一种海水热源利用的船用空调机的制作方法

本发明涉及一种船舶上使用热泵技术，具体是以更低的成本获得高效节能、绿色环保的热泵系统，特别是涉及一种充分利用船舶余热的可切换控制的热回收型高效海水源热泵，属于空调工程技术领域。

技术背景

随着全球经济一体化程度的不断提高，世界货物运输量的90％以上主要通过船舶，消耗了大量的化石能源，是造成海洋污染的主要因素。如何实现船舶运营的节能增效，提高船舶运营综合能效系数，降低污染物的排放，已成为航运界越来越关注的重要课题。作为占船舶能耗20％的船舶空调系统，通过采用新型船舶空调技术实现其节能降耗，对船舶运营综合能效系数的提高具有重要意义。海水源热泵技术是适应可持续发展战略要求而发展的一种新型的集制冷、制热于一体的空调系统，具有高效节能、绿色环保的优点。

目前，船用空调基本上使用常规风冷或水冷系统，少数船用空调利用海水做冷热源。申请号为201120030749.2的专利，公开了一种船用海水源热泵空调系统，主要由制冷剂循环系统、船底换热介质环路系统和空调水系统组成。该空调系统是将聚乙烯盘管构成的集成回路安装在船底，使海水直接与盘管内的介质进行换热，同时由于轮船的高速行驶形成的湍流，大大增强了盘管的换热效率，理论上达到了高效节能的目的。然而，该系统的实际运行效果还有待商榷。首先，船速对盘管的换热效率影响较大，当船舶低速行驶或者停泊时，盘管的换热效率急速降低，进而导致该空调系统的整体效率大幅度降低。其次，实际工程中船舶属于流动载体，随其航行区域不同，热泵的低温热源(海水)的温度不断变化，当船舶行至海水温度低于10℃的海域时，该空调系统已不能正常运行甚至无法运行。

申请号为201220622911.4的专利，公开了一种余热回收分布式能源与海水热泵耦合系统，该系统是燃气机燃烧天然气带动发电机，发电机发电驱动热泵产生一部分热量；同时燃气机产生的烟气进入到余热锅炉中，冷凝换热器和吸收式热泵分别吸收余热锅炉排放出的烟气和蒸汽，冷凝换热器放出的热量输入吸收式热泵中，从而提供另一部分热量，在一定程度上提高了系统的整体效率，达到了节能环保的目的，但实际上并不理想。首先，该系统余热回收利用率较低，中介质水温仅提高2℃，系统效率提高6％左右，节能效果并不明显。其次，在船舶锚泊期间，主机停止工作，此时无余热可回收，海水温度低的难题依然存在，该系统在海水温度低的海域依然无法运行。而且，燃气轮机的体积非常大，一般用于排水量大的船舶上，应用范围受到限制。目前绝大多数的船舶都在使用内燃机中的往复式柴油机作为主机，为船舶提供动力。船舶余热资源极其丰富，主机作为船舶的动力和能源中心，仅有50％的热量转换为有用功，其余的热量则以各种方式被带走，主要分为缸套冷却水余热和柴油机排气余热两种形式。船舶主机为几千千瓦甚至上万千瓦的大功率柴油机，其缸套冷却水的温度为70℃～95℃，其排烟温度300℃～450℃；而发电机功率为200kw～400kw的中速柴油机，其冷却水的温度为65℃～80℃，排烟温度为300℃～400℃。这些余热均可以作为海水源热泵的辅助热源。因此，将陆地技术船用化非常具有实用意义。

技术实现要素：

本发明的目的是针对上述现有技术所存在的缺陷和问题，提出通过合理的控制策略，充分利用船舶工作时的环境热量，再结合船舶主、辅机(柴油机)排至大气的废热，夏季将此热量加热生活用水以及船舶上的重油，冬季则为海水预热以提高低温热源的温度，最大化利用资源为船舶提供优质的能源，为船舶上的船员提供一种更高效率和更低成本的空调系统。

本发明的海水热源利用的船用空调机充分利用船舶航行条件，将取之不尽的海水热量充分利用起来，再回收船舶航行时主、辅机排出的废热，通过合理的系统控制策略，最大化利用船舶上的余热，克服低温海域制热困难的缺点，保证系统在低温海域和锚泊时皆可正常甚至高效运行，提高柴油机的工作效率以及减少废热对环境的污染。实现船舶空调系统全天候、全海域高效运行，降低船舶废热的排放、提高船舶运营综合能效系数的目的。

为实现上述的目的，本发明采用如下技术方案：

一种海水热源利用的船用空调机，由海水回路、制冷剂回路、热回收回路及电控箱5构成。其中，所述海水回路由海水泵1、水处理设备2、第一电动三通阀3、第一换热器4、第三电动三通阀22、第二换热器19、蒸发器17依次连接构成。所述制冷剂回路由依次连接的压缩机24、冷凝器13、节流机构16及蒸发器17构成。本发明的热回收主要分为缸套冷却水余热和柴油机排气余热两种形式。柴油机12产生热量传递至柴油机12内部通道的缸套水，缸套水通过第一换热器4将热量传递给海水；柴油机12工作时的排气废热通过管道进入船用燃油废气组合锅炉23进行加热，产生的饱和蒸汽经过第二换热器19与海水换热。所述的热回收回路由柴油机12、第一循环泵11、第二电动三通阀9、第一换热器4、船用燃油废气组合锅炉23和第二换热器19构成。其中，船用燃油废气组合锅炉23除燃油加热生产饱和蒸汽外，亦回收柴油机12排气余热生产蒸汽。此锅炉主要用于船舶上的重油、主机缸套水、油舱、生活用水以及空调等的升温介质，其对节能减排及提高船用燃油总效率有积极的意义。所述电控箱分别与第一、第二、第三电动三通阀3、9、22连接外，还分别与检测空气湿度传感器6、空气温度传感器7、海水温度传感器8以及热水温度传感器18相连接。

所述热源由海水、缸套冷却水和蒸汽串联构成，所述水处理设备2与第一电动三通阀3的进口连接，所述第一电动三通阀3两出口分别与所述的第一换热器4及第三旁通支管21连接；所述柴油机12分别与第二电动三通阀9及船用燃油废气组合锅炉23的进口连接，所述第二电动三通阀9两出口分别与所述的第一换热器4及第一旁通支管10连接，所述船用燃油废气组合锅炉23的出口与第二换热器19连接；所述第一换热器4与第三旁通支管21的混合出口与第三电动三通阀22的进口连接，所述的第二换热器19及第二旁通支管20的进口分别与所述第三电动三通阀22两出口连接。

本发明的海水热源利用的船用空调机的控制方法，在不同季节，不同时期，不同海域确定辅助热源的控制方法，具体包括以下步骤：(1)通过空气温度传感器7实时检测空气温度t环，再根据当地实时时间综合计算出当日的平均温度t空平，通过海水温度传感器8实时检测海水温度t海，通过空气湿度传感器6实时检测空气湿度r，通过热水温度传感器18实时检测热水温度t热；由所测空气湿度r和计算出的平均空气温度t空平，确定当时所在的季节；

(2)根据当地地理环境确定冬季和夏季的空气湿度设定值，当空气湿度达到夏季设定值，且t空平≥25℃则判定为夏季，实现空调系统制冷模式；当空气湿度小于冬季设定值，且t空平≤15℃则判为冬季，实现空调系统制热模式；当空气湿度为非设定值，且15℃＜t空平＜25℃则判定为过渡季节；

(3)根据检测的海水温度、热水温度以及所确定的季节，确定辅助热源的控制方法。热水温度传感器18检测加热后的海水温度，确定辅助热源的启停，以及第一、第三电动三通阀3、22的开闭。

本发明的海水热源利用的船用空调机的运行主要三种模式，具体运行方式如下：1)夏季制冷、加热生活热水及重油模式：在此模式下，海水泵1、第一、第二循环泵11、15开启，控制第一、第三电动三通阀3、22换至第三、第二旁通支管21、20，切换第二电动三通阀9，冷却水流向第一旁通支管10。

海水回路：低温热源(海水)经过水处理设备2后通过第一电动三通阀3先后进入第三、第二旁通支管21、20，随后流入冷凝器17，从高温高压制冷剂的吸收热量。

制冷剂回路：制冷剂经过压缩机24压缩后进入冷凝器17，冷凝后通过节流机构16进入蒸发器进行热交换，之后被压缩机24吸入进行下一个循环

热回收回路：柴油机12产生热量传递至柴油机12内部通道的缸套水，缸套冷却水经过第二电动三通阀9，进入第一旁通支管10，之后通过第一循环泵11进行下一个循环。柴油机12工作时的排气废热通过管道进入船用燃油废气组合锅炉23进行加热，产生的蒸汽主要用于船舶上的重油、油舱及生活用水等的加温介质。

2)冬季航行制热模式：此时，海水泵1、第一循环泵11以及第二循环泵15开启，控制第一、第三电动三通阀3、22切换至第一、第二换热器4、19，控制第二电动三通阀9使缸套冷却水流经第一换热器4。

海水回路：低温热源(海水)经过水处理设备2后通过第一电动三通阀3先后进入第一、第二换热器4、19进行换热，随后流经蒸发器17，将海水的热量传递至制冷剂。

制冷剂回路：通过转换四通换向阀25，制冷剂经过压缩机24压缩后进入冷凝器13，冷凝后通过节流机构16进入蒸发器17进行热交换，之后被压缩机24吸入进行下一个循环。

热回收回路：柴油机12产生热量传递至柴油机12内部通道的缸套水，缸套冷却水经过第二电动三通阀9，进入第一换热器4，之后通过第一循环泵11进行下一个循环。船用燃油废气组合锅炉23通过回收柴油机的排气余热加热生产饱和蒸汽，之后蒸汽进入第二换热器19与海水进行热交换。

3)冬季锚泊制热模式：在此模式下，第一循环泵11关闭，海水泵1及第二循环泵15开启，控制第一电动三通阀3切换至第三旁通支管21，切换第二电动三通阀9，冷却水流向第一旁通支管10，第三电动三通阀22切换至第二换热器19。

海水回路：低温热源(海水)经过水处理设备2后通过第一电动三通阀3进入第三旁通支管21，随后进入第二换热器19，最后流经蒸发器17，将海水的热量传递至制冷剂。

通过转换四通换向阀25，制冷剂经过压缩机24压缩后进入冷凝器13，冷凝后通过节流机构16进入蒸发器17进行热交换，之后被压缩机24吸入进行下一个循环。

热回收回路：此时，柴油机12停止工作，无法提供套缸冷却水余热和排气余热。此时，船用燃油废气组合锅炉23通过燃油加热生产饱和蒸汽，之后蒸汽进入第二换热器19与海水进行热交换。

本发明的主要功能是为船舶提供更经济、环保的空调系统，将取之不尽的海水热量充分利用起来，再回收船舶航行时主、辅机排出的缸套冷却水余热和排气余热，通过合理的系统控制策略，充分利用工作时可利用的热量。在余热回收过程中，柴油机排放出的废热约占全部热量的50％，通过缸套冷却水余热的形式可回收18％～22.5％的热量，而22.5％～27％的热量通过回收利用排气余热的形式。夏季将此热量加热生活用水以及船舶上的重油；冬季则为低温海水预热，船舶停泊时利用燃油锅炉预热低温热源，海水温度大约可提高4.1℃，空调系统的整体运行效率提高了12.3％。本发明不但解决了常规船用海水源热泵空调系统不能全天候、全海域运行的技术屏障，同时通过有效回收利用船舶排至海水的余热和废热，进一步提高船舶能量的利用效率，实现低能耗、低排放和高能效的船舶空调系统。

附图说明

图1是本发明专利的船用热回收型海水源热泵原理图(冬季)。

图中：1.海水泵，2.水处理设备，3.第一电动三通阀，4.第一换热器，5.电控箱，6.空气湿度传感器，7.空气温度传感器，8.海水温度传感器，9.第二电动三通阀，10.第一旁通支管，11.第一循环泵，12.柴油机，13.冷凝器，14.空调末端，15.第二循环泵，16.节流机构，17.蒸发器，18.热水温度传感器，19.第二换热器，20.第二旁通支管，21.第三旁通支管，22.第三电动三通阀，23.船用燃油废气组合锅炉，24.压缩机，25.四通换向阀。

具体实施过程

下面结合附图1对本发明的技术方案做进一步说明：一种海水热源利用的船用空调机，包括海水回路、制冷剂回路、热回收回路以及电控箱5。所述海水回路由海水泵1、水处理设备2、第一电动三通阀3、第一换热器4、第三电动三通阀22、第二换热器19及蒸发器17依次连接构成。制冷剂回路由依次连接的压缩机24、四通换向阀25、冷凝器13、节流机构16及蒸发器17构成。热回收回路由第一换热器4、第一循环泵11、柴油机12、第一电动三通阀9、船用燃油废气组合锅炉23和第二换热器19构成。所述电控箱5分别与第一、第二、第三电动三通阀3、9、22连接外，和检测空气湿度传感器6、空气温度传感器7、海水温度传感器8以及热水温度传感器18相连接。

所述水处理设备2与第一电动三通阀3的进口连接，所述第一电动三通阀3两出口分别与所述的第一换热器4及第三旁通支管21连接；所述柴油机12分别与第二电动三通阀9及船用燃油组合锅炉23的进口连接，所述第二电动三通阀9两出口分别与所述的第一换热器4及第一旁通支管10连接，所述的船用组合锅炉23的出口分别与第二换热器19连接；所述第一换热器4与第三旁通支管21的混合出口与第三电动三通阀22的进口连接，所述的第二换热器19及第二旁通支管20分别与所述第三电动三通阀22两出口连接。

(1)夏季制冷、加热生活热水及重油模式：在此模式下，海水泵1、第一、第二循环泵11、15开启，控制第一、第三电动三通阀3、22换至第三、第二旁通支管21、20，切换第二电动三通阀9，冷却水流向第一旁通支管10。

海水回路：低温热源(海水)经过水处理设备2过滤除沙后通过第一电动三通阀3进入第三旁通支管21，流经第三电动三通阀22后进入第二旁通支管20，随后流经冷凝器17进行吸热，将高温高压制冷剂的热量转移至海水中以降低制冷剂温度。

此时，四通换向阀25的a点与b点相连，c点与d点相连。制冷剂经过压缩机24压缩后经过四通换向阀25，进入冷凝器17进行冷凝吸热，冷凝后通过节流机构16进入蒸发器13进行热交换制取冷水，之后被压缩机24吸入进行下一个循环。

热回收回路：柴油机12产生热量传递至柴油机12内部通道的缸套水，缸套冷却水经过第二电动三通阀9，进入第一旁通支管10，之后通过第一循环泵11进行下一个循环。柴油机12工作时的排气废热通过管道进入船用燃油废气组合锅炉23进行加热，产生的饱和蒸汽主要用于船舶上的重油、油舱及生活用水等的加温介质。

(2)冬季航行制热模式：此时，海水泵1、第一循环泵11及第二循环泵15开启，控制第一、第三电动三通阀3、22切换至第一、第二换热器4、19，控制第二电动三通阀9使缸套冷却水流经第一换热器4。

海水回路：低温热源(海水)经过水处理设备2过滤除沙后通过第一电动三通阀3进入第一、第二换热器4、19与缸套冷却水及蒸汽进行换热，换热后的海水温度升高，随后流经蒸发器17，将海水的热量传递至制冷剂，放热后的低温海水排入大海。

此时，四通换向阀25的a点与d点相连，b点与c点相连。制冷剂经过压缩机24压缩后经过四通换向阀25，进入冷凝器13冷凝放热，冷凝后通过节流机构16，进入蒸发器17进行热交换制取冷水，之后被压缩机24吸入进行下一个循环。

热回收回路：柴油机12产生热量传递至柴油机内部通道的缸套水，缸套冷却水经过第二电动三通阀9，进入第一换热器4与新鲜的海水进行换热，换热之后冷却水通过第一循环泵11进行下一个循环。船用燃油废气组合锅炉23通过回收柴油机12的排气余热加热生产饱和蒸汽，之后蒸汽进入第二换热器19与海水进行热交换，以提高海水温度。

(3)冬季锚泊制热模式：在船舶锚泊期间，主机是停止工作的，而发电柴油机的余热在锚泊时又很少。为了保证船舶在整个使用时间内(包括航行时间和非航行时间)船舶空调的正常工作，如果完全利用主、辅机的废热来提高热源温度，显然不可取。在此模式下，第一循环泵11关闭，海水泵1及第二循环泵15开启，控制第一电动三通阀3切换至第三旁通支管21，切换第二电动三通阀9，冷却水流向第一旁通支管10，第三电动三通阀22切换至第二换热器19。

海水回路：低温热源(海水)经过水处理设备2过滤除沙后通过第一电动三通阀3进入第三旁通支管21，随后进入第二换热器19与蒸汽进行换热，换热后海水流入蒸发器17进行放热，将海水的热量传递至制冷剂，放热后的低温海水排入大海。

制冷剂回路：此时，四通换向阀25的a点与d点相连，b点与c点相连。制冷剂经过压缩机24压缩后经过四通换向阀25，进入冷凝器13进行冷凝放热，冷凝后通过节流机构16进入蒸发器17进行热交换制取冷水，之后被压缩机24吸入进行下一个循环。