船用熱泵技術原理及主要系統形式

中國船級社 任 勇 陳 實

本文是熱泵技術在船舶領域的應用研究系列報道的第二篇，也是“船舶節能減排新技術——船用熱泵”一文的續篇。

熱泵應用在船舶上，仍然遵循與陸地上相同的工作原理，但為了適應船上的工作環境，船用熱泵在結構布置、工藝流程、系統形式等幾個方面都做了相應改進。

本文將首先回顧熱泵的工作和節能原理，然后敘述熱泵的形式和研究現狀，最后主要介紹海船用水源熱泵的主要系統形式，惟愿能幫助讀者加深對船用熱泵這種節能減排技術的理解。

熱泵的工作原理

熱泵是利用逆向熱力循環產生熱能的裝置。熱泵的作用是從周圍環境中吸收熱量，并把它傳遞給被加熱的對象（溫度較高的物體或空間）。其工作原理與制冷機相同，都是按照熱機的逆循環工作的，差別只是工作溫度范圍不同，如圖1所示。

(a)熱泵系統；(b)制冷系統；(c)同時供冷供熱聯合循環系統。

圖1 熱泵原理圖

圖1中Th是高溫物體（空間）的溫度，Ta是環境溫度，T0是低溫物體（空間）的溫度。(a)表示熱泵系統，從環境中吸取熱量傳遞給高溫物體（空間），實現供熱目的；(b)表示制冷系統，從低溫物體（空間）吸取熱量傳遞給環境，實現制冷目的；(c)表示同時供冷供熱聯合循環系統，從低溫物體（空間）吸熱，實現制冷，同時又把熱量傳遞給被加熱的對象，實現供熱目的。

以普通家用熱泵（空調）系統為例對圖1進行進一步說明：

夏季熱泵系統按照(b)制冷系統模式運行，此時低溫熱源為房間，通過消耗能量W（可以是電能，也可以是機械能或熱能，家用空調為電能），將熱量Q1由室內搬運到高溫熱源（室外），從而實現對房間的制冷。

冬季熱泵系統按照(a)熱泵系統模式運行，此時高溫熱源為房間，熱泵系統通過消耗能量W把低溫熱源（室外）的熱量Q1搬運到室內，實現對室內的供熱。

當熱泵系統應用到船上時，工作原理可以描述為：夏季，船舶艙室需要熱泵提供冷量，此時，制冷劑通過蒸發器從艙室中吸收熱量，然后外部輸入能量通過壓縮機驅動制冷劑循環至冷凝器，將熱量釋放到水、空氣等環境中，完成制冷循環。冬季則正好相反。

熱泵技術節能原理

熱泵系統的能量利用情況用收獲的能量與付出能量的比值來評價。在冬季供熱時，設計工況下的運行性能系數指冬季室外空氣調節計算溫度和達到設計需求參數時的機組供熱量與機組輸入功率之比。在夏季制冷時，名義工況制冷性能系數是指在名義工況溫度條件下，機組以同一單位標準的制冷量除以總輸入電功率的比值。性能系數通常用COP表示。

兩式中的W、Q1、Q2含義與圖1中相同。從公式（1）來看，COPh值一定是大于1的；從公式（2）來看，理論上說，COPC可能大于1，也可能小于或等于1。以目前的技術水平來講，普通的壓縮式熱泵機組的COP大部分都在3以上，也就是說，在消耗1份能量的情況下，通常能夠取得3份以上的收益，這就是熱泵技術能夠節能的根本原因。

熱泵的主要形式

根據不同的分類方法，熱泵可以進行不同分類。

按照熱源類別分類。根據熱泵的原理可知，熱泵需要工作在具有溫差的兩個熱源之間，分析可知，其中的一個熱源就是我們要獲得人工環境的空間，如房間、艙室等，而另一個熱源則可以是空氣、水（地表水如江、河、湖、海水，地下水和污水）和土壤，相應的熱泵系統稱為空氣源熱泵、水源熱泵和地源熱泵。

根據輸入能量方式分類。通常輸入能量W有電能、機械能和熱能三種，對應于電能的通常是壓縮式熱泵，也就是目前比較常用的一種熱泵形式；對應于機械能的是內燃機熱泵，不需要消耗電能，只需要燃油或燃氣等燃料即可，是目前熱泵研究領域的一個重要方向；對應于熱能的有吸收式、吸附式等形式，這類熱泵通常都用作對余熱進行回收，效率比壓縮式熱泵低，但整體經濟性也較好。

水源熱泵技術的研究現狀

經綜合分析，水源熱泵被認為是目前在船舶領域最適合推廣的熱泵形式。

水源熱泵的發展已有較長的歷史，在陸地上的應用比較廣泛。上世紀60年代首先出現在美國加州，70 年代進入日本，至80年代初期，在美、日、德、法及其它發達國家均得到了廣泛的應用，并形成了歐洲以發展大型熱泵機組或熱泵站為重點，美、日以中小型熱泵裝置領先的大格局。目前，水源熱泵的研究與應用主要集中在歐美各地區的陸用產品開發方面，如瑞典、瑞士、奧地利、丹麥、美國等國家。位于瑞典斯德哥爾摩市蘇倫圖那的集中供熱供冷系統制熱制冷能力為200MW，管網延伸距岸邊最長達20公里。該工程建于上世紀八十年代中期，位于波羅的海海邊，是利用海水制熱制冷的典范。

自從上世紀90年代開始，考慮到水源熱泵良好的節能效果和經濟效益，水源熱泵技術已經廣泛應用于國內的陸用空調工程領域，成為華北和中原地區空調系統應用大家族中的一股重要力量。目前，全國在運行的水地源熱泵項目超過千個，供熱空調面積以數億平方米計。不過同時也應看到，水源熱泵在實際應用過程中出現了一些問題，所以，各級政府應進一步加強對市場的監管，共同推動水源熱泵技術，切實發揮好節能減排作用。

我國第一個陸用海水源熱泵項目于2004年在青島發電廠建成使用，大連港集團礦石碼頭、天津港船閘所、青島國際帆船中心媒體中心等也都采用了海水源熱泵系統。對于利用江、河、湖水的水源熱泵技術，目前國內已經有了非常多的應用實例，重慶市在先后組織建設了江北嘴中央商務區、涪陵CBD中央商務區、重慶市CBD總部經濟區等可再生能源區域集中供冷供熱項目后，發文鼓勵有條件的項目采用水源熱泵進行集中供熱供冷。沈陽市政府大力扶持水地源熱泵項目，也特意下發文件予以支持。

水源熱泵技術在船上的應用目前還沒有有效開展，國際上還沒有應用的實例報道。在國內，中國船級社于幾年前率先牽頭在內河客船上開展了水源熱泵技術應用研究。目前，應用水源熱泵機組的某內河客船已經安全運行兩年多，節能減排效果明顯，研究取得了階段性成功。

海水源熱泵系統主要形式

海水源熱泵屬于水源熱泵的一種，因其與海洋運輸船舶密切相關，所以對其系統主要形式進行單獨闡述。

海水源熱泵就是以海水為冷熱源的熱泵系統，本質上屬于地表水源熱泵系統，但是由于其冷熱源為海水，所以系統特征與海水特性密切相關。以海水作為冷熱源時，室外溫度對海水溫度的影響緩慢，與當地空氣的最高和最低溫度存在差別，這對熱泵的工作非常有利。

海水源熱泵系統的工作原理是在夏季將船舶中的熱量轉移到海水中，由于海水溫度相對于空氣溫度要低，所以可以高效地帶走熱量，而冬季則從海水中提取低位熱能，由熱泵原理通過溫度提升后的空氣或水送到船舶中，為艙室和各種處所供熱。

在海水源熱泵系統中，依據海水利用方式不同，一般將海水源熱泵系統分為直接利用方式和間接利用方式，其中間接利用方式有兩種形式。

對于直接利用方式，海水通過取水管道直接引入熱泵機組的蒸發器（或冷凝器），使海水的熱量（或冷量）直接傳遞給熱泵工質，換熱后的海水再通過排水管道輸送回海面。這種方式的原理如圖2所示。

這種方式的優點是：海水與熱泵機組制冷劑直接換熱，供熱和制冷效率較高；系統結構形式簡單，初期建設費用低。缺點是由于海水直接作為換熱介質，與熱泵機組的蒸發器（或冷凝器）接觸，要求蒸發器（或冷凝器）需采取防腐措施，并且需要定期對其進行清洗，維護費用高。

間接利用方式有兩種具體系統形式，第一種是指利用換熱器將海水與熱泵機組隔離開，利用循環水泵將海水通過輸送管道送至換熱器中，使其與熱泵回水在換熱器中實現能量交換，從而將海水的冷熱量傳遞給水環系統的換熱介質，再通過換熱介質的循環將冷熱量傳遞給熱泵的蒸發器（或冷凝器），而放出冷熱量的海水則通過排水管道輸送回海面。這種方式的原理如圖3所示。

圖2 直接利用式原理示意圖

圖3 間接利用式I原理示意圖

這種方式的優點主要包括：保證了海水與熱泵機組不直接接觸，因此熱泵機組的蒸發器（或冷凝器）無需進行特殊處理，擴大了熱泵機組的選擇范圍；在熱泵機組換熱器內的循環工質為水或防凍液，機組結垢的可能性很小，機組的維修費用也相對要少；由于系統中進行換熱循環的工質不是海水，因此對水源水質情況無需特殊要求，不必增設過濾裝置、殺菌祛藻裝置等；由于與海水直接接觸的設備只有換熱器，當換熱器受到腐蝕或管路堵塞時，只需對換熱器進行更換或清洗。缺點是海水與熱泵工質間接換熱，減小了換熱溫差，對熱泵能效造成一定影響，而且需設置一套換熱裝置，系統的初投資增大。

圖4 間接利用式II原理示意圖

第二種間接利用方式是指在冷熱源側采用閉環的水系統，一般采用高密度聚乙烯塑料管作為熱交換器，直接將其投放于海水中，通過換熱盤管中的介質與海水之間的換熱來實現能量轉移。這種方式的原理如圖4所示。

這種方式除具有第一種間接利用方式的大部分優點外，還因為無需增設換熱設備，減小了初投資。這種方式的缺點是由于采用塑料換熱盤管進行換熱，其供熱和制冷效率較低；而且水下換熱盤管的布置面積大，船上很難找到合適的換熱海水空間。

從目前的技術發展來看，直接利用方式和第一種間接利用方式比較適合在船舶領域推廣應用。