船舶机舱空气源热泵热水柜的应用范文

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【摘要】本文提出一种船舶机舱空气源热泵热水柜的应用方案，分析该方案的应用可行性。分析结果表明机舱空气源热泵热水柜是一种较好的热水供应方案，具备一定的应用前景，但是仍然要克服初投资高、设备振动、热水温度限制等方面的问题。

【关键词】船舶机舱；空气源热泵；热水柜

空气源热泵技术是在常规能源的日渐短缺和环境污染日益严重的背景下发展起来的一种节能技术，目前广泛应用于热水供应、中央空调等领域。它同燃料直接燃烧加热和利用电能加热等常规技术相比，具有较大的经济与环保等方面的优势[1]。因此空气源热泵技术日益受到重视，在陆地上该技术已经获得了广泛的商业化应用。空气源热泵热水器，因其节能环保效果显著在2012年己经列入国家节能惠民工程的产品目录。符合相关产品能效标准的节能型热泵热水器产品将会得到国家的节能经济补贴，并且产品的能效比越高，经济补贴会越高。但在船舶上相关应用实例很少，基本处于理论研究状态[2]。由于船舶机舱相对封闭，其内部空气的温度要高于外界自然空气。由于机舱空气蕴含的低品位热量比较高，非常适合空气源热泵技术的实施应用，因此研究分析机舱空气源热泵技术的实际应用具有可观的节能和经济效益。

1空气源热泵热水柜概述

热水具有多种用途，在欧美国家，除了冲洗厕所和饮用以外，其他方面都是热水。除了大家习以为常的饮用和洗澡之外，热水还扩展到洗衣、洗米、洗菜、拖地等日常生活用途。在船舶上，热水不仅可以满足船舶人员的洗浴、取暖等生活需要，还可以满足油类预热、柴油机暖机等动力设备的需求。目前在船舶上主要有两种方式来供应热水，一种是采用燃油辅助锅炉来产生热水，另外一种是设置电加热型热水柜。空气源热泵热水柜主要是把船舶上的电加热型热水柜同绿色高效的空气源热泵技术结合起来，综合利用电加热和空气源热泵的优点，并通过热水供应负荷变化，合理调节电加热和空气源热泵工作时间，从而节省燃料消耗，减少污染物排放，降低航行成本，提高船舶的续航力。

2船舶机舱空气源热泵热水柜的应用可行性分析

船舶的机舱是一个相对独立和封闭的空间，空气温度高于外界，尤其是在航行时段，由于机舱内部工作的机电设备都会散热，其中尤其是主机和副机的散热十分明显，这些散热最终都被机舱的空气所吸收，导致机舱的温度比外界温度要高。考虑到机舱中装备有通风系统，会将部分热量排出舱外，但即使如此，大多数船舶机舱的平均气温仍然比外界气温高10℃以上。为了防止机舱的温度过低而冻坏设备，一般当机舱温度在低于5℃时，需要进行暖热机舱，以满足机电设备的正常工作。由此可见机舱中的空气蕴含足够多的低品位热能[3]，为空气源热泵技术的应用创造了良好的条件。根据GB29541-2013规定，空气源热泵热水器的能效等级划分为5级。其中5级能效比是3.7~3.9，1级能效比是≥4.6。由此可见，空气源热泵热水器产品的最低能效比都在3.7以上，否则就不能进行商业应用[4]。常规的空气源热泵热水装置工作所处的环境温度一般建议在-5℃以上，若低于-5℃则容易产生结霜问题，效果很差，基本接近电加热。总体上，空气源热泵的能效比是随着空气温度的升高而增大，其基本变化关系可参照图1。近海船舶绝大多数情况下都在黄海、东海、南海活动，所以其机舱温度绝大多数的情况下都在15℃以上，因此其能效比基本都可维持在3.7以上，这就使得机舱空气源热泵热水装置能够工作在一个高能效比区域，具有明显的节能潜力。无论是锅炉供热方式还是电加热热水方式，它们的热效率均小于1，相比空气源热泵热水器其能耗明显偏高，并且锅炉还会排放废气污染大气环境。综合我国近海的气温来看，将船舶机舱空气作为热源的热泵热水柜具备一定的应用前景。

3机舱空气源热泵热水柜的应用方案

3.1方案设计

空气源热泵的性能系数受机舱环境因素影响大，其安装也受到船舶机舱空间的影响，并且考虑船舶的特殊环境，设计了一种适用于船舶的机舱源热泵热水柜方案。热泵热水柜可以分为热泵循环系统和冷热水循环系统两个部分。热泵循环系统由压缩机、冷凝器、机舱空气蒸发器、膨胀阀等部件组成，热泵工质在机舱空气蒸发器中吸收机舱空气的热量，经压缩机压缩之后变为高温高压气体，再进入到冷凝器中放热，加热热水柜中的淡水，之后再经膨胀阀节流降压后进入到机舱空气蒸发器，完成一个循环。热水柜中淡水被加热以后，达到所要求的温度即可输出使用，当水位不足时由冷水管路及时补充。机舱空气在经过蒸发器后，由通风机排出机舱外。

3.2方案特点

该方案将冷凝器置于热水柜的内部，一方面节省了空间，另一方面也提高了热量的传递效率。将压缩机、蒸发器、储液器、过滤器、膨胀阀等部件做成一体，组成热泵机组安装在热水柜外部，并与通风系统相互结合，保证机舱空气的新鲜度。由于淡水柜和通风系统都是船舶本身就具备的设备，因此该方案只需增加少量设备，在结构上大为简化。与目前普遍使用的燃油辅助锅炉和电加热热水柜相比，该方案突出的优点是能效比较高。无论是燃油辅助锅炉还是电热水柜，其不可避免存在损失，热效率很难超过90%。而热泵的制热效率大于100%，从机舱空气中能够获取大量的免费能源，由于机舱温度始终处于较高状态，因此热泵热水柜的能效比也处于高位，经济节能优势明显。机舱空气源热泵热水柜可满足不同船舶型号、不同时段的需求。热泵热水柜的大小和容量根据船舶人员数量和热水应用场合等要求而定，可采用自动化智能控制系统，只需在初次使用时打开电源，在热泵热水柜使用过程中完全可以实现自动化的运行，达到设定水温时自动停机，低于设定水温时系统自行开机，可实现一天24小时热水不间断供应。安全环保优势突出。该方案在结构上做到了水电完全分离，且无任何有害有毒气体排放或燃烧，不受船舶外界自然气候的影响，使用寿命长，维护费用低，设备性能稳定，不会产生工作人员烫伤等风险。

3.3不足之处

尽管空气源热泵热水柜具有节能和环保方面的优势，但要实现实际船舶的广泛应用，仍然存在较大的难度。综合分析，至少有三个方面的问题需要解决：（1）会增加一部分初投资，安装也需要占据一定空间，因此一定程度上提高了船舶建造的成本，增加了热泵热水柜的推广应用难度。（2）热泵热水柜工作机组需要做好隔振。与陆地上不同，船舶机舱存在着颠簸和振动，管路连接需要考虑采取一定措施加固，否则难以达到和陆地上同等的使用寿命。（3）空气源热泵技术制备热水的温度一般在55~60℃，很难达到更高。当需要更高温度的热水时，还需要其他加热方式进行辅助。

4结束语

空气源热泵技术已经经过实践证明是一种节能环保技术，在船舶上的应用前景良好。机舱空气源热泵热水柜与传统的燃油辅助锅炉或电热水柜相比，虽然存在着不足，但是其可以减少船舶燃油的消耗，节省大量的运行费用，同时具备较好的安全性和环保性。船上本身就装备有淡水柜和机舱通风系统，加上船舶机舱空气温度蕴含的能量高，因此设计船舶机舱空气源热泵热水柜具有较大的应用可行性，是一种较好的热水供应方案，但是仍然要克服初投资高、设备振动、热水温度限制等方面的问题。

参考文献

[1]陈东,谢继红.热泵热水装置[M].北京:化学工业出版社,2009.

[2]任勇,陈实.船用热泵技术原理及主要系统形式[J].中国船检,2015(9):105-109.

[3]吴晓阳.船舶机舱空气源热泵技术应用分析[J].机电设备,2014(3):21-23.

[4]陈妙阳.空气源热泵热水器的能效标准分析[J].家电科技,2014(4):43-45.

作者:吴晓阳 单位:武警海警学院