低温海水源热泵的技术方案分析

乔 木 贾晓敏 郭全举 谢继红 陈 东

（天津意安消防设备有限公司） （天津科技大学机械工程学院）

0 引言

热泵是一种高效制热和供热装置。热泵只需消耗少量电能，就可从低温热源中吸收大量低温热能并转化为中高温热能，用于供暖、制取热水、物料干燥和工业加热等场合，可大幅度减少能耗和运行费用[1]。

低温热源的特性对热泵性能的影响很大。对于近海地区和企业，海水存量丰富、取用方便、温度波动小、比热容大，是很好的低温热源[2]。

但冬季海水温度可能较低，部分海区甚至表面结冰[3]，需从冰下取水，此时热泵需从接近冰点的海水中吸热，海水有可能在换热过程中结冰而影响系统正常运行。

针对上述问题，本文给出三个可适应低温海水工况的海水源热泵系统技术方案，并对三个方案进行了对比分析。

1 抛管式海水源热泵系统

抛管式海水源热泵系统的流程如图1所示。

由图1可见，比海水温度低的载冷剂进入抛管式换热器，在其中吸收管外海水中的热量回到蒸发器；蒸发器中比载冷剂温度更低的热泵工质从载冷剂中吸热，然后经压缩机升温升压再进入冷凝器放热并凝结为液态；被加热的载热剂送至用户处供热，液态热泵工质则经节流阀后产生低温低压液体，再从抛管式换热器中来的载冷剂中吸热而变为低温低压气体，继续下一个循环。

图1 抛管式海水源热泵系统流程

抛管式换热器的优点是可采用非金属材料、成本低、耐海水腐蚀，可在管外结冰状态下继续工作。不足之处是传热系数较低，需有适当物体将其在海水中固定，且热泵工质不能直接在管内与海水换热，而需载冷剂循环将海水中蕴含的低温热能输送给蒸发器中的热泵工质。

2 沉浸竖板式海水源热泵系统

沉浸竖板式海水源热泵系统的流程如图2所示。

图2 沉浸竖板式海水源热泵系统流程

图2中的沉浸竖板式换热器是一个扁平的长方形腔体，载冷剂走腔内，海水走腔外。系统工作时，泵1将海水送入海水槽并流过沉浸竖板换热器的外表面，被换热器内的载冷剂吸热后从海水槽的排出端排入海中。

沉浸竖板式换热器的主体沉浸在海水槽中，换热器内的载冷剂从换热器外的海水中吸热后进入蒸发器，被蒸发器中的热泵工质吸热后再返回沉浸竖板换热器，继续下一个循环。

沉浸竖板式换热器可用耐海水腐蚀的金属材料制作，传热系数高，可在竖板外结冰工况下正常运行。必要时可采用两组沉浸竖板式换热器，一组工作时，另一组对竖板外所结冰进行融除，两组交替工作，从而实现系统的连续高效运行。

沉浸竖板式海水源热泵系统的不足之处是需设置海水槽，比抛管式海水源热泵系统要多增加一台海水泵。

3 套管式海水源热泵系统

套管式海水源热泵系统的流程如图3所示。

图3 套管式海水源热泵系统流程

在图3所示的流程中，海水被海水泵送入蒸发器，在蒸发器中被热泵工质吸热后排入海中。热泵工质通过蒸发器从海水中吸热后，被压缩机压缩升温，然后进入冷凝器将热能传递给载热剂。

套管式海水源热泵系统的主要特点是套管式蒸发器结构紧凑，传热系数高；海水可与热泵工质直接传热，减少了载冷剂输送环节。需注意的问题是要防止海水在套管式蒸发器内出现结冰工况，因此要求海水在蒸发器内有较高流速且流场均匀 （合理设计和操作时，海水可在套管式换热器中实现5℃以上的过冷度而不结冰[4]）。

4 低温海水源热泵系统的技术方案对比分析

4.1 初投资

以港口某200 m2办公建筑用海水源热泵系统为背景，其从海水中吸热负荷约为Qe=20 kW，取三个方案中海水与热泵工质的总传热温差均为8℃，这样只需计算三个技术方案中从海水到热泵工质的传热部件的初投资差异即可 （压缩机等其他部件的初投资基本相同）。

(1)抛管式系统

抛管式换热器中，取海水与载冷剂的传热温差为 Δt1=4 ℃,传热系数为K1=150 W/（m2·℃）； 换热器材料为聚丙烯 （PP），壁厚为δ1=3 mm，密度为ρ1=910 kg/m3，价格为P1=35元/千克[5]。因此，所需的换热器传热面积为：

换热器材料费用为：

蒸发器中载冷剂与热泵工质的传热温差取为Δt2=4 ℃， 传热系数K2=2000 W/（m2·℃）； 换热器材料为铜， 壁厚为δ2=0.5 mm， 密度为ρ2=8900 kg/m3，价格为P1=70元/千克。因此，换热器传热面积为：

换热器材料费用为：

抛管式系统海水与热泵工质间换热器总的材料费用为：

（2）沉浸竖板式系统

取海水与沉浸竖板内载冷剂的传热温差为Δt3=4℃， 传热系数为 K3=1000 W/（m2·℃）； 换热器材料为钛， 壁厚为δ3=0.5 mm， 密度为ρ3=4500 kg/m3，价格为P3=300元/千克。因此，所需换热器传热面积为：

换热器材料费用为：

蒸发器材料及参数与抛管式系统相同，即其材料费用为：

沉浸竖板式系统海水与热泵工质间换热器总的材料费用为：

（3）套管式系统

套管式系统中，海水与热泵工质在套管式蒸发器中直接换热，其传热温差为Δt5=8℃，传热系数为K5=2000 W/（m2·℃）；换热器材料为钛，壁厚为δ5=0.5 mm。因此，所需换热器传热面积为：

换热器材料费用为：

综上所述，三个技术方案中，套管式系统方案换热器材料费用最低，沉浸竖板式最高。

4.2 运行及维护

抛管式方案中抛管式换热器允许管外带冰运行，对工况波动的适应性好；但其在海中有可能被鱼类等咬坏，表面附着海洋生物时也不易清洗。

沉浸竖板式方案中沉浸竖板换热器也允许海水侧带冰运行，对工况的适应性也很强，海水侧也易于清洗维护；但需设置海水槽，且海水槽中海水的液位和流速均需优化调控。

套管式方案中套管式蒸发器一般不允许海水侧带冰运行，通过合理设计海水侧流道和流速，即使进口海水接近冰点、出口海水有较大过冷度时，仍可正常运行；但套管式换热器清洗相对复杂，为防止海水在套管内结垢及海洋生物沉积等，需对进换热器的海水进行预处理。

5 结论与建议

三个可适于低温海水的海水源热泵系统技术方案中，抛管式和沉浸竖板式方案均允许海水侧带冰运行，工况适应性好，但初投资较大，且抛管式换热器在海底有被损坏的危险；套管式方案设备紧凑，初投资低，但运行工况要求严格，且须对进换热器的海水进行预处理。因此，建议对三个技术方案的工程设计及运行特性进行更系统、更深入的研究。

[1]陈东，谢继红.热泵技术手册 [M].北京：化学工业出版社，2012.

[2]乔木.海水制冷热泵系统的理论与实验研究 [D].天津：天津科技大学，2006.

[3]刘煜，刘钦政，隋俊鹏，等.渤、黄海冬季海水对大气环流及气候变化的响应 [J].海洋学报，2013，35（3）： 18-27.

[4]陈文放.低温海水工况下海水源热泵空调的特性研究[D].天津：天津科技大学，2014.

[5]王立国，王世昌，朱爱梅，等.塑料换热器在海水淡化中的应用 [J].化工进展，2004，23（12）：1359-1361.