一種高效船用海水源熱泵空調系統及其控制方法
2023-12-02 02:35:46 1
一種高效船用海水源熱泵空調系統及其控制方法
【專利摘要】本發明公開了一種高效船用海水源熱泵空調系統及其控制方法。所述系統由海水迴路、製冷劑迴路、熱回收回路及電控箱組成，通過工作模式的轉換，實現夏季製冷，冬季制熱。所述方法是當船舶航行時，充分利用船舶排至環境的餘熱預熱低溫海水；當船舶錨泊時，利用燃油鍋爐預熱低溫海水，實現船用海水源熱泵空調系統在低溫海域或錨泊時正常或高效運行。本發明不但解決了常規船用海水源熱泵空調系統不能全天候、全海域運行的技術屏障，同時通過有效回收利用船舶排至環境的餘熱，進一步提高船舶能量的利用率，實現低能耗、低排放和高能效的船舶空調系統。
【專利說明】一種高效船用海水源熱泵空調系統及其控制方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種船舶上使用熱泵技術，具體是以更低的成本獲得高效節能、綠色環保的熱泵系統，特別是涉及一種充分利用船舶餘熱的可切換控制的熱回收型高效海水源熱泵，屬於空調工程【技術領域】。
技術背景
[0002]隨著全球經濟一體化程度的不斷提高，世界貨物運輸量的90%以上主要通過船舶，消耗了大量的化石能源，是造成海洋汙染的主要因素。如何實現船舶運營的節能增效，提高船舶運營綜合能效係數，降低汙染物的排放，已成為航運界越來越關注的重要課題。作為佔船舶能耗20 %的船舶空調系統，通過採用新型船舶空調技術實現其節能降耗，對船舶運營綜合能效係數的提高具有重要意義。海水源熱泵技術是適應可持續發展戰略要求而發展的一種新型的集製冷、制熱於一體的空調系統，具有高效節能、綠色環保的優點。
[0003]目前，船用空調基本上使用常規風冷或水冷系統，少數船用空調利用海水做冷熱源。申請號為201120030749.2的專利，公開了一種船用海水源熱泵空調系統，主要由製冷劑循環系統、船底換熱介質環路系統和空調水系統組成。該空調系統是將聚乙烯盤管構成的集成迴路安裝在船底，使海水直接與盤管內的介質進行換熱，同時由於輪船的高速行駛形成的湍流，大大增強了盤管的換熱效率，理論上達到了高效節能的目的。然而，該系統的實際運行效果還有待商榷。首先，船速對盤管的換熱效率影響較大，當船舶低速行駛或者停泊時，盤管的換熱效率急速降低，進而導致該空調系統的整體效率大幅度降低。其次，實際工程中船舶屬於流動載體，隨其航行區域不同，熱泵的低溫熱源(海水)的溫度不斷變化，當船舶行至海水溫度低於10°C的海域時，該空調系統已不能正常運行甚至無法運行。
[0004]申請號為201220622911.4的專利，公開了一種餘熱回收分布式能源與海水熱泵耦合系統，該系統是燃氣機燃燒天然氣帶動發電機，發電機發電驅動熱泵產生一部分熱量；同時燃氣機產生的煙氣進入到餘熱鍋爐中，冷凝換熱器和吸收式熱泵分別吸收餘熱鍋爐排放出的煙氣和蒸汽，冷凝換熱器放出的熱量輸入吸收式熱泵中，從而提供另一部分熱量，在一定程度上提高了系統的整體效率，達到了節能環保的目的，但實際上並不理想。首先，該系統餘熱回收利用率較低，中介質水溫僅提高2°C，系統效率提高6%左右，節能效果並不明顯。其次，在船舶錨泊期間，主機停止工作，此時無餘熱可回收，海水溫度低的難題依然存在，該系統在海水溫度低的海域依然無法運行。而且，燃氣輪機的體積非常大，一般用於排水量大的船舶上，應用範圍受到限制。目前絕大多數的船舶都在使用內燃機中的往復式柴油機作為主機，為船舶提供動力。船舶餘熱資源極其豐富，主機作為船舶的動力和能源中心，僅有50%的熱量轉換為有用功，其餘的熱量則以各種方式被帶走，主要分為缸套冷卻水餘熱和柴油機排氣餘熱兩種形式。船舶主機為幾千千瓦甚至上萬千瓦的大功率柴油機，其缸套冷卻水的溫度為70°C?95°C，其排煙溫度300°C?450°C ;而發電機功率為200kW?400kff的中速柴油機，其冷卻水的溫度為65°C?80°C，排煙溫度為300°C?400°C。這些餘熱均可以作為海水源熱泵的輔助熱源。因此，將陸地技術船用化非常具有實用意義。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是針對上述現有技術所存在的缺陷和問題，提出通過合理的控制策略，充分利用船舶工作時的環境熱量，再結合船舶主、輔機(柴油機)排至大氣的廢熱，夏季將此熱量加熱生活用水以及船舶上的重油，冬季則為海水預熱以提高低溫熱源的溫度，最大化利用資源為船舶提供優質的能源，為船舶上的船員提供一種更高效率和更低成本的空調系統。
[0006]本發明的高效船用海水源熱泵空調系統充分利用船舶航行條件，將取之不盡的海水熱量充分利用起來，再回收船舶航行時主、輔機排出的廢熱，通過合理的系統控制策略，最大化利用船舶上的餘熱，克服低溫海域制熱困難的缺點，保證系統在低溫海域和錨泊時皆可正常甚至高效運行，提高柴油機的工作效率以及減少廢熱對環境的汙染。實現船舶空調系統全天候、全海域高效運行，降低船舶廢熱的排放、提高船舶運營綜合能效係數的目的。
[0007]為實現上述的目的，本發明採用如下技術方案:
[0008]一種高效船用海水源熱泵空調系統，由海水迴路、製冷劑迴路、熱回收回路及電控箱5構成。其中，所述海水迴路由海水泵1、水處理設備2、第一電動三通閥3、第一換熱器4、第三電動三通閥22、第二換熱器19、蒸發器17依次連接構成。所述製冷劑迴路由依次連接的壓縮機24、冷凝器13、節流機構16及蒸發器17構成。本發明的熱回收主要分為缸套冷卻水餘熱和柴油機排氣餘熱兩種形式。柴油機12產生熱量傳遞至柴油機12內部通道的缸套水，缸套水通過第一換熱器4將熱量傳遞給海水；柴油機12工作時的排氣廢熱通過管道進入船用燃油廢氣組合鍋爐23進行加熱，產生的飽和蒸汽經過第二換熱器19與海水換熱。所述的熱回收回路由柴油機12、第一循環泵11、第二電動三通閥9、第一換熱器4、船用燃油廢氣組合鍋爐23和第二換熱器19構成。其中，船用燃油廢氣組合鍋爐23除燃油加熱生產飽和蒸汽外，亦回收柴油機12排氣餘熱生產蒸汽。此鍋爐主要用於船舶上的重油、主機缸套水、油艙、生活用水以及空調等的升溫介質，其對節能減排及提高船用燃油總效率有積極的意義。所述電控箱分別與第一、第二、第三電動三通閥3、9、22連接外，還分別與檢測空氣溼度傳感器6、空氣溫度傳感器7、海水溫度傳感器8以及熱水溫度傳感器18相連接。
[0009]所述熱源由海水、缸套冷卻水和蒸汽串聯構成，所述水處理設備2與第一電動三通閥3的進口連接，所述第一電動三通閥3兩齣口分別與所述的第一換熱器4及第三旁通支管21連接；所述柴油機12分別與第二電動三通閥9及船用燃油廢氣組合鍋爐23的進口連接，所述第二電動三通閥9兩齣口分別與所述的第一換熱器4及第一旁通支管10連接，所述船用燃油廢氣組合鍋爐23的出口與第二換熱器19連接；所述第一換熱器4與第三旁通支管21的混合出口與第三電動三通閥22的進口連接，所述的第二換熱器19及第二旁通支管20的進口分別與所述第三電動三通閥22兩齣口連接。
[0010]本發明的高效船用海水源熱泵空調系統的控制方法，在不同季節，不同時期，不同海域確定輔助熱源的控制方法，具體包括以下步驟:(1)通過空氣溫度傳感器7實時檢測空氣溫度?^，再根據當地實時時間綜合計算出當日的平均溫度Ts〒，通過海水溫度傳感器8實時檢測海水溫度?#，通過空氣溼度傳感器6實時檢測空氣溼度R，通過熱水溫度傳感器18實時檢測熱水溫度Ts ;由所測空氣溼度R和計算出的平均空氣溫度Ts〒，確定當時所在的季節；
[0011](2)根據當地地理環境確定冬季和夏季的空氣溼度設定值，當空氣溼度達到夏季設定值，且25°C則判定為夏季，實現空調系統製冷模式；當空氣溼度小於冬季設定值，且15°C則判為冬季，實現空調系統制熱模式；當空氣溼度為非設定值，且15°C< TS￥< 25°C則判定為過渡季節；
[0012](3)根據檢測的海水溫度、熱水溫度以及所確定的季節，確定輔助熱源的控制方法。熱水溫度傳感器18檢測加熱後的海水溫度，確定輔助熱源的啟停，以及第一、第三電動三通閥3、22的開閉。
[0013]本發明的高效船用海水源熱泵空調系統的運行主要三種模式，具體運行方式如下:1)夏季製冷、加熱生活熱水及重油模式:在此模式下，海水泵1、第一、第二循環泵11、15開啟，控制第一、第三電動三通閥3、22換至第三、第二旁通支管21、20，切換第二電動三通閥9，冷卻水流向第一旁通支管10。
[0014]海水迴路:低溫熱源(海水)經過水處理設備2後通過第一電動三通閥3先後進入第三、第二旁通支管21、20，隨後流入冷凝器17，從高溫高壓製冷劑的吸收熱量。
[0015]製冷劑迴路:製冷劑經過壓縮機24壓縮後進入冷凝器17，冷凝後通過節流機構16進入蒸發器進行熱交換，之後被壓縮機24吸入進行下一個循環
[0016]熱回收回路:柴油機12產生熱量傳遞至柴油機12內部通道的缸套水，缸套冷卻水經過第二電動三通閥9，進入第一旁通支管10，之後通過第一循環泵11進行下一個循環。柴油機12工作時的排氣廢熱通過管道進入船用燃油廢氣組合鍋爐23進行加熱，產生的蒸汽主要用於船舶上的重油、油艙及生活用水等的加溫介質。
[0017]2)冬季航行制熱模式:此時，海水泵1、第一循環泵11以及第二循環泵15開啟，控制第一、第三電動三通閥3、22切換至第一、第二換熱器4、19，控制第二電動三通閥9使缸套冷卻水流經第一換熱器4。
[0018]海水迴路:低溫熱源(海水)經過水處理設備2後通過第一電動三通閥3先後進入第一、第二換熱器4、19進行換熱，隨後流經蒸發器17，將海水的熱量傳遞至製冷劑。
[0019]製冷劑迴路:通過轉換四通換向閥25，製冷劑經過壓縮機24壓縮後進入冷凝器13，冷凝後通過節流機構16進入蒸發器17進行熱交換，之後被壓縮機24吸入進行下一個循環。
[0020]熱回收回路:柴油機12產生熱量傳遞至柴油機12內部通道的缸套水，缸套冷卻水經過第二電動三通閥9，進入第一換熱器4，之後通過第一循環泵11進行下一個循環。船用燃油廢氣組合鍋爐23通過回收柴油機的排氣餘熱加熱生產飽和蒸汽，之後蒸汽進入第二換熱器19與海水進行熱交換。
[0021]3)冬季錨泊制熱模式:在此模式下，第一循環泵11關閉，海水泵1及第二循環泵15開啟，控制第一電動三通閥3切換至第三旁通支管21，切換第二電動三通閥9，冷卻水流向第一旁通支管10，第三電動三通閥22切換至第二換熱器19。
[0022]海水迴路:低溫熱源(海水)經過水處理設備2後通過第一電動三通閥3進入第三旁通支管21，隨後進入第二換熱器19，最後流經蒸發器17，將海水的熱量傳遞至製冷劑。
[0023]通過轉換四通換向閥25，製冷劑經過壓縮機24壓縮後進入冷凝器13，冷凝後通過節流機構16進入蒸發器17進行熱交換，之後被壓縮機24吸入進行下一個循環。
[0024]熱回收回路:此時，柴油機12停止工作，無法提供套缸冷卻水餘熱和排氣餘熱。此時，船用燃油廢氣組合鍋爐23通過燃油加熱生產飽和蒸汽，之後蒸汽進入第二換熱器19與海水進行熱交換。
[0025]本發明的主要功能是為船舶提供更經濟、環保的空調系統，將取之不盡的海水熱量充分利用起來，再回收船舶航行時主、輔機排出的缸套冷卻水餘熱和排氣餘熱，通過合理的系統控制策略，充分利用工作時可利用的熱量。在餘熱回收過程中，柴油機排放出的廢熱約佔全部熱量的50%，通過缸套冷卻水餘熱的形式可回收18%?22.5%的熱量，而22.5%?27%的熱量通過回收利用排氣餘熱的形式。夏季將此熱量加熱生活用水以及船舶上的重油；冬季則為低溫海水預熱，船舶停泊時利用燃油鍋爐預熱低溫熱源，海水溫度大約可提高4.1°C，空調系統的整體運行效率提高了 12.3%。本發明不但解決了常規船用海水源熱泵空調系統不能全天候、全海域運行的技術屏障，同時通過有效回收利用船舶排至海水的餘熱和廢熱，進一步提高船舶能量的利用效率，實現低能耗、低排放和高能效的船舶空調系統。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0026]圖1是本發明專利的船用熱回收型海水源熱泵原理圖(冬季)。
[0027]圖中:1.海水泵,2.水處理設備,3.第一電動三通閥,4.第一換熱器,5.電控箱，
6.空氣溼度傳感器，7.空氣溫度傳感器，8.海水溫度傳感器，9.第二電動三通閥，10.第一旁通支管，11.第一循環泵，12.柴油機，13.冷凝器，14.空調末端，15.第二循環泵，16.節流機構，17.蒸發器，18.熱水溫度傳感器，19.第二換熱器，20.第二旁通支管，21.第三旁通支管，22.第三電動三通閥，23.船用燃油廢氣組合鍋爐，24.壓縮機，25.四通換向閥。
[0028]具體實施過程
[0029]下面結合附圖1對本發明的技術方案做進一步說明:一種高效船用海水源熱泵空調系統，包括海水迴路、製冷劑迴路、熱回收回路以及電控箱5。所述海水迴路由海水泵1、水處理設備2、第一電動三通閥3、第一換熱器4、第三電動三通閥22、第二換熱器19及蒸發器17依次連接構成。製冷劑迴路由依次連接的壓縮機24、四通換向閥25、冷凝器13、節流機構16及蒸發器17構成。熱回收回路由第一換熱器4、第一循環泵11、柴油機12、第一電動三通閥9、船用燃油廢氣組合鍋爐23和第二換熱器19構成。所述電控箱5分別與第一、第二、第三電動三通閥3、9、22連接外，和檢測空氣溼度傳感器6、空氣溫度傳感器7、海水溫度傳感器8以及熱水溫度傳感器18相連接。
[0030]所述水處理設備2與第一電動三通閥3的進口連接，所述第一電動三通閥3兩齣口分別與所述的第一換熱器4及第三旁通支管21連接；所述柴油機12分別與第二電動三通閥9及船用燃油組合鍋爐23的進口連接，所述第二電動三通閥9兩齣口分別與所述的第一換熱器4及第一旁通支管10連接，所述的船用組合鍋爐23的出口分別與第二換熱器19連接；所述第一換熱器4與第三旁通支管21的混合出口與第三電動三通閥22的進口連接，所述的第二換熱器19及第二旁通支管20分別與所述第三電動三通閥22兩齣口連接。
[0031](I)夏季製冷、加熱生活熱水及重油模式:在此模式下，海水泵1、第一、第二循環泵11、15開啟，控制第一、第三電動三通閥3、22換至第三、第二旁通支管21、20，切換第二電動三通閥9，冷卻水流向第一旁通支管10。
[0032]海水迴路:低溫熱源(海水)經過水處理設備2過濾除沙後通過第一電動三通閥3進入第三旁通支管21，流經第三電動三通閥22後進入第二旁通支管20，隨後流經冷凝器17進行吸熱，將高溫高壓製冷劑的熱量轉移至海水中以降低製冷劑溫度。
[0033]此時，四通換向閥25的a點與b點相連，c點與d點相連。製冷劑經過壓縮機24壓縮後經過四通換向閥25，進入冷凝器17進行冷凝吸熱，冷凝後通過節流機構16進入蒸發器13進行熱交換製取冷水，之後被壓縮機24吸入進行下一個循環。
[0034]熱回收回路:柴油機12產生熱量傳遞至柴油機12內部通道的缸套水，缸套冷卻水經過第二電動三通閥9，進入第一旁通支管10，之後通過第一循環泵11進行下一個循環。柴油機12工作時的排氣廢熱通過管道進入船用燃油廢氣組合鍋爐23進行加熱，產生的飽和蒸汽主要用於船舶上的重油、油艙及生活用水等的加溫介質。
[0035](2)冬季航行制熱模式:此時，海水泵1、第一循環泵11及第二循環泵15開啟，控制第一、第三電動三通閥3、22切換至第一、第二換熱器4、19，控制第二電動三通閥9使缸套冷卻水流經第一換熱器4。
[0036]海水迴路:低溫熱源(海水)經過水處理設備2過濾除沙後通過第一電動三通閥3進入第一、第二換熱器4、19與缸套冷卻水及蒸汽進行換熱，換熱後的海水溫度升高，隨後流經蒸發器17，將海水的熱量傳遞至製冷劑，放熱後的低溫海水排入大海。
[0037]此時，四通換向閥25的a點與d點相連，b點與c點相連。製冷劑經過壓縮機24壓縮後經過四通換向閥25，進入冷凝器13冷凝放熱，冷凝後通過節流機構16，進入蒸發器17進行熱交換製取冷水，之後被壓縮機24吸入進行下一個循環。
[0038]熱回收回路:柴油機12產生熱量傳遞至柴油機內部通道的缸套水，缸套冷卻水經過第二電動三通閥9，進入第一換熱器4與新鮮的海水進行換熱，換熱之後冷卻水通過第一循環泵11進行下一個循環。船用燃油廢氣組合鍋爐23通過回收柴油機12的排氣餘熱加熱生產飽和蒸汽，之後蒸汽進入第二換熱器19與海水進行熱交換，以提高海水溫度。
[0039](3)冬季錨泊制熱模式:在船舶錨泊期間，主機是停止工作的，而發電柴油機的餘熱在錨泊時又很少。為了保證船舶在整個使用時間內(包括航行時間和非航行時間)船舶空調的正常工作，如果完全利用主、輔機的廢熱來提高熱源溫度，顯然不可取。在此模式下，第一循環泵11關閉，海水泵1及第二循環泵15開啟，控制第一電動三通閥3切換至第三旁通支管21，切換第二電動三通閥9，冷卻水流向第一旁通支管10，第三電動三通閥22切換至第二換熱器19。
[0040]海水迴路:低溫熱源(海水)經過水處理設備2過濾除沙後通過第一電動三通閥3進入第三旁通支管21，隨後進入第二換熱器19與蒸汽進行換熱，換熱後海水流入蒸發器17進行放熱，將海水的熱量傳遞至製冷劑，放熱後的低溫海水排入大海。
[0041]製冷劑迴路:此時，四通換向閥25的a點與d點相連，b點與c點相連。製冷劑經過壓縮機24壓縮後經過四通換向閥25，進入冷凝器13進行冷凝放熱，冷凝後通過節流機構16進入蒸發器17進行熱交換製取冷水，之後被壓縮機24吸入進行下一個循環。
[0042]熱回收回路:此時，柴油機12停止工作，無法提供套缸冷卻水餘熱和排氣餘熱。此時，船用燃油廢氣組合鍋爐23通過燃油加熱生產飽和蒸汽，之後蒸汽進入第二換熱器19與海水進行熱交換，以提高海水溫度。
[0043]以上所述僅為本發明專利的較佳實施例，本發明專利的保護範圍並不局限於此。任何基於本發明專利技術方案的等效變換均屬於本發明專利的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種高效船用海水源熱泵空調系統，其特徵是:包括海水迴路、製冷劑迴路、熱回收回路以及電控箱(5)，所述海水迴路由海水泵(I)、水處理設備(2)、第一電動三通閥(3)、第一換熱器(4)、第三電動三通閥(22)、第二換熱器(19)、蒸發器(17)依次通過管道連接構成；所述製冷劑迴路依次由壓縮機(24)、冷凝器(13)、節流機構(16)以及蒸發器(17)通過管道連接構成；所述熱回收回路由第一換熱器(4)、第一循環泵(11)、柴油機(12)、第二電動三通閥(9)、船用燃油廢氣組合鍋爐(23)和第二換熱器(19)依次通過管道連接構成；所述電控箱(5)分別與第一、第二、第三電動三通閥(3)、(9)、(22)、檢測空氣溼度傳感器(6)、空氣溫度傳感器(7)、海水溫度傳感器(8)以及熱水溫度傳感器(18)相連接。
2.根據權利要求1所述的高效船用海水源熱泵空調系統，其特徵是:所述的第一電動三通閥(3)的另一出口還連接有與第一換熱器(4)相連接的第三旁通支管(21)。
3.根據權利要求1所述的高效船用海水源熱泵空調系統，其特徵是:所述的第二電動三通閥(9)的另一出口還連接有與第一循環泵(11)相連接的第一旁通支管(10)。
4.根據權利要求1所述的高效船用海水源熱泵空調系統，其特徵是:所述的第三電動三通閥(22)的另一出口還連接有與第二換熱器(19)相連接的第二旁通支管(20)。
5.根據權利要求1所述的高效船用海水源熱泵空調系統，其特徵是:所述的冷凝器(13)還通過管道連接有第二循環泵(15)。
6.根據權利要求1所述的高效船用海水源熱泵空調系統，其特徵是:所述的冷凝器(13)與蒸發器(17)之間還設置有與壓縮機(24)相連通的四通換向閥(25)。
7.—種如權利要求1所述高效船用海水源熱泵空調系統的控制方法，其特徵是:根據不同季節，不同時期，不同海域確定輔助熱源的切換，具體包括以下步驟: (1)通過空氣溫度傳感器(7)實時檢測空氣溫度Tif,再根據當地實時時間綜合計算出當日的平均溫度T S￥,通過海水溫度傳感器(8)實時檢測海水溫度?#，通過空氣溼度傳感器(6)實時檢測空氣溼度R，通過熱水溫度傳感器(18)實時檢測熱水溫度Ts;由所測空氣溼度R和計算出的平均空氣溫度T S￥,確定當時所在的季節； (2)根據當地地理環境確定冬季和夏季的空氣溼度設定值，當空氣溼度達到夏季設定值，且25°C則判定為夏季，實現空調系統製冷模式；當空氣溼度小於冬季設定值，且 15°C則判定為冬季，實現空調系統制熱模式；當空氣溼度為非設定值，且15°C<TS〒< 25°C則判定為過渡季節； (3)根據步驟(I)檢測的海水溫度、熱水溫度以及步驟(2)所確定的季節，確定輔助熱源的控制方法；依據熱水溫度傳感器(18)檢測加熱後的海水溫度，確定輔助熱源的啟停，以及第一、第三電動三通閥(3)、(22)的開閉。
8.根據權利要求7所述的高效船用海水源熱泵空調系統的控制方法，其特徵是:所述的製冷模式是以海水為冷源進行製冷，船舶餘熱生產生活熱水及加熱重油和油艙。
9.根據權利要求7所述的高效船用海水源熱泵空調系統的控制方法，其特徵是:所述的制熱模式為冬季航行制熱模式和冬季錨泊制熱模式兩種，其中冬季航行制熱模式是以海水為熱源，同時使用缸套冷卻水餘熱和柴油機排氣餘熱輔助加熱海水；冬季錨泊制熱模式是以海水為熱源，同時使用船用燃油廢氣組合鍋爐燃油加熱產生的蒸汽為輔助熱源加熱海水。
10.根據權利要求9所述的高效船用海水源熱泵空調系統的控制方法，其特徵是，所述的熱源為由海水、柴油機缸套冷卻水和蒸汽串聯構成。
【文檔編號】B63J2/12GK104354847SQ201410532794
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年10月10日 優先權日:2014年10月10日
【發明者】趙忠超, 豐威仙, 張嬌嬌, 周根明, 楊興林, 秦伯進 申請人:江蘇科技大學