水源熱泵技術的船舶應用

中國船級社 任 勇 陳 實

船用熱泵與陸用熱泵都遵循相同的工作原理，但由于工作環境發生了變化，熱泵應用在船上不可避免地面臨一些新的問題，特別是遠洋船舶航行水域范圍廣，水溫、水質、氣象等條件差異大，這就給熱泵在船上的穩定工作帶來了不利影響；另外，船舶在航行過程中產生的傾斜搖擺運動，會對熱泵機組中的設備產生影響，進而影響船用熱泵工作的可靠性和穩定性；船用熱泵還必須有效解決面臨的腐蝕和臟堵問題。對于更適合船舶應用的水源熱泵而言，不利影響尤為明顯。

水源熱泵在船上應用的共性技術問題

船舶航行范圍廣，各地區的水溫、水質、氣象等條件又存在較大差別，因此船舶所處外界環境的變化是非常復雜的，這就決定了船用熱泵要面臨比一般陸用熱泵更困難的工作環境，從而產生出一系列新的技術問題，解決這些技術問題是保證熱泵在船上可靠、高效工作的前提。水源熱泵應用在海洋船舶和內河船舶上面臨的共同問題有：

確定船用水源熱泵工況參數。由于船用水源熱泵的水源水質、水溫等參數與陸上水源熱泵的水源情況不同，因此，需要根據不同航行海域進行船用熱泵水源側工況參數的歸并分析，確定水源側和用戶側的工況參數。而且，并非所有海區、所有航線的水質條件都適合熱泵正常高效運行，所以有必要進行區別分析。

船用水源熱泵系統的可靠性問題。船舶在航行過程中會產生傾斜與搖擺現象，船舶的傾斜與搖擺又會影響到水源熱泵的正常工作，對熱泵機組產生不利影響。因此，為了保證水源熱泵在船上可靠工作，首先有必要對不利因素進行識別，然后針對具體的不利因素進行專門研究，并提出合理的解決方案。

船用水源熱泵系統的穩定性問題。船舶在航行過程中產生的傾斜與搖擺問題是無法避免的，針對這一應用環境，應對水源熱泵系統采取必要的改進措施，切實保證熱泵機組在船上能夠穩定工作，能夠按照設計的要求提供必要的冷量和熱量。

船用水源熱泵系統的適應性問題。船舶處在不斷的運動當中，水質條件也在持續發生變化，這是船用水源熱泵工作環境與陸用的又一個不同。應該采取有效措施保證水源熱泵在不同的水域都具有較好的工作能力，都具有較高的能效比。

海洋船舶應用水源熱泵的特殊問題

水源熱泵應用到海洋船舶上面臨的特殊問題主要集中在海水腐蝕和海洋生物附著兩個方面。

海水中含有自然界最豐富的天然電解質，有很強的腐蝕性，許多材料在海洋環境中使用時都會遭受不同程度的腐蝕破壞，材料腐蝕加劇最終會導致海水源熱泵系統失去正常工作能力，影響相關系統正常運行并造成經濟損失。

金屬在海水中的腐蝕程度主要與如下因素有關。

鹽類及其濃度：海水濃度的增加會造成海水的比電導增加，使腐蝕速度加快，同時因為海水含有大量的氯離子，它會妨礙或者破壞金屬鈍化。

溶解氧：溶解氧量是影響海水腐蝕的另一個重要因素，因為金屬在海水中的腐蝕過程主要受陰極氧去極化過程所控制。對于許多常用金屬，含氧量越高，侵蝕率越大。海水表面經常與大氣接觸，所溶解的氧量較多，可達12ppm。海水中綠色植物的光合作用、波浪作用等，能提高海水含氧量，加速金屬腐蝕。

溫度：金屬在海水中的腐蝕還與海水的溫度有關，海水溫度越高，對金屬的腐蝕速度越快，一般認為海水溫度每上升10℃，其腐蝕速度將增加一倍。在大多數海域，水溫的季節變化都比較大，因此，夏季海水的腐蝕性比冬季海水的腐蝕性要強。

海水流速：海水腐蝕借助氧的去極化而進行，腐蝕受氧向金屬表面的擴散速度所控制，海水的運動速度是影響腐蝕過程的主要因素之一。水運動速度的增大將使金屬的腐蝕速度加快。當水的運動速度很大時，所發生的湍流會重新引起不均勻腐蝕，并由于金屬的部分鈍化而產生小孔。當運動速度更大時，會產生腐蝕性磨蝕，使海水中金屬的破壞進一步加大。

由不同種類的金屬相接觸而引起的腐蝕（電偶腐蝕）：海水水源熱泵系統中，幾乎所有的機器、設備都有不同金屬材料的部件。在海水中不同種類金屬的接觸將導致低電位金屬更強烈的腐蝕，而高電位金屬的腐蝕則將會降低。

海洋附著生物又稱為污損生物，最常見的有硬殼生物和無硬殼生物，前者如結殼苔蘚蟲、軟體動物、珊瑚蟲等；后者如海藻、腔腸動物或水螅蟲等。

海生物附著造成的破壞作用包括：由于海生物附著不完整、不均勻，將造成金屬管道的局部腐蝕或縫隙腐蝕；由于生物的生命活動，使局部海水的成分發生改變，如藻類植物由于光合作用將使附著區域海水的氧濃度增加，從而加速了金屬的腐蝕速度；藻類、硬殼類生物附著在管道內部，在適宜的條件下大量繁殖，可堵塞管道，影響設備的正常運行等。

在進行海水源熱泵研究開發時，要充分考慮海水腐蝕、海洋生物附著等問題，采取有效措施避免或盡量降低不利因素對海水源熱泵系統的影響。此外，由于高緯度海水在冬季的溫度很低，此時要充分考慮海水源熱泵系統的優化設計問題，還有海水源熱泵系統的運行特性等也要進行充分分析。

水源熱泵船舶應用的主要方案

理論上，熱泵應用在船上是可行的，但是，將熱泵系統由陸上移到船上，工作環境發生了變化，也就隨之帶來了一些新的問題，這些問題要通過認真研究予以解決，從而保證熱泵系統能在船上有效工作。

船上熱泵應用包括供熱應用和制冷應用兩種。船上用熱量較大，如果采用熱泵系統來實現供熱，將大大節省能量，這是因為用熱泵來供熱的能量利用效率要遠高于采用鍋爐時的效率。船上也有很多處所是需要提供冷量的，熱泵既能實現供熱，也能實現制冷，一套系統即可滿足兩種需求。這對降低設備初投資和減輕船舶重量都有幫助。

中國船級社牽頭實施了工信部高技術船舶科研項目，首次將研發出的水源熱泵系統產品應用到了長江某系列涉外豪華游輪上，經過兩年多的實際運行，節能減排效果明顯。

水源熱泵在系列內河豪華游輪上的應用原理如圖1所示。

圖1 內河船用水源熱泵系統原理圖

以該系列豪華游輪的2號船為例，該船選用了3臺冷熱全效的水源熱泵機組，室內末端采用除濕型風機盤管。

夏季，1、2號機組提供空調冷水的同時，加熱衛生熱水，3號機組完全備用。此方案替代傳統船舶所用的冷水機組＋燃油廢氣鍋爐制備生活熱水的系統。

冬季，根據熱水需求情況，1、2號機組可同時供應衛生熱水，并且互為備用；3號機組用于供暖；2號機組可以作為3號機組的備用機組。此方案替代傳統的冬季完全靠燃油廢氣鍋爐供熱和生活熱水系統。

節能減排效益

以上文提及的2號豪華游輪為例，經測算，采用改進的水源熱泵技術之后，夏季平均每天比原來采用的冷水機組+鍋爐方案節油39.31%；冬季平均每天比原來采用的冷水機組+鍋爐方案節油45.94%；按夏季運行135天、冬季運行80天計算，每年節約燃油247.9噸，折合357噸標準煤，減排二氧化碳956.8噸，節能減排效益明顯。

投資成本上，采用水源熱泵技術比原有的冷水機組+鍋爐方案增加不多，按照目前的燃油價格進行計算，大約2年時間可以收回投資，經濟效益良好。

水源熱泵主要從海水、河水、船舶各種冷卻水中提取熱量，理論上說，只要水質條件和工作環境滿足要求，水源熱泵即可得到應用。而且，水源熱泵在陸地上已經應用了幾十年，積累了豐富的經驗，將水源熱泵技術應用到船舶領域沒有根本的技術障礙。當然，將水源熱泵系統由陸上移到船上，工作環境發生了變化，也就隨之帶來了一些新的問題，如傾斜、搖擺、振動、鹽霧、大溫度變化范圍等，都需要經過相應的認真研究予以解決。

目前，各國為了在新一輪的船舶節能減排工作中搶占先機，都紛紛開展了各種形式的研究工作。船用供熱和制冷系統是創造船上人工環境的根本保障，因此，中國船級社開展的水源熱泵系統船舶應用研究具有明顯節能效益和前瞻性。

中國船級社多年來一直積極推動節能減排技術在船舶中的應用研究工作，努力促進船舶節能減排水平的提高。目前，在熱泵技術船舶應用方面已經形成了較完善的技術咨詢服務能力，可以為客戶提供技術方案咨詢、設計審圖、建造檢驗等一系列服務。中國船級社開展的船舶節能減排研究，在提升自身技術實力的同時，也必將會進一步推動我國船舶節能減排事業的發展和船用配套產品的進步。

中國船級社多年的研究和實踐表明，熱泵這項節能技術在船舶上應用是很有前景的，具體表現在：

水源熱泵技術節能減排效果明顯，所以，在冷熱量需求較大的客船上具有廣闊應用空間，如，采用水源熱泵機組為客船艙室提供冷熱量和供應生活熱水等。

目前由于節能減排的需要，大部分船舶都采取了降速航行措施，導致船上廢氣量不足。為了減少燃油鍋爐的能耗，普通干貨船也可以采用水源熱泵技術解決制冷制熱和生活熱水的問題。

熱泵機組既能供應熱量，也能制取冷量，在燃油加熱、普通貨船船員艙室空調、機艙降溫等方面也是非常有前景的。

分析認為，熱泵技術同樣適用于對冷熱量有較大需求的海上設施。