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

【關鍵詞】船舶機艙；空氣源熱泵；熱水柜

空氣源熱泵技術是在常規能源的日漸短缺和環境污染日益嚴重的背景下發展起來的一種節能技術，目前廣泛應用于熱水供應、中央空調等領域。它同燃料直接燃燒加熱和利用電能加熱等常規技術相比，具有較大的經濟與環保等方面的優勢[1]。因此空氣源熱泵技術日益受到重視，在陸地上該技術已經獲得了廣泛的商業化應用。空氣源熱泵熱水器，因其節能環保效果顯著在2012年己經列入國家節能惠民工程的產品目錄。符合相關產品能效標準的節能型熱泵熱水器產品將會得到國家的節能經濟補貼，并且產品的能效比越高，經濟補貼會越高。但在船舶上相關應用實例很少，基本處于理論研究狀態[2]。由于船舶機艙相對封閉，其內部空氣的溫度要高于外界自然空氣。由于機艙空氣蘊含的低品位熱量比較高，非常適合空氣源熱泵技術的實施應用，因此研究分析機艙空氣源熱泵技術的實際應用具有可觀的節能和經濟效益。

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。除了大家習以為常的飲用和洗澡之外，熱水還擴展到洗衣、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，還可以滿足油類預熱、柴油機暖機等動力設備的需求。目前在船舶上主要有兩種方式來供應熱水，一種是采用燃油輔助鍋爐來產生熱水，另外一種是設置電加熱型熱水柜。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結合起來，綜合利用電加熱和空氣源熱泵的優點，并通過熱水供應負荷變化，合理調節電加熱和空氣源熱泵工作時間，從而節省燃料消耗，減少污染物排放，降低航行成本，提高船舶的續航力。

2船舶機艙空氣源熱泵熱水柜的應用可行性分析

船舶的機艙是一個相對獨立和封閉的空間，空氣溫度高于外界，尤其是在航行時段，由于機艙內部工作的機電設備都會散熱，其中尤其是主機和副機的散熱十分明顯，這些散熱最終都被機艙的空氣所吸收，導致機艙的溫度比外界溫度要高。考慮到機艙中裝備有通風系統，會將部分熱量排出艙外，但即使如此，大多數船舶機艙的平均氣溫仍然比外界氣溫高10℃以上。為了防止機艙的溫度過低而凍壞設備，一般當機艙溫度在低于5℃時，需要進行暖熱機艙，以滿足機電設備的正常工作。由此可見機艙中的空氣蘊含足夠多的低品位熱能[3]，為空氣源熱泵技術的應用創造了良好的條件。根據GB29541-2013規定，空氣源熱泵熱水器的能效等級劃分為5級。其中5級能效比是3.7~3.9，1級能效比是≥4.6。由此可見，空氣源熱泵熱水器產品的最低能效比都在3.7以上，否則就不能進行商業應用[4]。常規的空氣源熱泵熱水裝置工作所處的環境溫度一般建議在-5℃以上，若低于-5℃則容易產生結霜問題，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，其基本變化關系可參照圖1。近海船舶絕大多數情況下都在黃海、東海、南海活動，所以其機艙溫度絕大多數的情況下都在15℃以上，因此其能效比基本都可維持在3.7以上，這就使得機艙空氣源熱泵熱水裝置能夠工作在一個高能效比區域，具有明顯的節能潛力。無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，并且鍋爐還會排放廢氣污染大氣環境。綜合我國近海的氣溫來看，將船舶機艙空氣作為熱源的熱泵熱水柜具備一定的應用前景。

3機艙空氣源熱泵熱水柜的應用方案

3.1方案設計

空氣源熱泵的性能系數受機艙環境因素影響大，其安裝也受到船舶機艙空間的影響，并且考慮船舶的特殊環境，設計了一種適用于船舶的機艙源熱泵熱水柜方案。熱泵熱水柜可以分為熱泵循環系統和冷熱水循環系統兩個部分。熱泵循環系統由壓縮機、冷凝器、機艙空氣蒸發器、膨脹閥等部件組成，熱泵工質在機艙空氣蒸發器中吸收機艙空氣的熱量，經壓縮機壓縮之后變為高溫高壓氣體，再進入到冷凝器中放熱，加熱熱水柜中的淡水，之后再經膨脹閥節流降壓后進入到機艙空氣蒸發器，完成一個循環。熱水柜中淡水被加熱以后，達到所要求的溫度即可輸出使用，當水位不足時由冷水管路及時補充。機艙空氣在經過蒸發器后，由通風機排出機艙外。

3.2方案特點

該方案將冷凝器置于熱水柜的內部，一方面節省了空間，另一方面也提高了熱量的傳遞效率。將壓縮機、蒸發器、儲液器、過濾器、膨脹閥等部件做成一體，組成熱泵機組安裝在熱水柜外部，并與通風系統相互結合，保證機艙空氣的新鮮度。由于淡水柜和通風系統都是船舶本身就具備的設備，因此該方案只需增加少量設備，在結構上大為簡化。與目前普遍使用的燃油輔助鍋爐和電加熱熱水柜相比，該方案突出的優點是能效比較高。無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90%。而熱泵的制熱效率大于100%，從機艙空氣中能夠獲取大量的免費能源，由于機艙溫度始終處于較高狀態，因此熱泵熱水柜的能效比也處于高位，經濟節能優勢明顯。機艙空氣源熱泵熱水柜可滿足不同船舶型號、不同時段的需求。熱泵熱水柜的大小和容量根據船舶人員數量和熱水應用場合等要求而定，可采用自動化智能控制系統，只需在初次使用時打開電源，在熱泵熱水柜使用過程中完全可以實現自動化的運行，達到設定水溫時自動停機，低于設定水溫時系統自行開機，可實現一天24小時熱水不間斷供應。安全環保優勢突出。該方案在結構上做到了水電完全分離，且無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，維護費用低，設備性能穩定，不會產生工作人員燙傷等風險。

3.3不足之處

盡管空氣源熱泵熱水柜具有節能和環保方面的優勢，但要實現實際船舶的廣泛應用，仍然存在較大的難度。綜合分析，至少有三個方面的問題需要解決：（1）會增加一部分初投資，安裝也需要占據一定空間，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用難度。（2）熱泵熱水柜工作機組需要做好隔振。與陸地上不同，船舶機艙存在著顛簸和振動，管路連接需要考慮采取一定措施加固，否則難以達到和陸地上同等的使用壽命。（3）空氣源熱泵技術制備熱水的溫度一般在55~60℃，很難達到更高。當需要更高溫度的熱水時，還需要其他加熱方式進行輔助。

4結束語

空氣源熱泵技術已經經過實踐證明是一種節能環保技術，在船舶上的應用前景良好。機艙空氣源熱泵熱水柜與傳統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，節省大量的運行費用，同時具備較好的安全性和環保性。船上本身就裝備有淡水柜和機艙通風系統，加上船舶機艙空氣溫度蘊含的能量高，因此設計船舶機艙空氣源熱泵熱水柜具有較大的應用可行性，是一種較好的熱水供應方案，但是仍然要克服初投資高、設備振動、熱水溫度限制等方面的問題。

參考文獻

[1]陳東,謝繼紅.熱泵熱水裝置[M].北京:化學工業出版社,2009.

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

[3]吳曉陽.船舶機艙空氣源熱泵技術應用分析[J].機電設備,2014(3):21-23.

[4]陳妙陽.空氣源熱泵熱水器的能效標準分析[J].家電科技,2014(4):43-45.

作者:吳曉陽 單位:武警海警學院