水源热泵技术的船舶应用

中国船级社 任 勇 陈 实

船用热泵与陆用热泵都遵循相同的工作原理，但由于工作环境发生了变化，热泵应用在船上不可避免地面临一些新的问题，特别是远洋船舶航行水域范围广，水温、水质、气象等条件差异大，这就给热泵在船上的稳定工作带来了不利影响；另外，船舶在航行过程中产生的倾斜摇摆运动，会对热泵机组中的设备产生影响，进而影响船用热泵工作的可靠性和稳定性；船用热泵还必须有效解决面临的腐蚀和脏堵问题。对于更适合船舶应用的水源热泵而言，不利影响尤为明显。

水源热泵在船上应用的共性技术问题

船舶航行范围广，各地区的水温、水质、气象等条件又存在较大差别，因此船舶所处外界环境的变化是非常复杂的，这就决定了船用热泵要面临比一般陆用热泵更困难的工作环境，从而产生出一系列新的技术问题，解决这些技术问题是保证热泵在船上可靠、高效工作的前提。水源热泵应用在海洋船舶和内河船舶上面临的共同问题有：

确定船用水源热泵工况参数。由于船用水源热泵的水源水质、水温等参数与陆上水源热泵的水源情况不同，因此，需要根据不同航行海域进行船用热泵水源侧工况参数的归并分析，确定水源侧和用户侧的工况参数。而且，并非所有海区、所有航线的水质条件都适合热泵正常高效运行，所以有必要进行区别分析。

船用水源热泵系统的可靠性问题。船舶在航行过程中会产生倾斜与摇摆现象，船舶的倾斜与摇摆又会影响到水源热泵的正常工作，对热泵机组产生不利影响。因此，为了保证水源热泵在船上可靠工作，首先有必要对不利因素进行识别，然后针对具体的不利因素进行专门研究，并提出合理的解决方案。

船用水源热泵系统的稳定性问题。船舶在航行过程中产生的倾斜与摇摆问题是无法避免的，针对这一应用环境，应对水源热泵系统采取必要的改进措施，切实保证热泵机组在船上能够稳定工作，能够按照设计的要求提供必要的冷量和热量。

船用水源热泵系统的适应性问题。船舶处在不断的运动当中，水质条件也在持续发生变化，这是船用水源热泵工作环境与陆用的又一个不同。应该采取有效措施保证水源热泵在不同的水域都具有较好的工作能力，都具有较高的能效比。

海洋船舶应用水源热泵的特殊问题

水源热泵应用到海洋船舶上面临的特殊问题主要集中在海水腐蚀和海洋生物附着两个方面。

海水中含有自然界最丰富的天然电解质，有很强的腐蚀性，许多材料在海洋环境中使用时都会遭受不同程度的腐蚀破坏，材料腐蚀加剧最终会导致海水源热泵系统失去正常工作能力，影响相关系统正常运行并造成经济损失。

金属在海水中的腐蚀程度主要与如下因素有关。

盐类及其浓度：海水浓度的增加会造成海水的比电导增加，使腐蚀速度加快，同时因为海水含有大量的氯离子，它会妨碍或者破坏金属钝化。

溶解氧：溶解氧量是影响海水腐蚀的另一个重要因素，因为金属在海水中的腐蚀过程主要受阴极氧去极化过程所控制。对于许多常用金属，含氧量越高，侵蚀率越大。海水表面经常与大气接触，所溶解的氧量较多，可达12ppm。海水中绿色植物的光合作用、波浪作用等，能提高海水含氧量，加速金属腐蚀。

温度：金属在海水中的腐蚀还与海水的温度有关，海水温度越高，对金属的腐蚀速度越快，一般认为海水温度每上升10℃，其腐蚀速度将增加一倍。在大多数海域，水温的季节变化都比较大，因此，夏季海水的腐蚀性比冬季海水的腐蚀性要强。

海水流速：海水腐蚀借助氧的去极化而进行，腐蚀受氧向金属表面的扩散速度所控制，海水的运动速度是影响腐蚀过程的主要因素之一。水运动速度的增大将使金属的腐蚀速度加快。当水的运动速度很大时，所发生的湍流会重新引起不均匀腐蚀，并由于金属的部分钝化而产生小孔。当运动速度更大时，会产生腐蚀性磨蚀，使海水中金属的破坏进一步加大。

由不同种类的金属相接触而引起的腐蚀（电偶腐蚀）：海水水源热泵系统中，几乎所有的机器、设备都有不同金属材料的部件。在海水中不同种类金属的接触将导致低电位金属更强烈的腐蚀，而高电位金属的腐蚀则将会降低。

海洋附着生物又称为污损生物，最常见的有硬壳生物和无硬壳生物，前者如结壳苔藓虫、软体动物、珊瑚虫等；后者如海藻、腔肠动物或水螅虫等。

海生物附着造成的破坏作用包括：由于海生物附着不完整、不均匀，将造成金属管道的局部腐蚀或缝隙腐蚀；由于生物的生命活动，使局部海水的成分发生改变，如藻类植物由于光合作用将使附着区域海水的氧浓度增加，从而加速了金属的腐蚀速度；藻类、硬壳类生物附着在管道内部，在适宜的条件下大量繁殖，可堵塞管道，影响设备的正常运行等。

在进行海水源热泵研究开发时，要充分考虑海水腐蚀、海洋生物附着等问题，采取有效措施避免或尽量降低不利因素对海水源热泵系统的影响。此外，由于高纬度海水在冬季的温度很低，此时要充分考虑海水源热泵系统的优化设计问题，还有海水源热泵系统的运行特性等也要进行充分分析。

水源热泵船舶应用的主要方案

理论上，热泵应用在船上是可行的，但是，将热泵系统由陆上移到船上，工作环境发生了变化，也就随之带来了一些新的问题，这些问题要通过认真研究予以解决，从而保证热泵系统能在船上有效工作。

船上热泵应用包括供热应用和制冷应用两种。船上用热量较大，如果采用热泵系统来实现供热，将大大节省能量，这是因为用热泵来供热的能量利用效率要远高于采用锅炉时的效率。船上也有很多处所是需要提供冷量的，热泵既能实现供热，也能实现制冷，一套系统即可满足两种需求。这对降低设备初投资和减轻船舶重量都有帮助。

中国船级社牵头实施了工信部高技术船舶科研项目，首次将研发出的水源热泵系统产品应用到了长江某系列涉外豪华游轮上，经过两年多的实际运行，节能减排效果明显。

水源热泵在系列内河豪华游轮上的应用原理如图1所示。

图1 内河船用水源热泵系统原理图

以该系列豪华游轮的2号船为例，该船选用了3台冷热全效的水源热泵机组，室内末端采用除湿型风机盘管。

夏季，1、2号机组提供空调冷水的同时，加热卫生热水，3号机组完全备用。此方案替代传统船舶所用的冷水机组＋燃油废气锅炉制备生活热水的系统。

冬季，根据热水需求情况，1、2号机组可同时供应卫生热水，并且互为备用；3号机组用于供暖；2号机组可以作为3号机组的备用机组。此方案替代传统的冬季完全靠燃油废气锅炉供热和生活热水系统。

节能减排效益

以上文提及的2号豪华游轮为例，经测算，采用改进的水源热泵技术之后，夏季平均每天比原来采用的冷水机组+锅炉方案节油39.31%；冬季平均每天比原来采用的冷水机组+锅炉方案节油45.94%；按夏季运行135天、冬季运行80天计算，每年节约燃油247.9吨，折合357吨标准煤，减排二氧化碳956.8吨，节能减排效益明显。

投资成本上，采用水源热泵技术比原有的冷水机组+锅炉方案增加不多，按照目前的燃油价格进行计算，大约2年时间可以收回投资，经济效益良好。

水源热泵主要从海水、河水、船舶各种冷却水中提取热量，理论上说，只要水质条件和工作环境满足要求，水源热泵即可得到应用。而且，水源热泵在陆地上已经应用了几十年，积累了丰富的经验，将水源热泵技术应用到船舶领域没有根本的技术障碍。当然，将水源热泵系统由陆上移到船上，工作环境发生了变化，也就随之带来了一些新的问题，如倾斜、摇摆、振动、盐雾、大温度变化范围等，都需要经过相应的认真研究予以解决。

目前，各国为了在新一轮的船舶节能减排工作中抢占先机，都纷纷开展了各种形式的研究工作。船用供热和制冷系统是创造船上人工环境的根本保障，因此，中国船级社开展的水源热泵系统船舶应用研究具有明显节能效益和前瞻性。

中国船级社多年来一直积极推动节能减排技术在船舶中的应用研究工作，努力促进船舶节能减排水平的提高。目前，在热泵技术船舶应用方面已经形成了较完善的技术咨询服务能力，可以为客户提供技术方案咨询、设计审图、建造检验等一系列服务。中国船级社开展的船舶节能减排研究，在提升自身技术实力的同时，也必将会进一步推动我国船舶节能减排事业的发展和船用配套产品的进步。

中国船级社多年的研究和实践表明，热泵这项节能技术在船舶上应用是很有前景的，具体表现在：

水源热泵技术节能减排效果明显，所以，在冷热量需求较大的客船上具有广阔应用空间，如，采用水源热泵机组为客船舱室提供冷热量和供应生活热水等。

目前由于节能减排的需要，大部分船舶都采取了降速航行措施，导致船上废气量不足。为了减少燃油锅炉的能耗，普通干货船也可以采用水源热泵技术解决制冷制热和生活热水的问题。

热泵机组既能供应热量，也能制取冷量，在燃油加热、普通货船船员舱室空调、机舱降温等方面也是非常有前景的。

分析认为，热泵技术同样适用于对冷热量有较大需求的海上设施。