船用熱泵技術(shù)原理及主要系統(tǒng)形式

中國(guó)船級(jí)社 任 勇 陳 實(shí)

本文是熱泵技術(shù)在船舶領(lǐng)域的應(yīng)用研究系列報(bào)道的第二篇，也是“船舶節(jié)能減排新技術(shù)——船用熱泵”一文的續(xù)篇。

熱泵應(yīng)用在船舶上，仍然遵循與陸地上相同的工作原理，但為了適應(yīng)船上的工作環(huán)境，船用熱泵在結(jié)構(gòu)布置、工藝流程、系統(tǒng)形式等幾個(gè)方面都做了相應(yīng)改進(jìn)。

本文將首先回顧熱泵的工作和節(jié)能原理，然后敘述熱泵的形式和研究現(xiàn)狀，最后主要介紹海船用水源熱泵的主要系統(tǒng)形式，惟愿能幫助讀者加深對(duì)船用熱泵這種節(jié)能減排技術(shù)的理解。

熱泵的工作原理

熱泵是利用逆向熱力循環(huán)產(chǎn)生熱能的裝置。熱泵的作用是從周圍環(huán)境中吸收熱量，并把它傳遞給被加熱的對(duì)象（溫度較高的物體或空間）。其工作原理與制冷機(jī)相同，都是按照熱機(jī)的逆循環(huán)工作的，差別只是工作溫度范圍不同，如圖1所示。

(a)熱泵系統(tǒng)；(b)制冷系統(tǒng)；(c)同時(shí)供冷供熱聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)。

圖1 熱泵原理圖

圖1中Th是高溫物體（空間）的溫度，Ta是環(huán)境溫度，T0是低溫物體（空間）的溫度。(a)表示熱泵系統(tǒng)，從環(huán)境中吸取熱量傳遞給高溫物體（空間），實(shí)現(xiàn)供熱目的；(b)表示制冷系統(tǒng)，從低溫物體（空間）吸取熱量傳遞給環(huán)境，實(shí)現(xiàn)制冷目的；(c)表示同時(shí)供冷供熱聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)，從低溫物體（空間）吸熱，實(shí)現(xiàn)制冷，同時(shí)又把熱量傳遞給被加熱的對(duì)象，實(shí)現(xiàn)供熱目的。

以普通家用熱泵（空調(diào)）系統(tǒng)為例對(duì)圖1進(jìn)行進(jìn)一步說明：

夏季熱泵系統(tǒng)按照(b)制冷系統(tǒng)模式運(yùn)行，此時(shí)低溫?zé)嵩礊榉块g，通過消耗能量W（可以是電能，也可以是機(jī)械能或熱能，家用空調(diào)為電能），將熱量Q1由室內(nèi)搬運(yùn)到高溫?zé)嵩矗ㄊ彝猓瑥亩鴮?shí)現(xiàn)對(duì)房間的制冷。

冬季熱泵系統(tǒng)按照(a)熱泵系統(tǒng)模式運(yùn)行，此時(shí)高溫?zé)嵩礊榉块g，熱泵系統(tǒng)通過消耗能量W把低溫?zé)嵩矗ㄊ彝猓┑臒崃縌1搬運(yùn)到室內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)的供熱。

當(dāng)熱泵系統(tǒng)應(yīng)用到船上時(shí)，工作原理可以描述為：夏季，船舶艙室需要熱泵提供冷量，此時(shí)，制冷劑通過蒸發(fā)器從艙室中吸收熱量，然后外部輸入能量通過壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)制冷劑循環(huán)至冷凝器，將熱量釋放到水、空氣等環(huán)境中，完成制冷循環(huán)。冬季則正好相反。

熱泵技術(shù)節(jié)能原理

熱泵系統(tǒng)的能量利用情況用收獲的能量與付出能量的比值來評(píng)價(jià)。在冬季供熱時(shí)，設(shè)計(jì)工況下的運(yùn)行性能系數(shù)指冬季室外空氣調(diào)節(jié)計(jì)算溫度和達(dá)到設(shè)計(jì)需求參數(shù)時(shí)的機(jī)組供熱量與機(jī)組輸入功率之比。在夏季制冷時(shí)，名義工況制冷性能系數(shù)是指在名義工況溫度條件下，機(jī)組以同一單位標(biāo)準(zhǔn)的制冷量除以總輸入電功率的比值。性能系數(shù)通常用COP表示。

兩式中的W、Q1、Q2含義與圖1中相同。從公式（1）來看，COPh值一定是大于1的；從公式（2）來看，理論上說，COPC可能大于1，也可能小于或等于1。以目前的技術(shù)水平來講，普通的壓縮式熱泵機(jī)組的COP大部分都在3以上，也就是說，在消耗1份能量的情況下，通常能夠取得3份以上的收益，這就是熱泵技術(shù)能夠節(jié)能的根本原因。

熱泵的主要形式

根據(jù)不同的分類方法，熱泵可以進(jìn)行不同分類。

按照熱源類別分類。根據(jù)熱泵的原理可知，熱泵需要工作在具有溫差的兩個(gè)熱源之間，分析可知，其中的一個(gè)熱源就是我們要獲得人工環(huán)境的空間，如房間、艙室等，而另一個(gè)熱源則可以是空氣、水（地表水如江、河、湖、海水，地下水和污水）和土壤，相應(yīng)的熱泵系統(tǒng)稱為空氣源熱泵、水源熱泵和地源熱泵。

根據(jù)輸入能量方式分類。通常輸入能量W有電能、機(jī)械能和熱能三種，對(duì)應(yīng)于電能的通常是壓縮式熱泵，也就是目前比較常用的一種熱泵形式；對(duì)應(yīng)于機(jī)械能的是內(nèi)燃機(jī)熱泵，不需要消耗電能，只需要燃油或燃?xì)獾热剂霞纯?，是目前熱泵研究領(lǐng)域的一個(gè)重要方向；對(duì)應(yīng)于熱能的有吸收式、吸附式等形式，這類熱泵通常都用作對(duì)余熱進(jìn)行回收，效率比壓縮式熱泵低，但整體經(jīng)濟(jì)性也較好。

水源熱泵技術(shù)的研究現(xiàn)狀

經(jīng)綜合分析，水源熱泵被認(rèn)為是目前在船舶領(lǐng)域最適合推廣的熱泵形式。

水源熱泵的發(fā)展已有較長(zhǎng)的歷史，在陸地上的應(yīng)用比較廣泛。上世紀(jì)60年代首先出現(xiàn)在美國(guó)加州，70 年代進(jìn)入日本，至80年代初期，在美、日、德、法及其它發(fā)達(dá)國(guó)家均得到了廣泛的應(yīng)用，并形成了歐洲以發(fā)展大型熱泵機(jī)組或熱泵站為重點(diǎn)，美、日以中小型熱泵裝置領(lǐng)先的大格局。目前，水源熱泵的研究與應(yīng)用主要集中在歐美各地區(qū)的陸用產(chǎn)品開發(fā)方面，如瑞典、瑞士、奧地利、丹麥、美國(guó)等國(guó)家。位于瑞典斯德哥爾摩市蘇倫圖那的集中供熱供冷系統(tǒng)制熱制冷能力為200MW，管網(wǎng)延伸距岸邊最長(zhǎng)達(dá)20公里。該工程建于上世紀(jì)八十年代中期，位于波羅的海海邊，是利用海水制熱制冷的典范。

自從上世紀(jì)90年代開始，考慮到水源熱泵良好的節(jié)能效果和經(jīng)濟(jì)效益，水源熱泵技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)的陸用空調(diào)工程領(lǐng)域，成為華北和中原地區(qū)空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用大家族中的一股重要力量。目前，全國(guó)在運(yùn)行的水地源熱泵項(xiàng)目超過千個(gè)，供熱空調(diào)面積以數(shù)億平方米計(jì)。不過同時(shí)也應(yīng)看到，水源熱泵在實(shí)際應(yīng)用過程中出現(xiàn)了一些問題，所以，各級(jí)政府應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)市場(chǎng)的監(jiān)管，共同推動(dòng)水源熱泵技術(shù)，切實(shí)發(fā)揮好節(jié)能減排作用。

我國(guó)第一個(gè)陸用海水源熱泵項(xiàng)目于2004年在青島發(fā)電廠建成使用，大連港集團(tuán)礦石碼頭、天津港船閘所、青島國(guó)際帆船中心媒體中心等也都采用了海水源熱泵系統(tǒng)。對(duì)于利用江、河、湖水的水源熱泵技術(shù)，目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)有了非常多的應(yīng)用實(shí)例，重慶市在先后組織建設(shè)了江北嘴中央商務(wù)區(qū)、涪陵CBD中央商務(wù)區(qū)、重慶市CBD總部經(jīng)濟(jì)區(qū)等可再生能源區(qū)域集中供冷供熱項(xiàng)目后，發(fā)文鼓勵(lì)有條件的項(xiàng)目采用水源熱泵進(jìn)行集中供熱供冷。沈陽(yáng)市政府大力扶持水地源熱泵項(xiàng)目，也特意下發(fā)文件予以支持。

水源熱泵技術(shù)在船上的應(yīng)用目前還沒有有效開展，國(guó)際上還沒有應(yīng)用的實(shí)例報(bào)道。在國(guó)內(nèi)，中國(guó)船級(jí)社于幾年前率先牽頭在內(nèi)河客船上開展了水源熱泵技術(shù)應(yīng)用研究。目前，應(yīng)用水源熱泵機(jī)組的某內(nèi)河客船已經(jīng)安全運(yùn)行兩年多，節(jié)能減排效果明顯，研究取得了階段性成功。

海水源熱泵系統(tǒng)主要形式

海水源熱泵屬于水源熱泵的一種，因其與海洋運(yùn)輸船舶密切相關(guān)，所以對(duì)其系統(tǒng)主要形式進(jìn)行單獨(dú)闡述。

海水源熱泵就是以海水為冷熱源的熱泵系統(tǒng)，本質(zhì)上屬于地表水源熱泵系統(tǒng)，但是由于其冷熱源為海水，所以系統(tǒng)特征與海水特性密切相關(guān)。以海水作為冷熱源時(shí)，室外溫度對(duì)海水溫度的影響緩慢，與當(dāng)?shù)乜諝獾淖罡吆妥畹蜏囟却嬖诓顒e，這對(duì)熱泵的工作非常有利。

海水源熱泵系統(tǒng)的工作原理是在夏季將船舶中的熱量轉(zhuǎn)移到海水中，由于海水溫度相對(duì)于空氣溫度要低，所以可以高效地帶走熱量，而冬季則從海水中提取低位熱能，由熱泵原理通過溫度提升后的空氣或水送到船舶中，為艙室和各種處所供熱。

在海水源熱泵系統(tǒng)中，依據(jù)海水利用方式不同，一般將海水源熱泵系統(tǒng)分為直接利用方式和間接利用方式，其中間接利用方式有兩種形式。

對(duì)于直接利用方式，海水通過取水管道直接引入熱泵機(jī)組的蒸發(fā)器（或冷凝器），使海水的熱量（或冷量）直接傳遞給熱泵工質(zhì)，換熱后的海水再通過排水管道輸送回海面。這種方式的原理如圖2所示。

這種方式的優(yōu)點(diǎn)是：海水與熱泵機(jī)組制冷劑直接換熱，供熱和制冷效率較高；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單，初期建設(shè)費(fèi)用低。缺點(diǎn)是由于海水直接作為換熱介質(zhì)，與熱泵機(jī)組的蒸發(fā)器（或冷凝器）接觸，要求蒸發(fā)器（或冷凝器）需采取防腐措施，并且需要定期對(duì)其進(jìn)行清洗，維護(hù)費(fèi)用高。

間接利用方式有兩種具體系統(tǒng)形式，第一種是指利用換熱器將海水與熱泵機(jī)組隔離開，利用循環(huán)水泵將海水通過輸送管道送至換熱器中，使其與熱泵回水在換熱器中實(shí)現(xiàn)能量交換，從而將海水的冷熱量傳遞給水環(huán)系統(tǒng)的換熱介質(zhì)，再通過換熱介質(zhì)的循環(huán)將冷熱量傳遞給熱泵的蒸發(fā)器（或冷凝器），而放出冷熱量的海水則通過排水管道輸送回海面。這種方式的原理如圖3所示。

圖2 直接利用式原理示意圖

圖3 間接利用式I原理示意圖

這種方式的優(yōu)點(diǎn)主要包括：保證了海水與熱泵機(jī)組不直接接觸，因此熱泵機(jī)組的蒸發(fā)器（或冷凝器）無需進(jìn)行特殊處理，擴(kuò)大了熱泵機(jī)組的選擇范圍；在熱泵機(jī)組換熱器內(nèi)的循環(huán)工質(zhì)為水或防凍液，機(jī)組結(jié)垢的可能性很小，機(jī)組的維修費(fèi)用也相對(duì)要少；由于系統(tǒng)中進(jìn)行換熱循環(huán)的工質(zhì)不是海水，因此對(duì)水源水質(zhì)情況無需特殊要求，不必增設(shè)過濾裝置、殺菌祛藻裝置等；由于與海水直接接觸的設(shè)備只有換熱器，當(dāng)換熱器受到腐蝕或管路堵塞時(shí)，只需對(duì)換熱器進(jìn)行更換或清洗。缺點(diǎn)是海水與熱泵工質(zhì)間接換熱，減小了換熱溫差，對(duì)熱泵能效造成一定影響，而且需設(shè)置一套換熱裝置，系統(tǒng)的初投資增大。

圖4 間接利用式II原理示意圖

第二種間接利用方式是指在冷熱源側(cè)采用閉環(huán)的水系統(tǒng)，一般采用高密度聚乙烯塑料管作為熱交換器，直接將其投放于海水中，通過換熱盤管中的介質(zhì)與海水之間的換熱來實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)移。這種方式的原理如圖4所示。

這種方式除具有第一種間接利用方式的大部分優(yōu)點(diǎn)外，還因?yàn)闊o需增設(shè)換熱設(shè)備，減小了初投資。這種方式的缺點(diǎn)是由于采用塑料換熱盤管進(jìn)行換熱，其供熱和制冷效率較低；而且水下?lián)Q熱盤管的布置面積大，船上很難找到合適的換熱海水空間。

從目前的技術(shù)發(fā)展來看，直接利用方式和第一種間接利用方式比較適合在船舶領(lǐng)域推廣應(yīng)用。