船舶機(jī)艙空氣源熱泵熱水柜的應(yīng)用范文

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【摘要】本文提出一種船舶機(jī)艙空氣源熱泵熱水柜的應(yīng)用方案，分析該方案的應(yīng)用可行性。分析結(jié)果表明機(jī)艙空氣源熱泵熱水柜是一種較好的熱水供應(yīng)方案，具備一定的應(yīng)用前景，但是仍然要克服初投資高、設(shè)備振動(dòng)、熱水溫度限制等方面的問(wèn)題。

【關(guān)鍵詞】船舶機(jī)艙；空氣源熱泵；熱水柜

空氣源熱泵技術(shù)是在常規(guī)能源的日漸短缺和環(huán)境污染日益嚴(yán)重的背景下發(fā)展起來(lái)的一種節(jié)能技術(shù)，目前廣泛應(yīng)用于熱水供應(yīng)、中央空調(diào)等領(lǐng)域。它同燃料直接燃燒加熱和利用電能加熱等常規(guī)技術(shù)相比，具有較大的經(jīng)濟(jì)與環(huán)保等方面的優(yōu)勢(shì)[1]。因此空氣源熱泵技術(shù)日益受到重視，在陸地上該技術(shù)已經(jīng)獲得了廣泛的商業(yè)化應(yīng)用。空氣源熱泵熱水器，因其節(jié)能環(huán)保效果顯著在2012年己經(jīng)列入國(guó)家節(jié)能惠民工程的產(chǎn)品目錄。符合相關(guān)產(chǎn)品能效標(biāo)準(zhǔn)的節(jié)能型熱泵熱水器產(chǎn)品將會(huì)得到國(guó)家的節(jié)能經(jīng)濟(jì)補(bǔ)貼，并且產(chǎn)品的能效比越高，經(jīng)濟(jì)補(bǔ)貼會(huì)越高。但在船舶上相關(guān)應(yīng)用實(shí)例很少，基本處于理論研究狀態(tài)[2]。由于船舶機(jī)艙相對(duì)封閉，其內(nèi)部空氣的溫度要高于外界自然空氣。由于機(jī)艙空氣蘊(yùn)含的低品位熱量比較高，非常適合空氣源熱泵技術(shù)的實(shí)施應(yīng)用，因此研究分析機(jī)艙空氣源熱泵技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用具有可觀的節(jié)能和經(jīng)濟(jì)效益。

1空氣源熱泵熱水柜概述

熱水具有多種用途，在歐美國(guó)家，除了沖洗廁所和飲用以外，其他方面都是熱水。除了大家習(xí)以為常的飲用和洗澡之外，熱水還擴(kuò)展到洗衣、洗米、洗菜、拖地等日常生活用途。在船舶上，熱水不僅可以滿足船舶人員的洗浴、取暖等生活需要，還可以滿足油類預(yù)熱、柴油機(jī)暖機(jī)等動(dòng)力設(shè)備的需求。目前在船舶上主要有兩種方式來(lái)供應(yīng)熱水，一種是采用燃油輔助鍋爐來(lái)產(chǎn)生熱水，另外一種是設(shè)置電加熱型熱水柜。空氣源熱泵熱水柜主要是把船舶上的電加熱型熱水柜同綠色高效的空氣源熱泵技術(shù)結(jié)合起來(lái)，綜合利用電加熱和空氣源熱泵的優(yōu)點(diǎn)，并通過(guò)熱水供應(yīng)負(fù)荷變化，合理調(diào)節(jié)電加熱和空氣源熱泵工作時(shí)間，從而節(jié)省燃料消耗，減少污染物排放，降低航行成本，提高船舶的續(xù)航力。

2船舶機(jī)艙空氣源熱泵熱水柜的應(yīng)用可行性分析

船舶的機(jī)艙是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立和封閉的空間，空氣溫度高于外界，尤其是在航行時(shí)段，由于機(jī)艙內(nèi)部工作的機(jī)電設(shè)備都會(huì)散熱，其中尤其是主機(jī)和副機(jī)的散熱十分明顯，這些散熱最終都被機(jī)艙的空氣所吸收，導(dǎo)致機(jī)艙的溫度比外界溫度要高。考慮到機(jī)艙中裝備有通風(fēng)系統(tǒng)，會(huì)將部分熱量排出艙外，但即使如此，大多數(shù)船舶機(jī)艙的平均氣溫仍然比外界氣溫高10℃以上。為了防止機(jī)艙的溫度過(guò)低而凍壞設(shè)備，一般當(dāng)機(jī)艙溫度在低于5℃時(shí)，需要進(jìn)行暖熱機(jī)艙，以滿足機(jī)電設(shè)備的正常工作。由此可見機(jī)艙中的空氣蘊(yùn)含足夠多的低品位熱能[3]，為空氣源熱泵技術(shù)的應(yīng)用創(chuàng)造了良好的條件。根據(jù)GB29541-2013規(guī)定，空氣源熱泵熱水器的能效等級(jí)劃分為5級(jí)。其中5級(jí)能效比是3.7~3.9，1級(jí)能效比是≥4.6。由此可見，空氣源熱泵熱水器產(chǎn)品的最低能效比都在3.7以上，否則就不能進(jìn)行商業(yè)應(yīng)用[4]。常規(guī)的空氣源熱泵熱水裝置工作所處的環(huán)境溫度一般建議在-5℃以上，若低于-5℃則容易產(chǎn)生結(jié)霜問(wèn)題，效果很差，基本接近電加熱。總體上，空氣源熱泵的能效比是隨著空氣溫度的升高而增大，其基本變化關(guān)系可參照?qǐng)D1。近海船舶絕大多數(shù)情況下都在黃海、東海、南海活動(dòng)，所以其機(jī)艙溫度絕大多數(shù)的情況下都在15℃以上，因此其能效比基本都可維持在3.7以上，這就使得機(jī)艙空氣源熱泵熱水裝置能夠工作在一個(gè)高能效比區(qū)域，具有明顯的節(jié)能潛力。無(wú)論是鍋爐供熱方式還是電加熱熱水方式，它們的熱效率均小于1，相比空氣源熱泵熱水器其能耗明顯偏高，并且鍋爐還會(huì)排放廢氣污染大氣環(huán)境。綜合我國(guó)近海的氣溫來(lái)看，將船舶機(jī)艙空氣作為熱源的熱泵熱水柜具備一定的應(yīng)用前景。

3機(jī)艙空氣源熱泵熱水柜的應(yīng)用方案

3.1方案設(shè)計(jì)

空氣源熱泵的性能系數(shù)受機(jī)艙環(huán)境因素影響大，其安裝也受到船舶機(jī)艙空間的影響，并且考慮船舶的特殊環(huán)境，設(shè)計(jì)了一種適用于船舶的機(jī)艙源熱泵熱水柜方案。熱泵熱水柜可以分為熱泵循環(huán)系統(tǒng)和冷熱水循環(huán)系統(tǒng)兩個(gè)部分。熱泵循環(huán)系統(tǒng)由壓縮機(jī)、冷凝器、機(jī)艙空氣蒸發(fā)器、膨脹閥等部件組成，熱泵工質(zhì)在機(jī)艙空氣蒸發(fā)器中吸收機(jī)艙空氣的熱量，經(jīng)壓縮機(jī)壓縮之后變?yōu)楦邷馗邏簹怏w，再進(jìn)入到冷凝器中放熱，加熱熱水柜中的淡水，之后再經(jīng)膨脹閥節(jié)流降壓后進(jìn)入到機(jī)艙空氣蒸發(fā)器，完成一個(gè)循環(huán)。熱水柜中淡水被加熱以后，達(dá)到所要求的溫度即可輸出使用，當(dāng)水位不足時(shí)由冷水管路及時(shí)補(bǔ)充。機(jī)艙空氣在經(jīng)過(guò)蒸發(fā)器后，由通風(fēng)機(jī)排出機(jī)艙外。

3.2方案特點(diǎn)

該方案將冷凝器置于熱水柜的內(nèi)部，一方面節(jié)省了空間，另一方面也提高了熱量的傳遞效率。將壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、儲(chǔ)液器、過(guò)濾器、膨脹閥等部件做成一體，組成熱泵機(jī)組安裝在熱水柜外部，并與通風(fēng)系統(tǒng)相互結(jié)合，保證機(jī)艙空氣的新鮮度。由于淡水柜和通風(fēng)系統(tǒng)都是船舶本身就具備的設(shè)備，因此該方案只需增加少量設(shè)備，在結(jié)構(gòu)上大為簡(jiǎn)化。與目前普遍使用的燃油輔助鍋爐和電加熱熱水柜相比，該方案突出的優(yōu)點(diǎn)是能效比較高。無(wú)論是燃油輔助鍋爐還是電熱水柜，其不可避免存在損失，熱效率很難超過(guò)90%。而熱泵的制熱效率大于100%，從機(jī)艙空氣中能夠獲取大量的免費(fèi)能源，由于機(jī)艙溫度始終處于較高狀態(tài)，因此熱泵熱水柜的能效比也處于高位，經(jīng)濟(jì)節(jié)能優(yōu)勢(shì)明顯。機(jī)艙空氣源熱泵熱水柜可滿足不同船舶型號(hào)、不同時(shí)段的需求。熱泵熱水柜的大小和容量根據(jù)船舶人員數(shù)量和熱水應(yīng)用場(chǎng)合等要求而定，可采用自動(dòng)化智能控制系統(tǒng)，只需在初次使用時(shí)打開電源，在熱泵熱水柜使用過(guò)程中完全可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的運(yùn)行，達(dá)到設(shè)定水溫時(shí)自動(dòng)停機(jī)，低于設(shè)定水溫時(shí)系統(tǒng)自行開機(jī)，可實(shí)現(xiàn)一天24小時(shí)熱水不間斷供應(yīng)。安全環(huán)保優(yōu)勢(shì)突出。該方案在結(jié)構(gòu)上做到了水電完全分離，且無(wú)任何有害有毒氣體排放或燃燒，不受船舶外界自然氣候的影響，使用壽命長(zhǎng)，維護(hù)費(fèi)用低，設(shè)備性能穩(wěn)定，不會(huì)產(chǎn)生工作人員燙傷等風(fēng)險(xiǎn)。

3.3不足之處

盡管空氣源熱泵熱水柜具有節(jié)能和環(huán)保方面的優(yōu)勢(shì)，但要實(shí)現(xiàn)實(shí)際船舶的廣泛應(yīng)用，仍然存在較大的難度。綜合分析，至少有三個(gè)方面的問(wèn)題需要解決：（1）會(huì)增加一部分初投資，安裝也需要占據(jù)一定空間，因此一定程度上提高了船舶建造的成本，增加了熱泵熱水柜的推廣應(yīng)用難度。（2）熱泵熱水柜工作機(jī)組需要做好隔振。與陸地上不同，船舶機(jī)艙存在著顛簸和振動(dòng)，管路連接需要考慮采取一定措施加固，否則難以達(dá)到和陸地上同等的使用壽命。（3）空氣源熱泵技術(shù)制備熱水的溫度一般在55~60℃，很難達(dá)到更高。當(dāng)需要更高溫度的熱水時(shí)，還需要其他加熱方式進(jìn)行輔助。

4結(jié)束語(yǔ)

空氣源熱泵技術(shù)已經(jīng)經(jīng)過(guò)實(shí)踐證明是一種節(jié)能環(huán)保技術(shù)，在船舶上的應(yīng)用前景良好。機(jī)艙空氣源熱泵熱水柜與傳統(tǒng)的燃油輔助鍋爐或電熱水柜相比，雖然存在著不足，但是其可以減少船舶燃油的消耗，節(jié)省大量的運(yùn)行費(fèi)用，同時(shí)具備較好的安全性和環(huán)保性。船上本身就裝備有淡水柜和機(jī)艙通風(fēng)系統(tǒng)，加上船舶機(jī)艙空氣溫度蘊(yùn)含的能量高，因此設(shè)計(jì)船舶機(jī)艙空氣源熱泵熱水柜具有較大的應(yīng)用可行性，是一種較好的熱水供應(yīng)方案，但是仍然要克服初投資高、設(shè)備振動(dòng)、熱水溫度限制等方面的問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)

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[2]任勇,陳實(shí).船用熱泵技術(shù)原理及主要系統(tǒng)形式[J].中國(guó)船檢,2015(9):105-109.

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作者:吳曉陽(yáng) 單位:武警海警學(xué)院