姚建军，宫冠军

（中海油能源发展装备技术有限公司，天津 300000）

社会经济和科学技术的快速发展，势必有着更高的能源需求，而现在面临的能源枯竭以及环境污染问题加剧，人们不得不考虑资源节约以及绿色低碳的重要性。在大力推进生态文明建设的形势下，尤其是我国颁布《中华人民共和国节约能源法》和《中华人民共和国清洁生产促进法》后，节能减排的理念深入人心，许多相关的技术措施，如热泵技术等也被广泛应用。

随着热泵技术的发展，海水源热泵系统代替传统的锅炉房和制冷机为建筑内供热、制冷，已成为可再生能源利用的实用技术之一。国外海水源热泵的研究与应用主要集中在中、北欧以及北美等地区，国内的青岛、大连、天津等一些城市也已开始开发利用海水源热泵空调系统为建筑供热、制冷。目前，国内外一些专家学者从系统可行性、环境能耗评价、前端换热设备研究以及实际应用分析等方面对海水源热泵技术进行了大量的研究。

刘宏昌等[1]提出我国全程海域水温均适于做冷水机组的冷源，并选取渤海、黄海、东海海域的典型代表城市大连、天津、青岛、上海和温州5 座城市进行了供热适宜性的讨论，得出5 座城市均适宜使用海水源热泵，且适宜性排序为青岛、大连、温州、天津和上海。朱培根等[2]对海水源热泵被使用在上述5 个典型海滨城市时的系统能效进行了分析。从经济效益上分析，海水源热泵供暖过程中对一次能源的使用效率在96%～121%。杨淑波等[3]从海水源热泵排水温度对周围水域的影响出发，对海水源热泵系统尾排水进行温度影响模拟，得出近海区域海水源热泵系统尾排水对表层海水温度影响范围更广，随着深度的增加影响范围逐步减小，对于取排水口附近100 m×40 m 的水体，水体平均温度只较主流温度上升了0.12℃，影响范围有限，满足相关标准要求。

目前陆地利用热泵技术进行供暖制冷可采用两种方式，即空气源热泵和各类地表和地下的水源热泵。空气源热泵受室外气温影响较大。而以海水作为冷热源时，由于海水温度对空气温度响应较慢，在夏季，海水的温度低于室外空气温度，可降低热泵的冷凝温度；在冬季，海水的温度高于室外空气温度，可提高热泵的蒸发温度。因此，以海水作为冷热源的海水源热泵远比空气源热泵节能。

鉴于现有的海上石油平台空调系统的使用现状，通过热泵技术，使以海水为热源的海水源热泵系统取代原有的电加热系统，在满足海上石油平台冬季供暖需求的同时，利用四通换向阀实现热泵制冷、制热模式的切换，取代原有的风冷或海水压缩冷却系统，实现平台用户冬夏季制热、制冷需求的同时，减少一次能源的使用，减少SOX、CO2、NOX等污染物的排放，最终达到节能减排的改造目的。

1 数学模型

1.1 节能对比的数学模型

式中：M2为电加热折算标准煤的质量，单位为kg；η2为电加热效率，取0.95。

1.2 排放量减少的数学模型

式中，Δmw，i为第i 种污染物的排放减少量，单位为kg；ΔRw，i为单位质量标准煤燃烧产生的污染物的质量，单位为kg·kg-1。单位质量标准煤燃烧产生的污染物排放定额见表1。

表1 我国污染物排放定额

1.3 机组的数学模型

式中：Qw为热源侧海水的放热量，单位为kJ；Cw为海水的比热容，单位为J/（kg·℃）；Mw为海水的水流量；单位为kg/s；ΔT1为海水的进出口温差。

式中：Qa为冷凝器工质的放热量，单位为kJ；Ca为工质的比热容，单位为J/（kg·℃）；Ma为工质的质量流量，单位为kg/s；ΔT2为冷凝器工质的进出口温差。

2 实验研究

制热模式：海水源热泵是通过工质（壳程）从壳管式换热器里的海水（管程）吸热后，压缩机等熵压缩（理想状态）后，在翅片换热器加热空气后，流经节流阀，形成气液两相混合物后进入壳管式蒸发器，循环往复，实现制热。

制冷模式：翅片管换热器里的工质冷却周围空气后，吸入压缩机等熵压缩（理想状态），进入满液式换热器被海水冷却后，通过节流阀变成气液混合物后，进入翅片管换热器，以此循环往复。

冬夏季模式的切换，采用四通换向阀解决，为解决由于压差引起的回油问题，特加设了油路以及引射泵解决回油问题，压缩机进出口分别加设了油分离器以及气液分离器，制冷制热模式所需制冷剂的充注量不同，为保证机组正常工作，加设了储液器，以解决制冷剂过多的问题。实验过程全程由计算机实时监控，并且读取记录实验数据，计算机实时监视系统如图1 所示。

图1 计算机监视图

3 实验数据分析

海上石油平台冬季供暖要求单一机组，每小时制热量为60 kW，送风温度40℃左右，制冷剂为R22，供暖季120 d。因此假定机组每小时制热量为60 kW，不同机组的运行成本见表2。

表2 不同系统运行成本对比

计算所涉及的参数取值，有以下几点：

电：平均单价0.55 元/度；热值860 千卡/度；转化效率95%；

气：平均单价4.2 元/m3；热值8500 千卡/m3；转化效率88%；

油：平均单价7.23 元/kg；热值10000 千卡/m3；转化效率80%。

对比电加热系统，改造后的海水源热泵系统单一机组每年供暖季运行成本减少约75 198 元，运行成本仅为原机组的31.7%，大大地减少了供暖季机组运行成本，为热用户提供基本需求的同时，减少了使用支出。

为迎合“低碳环保，绿色发展”的理念，将平台供暖所用电能转化成碳排放量的方式计算改造后平台的环保性能，作为环保指标的对比。以海水源热泵供暖季每小时运行制热量52.8 kW 计算，以一天的制热量1 267.2 kW为计算标准。冬季运行一天海水源热泵系统与原有的电加热系统碳排放对比，其结果见表3。

表3 系统环保性对比

相比原系统，改造后的海水源热泵系统运行一天，各种污染物减少的排放量见表4。

表4 污染物排放减少量

由计算可知，海水源热泵机组相对于电加热系统减少的燃煤量为ΔM=M2-M1，为377.17 kg，改造后的海水源热泵机组耗能折算的燃煤量只占电加热机组的31.7%，节约了68.3%的标准煤使用量，节能减排效果显著。

实验过程分别以5℃、10℃、15℃、20℃、25℃、30℃的海水为热源，R2 为工质，通过控制变量进行实验，实验数据如图2 所示。

图2 系统性能变化图

如图2 所示，系统性能系数COP 随着热源温度的升高而增大，最小为2.6，最大可达到3.2 左右，翅片管换热器换热量在40 kW 左右，压缩机耗功为20 kW 左右，热源水放热量为25～40 kW，系统整体性能系数COP 约为3.0。

4 结论

通过实验数据整理分析可知，海水源热泵系统具有较高的可行性、稳定性、节能性和安全性。且该系统满足平台基本生活需要的同时，又能为平台带来经济效益，符合最初的改造目的。

（1）理论计算，与原系统相比，改造后的系统不仅操作方便，更减少了冬、夏季空调的用电量，为用户节省了空调的电能开销，冬季系统性能系数COP 更是达到了3.0，为用户节省了约66.6%的电能，单一机组运行时，以采暖季120 d 计算，采暖季运行的年值费用约为31 680元，单一机组运行时为平台节省了约63 360 元的供暖费用支出。

（2）单一机组运行时，改造后的系统一年采暖季可减少45.26 t 标准煤的消耗，同时SOX的年减少排放量约为1.36 t，CO2的年减少排放量约为124.47 t，NOX的年减少排放量约为0.18 t，粉尘的年减少排放量约为0.91 t。

（3）改造后的系统稳定性大大提高，使系统运行更加安全可靠，改造后的系统满足国家所提倡“碳达峰、碳中和”的发展理念，在满足用户舒适性需求的同时，实现了节能减排的目的，为海上石油平台的空调系统改造，提供了良好的参考方案，为未来沿海地区冬季供暖提供了更加安全、节能、稳定的方案，推动了热泵技术在我国的发展，为海上平台的空调系统发展提供了一个较好的发展方向。