三用拖船复合热源热泵方案的可行性分析

(上海打捞局，上海 200090)

在陆地上，为减少温室气体排放，降低对化石燃料的依赖，人们在使用石油煤炭等化石能源的同时也在不断开发利用新能源。大气、土壤、水中含有的低位热能和工业废热正成为新的能源利用亮点。热泵在利用低位能源方面有很大的优势。

海水源热泵是水源热泵的一种，是以海水为热源的，可以进行制冷/制热循环的一种热泵型空调装置，它在制热时以海水为热源(低温热源)，而在制冷时以海水为排热源(高温热源)。目前，海水源热泵已在我国一些沿海城市(大连、青岛等)陆地建筑物取暖中获得了广泛应用,相关技术也逐步完善[1]。与使用锅炉制取蒸汽或高温热水取暖相比，采用海水作为热泵低温热源是一种绿色环保的采暖方式。

船舶航行于大海之中，采用海水作为热泵热源具有得天独厚的优势，同时船舶柴油机冷却器出口的海水也是可以利用的优质热源。将已经日趋成熟的水源热泵技术运用于某些特定船舶有着极大的可行性。

1 三用拖船空调系统的特点

随着我国海上石油产业的发展，近海三用拖船日益增多。与一般远洋货船不同，三用拖船一般吨位不大，主机功率比较高，双机双桨；驾驶台与船员生活区相对较小，集中于船艏部；船中部一般布置有拖缆机等拖带设备，船后部的通敞式甲板占全船的2/3，机舱位于通敞式甲板以下，由于甲板高度的限制，机舱采用水平布置。实船的空调系统通常采用夏季制冷，冬季用燃油辅锅炉产生70 ℃的热水来对空气进行加温处理以满足船舶取暖需求，在极冷条件下加开电加热与暖风机。

经过比较[2]，笔者发现用于近海海上油田服务的三用拖船，其船用空调系统与热泵的工作特点和布置要求比较符合。

1) 船舶生活区面积相对较小，整个空调系统的布置及要求类似陆地建筑物；

2) 船舶航区相对固定，主要用于海上油田各石油钻井平台之间运输供应作业和海上结构物(钻井平台、系泊提油装置等)建设，一般不具备冰区航行条件；

3) 三用拖船要求高机动性和可操作性，主副机均使用轻质柴油( 0#或-10#)，无重油舱，不需要油舱加热；

4) 由于主机经常运行于低负荷工况，加上机舱布置的限制，三用拖船一般不配备废气锅炉系统，仅设有燃油辅锅炉产生生活热水及满足冬季船舶舱室取暖需要；

5) 机舱布置比较紧凑，主机冷却水系统的管路布置易于改造；

6) 机舱海水系统各泵浦之间可以互相替代，管路可以通过阀件的开关实现互通，便于对用于热泵系统的海水低温热源进行处理；

7) 现有空调系统设备的布置可以满足改造的空间要求。

由此，提出将陆地建筑物使用的水源热泵技术用于该类船舶空调系统。

2 复合热源热泵技术概述

国家机械行业标准JB/T7227-1994给出了复合热源热泵型螺杆式冷水机组的定义[3]。复合热源热泵的原理见图1。

图1 复合热源热泵原理

在此，同样可以把复合热源的定义理解为两种及两种以上不同温度级的低品味热能，由此，也可以理解为复合热源热泵能同时分级回收两种或两种以上不同温度级的低品味热能的热泵循环。因为对于中间进气的螺杆式压缩机而言，在维持螺杆低压一次吸气腔吸收空气热能量不变的同时，通过中压二次吸气腔补偿回收水的废热量，以达到循环总制热量的增加。

对于船舶而言，海水是非常理想的热泵系统低位热能来源，即利用两种不同能级的低温热源：来自船壳外海底门进口处的海水以及来自船舶柴油机冷却器的海水。对于后者，以作为船舶主机的柴油机为例，海水从冷却器中带走的热量实际上可以达到柴油机发出功率的20%以上[4]。同时，船舶主辅机系统的缸套冷却水也是可以利用的废热源。这就意味着该热泵系统可以利用的低温热源实际上有多个，即构成了所谓的复合热源。

3 复合热源热泵方案

结合三用拖船空调系统特点，提出采用复合热源热泵的思想，利用带经济器的中间补气螺杆压缩机热泵(制冷)循环，设计一套三用拖船船用复合热源热泵空调系统，见图2。

整个系统可以分为两部分。

1) 复合热源热泵系统。复合热源热泵系统由螺杆式压缩机、四通换向阀、两个双向节流阀、两个换热器(分别实现蒸发器和冷凝器功能)和经济器组成。为了保证低温热源——海水的温度，可以在换热器B的海水进口附近加装一个温控阀，引入来自主机海水系统出口的海水来调节该处的海水进口温度，使其保证满足热泵压缩机所要求的最低工作温度(实际混合后，海水进换热器温度高于-2 ℃)。同时在经济器处可以引入来自主副机缸套冷却水的富余热量，实现两个不同能量级的低温热源能量回收。

1-压缩机；2-换热器A；3-双向节流阀；4-换热器B；5-四通阀；6-经济器；7-风机；8-循环水泵；9-膨胀水箱

图2船用复合热源热泵循环系统布置方案

该方案的工作循环如下。

① 制热循环。制热循环中，由压缩机出来的高温高压气体工质，经换热器A(此时为冷凝器功能)冷却为液体工质，经过一级节流阀节流一次后，进入经济器6形成一中压区。工质在经济器中进入中间压力状态，工质变成气液两相状态。一方面一部分工质吸收剩余液体的热量而成为蒸气，通过压缩机中间补气口进入机内，而另一方面经济器内的液体过冷度增加，通过二级节流阀二级节流，进入换热器B(蒸发器)，从蒸发器蒸发的气体由压缩机吸入，再与中间补气混合压缩，完成循环。

在用热低峰状态下，上述循环即为两级节流、中间补气的带经济器的螺杆式热泵循环。在极限低环境温度下，用热高峰时，可以在经济器处利用来自主副机缸套冷却水的热量，使中间补气量增大，从而实现较高品味热量的回收，增加系统的制热量。

② 制冷循环。制冷循环中，工质通过四通阀实现逆向循环，工质的流向过程相反。

2) 末端处理系统。末端处理装置主要部件有循环水泵，风机盘管，轴流风机，高位膨胀水箱等。通过冬季制取45 ℃的热水，夏季制取7 ℃的冷冻水来实现对末端装置的空气处理。

由于该设计方案可以用于夏季制冷循环与冬季取暖热泵循环，为了避免概念混淆，将传统意义上的冷凝器和蒸发器统一标示为换热器，并根据实际循环的需要，执行冷凝器与蒸发器功能。

4 复合热源热泵方案制热性能评价

通常情况下，对于热泵系统的制热性能评价参数包括基于热力学第一定律的性能系数ηCOP、热力学完善度、一次能源利用率。下面分别校验以下数据，以确定该设计方案的可行性。

1) 性能系数ηCOP。性能系数ηCOP是热泵用少量的功产生大量热的有效性的一种度量。从理论上讲，在一般的供暖条件下，热泵可以获得很高的性能系数。

(1)

ηCOP分析是基于热力学第一定律，对能量做等量变换的一种收支状况的数量分析，这使得在相同外界条件下，不同循环的能量转换率的分析一目了然[5]。对逆卡诺循环

(2)

分别对Tk、To取偏微分，则有

(3)

即ηCOP随To同增同减；

(4)

即ηCOP随Tk增大或减小，又Tk>To，则有：

(5)

即低温热源温度变化对ηCOP影响大于高温热源温度变化所产生的影响，故对热泵，应尽可能采用较高温度的低温热源[6]。设计时仍采用目前市场上海水源热泵机组能够使用的极限温度-2 ℃作为热泵的热源，以40 ℃热水作为冷媒，制取45 ℃热水对空气进行加热至船舶冬季设计工况[7]。据此计算，蒸发温度t0为-6 ℃，冷凝温度tk为46 ℃，则设计方案的理论ηCOP分析如下。

2) 热力完善度ζ。其定义为性能系数与相同冷凝温度、蒸发温度下的逆卡诺循环的ηCOP之比。带入工况条件参数进行计算，方案的理论热力学完善度为

3) 一次能源利用率PERηPER分析。ηPER分析可评价热泵的节能效果。

(3)

式中：η——设备热效率，包括发电效率η1和电力输配效率η2，分别可取0.3、0.9。

则该方案的ηPER为

ηPER=η1×η2×ηCOPh=

0.3×0.9×5.509=1.487

通过上述分析可以看出，设计方案的理论制热性能系数与逆卡诺制热性能系数比较接近，理论热力学完善度高。同时，方案的一次能源利用率计算表明该热泵系统能够以少量的电力输入从低温热源中取得较多的高温热量输出，说明该设计方案是节能的。

5 结论

用于近海海上油田服务的三用拖船等近海支持船的中央空调设置要求类似于陆地建筑物，符合复合热源热泵的应用特点。同时，经过理论计算分析，所提出的带经济器的中间补气螺杆压缩热泵循环的复合热源热泵方案，体现出较好的节能性能。与使用燃油辅锅炉取暖相比，可以减少船舶的燃油消耗，降低污染气体排放，节省船舶运营费用，将具有一定的环境、经济效益。

但是，这种船用复合热源热泵方案的可行性分析只是停留在理论分析层面上，还有待在实船改装或新船建造使用证明。同时方案的经济性与优化还有待在今后的研究中进一步论证。

[1] 张 莉,胡松涛,韩国君.浅谈海水在热泵空调系统中的应用[J].制冷空调,2006,(3)：101-102.

[2] 吴昭成.复合热源热泵技术用于近海三用拖轮的可行性研究[D].大连：大连海事大学,2008.

[3] JB/T 7227-1994复合热源热泵型螺杆式冷水机组[S].北京：机械科学研究院，1995.

[4] 孙培廷.船舶柴油机[M].大连：大连海事大学出版社，2002.

[5] 郑祖义.热泵空调系统的设计与创新[M].武汉:华中科技大学出版社,1994.

[6] ZHANG Jinyang, LIN Duanmu,SHU Haiwen,et al.The analysis about economics and energy-saving of district cooling and heating using sewage-source heat pump in dalian[C]∥4th International Symposium on Heating,Ventilation and Air Conditioning,Oct.9-11 2003,Beijing: Tsinghua University Press,2003.

[7] 费 千.船舶辅机[M].大连:大连海事大学出版社,1998.