三用拖船復合熱源熱泵方案的可行性分析

(上海打撈局，上海 200090)

在陸地上，為減少溫室氣體排放，降低對化石燃料的依賴，人們在使用石油煤炭等化石能源的同時也在不斷開發利用新能源。大氣、土壤、水中含有的低位熱能和工業廢熱正成為新的能源利用亮點。熱泵在利用低位能源方面有很大的優勢。

海水源熱泵是水源熱泵的一種，是以海水為熱源的，可以進行制冷/制熱循環的一種熱泵型空調裝置，它在制熱時以海水為熱源(低溫熱源)，而在制冷時以海水為排熱源(高溫熱源)。目前，海水源熱泵已在我國一些沿海城市(大連、青島等)陸地建筑物取暖中獲得了廣泛應用,相關技術也逐步完善[1]。與使用鍋爐制取蒸汽或高溫熱水取暖相比，采用海水作為熱泵低溫熱源是一種綠色環保的采暖方式。

船舶航行于大海之中，采用海水作為熱泵熱源具有得天獨厚的優勢，同時船舶柴油機冷卻器出口的海水也是可以利用的優質熱源。將已經日趨成熟的水源熱泵技術運用于某些特定船舶有著極大的可行性。

1 三用拖船空調系統的特點

隨著我國海上石油產業的發展，近海三用拖船日益增多。與一般遠洋貨船不同，三用拖船一般噸位不大，主機功率比較高，雙機雙槳；駕駛臺與船員生活區相對較小，集中于船艏部；船中部一般布置有拖纜機等拖帶設備，船后部的通敞式甲板占全船的2/3，機艙位于通敞式甲板以下，由于甲板高度的限制，機艙采用水平布置。實船的空調系統通常采用夏季制冷，冬季用燃油輔鍋爐產生70 ℃的熱水來對空氣進行加溫處理以滿足船舶取暖需求，在極冷條件下加開電加熱與暖風機。

經過比較[2]，筆者發現用于近海海上油田服務的三用拖船，其船用空調系統與熱泵的工作特點和布置要求比較符合。

1) 船舶生活區面積相對較小，整個空調系統的布置及要求類似陸地建筑物；

2) 船舶航區相對固定，主要用于海上油田各石油鉆井平臺之間運輸供應作業和海上結構物(鉆井平臺、系泊提油裝置等)建設，一般不具備冰區航行條件；

3) 三用拖船要求高機動性和可操作性，主副機均使用輕質柴油( 0#或-10#)，無重油艙，不需要油艙加熱；

4) 由于主機經常運行于低負荷工況，加上機艙布置的限制，三用拖船一般不配備廢氣鍋爐系統，僅設有燃油輔鍋爐產生生活熱水及滿足冬季船舶艙室取暖需要；

5) 機艙布置比較緊湊，主機冷卻水系統的管路布置易于改造；

6) 機艙海水系統各泵浦之間可以互相替代，管路可以通過閥件的開關實現互通，便于對用于熱泵系統的海水低溫熱源進行處理；

7) 現有空調系統設備的布置可以滿足改造的空間要求。

由此，提出將陸地建筑物使用的水源熱泵技術用于該類船舶空調系統。

2 復合熱源熱泵技術概述

國家機械行業標準JB/T7227-1994給出了復合熱源熱泵型螺桿式冷水機組的定義[3]。復合熱源熱泵的原理見圖1。

圖1 復合熱源熱泵原理

在此，同樣可以把復合熱源的定義理解為兩種及兩種以上不同溫度級的低品味熱能，由此，也可以理解為復合熱源熱泵能同時分級回收兩種或兩種以上不同溫度級的低品味熱能的熱泵循環。因為對于中間進氣的螺桿式壓縮機而言，在維持螺桿低壓一次吸氣腔吸收空氣熱能量不變的同時，通過中壓二次吸氣腔補償回收水的廢熱量，以達到循環總制熱量的增加。

對于船舶而言，海水是非常理想的熱泵系統低位熱能來源，即利用兩種不同能級的低溫熱源：來自船殼外海底門進口處的海水以及來自船舶柴油機冷卻器的海水。對于后者，以作為船舶主機的柴油機為例，海水從冷卻器中帶走的熱量實際上可以達到柴油機發出功率的20%以上[4]。同時，船舶主輔機系統的缸套冷卻水也是可以利用的廢熱源。這就意味著該熱泵系統可以利用的低溫熱源實際上有多個，即構成了所謂的復合熱源。

3 復合熱源熱泵方案

結合三用拖船空調系統特點，提出采用復合熱源熱泵的思想，利用帶經濟器的中間補氣螺桿壓縮機熱泵(制冷)循環，設計一套三用拖船船用復合熱源熱泵空調系統，見圖2。

整個系統可以分為兩部分。

1) 復合熱源熱泵系統。復合熱源熱泵系統由螺桿式壓縮機、四通換向閥、兩個雙向節流閥、兩個換熱器(分別實現蒸發器和冷凝器功能)和經濟器組成。為了保證低溫熱源——海水的溫度，可以在換熱器B的海水進口附近加裝一個溫控閥，引入來自主機海水系統出口的海水來調節該處的海水進口溫度，使其保證滿足熱泵壓縮機所要求的最低工作溫度(實際混合后，海水進換熱器溫度高于-2 ℃)。同時在經濟器處可以引入來自主副機缸套冷卻水的富余熱量，實現兩個不同能量級的低溫熱源能量回收。

1-壓縮機；2-換熱器A；3-雙向節流閥；4-換熱器B；5-四通閥；6-經濟器；7-風機；8-循環水泵；9-膨脹水箱

圖2船用復合熱源熱泵循環系統布置方案

該方案的工作循環如下。

① 制熱循環。制熱循環中，由壓縮機出來的高溫高壓氣體工質，經換熱器A(此時為冷凝器功能)冷卻為液體工質，經過一級節流閥節流一次后，進入經濟器6形成一中壓區。工質在經濟器中進入中間壓力狀態，工質變成氣液兩相狀態。一方面一部分工質吸收剩余液體的熱量而成為蒸氣，通過壓縮機中間補氣口進入機內，而另一方面經濟器內的液體過冷度增加，通過二級節流閥二級節流，進入換熱器B(蒸發器)，從蒸發器蒸發的氣體由壓縮機吸入，再與中間補氣混合壓縮，完成循環。

在用熱低峰狀態下，上述循環即為兩級節流、中間補氣的帶經濟器的螺桿式熱泵循環。在極限低環境溫度下，用熱高峰時，可以在經濟器處利用來自主副機缸套冷卻水的熱量，使中間補氣量增大，從而實現較高品味熱量的回收，增加系統的制熱量。

② 制冷循環。制冷循環中，工質通過四通閥實現逆向循環，工質的流向過程相反。

2) 末端處理系統。末端處理裝置主要部件有循環水泵，風機盤管，軸流風機，高位膨脹水箱等。通過冬季制取45 ℃的熱水，夏季制取7 ℃的冷凍水來實現對末端裝置的空氣處理。

由于該設計方案可以用于夏季制冷循環與冬季取暖熱泵循環，為了避免概念混淆，將傳統意義上的冷凝器和蒸發器統一標示為換熱器，并根據實際循環的需要，執行冷凝器與蒸發器功能。

4 復合熱源熱泵方案制熱性能評價

通常情況下，對于熱泵系統的制熱性能評價參數包括基于熱力學第一定律的性能系數ηCOP、熱力學完善度、一次能源利用率。下面分別校驗以下數據，以確定該設計方案的可行性。

1) 性能系數ηCOP。性能系數ηCOP是熱泵用少量的功產生大量熱的有效性的一種度量。從理論上講，在一般的供暖條件下，熱泵可以獲得很高的性能系數。

(1)

ηCOP分析是基于熱力學第一定律，對能量做等量變換的一種收支狀況的數量分析，這使得在相同外界條件下，不同循環的能量轉換率的分析一目了然[5]。對逆卡諾循環

(2)

分別對Tk、To取偏微分，則有

(3)

即ηCOP隨To同增同減；

(4)

即ηCOP隨Tk增大或減小，又Tk>To，則有：

(5)

即低溫熱源溫度變化對ηCOP影響大于高溫熱源溫度變化所產生的影響，故對熱泵，應盡可能采用較高溫度的低溫熱源[6]。設計時仍采用目前市場上海水源熱泵機組能夠使用的極限溫度-2 ℃作為熱泵的熱源，以40 ℃熱水作為冷媒，制取45 ℃熱水對空氣進行加熱至船舶冬季設計工況[7]。據此計算，蒸發溫度t0為-6 ℃，冷凝溫度tk為46 ℃，則設計方案的理論ηCOP分析如下。

2) 熱力完善度ζ。其定義為性能系數與相同冷凝溫度、蒸發溫度下的逆卡諾循環的ηCOP之比。帶入工況條件參數進行計算，方案的理論熱力學完善度為

3) 一次能源利用率PERηPER分析。ηPER分析可評價熱泵的節能效果。

(3)

式中：η——設備熱效率，包括發電效率η1和電力輸配效率η2，分別可取0.3、0.9。

則該方案的ηPER為

ηPER=η1×η2×ηCOPh=

0.3×0.9×5.509=1.487

通過上述分析可以看出，設計方案的理論制熱性能系數與逆卡諾制熱性能系數比較接近，理論熱力學完善度高。同時，方案的一次能源利用率計算表明該熱泵系統能夠以少量的電力輸入從低溫熱源中取得較多的高溫熱量輸出，說明該設計方案是節能的。

5 結論

用于近海海上油田服務的三用拖船等近海支持船的中央空調設置要求類似于陸地建筑物，符合復合熱源熱泵的應用特點。同時，經過理論計算分析，所提出的帶經濟器的中間補氣螺桿壓縮熱泵循環的復合熱源熱泵方案，體現出較好的節能性能。與使用燃油輔鍋爐取暖相比，可以減少船舶的燃油消耗，降低污染氣體排放，節省船舶運營費用，將具有一定的環境、經濟效益。

但是，這種船用復合熱源熱泵方案的可行性分析只是停留在理論分析層面上，還有待在實船改裝或新船建造使用證明。同時方案的經濟性與優化還有待在今后的研究中進一步論證。

[1] 張 莉,胡松濤,韓國君.淺談海水在熱泵空調系統中的應用[J].制冷空調,2006,(3)：101-102.

[2] 吳昭成.復合熱源熱泵技術用于近海三用拖輪的可行性研究[D].大連：大連海事大學,2008.

[3] JB/T 7227-1994復合熱源熱泵型螺桿式冷水機組[S].北京：機械科學研究院，1995.

[4] 孫培廷.船舶柴油機[M].大連：大連海事大學出版社，2002.

[5] 鄭祖義.熱泵空調系統的設計與創新[M].武漢:華中科技大學出版社,1994.

[6] ZHANG Jinyang, LIN Duanmu,SHU Haiwen,et al.The analysis about economics and energy-saving of district cooling and heating using sewage-source heat pump in dalian[C]∥4th International Symposium on Heating,Ventilation and Air Conditioning,Oct.9-11 2003,Beijing: Tsinghua University Press,2003.

[7] 費 千.船舶輔機[M].大連:大連海事大學出版社,1998.