的研究及在船舶上适用性分析

海水源热泵的研究及在船舶上适用性分析

杜亮

天津海运职业学院天津300350

摘要：近几年来，随着国际石油价格的不断上涨，船舶运营成本也在不断加大。因此如何实现船舶运营的节能增效，已成为航运界越来越关注的重要课题。作为占船舶耗能总量很大比例的船舶空调系统，如何提高其制冷效率、实现能耗的降低已成为船舶节能的一个研究方向。本文主要通过对海水源热泵的理论研究和对现有船舶的空调系统的运行方式进行调整和改进来从理论上研究分析海水源热泵在船舶的节能减排中的作用。

关键词：海水源热泵、原理、“育鲲”轮、适用性、节能效益

一、引言

据估计,我国煤炭剩余可采储量为900亿t，可供开采不足百年;石油剩余可采储量为23亿t，仅可供开采14年；天然气剩余可采储量为6310亿m3，可供开采不过32年。2020年以后，国内石油产量将逐渐下降。预计2020年将达60%以上。在全球能源短缺、油价飞涨的情况下，这显然不是长久之计。与世界的平均水平相比，我国的能源形势更加严峻。海水源热泵技术利用海水作为冷、热源进行供冷和供热，在世界很多国家得到了规模化的应用，特别是瑞典、瑞士、奥地利、丹麦等中、北欧国家，在利用海水源热泵集中供热供冷方面已取得先进而成熟的经验。

二、研究分析海水源热泵在船舶的节能减排中的作用并对空调系统的运行方式进行调整。

热泵，就是可以把热量从低温热源输送到高温热源的装置。在我国暖通空调术语标准(GB5Oll5一1992)中,对热泵的解释是能实现蒸发器和冷凝器功能转换的制冷机。

目前船舶中央空调绝大部分采用冷水机组供冷媒水制冷、辅锅炉供蒸汽或热水制热的方式，如果将传统的空调系统改进，夏季制冷和冬季制热均由热泵机组完成，整个空调系统仅由冷却水系统、冷（热）媒水泵系统和通风系统组成，省去锅炉水系统、蒸汽系统，系统将得到简化，设备种类和数量减少，将会减少设备的投资，而且还会节省大量空间，这对经营者来说仅从设备投资上就增加了经济效益。简化后的空调系统的优势是显而易见的：

(1)整个中央空调仅由冷却水系统、冷（热）媒水系统和通风系统组成，夏季制冷和冬季制热均由热泵机组完成，省去了锅炉水系统、蒸汽或热水系统，系统得到简化、设备种类和数量减少，减少了初投资，同时还为船舶节省了大量空间。

(2)系统内的设备全年使用，无闲置设备。

(3)冬季采用热泵供热，回收海水的低位热能，制热效率高、节能明显；若和主机冷却水系统联合控制，回收主机冷却水热能，节能效果更明显、经济性更好；

(4)由于冬夏季为一套水系统，又省去了锅炉系统，使得设备管理和维护复杂度大大减小节省维护费用。

(5)中央空调空气处理机组中还省去了热水或蒸汽盘管，设备也得到了简化。

热泵是基于逆卡诺循环原理实现的。水源热泵是通过消耗少量的电能，利用热泵机组把低品位的能量转化为可以利用的能量。原理如图2-1

2-1

“育鲲”轮的空调系统为中压单风管系统，新风通过滤器后与回风混合。新风进口采用电动风闸，回风采用手动风闸。冷却段连接到冷媒水系统，在夏季将空气冷却到要求温度和相应的湿度。空调装置冷水机组装有六台（每两台为一组）压缩机，每台压缩机的制冷量为235kw。空调器为船用空调器，为单风管系统设计，由不锈钢框架，双层镀锌钢板内衬绝热材料构成，表面镀膜。

夏季工况下，冷量由海水提供。冷水循环泵将海水中的冷量通过机械循环传到冷水机组中，在冷水机组中通过热泵夏季工作模式将海水中的冷量传递到冷媒水中，后经冷媒水泵的工作将冷量通过管路传递至空调器，经空调器中的去湿过程再由空气分配系统经管路把冷量最终传送至用户终端，完成制冷过程。冬季工况下，热量由船上配备的辅锅炉提供。辅锅炉将其制造的蒸汽通过管路传送至空调器，对空气进行加热加湿，再通过空气分配系统经管路把热量传送至用户终端，完成制热过程。

如果将“育鲲”的现有船用空调水系统改进为海水源热泵中央空调水系统，则主要需要进行的改进为：将原系统的冷水机组更换为闭式海水源热泵机组，即能够在夏季进行制冷循环、冬季进行制热循环；制热模式中提供热能的锅炉水系统也将不再需要，但由于船舶上仍有热泵机组所无法替代的热需求，所以辅锅炉不能完全弃用而是减小其规模。水源热泵机组夏季制冷工况与育鲲轮现有冷水机组夏季制冷工况极为相似，相同的热负荷下，其能耗无太大差别，故不再详细比较。因此，对于是否节能，主要应该比较的是冬季制冷工况。

经查阅相关资料可以知道发电柴油机在常用负荷下的燃油消耗率为240g/kwh,锅炉在常用负荷下的效率为52％。锚泊状态下柴油发电机一般在52％负荷工作。由于船舶经常处于运动状态，锅炉、发电机及水源热泵的效率经常处于变动之中，为简化计算，锅炉和发电机效率采用其常用负荷下的效率，水源热泵采用其额定效率。柴油发电机的效率约为0.359，锅炉效率为0.52，水源热泵COP为3.96，假设其他损失为0.1.我们对水源热泵环境效益分析:

SO2的排放量可用物料衡算法进行计算：S的原子量是32，O的原子量是16，SO2的分子量为64，因此SO2排放量的计算公式为：SO2产生量（t）=2×含硫量（0.2%）×消耗的柴油吨数,NOx排放量的计算根据有关文献资料，柴油机氮氧化物的产生量约为燃油量的10%-14%，根据《油田开发环境影响评价文集》，NOx产生量以实测法进行计算：柴油机耗油量为175g/KW.H，产生NOx为10.99g，因此NOx的排放量可以算出：NOx排放量（t）=（10.99/175）×柴油消耗数=0.0628×柴油吨数,烟尘排放量的计算,柴油机排放烟尘没有相关可查资料，按油料燃烧计算：烟尘排放量（kg）＝1.5×柴油消耗量（t）,废气排放量的计算,根据《石油石化工业环境统计方法汇编》（废气部分）可知，柴油机排气：0.3949×104m3/t

综上计算得每t柴油释放：

二氧化硫0.4%t，

NOx0.0628t，烟尘0.0015t，0.3949×104m3·t前文已知：炉供暖总耗油量144.27t,水源热泵总耗油量52.75t

结论：可节省的耗油量为91.5,少排放SO20.36608t，NOx5.747456t，烟尘0.13728t，废气208309.75t.

三、总结

本次研究对“育鲲”轮节能情况分析未达到预期进行精确计算的理想目标，计划对“育鲲”轮使用传统空调系统和海水源热泵空调系统的能耗情况进行比较分析的方案如下，但由于相关数据无法测得且无相关数据的记录，故无法顺利进行。为此我们可以对“育鲲”轮结构图纸进行重新编辑，使用软件接受的编辑软件重新绘制，即可进行冷热负荷的计算。

节能是空调技术发展的一个重要主题，而热泵是空调采暖节能的一个重要方法。海水源热泵在船舶上的应用对于船舶节能具有重要意义。通过对冬季的渤海、黄海、东海海域水温等状况因素的分析，海水源热泵适用于我国大部分海域，在对海水系统进行改进后，海水源热泵可适用于所有可航行海区，并且设备初投资、运行费用明显下降，具有很好的应用前景。

考文献

[1]基于成本预测和环境价值的SWHP经济评价，宋雅楠，大连理工大学，2010.12

[2]《船舶辅机》,陈海泉主编,大连海事大学出版社

[3]制冷压缩机及其应用．马国远主编．中国建筑工业出版社，2008．