低溫海水源熱泵的技術方案分析

喬 木 賈曉敏 郭全舉 謝繼紅 陳 東

（天津意安消防設備有限公司） （天津科技大學機械工程學院）

0 引言

熱泵是一種高效制熱和供熱裝置。熱泵只需消耗少量電能，就可從低溫熱源中吸收大量低溫熱能并轉化為中高溫熱能，用于供暖、制取熱水、物料干燥和工業加熱等場合，可大幅度減少能耗和運行費用[1]。

低溫熱源的特性對熱泵性能的影響很大。對于近海地區和企業，海水存量豐富、取用方便、溫度波動小、比熱容大，是很好的低溫熱源[2]。

但冬季海水溫度可能較低，部分海區甚至表面結冰[3]，需從冰下取水，此時熱泵需從接近冰點的海水中吸熱，海水有可能在換熱過程中結冰而影響系統正常運行。

針對上述問題，本文給出三個可適應低溫海水工況的海水源熱泵系統技術方案，并對三個方案進行了對比分析。

1 拋管式海水源熱泵系統

拋管式海水源熱泵系統的流程如圖1所示。

由圖1可見，比海水溫度低的載冷劑進入拋管式換熱器，在其中吸收管外海水中的熱量回到蒸發器；蒸發器中比載冷劑溫度更低的熱泵工質從載冷劑中吸熱，然后經壓縮機升溫升壓再進入冷凝器放熱并凝結為液態；被加熱的載熱劑送至用戶處供熱，液態熱泵工質則經節流閥后產生低溫低壓液體，再從拋管式換熱器中來的載冷劑中吸熱而變為低溫低壓氣體，繼續下一個循環。

圖1 拋管式海水源熱泵系統流程

拋管式換熱器的優點是可采用非金屬材料、成本低、耐海水腐蝕，可在管外結冰狀態下繼續工作。不足之處是傳熱系數較低，需有適當物體將其在海水中固定，且熱泵工質不能直接在管內與海水換熱，而需載冷劑循環將海水中蘊含的低溫熱能輸送給蒸發器中的熱泵工質。

2 沉浸豎板式海水源熱泵系統

沉浸豎板式海水源熱泵系統的流程如圖2所示。

圖2 沉浸豎板式海水源熱泵系統流程

圖2中的沉浸豎板式換熱器是一個扁平的長方形腔體，載冷劑走腔內，海水走腔外。系統工作時，泵1將海水送入海水槽并流過沉浸豎板換熱器的外表面，被換熱器內的載冷劑吸熱后從海水槽的排出端排入海中。

沉浸豎板式換熱器的主體沉浸在海水槽中，換熱器內的載冷劑從換熱器外的海水中吸熱后進入蒸發器，被蒸發器中的熱泵工質吸熱后再返回沉浸豎板換熱器，繼續下一個循環。

沉浸豎板式換熱器可用耐海水腐蝕的金屬材料制作，傳熱系數高，可在豎板外結冰工況下正常運行。必要時可采用兩組沉浸豎板式換熱器，一組工作時，另一組對豎板外所結冰進行融除，兩組交替工作，從而實現系統的連續高效運行。

沉浸豎板式海水源熱泵系統的不足之處是需設置海水槽，比拋管式海水源熱泵系統要多增加一臺海水泵。

3 套管式海水源熱泵系統

套管式海水源熱泵系統的流程如圖3所示。

圖3 套管式海水源熱泵系統流程

在圖3所示的流程中，海水被海水泵送入蒸發器，在蒸發器中被熱泵工質吸熱后排入海中。熱泵工質通過蒸發器從海水中吸熱后，被壓縮機壓縮升溫，然后進入冷凝器將熱能傳遞給載熱劑。

套管式海水源熱泵系統的主要特點是套管式蒸發器結構緊湊，傳熱系數高；海水可與熱泵工質直接傳熱，減少了載冷劑輸送環節。需注意的問題是要防止海水在套管式蒸發器內出現結冰工況，因此要求海水在蒸發器內有較高流速且流場均勻 （合理設計和操作時，海水可在套管式換熱器中實現5℃以上的過冷度而不結冰[4]）。

4 低溫海水源熱泵系統的技術方案對比分析

4.1 初投資

以港口某200 m2辦公建筑用海水源熱泵系統為背景，其從海水中吸熱負荷約為Qe=20 kW，取三個方案中海水與熱泵工質的總傳熱溫差均為8℃，這樣只需計算三個技術方案中從海水到熱泵工質的傳熱部件的初投資差異即可 （壓縮機等其他部件的初投資基本相同）。

(1)拋管式系統

拋管式換熱器中，取海水與載冷劑的傳熱溫差為 Δt1=4 ℃,傳熱系數為K1=150 W/（m2·℃）； 換熱器材料為聚丙烯 （PP），壁厚為δ1=3 mm，密度為ρ1=910 kg/m3，價格為P1=35元/千克[5]。因此，所需的換熱器傳熱面積為：

換熱器材料費用為：

蒸發器中載冷劑與熱泵工質的傳熱溫差取為Δt2=4 ℃， 傳熱系數K2=2000 W/（m2·℃）； 換熱器材料為銅， 壁厚為δ2=0.5 mm， 密度為ρ2=8900 kg/m3，價格為P1=70元/千克。因此，換熱器傳熱面積為：

換熱器材料費用為：

拋管式系統海水與熱泵工質間換熱器總的材料費用為：

（2）沉浸豎板式系統

取海水與沉浸豎板內載冷劑的傳熱溫差為Δt3=4℃， 傳熱系數為 K3=1000 W/（m2·℃）； 換熱器材料為鈦， 壁厚為δ3=0.5 mm， 密度為ρ3=4500 kg/m3，價格為P3=300元/千克。因此，所需換熱器傳熱面積為：

換熱器材料費用為：

蒸發器材料及參數與拋管式系統相同，即其材料費用為：

沉浸豎板式系統海水與熱泵工質間換熱器總的材料費用為：

（3）套管式系統

套管式系統中，海水與熱泵工質在套管式蒸發器中直接換熱，其傳熱溫差為Δt5=8℃，傳熱系數為K5=2000 W/（m2·℃）；換熱器材料為鈦，壁厚為δ5=0.5 mm。因此，所需換熱器傳熱面積為：

換熱器材料費用為：

綜上所述，三個技術方案中，套管式系統方案換熱器材料費用最低，沉浸豎板式最高。

4.2 運行及維護

拋管式方案中拋管式換熱器允許管外帶冰運行，對工況波動的適應性好；但其在海中有可能被魚類等咬壞，表面附著海洋生物時也不易清洗。

沉浸豎板式方案中沉浸豎板換熱器也允許海水側帶冰運行，對工況的適應性也很強，海水側也易于清洗維護；但需設置海水槽，且海水槽中海水的液位和流速均需優化調控。

套管式方案中套管式蒸發器一般不允許海水側帶冰運行，通過合理設計海水側流道和流速，即使進口海水接近冰點、出口海水有較大過冷度時，仍可正常運行；但套管式換熱器清洗相對復雜，為防止海水在套管內結垢及海洋生物沉積等，需對進換熱器的海水進行預處理。

5 結論與建議

三個可適于低溫海水的海水源熱泵系統技術方案中，拋管式和沉浸豎板式方案均允許海水側帶冰運行，工況適應性好，但初投資較大，且拋管式換熱器在海底有被損壞的危險；套管式方案設備緊湊，初投資低，但運行工況要求嚴格，且須對進換熱器的海水進行預處理。因此，建議對三個技術方案的工程設計及運行特性進行更系統、更深入的研究。

[1]陳東，謝繼紅.熱泵技術手冊 [M].北京：化學工業出版社，2012.

[2]喬木.海水制冷熱泵系統的理論與實驗研究 [D].天津：天津科技大學，2006.

[3]劉煜，劉欽政，隋俊鵬，等.渤、黃海冬季海水對大氣環流及氣候變化的響應 [J].海洋學報，2013，35（3）： 18-27.

[4]陳文放.低溫海水工況下海水源熱泵空調的特性研究[D].天津：天津科技大學，2014.

[5]王立國，王世昌，朱愛梅，等.塑料換熱器在海水淡化中的應用 [J].化工進展，2004，23（12）：1359-1361.