熱泵技術在船廠的研究與應用

摘 要：分析了船廠的用能特點，結合企業技改實踐的成功案例，就熱泵技術解決生活用熱和空調及有效利用空壓機冷卻水的余熱和海水，從節能減排提高經濟效益的角度進行了分析探討。

關鍵詞：熱泵技術 船廠 采暖 空調 節能減排 效果 分析

中圖分類號：TU831 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2013）04（a）-00-01

在能源日益緊張，環境污染日益嚴重的今天，熱泵技術作為清潔能源的應用正是社會發展的方向。熱泵作為提供熱量的主要設備之一，以其對環境友善及節約能源等特點，在許多領域得到了廣泛的應用。熱泵技術是利用空氣、地熱資源（地下水、土壤、地表水、海水等）或工業廢水等進行供熱的高效節能空調系統。熱泵有兩種功能：制熱和制冷。用于制熱時，熱泵是將環境溫度作為低溫熱源，將被調節對象作為高溫熱源；用于制冷時則是將環境溫度作為高溫熱源，將被調節對象作為低溫熱源。熱泵借助壓縮機系統，消耗少量電能，將存于環境中的低品位熱能“取”出來，得到高品位的熱能，也就是實現低溫位能源向高溫位能源轉移；同時利用海水溫度和空氣溫度差，夏季制冷，冬季制熱，其制冷系數達6以上、制熱系數可達4以上。電能在其中只起到“搬運”的作用，其運行費用也比較低。比電鍋爐加熱節省2/3以上的電能，比燃料鍋爐節省50%以上的能量。傳統的制熱供暖主要依靠煤來提供，產生了大量的危害氣體，由此而形成的環境壓力是巨大的。以供熱為例，我國年二氧化碳和二氧化硫的排放量分別為4億 t和400萬 t。如果在供熱能源效率方面沒有大幅改善的話，供熱用煤量和有關的排放量到2020年將增加一倍。2002年青島北船重工海西灣造修船基地修船區建設時，鍋爐房原設計熱負荷12 t/h，一期安裝2臺4 t/h鍋爐，預留一臺鍋爐位置，隨著生產能力的不斷增加，供熱能力冬季明顯不足，為解決供熱能力不足，可以增加鍋爐或采用熱泵這一新技術，我們對兩種方案進行了比較。

（1）增加一臺鍋爐：預計投資147萬，雖然供熱能力提高，但運行成本高，能耗增加，冬季還需要增加人員，非采暖期設備利用率低。

（2）采用熱泵：需要投資171萬，運行成本低，節能降耗，非采暖期可全部停止鍋爐使用。經從經濟、技術、環保等角度比較決定采用熱泵技術，利用空壓機循環水中熱量來解決一部分用熱負荷。

我公司熱泵的應用是以修船區1#空壓站循環水作為低溫熱源，以生活熱水為高溫熱源，用熱泵機組把循環水中的低溫熱量取出加熱自來水使之達到生活用熱水的溫度60 ℃。修船區1#空壓站現有6臺離心式空壓機，冷卻水循環量為400～600 m3/h，循環水溫度（從空壓機出來的水）冬季為22 ℃，夏季最高為38 ℃，循環水的溫差在8～12 ℃之間，其中蘊含的熱量為4.2 mW左右。目前，循環水的降溫采用冷卻塔進行降溫冷卻，冷卻塔本身有8臺風機，每臺3 kW，日平均耗電300度，日平均耗水量20 t，為了解決余熱綜合利用，節能降耗降低成本，采用空壓機的冷卻水余熱作為低溫熱源，以熱泵的方式制取生活用水。從2006年10月16日熱泵開始投入運行至今實際運行以來，平均每天運行費用1279元，預計年消耗46.68萬，較水煤漿鍋爐年節約標煤630 t，節約費用可達70萬。而此次熱泵機組的投資費用為171萬，三年即可收回投資。熱泵技術成功地應用于空壓機冷卻水余熱回收，尚屬新生事物，把冷卻水作為低溫熱源，以熱泵方式制取生活用水，該技術可以應用于產生低溫余熱的系統，是一項值得推廣的節能環保項目。采用熱泵技術，為余熱綜合利用，解決制冷、制熱（采暖、空調、生活熱水）開辟了一條新的冷、熱源。同時，空壓機冷卻水余熱得到了有效利用，改善了空壓機的運行工況，降低了冷卻塔的電耗、水耗。熱泵技術在制熱、制冷方面節能減排效果顯著，青島北船重工現采用以空壓機循環冷卻水的余熱，為低溫熱源的熱泵系統全年制取生活熱水同時冬季采暖；以海水為低溫熱源的熱泵系統夏季制冷冬季采暖備用。其中，制取生活熱水的熱泵系統共有兩套，每套系統可每天提供55 ℃的生活熱水300 t。采暖制冷空調系統一套，為29000 m2的建筑提供冬季采暖、夏季制冷，采暖負荷為2320 kW（平均80 W/m2），制冷負荷為2030 kW（平均70 W/m2）。其節能情況如下。

熱水熱泵系統。以空壓機循環冷卻水為低溫熱源，通過熱泵系統來制取55 ℃的生活熱水，每套系統每天能制熱水300 t。修船區經22個月測試平均每天實際制熱水201 t；造船東區預計平均每天200 t，兩套系統共400 t。冬季自來水溫度按8 ℃計算，夏季按22 ℃計算，平均15 ℃。則每套系統一年四季需要消耗的熱量為：

200×103×（55-15）×360=2.88×109大卡

需要消耗標準煤：

2.88×109/7000/0.7=587755 kg=588 t

實際消耗電力折標煤：856080度×10-4×1.229=105 t

實際節約標煤：588-105=483 t

注：（1）標準煤的燃燒值按7000大卡/公斤；

（2）一年按360 d計。

（3）電力折標系數（萬千瓦時）：1.229

（4）綜合熱量轉換系數：0.7

兩套熱水熱泵系統一年可節約標準煤966 t。

采暖制冷空調系統：

冬季以空壓機循環冷卻水余熱為低溫熱源、夏季以海水為低溫熱源的熱泵系統來進行冬季采暖、夏季制冷，冬季采暖負荷為2320 kW（平均80 W/m2），制冷負荷為2030 kW（平均70 W/m2），則一個冬季需要消耗的熱量為：

（2320-357）×860×120×24×0.6=2.92×109大卡

需要消耗標準煤：

2.92×109/7000/0.7=595 t

注：（1）標準煤的燃燒值按7000大

卡/公斤；

（2）一個采暖期按120 d計，每天按24 h計；

（3）季節調節系數按0.6計。

（4）折算系數1kW=860 kcal/h

（5）裝機容量（冬季）357 kW

（6）綜合熱量轉換系數：0.7

一個夏季需要的冷量為：

（2030-252）×860×120×13.5×0.6=1.49×109大卡

折標煤：1.49×109/7000=212 t

注：（1）一個制冷期按120 d計，每天按13.5（6：30～20：00）小時計；

（2）季節調節系數按0.6計。

（3）電力折標系數（萬千瓦時）：1.229

（4）夏季裝機容量：252 tkW

全年綜合節標煤：

966+595+212=1773 t

目前，青島海西灣造修船基地內的11萬 m2的辦公生活設施將全部采用熱泵技術，冬季用空壓站的余熱為低溫熱源采暖；夏季用海水為低溫熱源制冷空調，全年保證生活熱水供應，使近4平方 km2海西灣造修船基地真正成為綠色造船產業基地。

參考文獻

[1]供暖通風與空氣調節設計規范[GB50019-2003][S].北京：中國標準出版社.