船舶機艙空氣源熱泵技術應用分析

吳曉陽

● （公安海警學院，浙江寧波 315801）

船舶機艙空氣源熱泵技術應用分析

吳曉陽

● （公安海警學院，浙江寧波 315801）

闡述了船舶節能的重要性。通過分析船舶機艙空氣的特點，提出了一種利用空氣源熱泵對機艙余熱進行回收利用的技術，進行了理論分析與計算，并與傳統的船舶鍋爐供熱系統做了對比分析。分析了該技術的應用前景和關鍵問題。

船舶；機艙；空氣源熱泵；節能

0 引言

自能源危機以來，節能成為了舉世矚目的重大問題。國家發改委《節能中長期規劃》(發改環資[2004]2505號)中明確指出，2003-2020年年均節能率達到3%，2020年節能要達到國際先進水平。2007年我國正式頒布了《中華人民共和國節約能源法》，把節能提高到了一個前所未有的高度。船舶是燃料消耗的大戶，推進船舶節能是實現節能目標的關鍵之一。其中，推進船舶節能的一個重要途徑是利用船舶的低品位熱源。船舶的低品位熱源，絕大多數文獻基本上都定義為柴油機的排氣熱、缸套冷卻水及船舶鍋爐的余熱等[1-2]，有關這些熱量的研究利用也非常多。但在船舶航行過程中，機艙空氣也蘊含著大量的熱量，其主要來源于柴油機、輔助設備的散熱，關于這部分能量利用的研究很少。隨著空氣源熱泵技術的發展及不斷成熟，利用熱泵技術來回收利用船舶機艙空氣的熱量，具有較為重要的現實意義。

1 船舶機艙空氣源熱泵技術

熱水在船員的工作和生活中發揮著重要的作用，尤其是體現在空調、船員洗澡和清洗餐具等等。目前船舶上的熱水主要來源于傳統的燃油鍋爐，利用燃油燃燒產生的熱量來加熱水。由于其存在不完全燃燒損失、排煙損失及散熱損失等，熱效率一般只有80%～90%。而熱泵熱水器的COP可達4.5～5[3]，節能安全環保的優勢相對鍋爐來講非常明顯。船舶機艙是一個相對獨立的空間，在船舶航行的過程中，主機及其他輔助機械的散熱最終都進入到了機艙空氣，盡管船舶機艙都設有機械通風來保證內部空氣溫度穩定和必要的換氣，但機艙空氣的平均溫度仍比外界的環境溫度要高 10℃以上。這為空氣源熱泵技術的應用創造了良好的環境條件，因為環境溫度越高，系統地COP就越大。

在船舶上，一臺完整的空氣源熱泵熱水器主要包含2個主要系統：熱泵循環系統和熱水系統。如圖1所示，這兩個系統是密不可分的，必須同時工作，即在加熱熱水的同時對船舶機艙進行制冷。它的工作流程為：壓縮機將回流的低壓冷媒壓縮后，變成高溫高壓的氣體排出，高溫高壓的冷媒氣體流經水熱交換器，使冷水加熱。冷卻下來的冷媒在壓力的持續作用下變成液態，經膨脹閥后進入蒸發器，由于蒸發器的壓力驟然降低，因此液態的冷媒在此迅速蒸發變成氣態，并吸收大量的機艙空氣熱量。在鼓風機作用下，大量較高溫度的機艙空氣流過蒸發器的外表面，其熱能被蒸發器吸收。吸收了一定能量的冷媒回流到壓縮機，進入下一個循環。由以上的工作原理可看出，空氣源熱泵熱水器的工作原理與空調原理類似，應用了逆卡諾原理，通過吸收機艙空氣中大量的低溫熱能，經壓縮機的壓縮變為高溫熱能，傳遞給水。整個過程是一種能量轉移的過程。

圖1 機艙空氣源熱泵熱水器的原理圖

2 節能計算分析

以某船舶為例，船上人員為30人，每人每天需要熱水50 L，每年以250d計算，則需要熱水總量約為375t。取水的比熱為4.2kJ/kg℃，冷水溫度平均為15℃，熱水溫度55℃。因此產生滿足足夠數量的熱水，需付出的熱量Q為：

船舶副機采用 4135柴油機，其燃油消耗率為234g/kW·h[4]，電網功率因數取0.9。

第一種方案：此熱量由燃油鍋爐提供，船舶采用的鍋爐型號為KDB-700R，基本參數如下：

供熱量293.02kJ/h；水容量89L；燃油消耗量9.66L/h；熱效率87.6%；耗電量270W(包括燃燒器電機及給水泵電機，可忽略不計)。

根據以上的鍋爐基本參數，取柴油的密度為0.84kg/L。那么要提供Q的熱量，柴油的消耗量M1計算如下：

第二種方案，采用熱泵供熱，壓縮機由船舶電網供電。機艙空氣源熱泵的能效比取為4。

要提供Q的熱量，消耗的電能QD=0.25Q。電能由船舶電網提供，發電柴油機的燃油消耗率為234g/kW·h(65g/ kJ)，電網功率因數取0.9。則消耗的燃油量M2計算如下：

很明顯，第二種方案的燃油消耗量要低，每年可節約燃油約610t，具有較高的經濟效益。

3 應用前景分析

船舶有著自身的特殊性。如機艙空間狹小、夏季艙室溫度高、主機的排煙余熱溫度高等。利用機艙空氣源熱泵技術具備較大的節能和環保優勢。大量的研究表明，空氣源熱泵熱水器具有較高的經濟效益[5]。但是在船舶上，它的推廣使用還是受到了限制。主要是因為目前空氣源熱泵只能提供 50～60℃的熱水，無法滿足油類預熱的需要，并且它的可靠性還有待于進一步研究[6]。因此在船舶上，它目前不可能取代鍋爐的地位。但由于它的效率比鍋爐高，因此應用前景還較好。

3.1 鍋爐給水預熱

根據空氣源熱泵的特點，用機艙空氣源熱泵作為鍋爐給水的預熱源，來提高鍋爐的給水溫度。它可以和鍋爐的經濟器聯合使用，充當一級預熱，鍋爐的經濟器充當二級預熱。經過預熱后的鍋爐水被加熱至蒸汽所需的能量大為減少，從而鍋爐的燃油消耗可大幅降低。

3.2 船員生活

目前船員的生活如洗浴、取暖、沖洗餐具等所用的熱水均來源于輔助鍋爐。根據節能計算分析，采取機艙熱源熱泵的節能效果較為顯著，而且所提供熱水溫度正好適合生活所用，因此在提供船員生活熱水方面的應用前景較好。

3.3 海水淡化

船舶上常見的海水淡化技術是真空沸騰式，利用主機的缸套冷卻水作為熱源。真空度通常維持在90%～94%，對應的海水蒸發溫度為 35℃～45℃。根據機艙空氣源熱泵的特點，可將熱泵的冷凝器同時作為海水淡化裝置的加熱器，充分利用熱泵的高效率，組成熱泵型海水淡化裝置，這也是今后船舶海水淡化的發展方向之一。

4 關鍵技術分析

根據船舶機艙的空氣特點、空氣源熱泵原理以及船舶的熱量需求，可知上述方案具有良好的應用前景。但要達到實用化程度，尚需進一步研究。本文認為，上述方案要解決的關鍵技術問題有以下兩點：

4.1 傳熱強化

上述方案原理中，提高水與冷媒、機艙空氣與冷媒的換熱效率非常關鍵，這是能保證較高能效比的重要因素。由于機艙空間的相對封閉性，空氣不易流通，易導致傳熱的短路，降低熱泵效率。必須從安裝位置、結構形式和空氣流通等方面給予充分考慮。

4.2 體積與投資的控制

由于機艙的空間非常狹小，要求機艙的空間利用率非常高。目前，空氣源熱泵裝置的體積還比較大，限制了其在機艙中的使用。如果采用高效循環，但增加了系統的復雜性與初投資。因此，要求在提高能效比的同時，控制系統的體積是在船舶上實用化的關鍵。

5 結語

船舶上船員的工作和生活都離不開熱水，而熱水主要由傳統的燃油鍋爐供應。船舶機艙空氣含有大量的余熱，利用好這部分余熱也是推進船舶節能的一個重要方面。利用機艙空氣源熱泵技術，產生船員生活用熱水，與鍋爐相比節能優勢非常，在當前節能的大背景下具有良好的發展前景。本文提出的機艙空氣源熱泵技術有利于充分回收機艙空氣的余熱，但要完全實用化還需解決不少關鍵的技術問題。

[1]吳伯才.船舶柴油機余熱的利用[J]. 浙江海洋學院學報:自然科學版, 2002, 21(2): 187-190.

[2]李紅霞,張文孝,任莉.船舶動力裝置的余熱研究利用綜述[J]. 造船技術, 2013(2): 4-6.

[3]郝吉波,王志華,姜宇光,等.空氣源熱泵熱水器系統性能分析[J]. 制冷與空調, 2013, 13(1): 59-62.

[4]應連春.艦艇柴油機構造[M]. 北京:群眾出版社,2002.

[5]王灃浩,王志華,鄭煜鑫,等.低溫環境下空氣源熱泵的研究現狀及展望[J]. 制冷學報, 2013, 34(5):47-54.

[6]苗文憑,吳永明,張建成.空氣源熱泵熱水器的可靠性研究[J]. 流體機械, 2011, 39(12): 74-79.

太平洋海工再獲3艘氣體船訂單

據悉，丹麥氣體運輸商Evergas首席執行官阿克曼（Martin Ackermann）已對外宣布，世界最大化工公司之一的瑞士英力士（Ineos）向Evergas租賃的2.75萬立方米 LNG船將增加至6艘。據此，Evergas原與太平洋合同訂造的3艘該型新船，現亦相應增至6艘。

作為全球最大型、最先進的多用途氣體運輸船，這批船只訂單即將在太平洋海工開始建造，未來將為英力士的乙烷運輸提供更具靈活性的解決方案，亦可同時運輸液化天然氣（LNG）、液化石油氣（LPG）、乙烯等石油化工氣體。

阿克曼表示，“先進的設計使該型氣體運輸船兼具高效性、高靈活性，英力士亦將得益于此，繼續保持長久的市場競爭力。”據悉，這批雙燃料船將在“Tier III型”主機上使用LNG燃料，符合未來低排放和低耗能的國際標準。

Evergas去年宣布與英力士簽訂為期15年的租約，將從2015年開始從美國“Mariner East”項目運輸乙烷原料至歐洲，成為全球第一份美國乙烷出口合同迄今為止Evergas是全球唯一專為解決乙烷運輸需求訂造新船的船東，其已制定明確策略，今后將進一步擴充船隊。而此番Evergas在宣布上述新訂單的同時，還稱即將從太平洋海工接收1.2萬立方米的氣體運輸船“JS Greenstone輪”，該船亦有3艘兄弟船，目前正按計劃建造中。

Analysis on Application of Air Source Heat Pump in Ship Engine Room

WU Xiao-yang
(Pubilc Security Marine Police Academy, Ningbo 315801, China)

The importance of energy conservation in ships is expounded. By analyzing the characteristics of air in ship engine room,this paper puts forward a method by using air source heat pump to recycle the waste heat of air. The method is compared with the traditional boiler heating system. The analysis of application prospect and key problems is discussed in the end.

ship; engine room; air source heat pump; energy conservation

TM40

A

吳曉陽（1982-），男，講師，碩士。主要從事船舶輔機的教學與研究。