船舶機(jī)艙空氣源熱泵技術(shù)應(yīng)用分析

吳曉陽(yáng)

● （公安海警學(xué)院，浙江寧波 315801）

船舶機(jī)艙空氣源熱泵技術(shù)應(yīng)用分析

吳曉陽(yáng)

● （公安海警學(xué)院，浙江寧波 315801）

闡述了船舶節(jié)能的重要性。通過(guò)分析船舶機(jī)艙空氣的特點(diǎn)，提出了一種利用空氣源熱泵對(duì)機(jī)艙余熱進(jìn)行回收利用的技術(shù)，進(jìn)行了理論分析與計(jì)算，并與傳統(tǒng)的船舶鍋爐供熱系統(tǒng)做了對(duì)比分析。分析了該技術(shù)的應(yīng)用前景和關(guān)鍵問(wèn)題。

船舶；機(jī)艙；空氣源熱泵；節(jié)能

0 引言

自能源危機(jī)以來(lái)，節(jié)能成為了舉世矚目的重大問(wèn)題。國(guó)家發(fā)改委《節(jié)能中長(zhǎng)期規(guī)劃》(發(fā)改環(huán)資[2004]2505號(hào))中明確指出，2003-2020年年均節(jié)能率達(dá)到3%，2020年節(jié)能要達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。2007年我國(guó)正式頒布了《中華人民共和國(guó)節(jié)約能源法》，把節(jié)能提高到了一個(gè)前所未有的高度。船舶是燃料消耗的大戶，推進(jìn)船舶節(jié)能是實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)的關(guān)鍵之一。其中，推進(jìn)船舶節(jié)能的一個(gè)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(shù)文獻(xiàn)基本上都定義為柴油機(jī)的排氣熱、缸套冷卻水及船舶鍋爐的余熱等[1-2]，有關(guān)這些熱量的研究利用也非常多。但在船舶航行過(guò)程中，機(jī)艙空氣也蘊(yùn)含著大量的熱量，其主要來(lái)源于柴油機(jī)、輔助設(shè)備的散熱，關(guān)于這部分能量利用的研究很少。隨著空氣源熱泵技術(shù)的發(fā)展及不斷成熟，利用熱泵技術(shù)來(lái)回收利用船舶機(jī)艙空氣的熱量，具有較為重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 船舶機(jī)艙空氣源熱泵技術(shù)

熱水在船員的工作和生活中發(fā)揮著重要的作用，尤其是體現(xiàn)在空調(diào)、船員洗澡和清洗餐具等等。目前船舶上的熱水主要來(lái)源于傳統(tǒng)的燃油鍋爐，利用燃油燃燒產(chǎn)生的熱量來(lái)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(dá)4.5～5[3]，節(jié)能安全環(huán)保的優(yōu)勢(shì)相對(duì)鍋爐來(lái)講非常明顯。船舶機(jī)艙是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的空間，在船舶航行的過(guò)程中，主機(jī)及其他輔助機(jī)械的散熱最終都進(jìn)入到了機(jī)艙空氣，盡管船舶機(jī)艙都設(shè)有機(jī)械通風(fēng)來(lái)保證內(nèi)部空氣溫度穩(wěn)定和必要的換氣，但機(jī)艙空氣的平均溫度仍比外界的環(huán)境溫度要高 10℃以上。這為空氣源熱泵技術(shù)的應(yīng)用創(chuàng)造了良好的環(huán)境條件，因?yàn)榄h(huán)境溫度越高，系統(tǒng)地COP就越大。

在船舶上，一臺(tái)完整的空氣源熱泵熱水器主要包含2個(gè)主要系統(tǒng)：熱泵循環(huán)系統(tǒng)和熱水系統(tǒng)。如圖1所示，這兩個(gè)系統(tǒng)是密不可分的，必須同時(shí)工作，即在加熱熱水的同時(shí)對(duì)船舶機(jī)艙進(jìn)行制冷。它的工作流程為：壓縮機(jī)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(jīng)水熱交換器，使冷水加熱。冷卻下來(lái)的冷媒在壓力的持續(xù)作用下變成液態(tài)，經(jīng)膨脹閥后進(jìn)入蒸發(fā)器，由于蒸發(fā)器的壓力驟然降低，因此液態(tài)的冷媒在此迅速蒸發(fā)變成氣態(tài)，并吸收大量的機(jī)艙空氣熱量。在鼓風(fēng)機(jī)作用下，大量較高溫度的機(jī)艙空氣流過(guò)蒸發(fā)器的外表面，其熱能被蒸發(fā)器吸收。吸收了一定能量的冷媒回流到壓縮機(jī)，進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。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(diào)原理類似，應(yīng)用了逆卡諾原理，通過(guò)吸收機(jī)艙空氣中大量的低溫?zé)崮?，?jīng)壓縮機(jī)的壓縮變?yōu)楦邷責(zé)崮?，傳遞給水。整個(gè)過(guò)程是一種能量轉(zhuǎn)移的過(guò)程。

圖1 機(jī)艙空氣源熱泵熱水器的原理圖

2 節(jié)能計(jì)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(jì)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(chǎn)生滿足足夠數(shù)量的熱水，需付出的熱量Q為：

船舶副機(jī)采用 4135柴油機(jī)，其燃油消耗率為234g/kW·h[4]，電網(wǎng)功率因數(shù)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(hào)為KDB-700R，基本參數(shù)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(jī)及給水泵電機(jī)，可忽略不計(jì))。

根據(jù)以上的鍋爐基本參數(shù)，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(jì)算如下：

第二種方案，采用熱泵供熱，壓縮機(jī)由船舶電網(wǎng)供電。機(jī)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(wǎng)提供，發(fā)電柴油機(jī)的燃油消耗率為234g/kW·h(65g/ kJ)，電網(wǎng)功率因數(shù)取0.9。則消耗的燃油量M2計(jì)算如下：

很明顯，第二種方案的燃油消耗量要低，每年可節(jié)約燃油約610t，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益。

3 應(yīng)用前景分析

船舶有著自身的特殊性。如機(jī)艙空間狹小、夏季艙室溫度高、主機(jī)的排煙余熱溫度高等。利用機(jī)艙空氣源熱泵技術(shù)具備較大的節(jié)能和環(huán)保優(yōu)勢(shì)。大量的研究表明，空氣源熱泵熱水器具有較高的經(jīng)濟(jì)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?yàn)槟壳翱諝庠礋岜弥荒芴峁?50～60℃的熱水，無(wú)法滿足油類預(yù)熱的需要，并且它的可靠性還有待于進(jìn)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(yīng)用前景還較好。

3.1 鍋爐給水預(yù)熱

根據(jù)空氣源熱泵的特點(diǎn)，用機(jī)艙空氣源熱泵作為鍋爐給水的預(yù)熱源，來(lái)提高鍋爐的給水溫度。它可以和鍋爐的經(jīng)濟(jì)器聯(lián)合使用，充當(dāng)一級(jí)預(yù)熱，鍋爐的經(jīng)濟(jì)器充當(dāng)二級(jí)預(yù)熱。經(jīng)過(guò)預(yù)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(lái)源于輔助鍋爐。根據(jù)節(jié)能計(jì)算分析，采取機(jī)艙熱源熱泵的節(jié)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(yīng)用前景較好。

3.3 海水淡化

船舶上常見(jiàn)的海水淡化技術(shù)是真空沸騰式，利用主機(jī)的缸套冷卻水作為熱源。真空度通常維持在90%～94%，對(duì)應(yīng)的海水蒸發(fā)溫度為 35℃～45℃。根據(jù)機(jī)艙空氣源熱泵的特點(diǎn)，可將熱泵的冷凝器同時(shí)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(fā)展方向之一。

4 關(guān)鍵技術(shù)分析

根據(jù)船舶機(jī)艙的空氣特點(diǎn)、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(yīng)用前景。但要達(dá)到實(shí)用化程度，尚需進(jìn)一步研究。本文認(rèn)為，上述方案要解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題有以下兩點(diǎn)：

4.1 傳熱強(qiáng)化

上述方案原理中，提高水與冷媒、機(jī)艙空氣與冷媒的換熱效率非常關(guān)鍵，這是能保證較高能效比的重要因素。由于機(jī)艙空間的相對(duì)封閉性，空氣不易流通，易導(dǎo)致傳熱的短路，降低熱泵效率。必須從安裝位置、結(jié)構(gòu)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(jī)艙的空間非常狹小，要求機(jī)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(jī)艙中的使用。如果采用高效循環(huán)，但增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性與初投資。因此，要求在提高能效比的同時(shí)，控制系統(tǒng)的體積是在船舶上實(shí)用化的關(guān)鍵。

5 結(jié)語(yǔ)

船舶上船員的工作和生活都離不開(kāi)熱水，而熱水主要由傳統(tǒng)的燃油鍋爐供應(yīng)。船舶機(jī)艙空氣含有大量的余熱，利用好這部分余熱也是推進(jìn)船舶節(jié)能的一個(gè)重要方面。利用機(jī)艙空氣源熱泵技術(shù)，產(chǎn)生船員生活用熱水，與鍋爐相比節(jié)能優(yōu)勢(shì)非常，在當(dāng)前節(jié)能的大背景下具有良好的發(fā)展前景。本文提出的機(jī)艙空氣源熱泵技術(shù)有利于充分回收機(jī)艙空氣的余熱，但要完全實(shí)用化還需解決不少關(guān)鍵的技術(shù)問(wèn)題。

[1]吳伯才.船舶柴油機(jī)余熱的利用[J]. 浙江海洋學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版, 2002, 21(2): 187-190.

[2]李紅霞,張文孝,任莉.船舶動(dòng)力裝置的余熱研究利用綜述[J]. 造船技術(shù), 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(tǒng)性能分析[J]. 制冷與空調(diào), 2013, 13(1): 59-62.

[4]應(yīng)連春.艦艇柴油機(jī)構(gòu)造[M]. 北京:群眾出版社,2002.

[5]王灃浩,王志華,鄭煜鑫,等.低溫環(huán)境下空氣源熱泵的研究現(xiàn)狀及展望[J]. 制冷學(xué)報(bào), 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(jī)械, 2011, 39(12): 74-79.

太平洋海工再獲3艘氣體船訂單

據(jù)悉，丹麥氣體運(yùn)輸商Evergas首席執(zhí)行官阿克曼（Martin Ackermann）已對(duì)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(wàn)立方米 LNG船將增加至6艘。據(jù)此，Evergas原與太平洋合同訂造的3艘該型新船，現(xiàn)亦相應(yīng)增至6艘。

作為全球最大型、最先進(jìn)的多用途氣體運(yùn)輸船，這批船只訂單即將在太平洋海工開(kāi)始建造，未來(lái)將為英力士的乙烷運(yùn)輸提供更具靈活性的解決方案，亦可同時(shí)運(yùn)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(jìn)的設(shè)計(jì)使該型氣體運(yùn)輸船兼具高效性、高靈活性，英力士亦將得益于此，繼續(xù)保持長(zhǎng)久的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。”據(jù)悉，這批雙燃料船將在“Tier III型”主機(jī)上使用LNG燃料，符合未來(lái)低排放和低耗能的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。

Evergas去年宣布與英力士簽訂為期15年的租約，將從2015年開(kāi)始從美國(guó)“Mariner East”項(xiàng)目運(yùn)輸乙烷原料至歐洲，成為全球第一份美國(guó)乙烷出口合同迄今為止Evergas是全球唯一專為解決乙烷運(yùn)輸需求訂造新船的船東，其已制定明確策略，今后將進(jìn)一步擴(kuò)充船隊(duì)。而此番Evergas在宣布上述新訂單的同時(shí)，還稱即將從太平洋海工接收1.2萬(wàn)立方米的氣體運(yùn)輸船“JS Greenstone輪”，該船亦有3艘兄弟船，目前正按計(jì)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(yáng)（1982-），男，講師，碩士。主要從事船舶輔機(jī)的教學(xué)與研究。