海水源熱泵聯(lián)供系統(tǒng)在船舶中的綜合應用研究

薛 源，杜清府

● （山東大學（威海）機電與信息工程學院，山東威海 264209）

海水源熱泵聯(lián)供系統(tǒng)在船舶中的綜合應用研究

薛 源，杜清府

● （山東大學（威海）機電與信息工程學院，山東威海 264209）

應用海水源熱泵技術，建造聯(lián)供系統(tǒng)。利用海水中的能量來制熱和制冷，并且對換熱器排出的低位熱能進行回收重復利用。通過EASY5仿真軟件建立系統(tǒng)模型并進行分析，達到預期效果。對某船廠使用海水源熱泵系統(tǒng)的實際進行實時測量，數(shù)據(jù)與仿真結果一致。這表明海水源熱泵系統(tǒng)節(jié)能效果好，為沿海地區(qū)船廠全面推廣該技術提供理論和實踐依據(jù)。

熱泵；聯(lián)供系統(tǒng)；低位熱能；節(jié)能

0 引言

常規(guī)能源日見短缺和環(huán)境污染是當代社會面臨的兩大主要問題。在總能耗中，采暖、空調耗能比例逐年增長。目前傳統(tǒng)空調存在一些諸如效率低、惡化城市大氣環(huán)境質量等問題，在這種背景下，以環(huán)保和節(jié)能為主要特征的綠色的采暖、空調系統(tǒng)應運而生。熱泵系統(tǒng)正是滿足這些要求的新興技術。海洋作為一種巨大而穩(wěn)定的熱儲資源，其淺層水層在能源利用方面也有廣泛應用前景。目前主要是直接利用如冬天供暖、供熱水、溫泉沐浴等。船舶航行于大海之上，采用海水源熱泵技術具有得天獨厚的優(yōu)勢，而且整個船舶相當于一個獨立的系統(tǒng)，比較容易控制且受外界干擾不大。設計良好的水源熱泵機組的耗電量比空氣源熱泵減少30%以上[1]。

1 海水源熱泵技術現(xiàn)狀及原理概述

水源熱泵系統(tǒng)又叫做閉式環(huán)路水源熱泵系統(tǒng)。60年代開始在美國提出后，經過30年的改進和發(fā)展，技術日益成熟，產品逐漸商品化[2]。70年代后，這項技術在日本推廣很快，東芝、三菱電機公司均有水源熱泵產品出售[3]?？亢０兜暮Ｋ校扔袘腋∥?、膠體和溶解物質，還含有大量有機物、微生物、細菌、藻類等，這些物質對設備有腐蝕作用，因此海水的腐蝕性比單純鹽溶液要復雜得多。從真正意義上解決海水腐蝕問題，是海水源熱泵廣泛應用和推廣的關鍵[4]。

海水源熱泵技術是利用地球表面淺層水源海水吸收的太陽能和地熱能而形成的低溫低位熱能資源，并采用熱泵原理，通過少量的高位電能輸入，實現(xiàn)低位熱能向高位熱能轉移的一種技術，向生產生活提供有用的熱量[5]。其工作原理就是以海水作為提取和儲存能量的基本“源體”。它借助制冷壓縮機系統(tǒng)消耗少量電能，在冬季把存于海水中的低品位能量“取”出來給建筑物供熱；夏季則把建筑物內的能量“取”出來釋放到海水中，以達到調節(jié)室內溫度的目的。整個系統(tǒng)無需燃燒，沒有任何三態(tài)污染物排放。它的熱效率高，供熱時的能效比（COP值，即建筑物所獲的熱能與熱泵壓縮機所消耗的電能之比）可達3～6，即消耗1千瓦的電能可以獲得3千瓦至6千瓦的熱量或冷量[6]。從根本上改變了傳統(tǒng)的能源利用方式[7]。尤其是該系統(tǒng)在供熱供冷的同時還可以提供37℃左右生活用熱水，實現(xiàn)“三聯(lián)供”，如圖1所示。

圖1 海水源熱泵系統(tǒng)工程組成圖

2 海水源熱泵在沿海地區(qū)的綜合應用

2.1 海水源熱泵系統(tǒng)兩種工作模式

在供熱模式時，高壓高溫制冷劑氣體從壓縮機壓出后進人冷凝器，同時排放熱量而冷卻成高壓液體，到熱膨脹閥進行節(jié)流膨脹成低壓液體進入蒸發(fā)器蒸發(fā)成低壓蒸汽。蒸發(fā)過程中吸收水中的熱量將水冷卻。低壓制冷劑蒸汽又進入壓縮機壓縮成高壓氣體，如此循環(huán)。此時，供熱需要的熱水在冷凝器中獲得。

在制冷模式時，高壓高溫的制冷劑氣體從壓縮機出來后進人冷凝器向水中排放熱量而冷卻成高壓液體。并使水溫升高。到熱膨脹閥進行節(jié)流膨脹成低壓液體后進入蒸發(fā)器蒸發(fā)成低壓蒸汽并同時吸收空氣或水的熱量。低壓制冷劑蒸汽又進入壓縮機壓縮成高壓氣體。如此循環(huán)不已。此時制冷需要的冷水在蒸發(fā)器中獲得。與傳統(tǒng)的暖通空調系統(tǒng)相比水源熱泵系統(tǒng)只是通過與地下水的熱交換來完成制冷或制熱的效果。

2.2 海水源熱泵系統(tǒng)的方案設計

本文設計的系統(tǒng)主要由四個部分組成：海水源熱泵空調器、水循環(huán)系統(tǒng)、輔助設備（輔助加熱、水-水換熱器）、風機盤管系統(tǒng)。水循環(huán)系統(tǒng)是海水源熱泵系統(tǒng)的核心，由冷卻塔、換熱器、蓄熱箱、輔助加熱器、泵、閥及相連接的管路構成。水溫相差越小，熱泵的運行越穩(wěn)定，制冷能力和供熱能力也得到相應提高。選用開式冷卻塔間接連接方式，即水環(huán)中的水經過冷卻塔通過換熱器進行熱交換從而改變溫度。為了縮小輔助熱源能量，充分利用用電低谷階段的電力，保持水溫的恒定，在系統(tǒng)中加入蓄熱裝置。儲熱箱分為冬季使用的低溫蓄熱水箱和高溫蓄熱水箱。在水環(huán)調節(jié)階段，冬季可用提高水溫來增大制熱能力，夏季使用增大水流量的方法提高制冷能力。在水源熱泵空調系統(tǒng)中,其熱負荷主要由一部分制冷方式運行的機組回收冷凝熱來抵消,或者應采用其他的余熱、廢熱來解決。輔助熱源只提供10%～30%的熱負荷的熱量來彌補系統(tǒng)的熱不平衡，主要使用電加熱。

在風機盤管部分，采用新風/ 排風之間的全熱交換器來回收排風的能量,將送到室內的新風溫度達到水源熱泵機組所需的進風溫度值。

傳統(tǒng)的空調系統(tǒng)需要很多輔助系統(tǒng)設備完成一個完整功能，而海水源熱泵系統(tǒng)只是通過與海洋淺層水的熱交換來完成制冷或制熱的效果，只需要一種硬件系統(tǒng)（閥），即可以完成功能轉換。本系統(tǒng)采用半封閉螺桿式制冷壓縮機，壓縮機吸氣側采用保溫材料包覆，防止機器表面冷凝水凝結和冷量損失。蒸發(fā)器和冷凝器均為海水專用換熱器（滿液式）?，F(xiàn)在有些系統(tǒng)將冷卻后的海水通過換熱器直接排入大海，帶走了電機或柴油機功率的 20%以上[8]。也存在著能量的浪費。為最大限度的回收利用能量，現(xiàn)提供一種海水源熱泵系統(tǒng)的技術原理圖，如圖2所示：

圖2 海水源熱泵系統(tǒng)技術原理圖

具體的工作原理和工作模式見2.1中介紹，不再贅述。由圖中可以看出，制冷劑冷凝器出來的冷卻水（40℃左右）并不是全部進入冷卻塔，而是分幾路，一路仍然進入補水箱，配好比例仍然進入冷凝器回收利用，另一路流入儲熱箱（35℃左右），作為熱泵的低溫熱源，放出熱量并通過換熱器加熱生活用水的給水。這兩路的流量可以通過閥門進行控制，通過比例的調配可以提高冷凝熱的回收利用率，可以供應較大量的熱水，真正實現(xiàn)最大程度的資源利用。而且在改造過程中只涉及到冷卻水系統(tǒng)，不改變海水源熱泵的系統(tǒng)核心，對機組影響較小。

在圖中顯示出了制冷和制熱循環(huán)，可以看出兩個循環(huán)都是可逆的，在不同的循環(huán)過程中蒸發(fā)器和冷凝器的作用不同，通過其作用的轉換即能實現(xiàn)功能的轉換。

2.3 系統(tǒng)模型仿真

本文使用美國波音公司根據(jù)航空技術發(fā)展需要開發(fā)的多專業(yè)動態(tài)系統(tǒng)仿真分析軟件包 EASY5（Engineering Analysis System）仿真平臺中的多相流庫來搭建系統(tǒng)的仿真模型。仿真環(huán)境有所限制：必須是一維正向流，流體壓力和焓值為連續(xù)狀態(tài)變量，任何時候流體都可以轉變?yōu)檫^冷液體狀態(tài)、飽和混合狀態(tài)或過熱蒸汽狀態(tài)[9]。

由于空調器不同類型有其自身結構的特點，因此在本文建模時忽略鏈接管路和閥件的影響或將其作為換熱器的一部分進行簡單的參數(shù)調整修正。主要模型構建就由以下三部分構成：壓縮機、換熱器（蒸發(fā)器、冷凝器）和節(jié)流裝置（毛細管或者膨脹閥），系統(tǒng)仿真原理如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)仿真原理圖

這個模型包括壓縮機、水冷冷凝器、膨脹閥、控制器（LM）和蒸發(fā)器與水換熱器。LM為控制器，使用一個固定體積的含有制冷劑的管道連接在蒸發(fā)器出口，調整膨脹閥，以便蒸發(fā)器出口總是飽和蒸汽。在上圖中也可以看到，仿真模型中包含了FP制冷劑物性模塊和時鐘模塊，設定仿真時間為 200s。經過系統(tǒng)的仿真，可以得到的COP模型曲線如圖4所示。

圖4 COP值仿真曲線

3 海水源熱泵系統(tǒng)在船舶中的應用分析

3.1 系統(tǒng)運行效果分析

通過調查，船廠絕大部分船舶航行時，都采用傳統(tǒng)的加熱方式，如蒸汽加熱、電加熱等方式，能耗巨大。特別是客船由于居住艙室面積較大，冬季航行狀態(tài)下鍋爐廢氣無法滿足整個系統(tǒng)的供熱需要，需要消耗大量的燃料。因此選取沿海地區(qū)某船廠的測量船用海水源熱泵技術進行改造，經過調研論證決定采用海爾大型冷水機組水源熱泵高溫型LSFBLGR390S/R4機組（機組參數(shù)如表 1所示）作為該船冷熱聯(lián)供系統(tǒng)的核心。由于該技術在船舶中還沒有大范圍推廣，經實地計算、測試、分析，為該技術在沿海地區(qū)船廠中的應用提供了進一步完善的理論和實踐依據(jù)。

表1 LSFBLGR390S/R4機組性能指標參數(shù)

經過測量船的運行測試（供熱），供回水溫差5.8℃，機組實際制熱量=循環(huán)水泵流量*供回水溫差，即：

基本與機組總制熱量420KW符合，實際運行結果，一小時內房間溫度最高可達到35℃。經過計算，該系統(tǒng)實際COP值為：

COP值接近4，說明和仿真結果和海水源熱泵在船舶中的實際應用得出的結果較為接近，即1KW的電能可以換將近4kW的熱量或者冷量。該機組采用全自動控制，溫度設定權限，室內溫度可以在7℃～40℃之間調節(jié)。

3.2 系統(tǒng)經濟性分析

由海水源熱泵系統(tǒng)技術原理圖可以看出在改造過程中只涉及到冷卻水系統(tǒng)，不改變海水源熱泵的系統(tǒng)核心，初始投資小。通常利用能源利用系數(shù)評價熱泵的經濟性。船舶海水源熱泵是以電能驅動，電能由內燃機驅動發(fā)電機獲得，在換熱過程中會有損失，通常內燃機效率η=0.35～0.45，發(fā)電機效率η1=0.8～0.9[10]。以黃海地區(qū)為例，經統(tǒng)計，在冬季，海水表面溫度為0℃～12℃，若取海水溫度為零，船艙溫度為30℃，經過計算，可得海水源熱泵的制熱系數(shù)L為13左右，若取η=0.35，η1=0.8，那么能源利用系數(shù)為，大大超過了只用鍋爐產熱或制冷的效果。

船艙面積大概在 300平方米左右，經統(tǒng)計，每天鍋爐用水量大概在 1噸左右，鍋爐出氣壓力為0.74MPa，溫度 160℃，查表可知蒸汽相變熱為1997kJ/kg。80%的蒸汽，即0.08噸水產生的蒸汽提供一部分生活用水用熱。進水溫度按照18℃算，焓值為75kJ/kg，由此可得，每天生活熱水的耗熱量為

傳統(tǒng)采用燃油蒸汽鍋爐進行制冷供熱時，使用柴油取鍋爐效率為 0.85，根據(jù)燃料燃燒值可算出每天需要消耗燃油為128kg，每天的運行費用大概為537元

現(xiàn)用海水源熱泵技術進行改進，取功率為 60kW，運行時間按11h算，補水時間為3h。表2是市區(qū)電價表：

表2 市區(qū)電費價格表

該系統(tǒng)有儲熱箱和補水箱，運行時盡量使用谷時和平時段電，按6h谷時電，3h平時電和2h峰時電進行運算電費。每天的電費為：

那么按每個取暖季或者制冷季為 130天，那么可節(jié)省費用為1.2萬元

3.3 系統(tǒng)環(huán)境效益

海水源熱泵技術是新型清潔能源利用方案，它是利用海洋能量來實現(xiàn)建筑的制冷和采暖的需求，在夏季，減少噪音對環(huán)境的影響；在冬季，由于在系統(tǒng)中減少了燃煤或燃油鍋爐的數(shù)量，大大降低了有害氣體對環(huán)境的影響，據(jù)測算，每年減少向大氣排放一氧化碳85t，二氧化硫50t，粉塵45t[11]該技術使用電能，電能本身就是一種清潔的能源，整個運行系統(tǒng)沒有任何的污染，不排放三廢，是理想的綠色技術。

4 結論

沿海地區(qū)具有豐富的海水資源，船廠靠海，有著取之不盡的海水能。海水源熱泵是一種水源熱泵冷暖新技術和新產品，投資少、費用低、無污染，較好的解決了節(jié)能和環(huán)保的實際問題[12]，為我國沿海地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展提供可行的經驗，值得大力推廣和摸索。既具有現(xiàn)代化高科技成果的現(xiàn)實客觀經濟意義,更具有長遠的節(jié)約型社會發(fā)展進步意義。

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Study on Comprehensive Application of Sea Water Heat Pump Cogeneration System in Ship

XUE Yuan,DU Qing-fu
(School of Electrical and Information Engineering,Shandong University,Weihai 264209,China)

This paper builds cogeneration system based on the application of sea water heat pump technology.The cogeneration system makes use of energy in the sea to generate heat.At the same time,it refrigerates by spilling out the heat into sea.This paper also puts forward the method of sea water heat pump used in ship which takes advantage of low-level heat.Combined with tests、statistics and calculations,its principle in technology,cost-effectiveness and energy-saving index are analyzed.The study provides the basis of theory and practice for spreading this technology in coastal areas.

heat pump,cogeneration system,low-level heat,energy-saving

U664

A

薛源（1990-），男，碩士研究生。研究方向為檢測技術和新能源開發(fā)。