漁船節(jié)能型制冷供暖與發(fā)電復(fù)合系統(tǒng)

夏玉梅，羅 翔，毛浩東，李志勇

（嘉興學(xué)院 建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程系，浙江嘉興 314000）

0 引言

我國擁有近百萬艘漁船，規(guī)模龐大，位居世界第一。其中，機(jī)動(dòng)漁船數(shù)量占比超過60%[1]，以柴油為主要能源，90%的機(jī)動(dòng)漁船均依靠柴油發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。然而，柴油機(jī)僅有54%的能量用于推進(jìn)漁船航行以及運(yùn)轉(zhuǎn)捕撈機(jī)械，7%的能量被滑油及機(jī)表散熱帶走，39%的能量都隨冷卻水和廢氣排出[2]，每年因此浪費(fèi)的余熱總量巨大。

漁船柴油機(jī)排出的廢氣余熱可達(dá)350～410 ℃[3]，能量品位較好，具有可觀的利用價(jià)值，若能將漁船這部分余熱資源化回收利用，將有望顯著提高漁船的能源利用率、降低燃油消耗量。與此同時(shí)，船舶柴油機(jī)排放物已成為沿岸地區(qū)尤其是港口城市的主要大氣污染源[4]，其排放的顆粒物（PMx）、二氧化硫（SO2）、氮氧化物（NOx）等大氣污染物對空氣質(zhì)量影響較大，回收余熱降低的柴油消耗量，也將有助于減少污染排放，改善沿岸地區(qū)大氣環(huán)境。

從漁民角度來看，回收余熱可節(jié)約柴油使用量，進(jìn)而減輕漁民負(fù)擔(dān)。目前柴油成本占漁民出海總成本的50%[2]，若能減少柴油用量，漁民出海成本將明顯降低。此外，回收的余熱若用于漁船生活區(qū)域的供暖或制冷，可以改善漁民出海期間的生活環(huán)境；富余的制冷量若用于輔助漁船冷藏艙保冷，還可進(jìn)一步降低魚艙保鮮成本。

1 漁船余熱來源與用能需求分析

漁船柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的余熱主要包括排氣熱以及冷卻水、潤滑油和機(jī)表的散熱，如圖1所示。潤滑油和機(jī)表的散熱較難回收。排氣熱和冷卻水的余熱存在回收的可能，這2部分能量約占總能量的40%，本文主要針對這2部分余熱的回收利用。

圖1 柴油發(fā)動(dòng)機(jī)余熱組成和占比

余熱的利用有多種選擇，具體采用何種利用方式，取決于多方面因素，包括余熱的能量品位、漁船的實(shí)際用能需求、能源轉(zhuǎn)化效率、設(shè)備耐久性和經(jīng)濟(jì)可行性等。從余熱能源的供給端來看：排氣熱溫度較高，利用方式選擇余地較大，可用于溫差發(fā)電，也可采用吸收式制冷實(shí)現(xiàn)余熱供冷，或余熱直接供暖；發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水余熱溫度較低，能量品位差，不能用于發(fā)電，但可以用于余熱供暖，在條件允許情況下也可實(shí)現(xiàn)余熱輔助供冷。從漁船的實(shí)際能源需求端來看，漁船上用能需求主要有生活區(qū)漁民的冬季供暖和夏天供冷需求、輔助魚艙的冷藏用冷需求、誘魚燈和生活照明的用電需求等。

對能量供給端和用能需求端進(jìn)行分析，系統(tǒng)總體思路如圖2所示。首先，對于能量品位較好的高溫廢氣，優(yōu)先考慮采用溫差發(fā)電，滿足漁船誘魚燈和日常照明等用電需求；其次，溫差發(fā)電后的余熱水能量品位較低，可以與柴油發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水一同匯集到水箱，用于冬季漁民生活區(qū)的供暖，而在夏季等不需要供暖的季節(jié)，擬采用吸收式制冷對漁民生活區(qū)進(jìn)行余熱供冷，冷量富余的情況下還可以輔助魚艙冷藏，減緩冷藏艙室冰塊的融化速度；再則，考慮引入太陽能集熱器，增加熱水溫度以提高吸收式制冷設(shè)備的運(yùn)行效率，且太陽能熱水在冬季也可以用于輔助供暖；最后，在太陽能集熱器和吸收式制冷設(shè)備之間增設(shè)電輔供熱裝置，當(dāng)水溫不足時(shí)可補(bǔ)足溫度，保障設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行。

圖2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2 系統(tǒng)硬件與集成布置

2.1 設(shè)備選擇

2.2.1 吸收式制冷設(shè)備

漁船作為海上運(yùn)載工具，運(yùn)行環(huán)境較為惡劣，易受風(fēng)浪等因素影響。雖然氨吸收式制冷技術(shù)成熟，且已廣泛用于倉儲冷凍冷藏等制冷需求領(lǐng)域，但氨氣有毒、易泄漏且易燃，考慮到船體顛簸抖動(dòng)等漁船實(shí)際環(huán)境特點(diǎn)，較易發(fā)生泄漏爆炸等危險(xiǎn)事故。出于安全考慮，不采用氨吸收式制冷設(shè)備，而采用中小型溴化鋰吸收式制冷機(jī)。中小型溴化鋰吸收式制冷因其具有耗電少、無毒、無污染、無爆炸危險(xiǎn)和安全可靠等優(yōu)勢，被譽(yù)為無公害的制冷設(shè)備，并且中小型溴化鋰吸收式制冷機(jī)對外界條件變化的適應(yīng)性強(qiáng)，可在較為寬泛的熱媒水進(jìn)口溫度、冷媒水出口溫度和冷卻水溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，適合在漁船船載環(huán)境中使用。

2.2.2 溫差發(fā)電裝置

溫差發(fā)電裝置形式多樣，在以汽車為代表的交通工具中，平板式溫差發(fā)電最為普遍。汽車尾氣的溫差發(fā)電裝置運(yùn)行環(huán)境與漁船運(yùn)行環(huán)境較為接近，二者均是將發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣余熱轉(zhuǎn)化為電能，且都在移動(dòng)平臺上安裝和運(yùn)行。因此，采用汽車尾氣余熱利用中較為成熟的平板式溫差發(fā)電裝置，通過多組并聯(lián)的方式放大，直接用于漁船發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣余熱發(fā)電，在工程上最為經(jīng)濟(jì)可行。

2.2.3 太陽能集熱器

引入太陽能的目的主要是為提高吸收式制冷機(jī)的進(jìn)口熱水溫度，實(shí)現(xiàn)這一功能擬采用最為經(jīng)濟(jì)耐用的平板太陽能集熱器。平板太陽能集熱器結(jié)構(gòu)簡單、靈活精巧、運(yùn)行可靠且成本低廉，與真空管太陽能集熱器相比，平板太陽能集熱器具有承受能力強(qiáng)、吸熱面積大和易安裝等特點(diǎn)，同時(shí)可適應(yīng)漁船顛簸環(huán)境，是太陽能與漁船結(jié)合較好的一種集熱器類型。

2.2.4 電輔熱裝置

前述吸收式制冷設(shè)備選用了中小型溴化鋰吸收式制冷機(jī)，其進(jìn)口水溫度一般要求在75 ℃以上，在水溫較低、日照不足或夜晚無太陽能加熱的情況下，需額外能量來補(bǔ)足溫度才可確保設(shè)備連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。電加熱裝置市場已非常成熟，選購范圍大且價(jià)格便宜。文本選用帶溫度感應(yīng)的電加熱裝置，安裝在太陽能集熱器出水口和中小型溴化鋰吸收式制冷機(jī)組進(jìn)水口之間，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)足水溫功能。

2.2 系統(tǒng)布置

中小型溴化鋰吸收式制冷設(shè)備、溫差發(fā)電裝置和太陽能集熱器等需要占用一定的空間，這些設(shè)備在漁船上的布置如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)布置示意圖

中小型溴化鋰吸收式制冷機(jī)安裝在柴油機(jī)和冷藏魚艙之間，這一位置的選擇主要考慮其距發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管廢氣余熱距離較近，熱損失小，同時(shí)距離上方漁民生活區(qū)和側(cè)面冷藏漁艙也較近，距離越短供冷效率越高。溫差發(fā)電裝置安裝在機(jī)艙柴油機(jī)排氣煙道起始端附近，這一位置廢熱溫度較高，溫差發(fā)電效果好，且多數(shù)漁船在這一位置具有一定的可使用可變空間，以滿足平板式溫差發(fā)電裝置的占空性要求。太陽能集熱器安裝在駕駛艙頂部，這一位置不會影響漁民日常生產(chǎn)生活，且這部分空間位于漁船頂部，無遮擋，有利于充分利用太陽日照；駕駛艙頂部空間為平頂，可以滿足平板式太陽能集熱器的安裝需求。

3 系統(tǒng)運(yùn)行控制方案

集成到船載系統(tǒng)的幾個(gè)模塊，需要合適的運(yùn)行方案以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的協(xié)同運(yùn)行，有效發(fā)揮每個(gè)模塊的功能，進(jìn)而達(dá)到預(yù)期的節(jié)能效果。考慮到不同季節(jié)溫度條件差異供暖用冷需求不同，系統(tǒng)運(yùn)行方案設(shè)計(jì)分為：冬季運(yùn)行方案、夏季運(yùn)行方案和春秋運(yùn)行方案。運(yùn)行方案的思路是：在冬季天氣寒冷條件下，啟動(dòng)余熱供暖，關(guān)閉生活區(qū)供冷，中小型溴化鋰吸收式制冷機(jī)的冷量全部用于輔助魚艙冷藏；在夏季天氣炎熱條件下，開啟生活區(qū)供冷，關(guān)閉余熱供暖，中小型溴化鋰吸收式制冷機(jī)組的冷量也可用于生活區(qū)供冷和輔助魚艙冷藏。春秋運(yùn)行方案較為復(fù)雜，分為2種情況：在溫度宜居舒適的情況下，考慮同時(shí)關(guān)閉生活區(qū)供暖和供冷，吸收式制冷冷量全部用于輔助魚艙冷藏，以減緩冰塊融化速度，從而減少冰塊使用量；在溫度異常條件下，則采用冬季或夏季方案，即溫度低于設(shè)定值下限時(shí)，啟動(dòng)冬季運(yùn)行方案；當(dāng)溫度高于設(shè)定值上限時(shí)，啟動(dòng)夏季運(yùn)行方案。

3.1 冬季運(yùn)行方案

冬季運(yùn)行方案如圖4所示：溫差發(fā)電產(chǎn)生的余熱水與柴油機(jī)冷卻水匯集，優(yōu)先用于居住區(qū)的供暖；若供暖量不足，可以通過太陽能集熱器出水口的熱水來輔助供暖。當(dāng)供暖量富余時(shí)，太陽能出水口熱水可用于吸收式制冷和輔助魚艙冷藏，但是否啟動(dòng)制冷還需進(jìn)一步判斷：環(huán)境溫度過低時(shí)，關(guān)閉制冷；當(dāng)環(huán)境溫度明顯高于吸收式制冷溫度時(shí)，則判斷水溫是否達(dá)到吸收式制冷進(jìn)水口溫度要求，若未達(dá)到，則啟動(dòng)電輔加熱器進(jìn)行升溫后再進(jìn)入中小型溴化鋰吸收式制冷機(jī)制取冷量來輔助漁船冷藏艙保冷。所需的電量優(yōu)先由溫差發(fā)電提供，如果還有剩余電量，則可用于誘魚燈及生活照明等。

圖4 系統(tǒng)冬季運(yùn)行方案

3.2 夏季運(yùn)行方案

夏季運(yùn)行方案如圖5所示：溫差發(fā)電產(chǎn)生的余熱水與柴油機(jī)冷卻水匯集后進(jìn)入太陽能熱水器。太陽能出水口需進(jìn)行條件判斷：若水溫滿足要求，則直接進(jìn)入中小型溴化鋰吸收式制冷機(jī)，制取的冷量將優(yōu)先給居住區(qū)供冷，余量可輔助漁船冷藏艙保冷；若水溫不足，則通過電輔加熱器進(jìn)行升溫后再進(jìn)入中小型溴化鋰吸收式制冷機(jī)。

圖5 系統(tǒng)夏季運(yùn)行方案

3.3 春秋運(yùn)行方案

春秋季氣溫條件多變。當(dāng)溫度過低時(shí)，直接啟用冬季運(yùn)行方案；當(dāng)溫度過高時(shí)，直接啟用夏季運(yùn)行方案；當(dāng)溫度適中時(shí)，生活區(qū)關(guān)閉供暖和制冷系統(tǒng)，啟動(dòng)圖6所示的運(yùn)行方案。溫差發(fā)電產(chǎn)生的余熱水與柴油機(jī)冷卻水匯集，經(jīng)太陽能熱水器升溫：若水溫滿足要求，則直接通入中小型溴化鋰吸收式制冷機(jī)，制得的冷量用于輔助漁船冷藏艙保冷；若水溫不足時(shí)，則經(jīng)過電輔加熱器加熱后，再進(jìn)入中小型溴化鋰吸收式制冷機(jī)。

圖6 系統(tǒng)春秋季運(yùn)行方案

4 系統(tǒng)運(yùn)行效果評價(jià)

4.1 節(jié)能效果分析

以浙江舟山為例，對較為典型的38 m長、年耗油量為60 t的中型漁船1年4個(gè)季節(jié)的能效進(jìn)行分析。系統(tǒng)節(jié)能效果主要源于2方面：

1）柴油發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣和冷卻水的余熱回收。取決于燃油消耗量和出海天數(shù)。

2）太陽能。取決于舟山當(dāng)?shù)赜行栞椛浜蜐O民實(shí)際出海天數(shù)。

通過調(diào)研氣象數(shù)據(jù)和采訪舟山漁民可知，舟山地區(qū)年太陽輻射量為4.353×109J/m2，春夏秋冬出海天數(shù)分別為68 d、25 d、82 d和75 d。

可在38 m中型漁船駕駛艙頂部鋪設(shè)7組2 m2的太陽能平板，保守估計(jì)太陽能集熱器光熱轉(zhuǎn)換率為50%。按照舟山地區(qū)太陽輻射強(qiáng)度和漁民出海天數(shù)，可得1年回收的總太陽能為：Q太陽能＝1.975×1010J。

柴油比熱為4.6×1010J/t，其燃燒產(chǎn)生熱量的7%由冷卻水吸收，32%由排氣熱排出，總量分別為：Q冷＝3.220×109J；Q排＝1.472×1010J。假定溫差發(fā)電的轉(zhuǎn)換率為6%[5]，則溫差發(fā)電的集熱效率為37%～40%[6]，取均值38.5%；中小型溴化鋰的熱力系數(shù)為0.68[7]，熱交換損耗為總量的1/2。

將節(jié)能效果統(tǒng)一折算為達(dá)到相同供暖、制冷和發(fā)電效果所需的柴油量。發(fā)電量折算時(shí)，假定柴油發(fā)電效率為35%。計(jì)算結(jié)果如表1所示，年節(jié)約柴油總量為11.86 t，其中吸收式制冷由于運(yùn)行天數(shù)最長，節(jié)約柴油效果最顯著。

表1 浙江舟山不同季節(jié)余熱回收利用節(jié)省的柴油量（單位：t）

4.2 不同氣候地區(qū)運(yùn)行效果比較

不同地區(qū)氣候不同，供暖和制冷需求不同，休漁期和漁民實(shí)際出海天數(shù)也不同，因此節(jié)能減排效果存在差異。比較浙江舟山、遼寧大連和海南海口等3個(gè)典型地區(qū)系統(tǒng)運(yùn)行的節(jié)能減排差異，分析結(jié)果如圖7所示。節(jié)能分析計(jì)算與浙江舟山地區(qū)計(jì)算方法相同；減排效果計(jì)算可將節(jié)約的柴油量換算成減少排放的大氣污染物量。折算依據(jù)《中國環(huán)境影響評價(jià)培訓(xùn)教材》中燃燒1 m3柴油排放的主要大氣污染物總量：NOx（以NO2計(jì)）為8.57 kg/m3，SO2為10.00 kg/m3，煙塵為1.80 kg/m3。

從圖7可以看出：節(jié)能方面按每年每艘漁船計(jì)，浙江地區(qū)發(fā)電模塊可節(jié)約柴油3.291 t，吸收式制冷節(jié)約7.630 t，余熱供暖節(jié)約0.939 t，1年共節(jié)約柴油11.860 t。相比浙江地區(qū)而言，遼寧地區(qū)1年節(jié)約柴油總量略少，為10.370 t，其中，溫差發(fā)電模塊每年節(jié)約柴油3.291 t，吸收式制冷節(jié)約5.514 t，余熱供暖節(jié)約柴油1.565 t。海南地區(qū)運(yùn)行效果最好，1年節(jié)約柴油總量為14.267 t，其中，溫差發(fā)電模塊節(jié)約3.291 t，吸收式制冷節(jié)約10.976 t。

減排方面按每年每艘漁船計(jì)，其計(jì)算公式為m污染物＝m柴油/ρ油密度·V單位體積排放量。結(jié)果如圖7所示：浙江地區(qū)減少排放NOx（以NO2計(jì)）為119.53 kg，SO2為139.47 kg，煙塵為25.11 kg；遼寧大連地區(qū)減少排放NOx以NO2計(jì)）104.51 kg，SO2為121.95 kg，煙塵為21.95 kg；海南海口地區(qū)減少排放NOx（以NO2計(jì)）143.79 kg，SO2為167.78 kg，煙塵30.20 kg。

圖7 不同地區(qū)節(jié)能減排效果分析

由此可知系統(tǒng)運(yùn)行效果：系統(tǒng)在海南沿海節(jié)約柴油的量最多，減少柴油燃燒污染物排放量也最大；在遼寧沿海節(jié)約柴油的量最少，柴油燃燒的污染物排放量也最小，說明系統(tǒng)方案更適用于夏季更長、冬季更短的地區(qū)，節(jié)能減排效果更為顯著。

4.3 系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析

通過查閱資料和市場調(diào)研可知，中小型溴化鋰吸收式制冷機(jī)成本為200 000～300 000 元，溫差發(fā)電裝置成本為45 000～60 000 元，太陽能集熱器及其配件成本10 000～15 000 元，電輔熱裝置成本1 000～2 000 元，余熱供暖系統(tǒng)成本5 000～10 000元，安裝及維護(hù)成本占總成本的30 %～40%。節(jié)約柴油的收益，按照7 700 元/噸估算，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 不同地區(qū)成本收益分析

5 結(jié)論

本文針對沿海漁船燃油能源利用率低的問題，提出了余熱綜合利用系統(tǒng)，將中小型溴化鋰吸收式制冷、溫差發(fā)電和太陽能輔助供熱等模塊集成到船載空間，提出不同季節(jié)條件下的系統(tǒng)運(yùn)行方案，主要研究結(jié)論如下：

1）系統(tǒng)船載集成和運(yùn)行方案實(shí)現(xiàn)了夏季余熱供冷為主、冬季余熱供暖為主、四季常態(tài)化溫差發(fā)電及制冷的綜合能源利用方式，提高了漁船柴油能源的綜合利用率。

2）節(jié)能效益分析表明，在我國多數(shù)沿海地區(qū)氣候條件下，系統(tǒng)節(jié)約燃油所產(chǎn)生的收益可以覆蓋設(shè)備成本投入，投資回收年限小于設(shè)備和漁船生命周期，具有良好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

3）面向浙江、遼寧和海南不同氣候地區(qū)的成本收益分析表明，系統(tǒng)方案更適用于夏季較長、冬季較短的沿海捕魚區(qū)，節(jié)能減排效果更為顯著。