空氣源熱泵技術在船舶機艙中的應用分析

劉世杰 孫慧敏

摘 要：船舶機艙溫度過高不僅影響機械設備的正常工作，還影響船員身心健康，甚至危及船員生命和船舶航行安全。分析機艙溫度過高的原因、機艙通風現狀及存在的不足，在不改變原通風方式的基礎上，提出利用空氣源熱泵技術控制調節機艙工作環境或局部溫度，并給出回收機艙空氣余熱的空氣源熱泵系統設計原理圖，以期進一步改善機艙環境、保護船員身心健康和延長設備使用壽命。

關鍵詞：船舶;機艙;空氣源熱泵;溫度

中圖分類號：U671.99 ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ?文章編號：1006—7973（2021）02-0123-03

機艙是安裝船舶動力設備及輔助機械的場所，也是船員工作的主要場所之一。船舶正常航行時機艙溫度一般保持在40℃以上。尤其是鍋爐層、分油機間、供油單元等部分艙室，由于通風不足，當船舶在夏季或赤道附近海域航行時，該部分艙室溫度有時高達50℃。機艙溫度過高會影響各種機械、電氣設備的正常工作以及輪機管理人員的身體健康[1-2]，易引起船員中暑、煩躁、注意力不集中以及出現厭惡情緒等，降低船員工作效率，甚至引發安全事故，危害船員生命和船舶航行安全。另外，越來越多的年輕船員在船上工作一段時間后，離船上岸另謀職業發展的趨勢也越來越明顯，這與機艙溫度高、噪音大等工作環境惡劣有較大關系。如不加以改善機艙環境，年輕船員的流失率極有可能進一步上升，對我國培養高素質海員顯著不利。因此，有必要分析處理船舶機艙溫度過高問題。

1 機艙溫度高的主要原因

導致船舶機艙溫度升高的原因主要是機械設備在運行中散出大量的熱，其中絕大部分熱量來自主機機體的散熱損失。主機散熱損失主要是指通過柴油機氣缸、氣缸蓋、活塞和機體向外界散發的熱量。由主柴油機散熱導致的熱損失約占總熱量的0.6%左右[3]。雖然這部分熱量所占主機總熱量的比例甚少，但是卻對機艙環境及溫度高低起著關鍵作用。

良好的機艙通風可以保證主機、發電機、空氣壓縮機、鍋爐及其他輔助設備所需要的空氣量，防止機艙內溫度上升過高，并利于排除機艙空氣中的油氣、水蒸氣和其他有害氣體，維持機械設備正常運行。機艙通風形式主要有自然通風、壓力通風和封閉式空氣凈化通風三種。自然通風是利用空氣熱壓原理，自然地形成空氣流動，不需要專門的動力，機艙內的熱空氣在機艙內熱氣壓與外界氣壓差的作用下從位于機艙頂部的天窗和煙囪上排出即屬自然通風;壓力通風方式是利用電力驅動通風機，使機艙內外部空氣產生交換，例如使用風機將舷外的新鮮空氣送入機艙等;封閉式空氣凈化通風裝置結構復雜，價格昂貴，一般只用在特殊艦船通風中，如潛水艇等[4]。

商用和民用船舶機艙均采用自然通風和壓力通風兩種方式，對于壓力通風，通常是在機艙中層兩側安置2～4臺等壓、等風量的通風機。為使所安裝的風機在規定的時間內把足量的新鮮空氣補至機艙內部，并將機艙內的混合熱空氣（含有油氣、水蒸氣和其他有害氣體等）排至舷外，通常把風機中的1～2臺設為可逆轉式。但是，由于機艙空間有限，船舶主、副柴油機、鍋爐在運行過程中消耗大量新鮮空氣的同時散出大量的熱，采用傳統的自然通風和壓力通風方式難以保持合適的機艙溫度，機艙溫度通常比舷外環境溫度高出10～12℃，在冬天這個溫差還要大一些[5]，不利于船員從事體力勞動，需要將機艙溫度進行適當控制和調節，在維持機械設備正常運行的同時，保障船員身心健康。

2 空氣源熱泵技術在機艙中的應用分析

船舶航行期間，主機、發電機、鍋爐等機械設備不斷通過機體或外殼向機艙散熱，以致機艙溫度較高，尤其是分油機間、供油單元以及鍋爐間等艙室，溫度高于機艙平均溫度，空氣中蘊含大量的低位熱能，若能在保持原通風不變的條件下對機艙空氣中蘊含的熱量加以回收和利用，則不僅能起到調節機艙局部溫度、改善船員工作環境的作用，還能提高能源利用率。

目前，采用空氣源熱泵技術可以方便地回收空氣中的低位熱能。空氣源熱泵的工作原理與制冷原理相同，但是空氣源熱泵與制冷設備又有明顯不同：空氣源熱泵的目的是供熱，其低溫熱源是空氣，通過熱力循環，把熱能由低溫物體轉移到高溫物體，而制冷設備的目的是供冷。然而，現階段空氣源熱泵技術主要應用于陸上，在船舶上的應用仍然以理論研究為主，其中，吳曉陽[6-7]系統地分析了空氣源熱泵技術應用于船舶機艙的前景，給出了利用空氣源熱泵加熱熱水柜的設計方案，并提出了實際應用中可能出現的不足之處。

空氣源熱泵是效率較高的節能設備之一，因其從空氣中取熱量較為方便，故換熱設備也比較簡單。但是，空氣源熱泵系統存在一個較為突出的問題，在環境溫度低于0℃時其蒸發器容易結霜[8]。當霜層形成后，蒸發溫度和制熱量會出現下降，風量也會逐漸減弱，而蒸發溫度的下降使得蒸發器結霜更加嚴重，霜層不斷增厚，以致熱泵性能系數（COP）在惡性循環中不斷衰減，最終導致空氣源熱泵不能正常運行[9]。

船舶通常航行于各大海域之中，環境溫度隨經緯度以及季節的變化而產生變化，但在正常航行時，船舶主機、發電機、鍋爐等機械設備均運行在較高的負荷，各輔助機械處于穩定的工作狀態，這些機械設備通過機體或外殼不斷地放出大量熱量，機艙溫度不會低于0℃，故利用空氣源熱泵回收機艙空氣余熱不會出現蒸發器結霜問題。此外，當船舶正常航行時，各通風機穩定運行，機艙內空氣與外界空氣的流量和熱量交換基本穩定，機艙環境處于相對外界溫度較高且穩定的狀態。這些因素都為設計回收機艙空氣余熱的空氣源熱泵系統提供了有利條件。因此，利用空氣源熱泵技術控制調節機艙溫度具有可行性。

3 回收機艙空氣余熱的空氣源熱泵系統設計

考慮到船舶航行的特殊性，所采用的空氣源熱泵及設計的系統應能滿足以下幾個基本條件：

（1）空氣源熱泵系統的工作溫度范圍應兼顧機艙溫度和工質的冷凝溫度，以免工作條件惡化，降低空氣源熱泵的循環性能系數（COP）;

（2）系統應能盡可能多地回收機艙空氣余熱，包括鍋爐層、分油機間以及供油單元等高溫艙室;

（3）系統應安裝簡單，維修方便，具有良好的經濟性;

（4）應能適應海上復雜、惡劣的工作環境，尤其是船舶處于大風浪環境時，系統應有足夠的穩定性;

（5）通過回收機艙空氣余熱制取70-80℃的淡水，用以加熱生活淡水、燃油沉淀柜和日用柜等。

結合熱泵技術，設計了一個回收機艙空氣余熱的中高溫空氣源熱泵系統，該系統通過回收機艙空氣余熱，制取溫度為70-80℃左右的高溫水，用以加熱生活用水、燃油沉淀柜和日用柜等，系統工作原理如圖1所示。

圖1中，機艙熱空氣被風機2吸入，經空氣濾清器3過濾后進入蒸發器4，熱泵工質經膨脹閥7節流膨脹，在蒸發器4中吸收熱機艙空氣余熱，使機艙空氣溫度降低。汽化吸熱后的工質蒸汽由壓縮機6吸入、壓縮變成高溫高壓的蒸汽，在冷凝器11中被給水泵12供應的工作水冷卻、冷凝成液體，然后儲存在貯液器10中，開始下一個工作循環。在冷凝器11中工作水溫度上升到70-80℃（溫度可以調節），經管路15供應至熱水柜、燃油沉淀柜和日用柜等用熱設備。可以將從出口管5出來的低溫空氣分配至鍋爐層、分油機間以及供油單元等高溫區域，以調節這些區域的溫度，為船員提供較為適宜的工作環境。

在循環工質選擇方面，目前常用的工質主要包括氫氯氟烴類工質（HCFCs）、氫氟烴類工質（HFCs）、天然工質以及混合工質等。工質的選取非常重要。如果選擇的工質與空氣源系統不匹配，壓縮機將不能在正常的工作壓力范圍內工作，這樣會影響系統運行的穩定性。選擇合適的工質不僅能充分利用熱泵技術高能效的優點，還能提高系統運行的可靠性和穩定性[10]。根據上述分析，結合船舶航行安全需求，應重點選擇能滿足以下兩個方面性能要求的工質（包括混合工質）。

（1）船舶安全營運始終處于第一位，所選的高溫工質應具有不可燃、化學性能穩定、ODP為零、GWP值較低等性能特點。

（2）所選工質不僅應具有較高的循環性能系數，還應具有較高的工質溫度，并具有較低的冷凝壓力。較為理想的工質循環性能是冷凝溫度達到80℃以上，而冷凝壓力不超過25bar。

4結論

機艙溫度過高不僅影響機械、電氣電子設備的正常運行，還影響船員身心健康以及青年船員隊伍穩定性。在不改變機艙原有通風方式的基礎上，引入空氣源熱泵技術用以回收機艙內的部分空氣余熱，并設計了相應的空氣源熱泵系統。在工質選擇方面，應選用無毒、不燃、環保以及循環性能優良的中高溫工質作為空氣源熱泵系統的循環工質。使用該系統通過熱力循環能夠制取70～80℃的高溫水，以滿足船上加熱生活用水、燃油沉淀柜和日用柜等需求，提高船舶的能源利用率，同時，實現控制調節機艙環境和局部溫度，不僅能防止機艙溫度過高，延長設備使用壽命，還能給船員提供較為舒適的工作環境，保障船員身心健康和隊伍穩定。但是，目前空氣源熱泵技術在船上的應用仍然很少，在后續的研究中，應加大實驗投入力度并著力開展實驗研究，以驗證理論研究，并為改善機艙環境提供科學、可行的新方案。

參考文獻：

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[7]吳曉陽.船舶機艙空氣源熱泵熱水柜的應用分析[J].輕工科技， 2019，35（1）：41-42.

[8]張昌.熱泵技術與應用[M].北京：機械工業出版社， 2008.

[9]王芳，范曉偉.我國空氣源熱泵的技術進展[J].能源工程，2002， （4）：1-5.

[10]馬一太，孫方田.中高溫空氣源熱泵熱水器的工質優選[J].熱科學與技術，2006，5（2）：168-173.

基金項目：2020年度海南省高等學校教育教學改革研究項目“產學研融合式船電專業實踐教學改革與實踐”（Hnjg2020-80）;2019年度海南熱帶海洋學院教育教學改革研究項目“船舶電子電氣工程專業實訓課程教學方法改革與探索”（RHYJG2019-06）;第三批海南省普通本科高校應用型試點轉型專業項目。