渔船节能型制冷供暖与发电复合系统

夏玉梅，罗 翔，毛浩东，李志勇

（嘉兴学院 建筑环境与能源应用工程系，浙江嘉兴 314000）

0 引言

我国拥有近百万艘渔船，规模庞大，位居世界第一。其中，机动渔船数量占比超过60%[1]，以柴油为主要能源，90%的机动渔船均依靠柴油发动机驱动。然而，柴油机仅有54%的能量用于推进渔船航行以及运转捕捞机械，7%的能量被滑油及机表散热带走，39%的能量都随冷却水和废气排出[2]，每年因此浪费的余热总量巨大。

渔船柴油机排出的废气余热可达350～410 ℃[3]，能量品位较好，具有可观的利用价值，若能将渔船这部分余热资源化回收利用，将有望显著提高渔船的能源利用率、降低燃油消耗量。与此同时，船舶柴油机排放物已成为沿岸地区尤其是港口城市的主要大气污染源[4]，其排放的颗粒物（PMx）、二氧化硫（SO2）、氮氧化物（NOx）等大气污染物对空气质量影响较大，回收余热降低的柴油消耗量，也将有助于减少污染排放，改善沿岸地区大气环境。

从渔民角度来看，回收余热可节约柴油使用量，进而减轻渔民负担。目前柴油成本占渔民出海总成本的50%[2]，若能减少柴油用量，渔民出海成本将明显降低。此外，回收的余热若用于渔船生活区域的供暖或制冷，可以改善渔民出海期间的生活环境；富余的制冷量若用于辅助渔船冷藏舱保冷，还可进一步降低鱼舱保鲜成本。

1 渔船余热来源与用能需求分析

渔船柴油发动机的余热主要包括排气热以及冷却水、润滑油和机表的散热，如图1所示。润滑油和机表的散热较难回收。排气热和冷却水的余热存在回收的可能，这2部分能量约占总能量的40%，本文主要针对这2部分余热的回收利用。

图1 柴油发动机余热组成和占比

余热的利用有多种选择，具体采用何种利用方式，取决于多方面因素，包括余热的能量品位、渔船的实际用能需求、能源转化效率、设备耐久性和经济可行性等。从余热能源的供给端来看：排气热温度较高，利用方式选择余地较大，可用于温差发电，也可采用吸收式制冷实现余热供冷，或余热直接供暖；发动机冷却水余热温度较低，能量品位差，不能用于发电，但可以用于余热供暖，在条件允许情况下也可实现余热辅助供冷。从渔船的实际能源需求端来看，渔船上用能需求主要有生活区渔民的冬季供暖和夏天供冷需求、辅助鱼舱的冷藏用冷需求、诱鱼灯和生活照明的用电需求等。

对能量供给端和用能需求端进行分析，系统总体思路如图2所示。首先，对于能量品位较好的高温废气，优先考虑采用温差发电，满足渔船诱鱼灯和日常照明等用电需求；其次，温差发电后的余热水能量品位较低，可以与柴油发动机冷却水一同汇集到水箱，用于冬季渔民生活区的供暖，而在夏季等不需要供暖的季节，拟采用吸收式制冷对渔民生活区进行余热供冷，冷量富余的情况下还可以辅助鱼舱冷藏，减缓冷藏舱室冰块的融化速度；再则，考虑引入太阳能集热器，增加热水温度以提高吸收式制冷设备的运行效率，且太阳能热水在冬季也可以用于辅助供暖；最后，在太阳能集热器和吸收式制冷设备之间增设电辅供热装置，当水温不足时可补足温度，保障设备稳定运行。

图2 系统总体设计

2 系统硬件与集成布置

2.1 设备选择

2.2.1 吸收式制冷设备

渔船作为海上运载工具，运行环境较为恶劣，易受风浪等因素影响。虽然氨吸收式制冷技术成熟，且已广泛用于仓储冷冻冷藏等制冷需求领域，但氨气有毒、易泄漏且易燃，考虑到船体颠簸抖动等渔船实际环境特点，较易发生泄漏爆炸等危险事故。出于安全考虑，不采用氨吸收式制冷设备，而采用中小型溴化锂吸收式制冷机。中小型溴化锂吸收式制冷因其具有耗电少、无毒、无污染、无爆炸危险和安全可靠等优势，被誉为无公害的制冷设备，并且中小型溴化锂吸收式制冷机对外界条件变化的适应性强，可在较为宽泛的热媒水进口温度、冷媒水出口温度和冷却水温度范围内稳定运转，适合在渔船船载环境中使用。

2.2.2 温差发电装置

温差发电装置形式多样，在以汽车为代表的交通工具中，平板式温差发电最为普遍。汽车尾气的温差发电装置运行环境与渔船运行环境较为接近，二者均是将发动机的废气余热转化为电能，且都在移动平台上安装和运行。因此，采用汽车尾气余热利用中较为成熟的平板式温差发电装置，通过多组并联的方式放大，直接用于渔船发动机废气余热发电，在工程上最为经济可行。

2.2.3 太阳能集热器

引入太阳能的目的主要是为提高吸收式制冷机的进口热水温度，实现这一功能拟采用最为经济耐用的平板太阳能集热器。平板太阳能集热器结构简单、灵活精巧、运行可靠且成本低廉，与真空管太阳能集热器相比，平板太阳能集热器具有承受能力强、吸热面积大和易安装等特点，同时可适应渔船颠簸环境，是太阳能与渔船结合较好的一种集热器类型。

2.2.4 电辅热装置

前述吸收式制冷设备选用了中小型溴化锂吸收式制冷机，其进口水温度一般要求在75 ℃以上，在水温较低、日照不足或夜晚无太阳能加热的情况下，需额外能量来补足温度才可确保设备连续稳定运行。电加热装置市场已非常成熟，选购范围大且价格便宜。文本选用带温度感应的电加热装置，安装在太阳能集热器出水口和中小型溴化锂吸收式制冷机组进水口之间，以实现自动补足水温功能。

2.2 系统布置

中小型溴化锂吸收式制冷设备、温差发电装置和太阳能集热器等需要占用一定的空间，这些设备在渔船上的布置如图3所示。

图3 系统布置示意图

中小型溴化锂吸收式制冷机安装在柴油机和冷藏鱼舱之间，这一位置的选择主要考虑其距发动机排气管废气余热距离较近，热损失小，同时距离上方渔民生活区和侧面冷藏渔舱也较近，距离越短供冷效率越高。温差发电装置安装在机舱柴油机排气烟道起始端附近，这一位置废热温度较高，温差发电效果好，且多数渔船在这一位置具有一定的可使用可变空间，以满足平板式温差发电装置的占空性要求。太阳能集热器安装在驾驶舱顶部，这一位置不会影响渔民日常生产生活，且这部分空间位于渔船顶部，无遮挡，有利于充分利用太阳日照；驾驶舱顶部空间为平顶，可以满足平板式太阳能集热器的安装需求。

3 系统运行控制方案

集成到船载系统的几个模块，需要合适的运行方案以实现系统的协同运行，有效发挥每个模块的功能，进而达到预期的节能效果。考虑到不同季节温度条件差异供暖用冷需求不同，系统运行方案设计分为：冬季运行方案、夏季运行方案和春秋运行方案。运行方案的思路是：在冬季天气寒冷条件下，启动余热供暖，关闭生活区供冷，中小型溴化锂吸收式制冷机的冷量全部用于辅助鱼舱冷藏；在夏季天气炎热条件下，开启生活区供冷，关闭余热供暖，中小型溴化锂吸收式制冷机组的冷量也可用于生活区供冷和辅助鱼舱冷藏。春秋运行方案较为复杂，分为2种情况：在温度宜居舒适的情况下，考虑同时关闭生活区供暖和供冷，吸收式制冷冷量全部用于辅助鱼舱冷藏，以减缓冰块融化速度，从而减少冰块使用量；在温度异常条件下，则采用冬季或夏季方案，即温度低于设定值下限时，启动冬季运行方案；当温度高于设定值上限时，启动夏季运行方案。

3.1 冬季运行方案

冬季运行方案如图4所示：温差发电产生的余热水与柴油机冷却水汇集，优先用于居住区的供暖；若供暖量不足，可以通过太阳能集热器出水口的热水来辅助供暖。当供暖量富余时，太阳能出水口热水可用于吸收式制冷和辅助鱼舱冷藏，但是否启动制冷还需进一步判断：环境温度过低时，关闭制冷；当环境温度明显高于吸收式制冷温度时，则判断水温是否达到吸收式制冷进水口温度要求，若未达到，则启动电辅加热器进行升温后再进入中小型溴化锂吸收式制冷机制取冷量来辅助渔船冷藏舱保冷。所需的电量优先由温差发电提供，如果还有剩余电量，则可用于诱鱼灯及生活照明等。

图4 系统冬季运行方案

3.2 夏季运行方案

夏季运行方案如图5所示：温差发电产生的余热水与柴油机冷却水汇集后进入太阳能热水器。太阳能出水口需进行条件判断：若水温满足要求，则直接进入中小型溴化锂吸收式制冷机，制取的冷量将优先给居住区供冷，余量可辅助渔船冷藏舱保冷；若水温不足，则通过电辅加热器进行升温后再进入中小型溴化锂吸收式制冷机。

图5 系统夏季运行方案

3.3 春秋运行方案

春秋季气温条件多变。当温度过低时，直接启用冬季运行方案；当温度过高时，直接启用夏季运行方案；当温度适中时，生活区关闭供暖和制冷系统，启动图6所示的运行方案。温差发电产生的余热水与柴油机冷却水汇集，经太阳能热水器升温：若水温满足要求，则直接通入中小型溴化锂吸收式制冷机，制得的冷量用于辅助渔船冷藏舱保冷；若水温不足时，则经过电辅加热器加热后，再进入中小型溴化锂吸收式制冷机。

图6 系统春秋季运行方案

4 系统运行效果评价

4.1 节能效果分析

以浙江舟山为例，对较为典型的38 m长、年耗油量为60 t的中型渔船1年4个季节的能效进行分析。系统节能效果主要源于2方面：

1）柴油发动机废气和冷却水的余热回收。取决于燃油消耗量和出海天数。

2）太阳能。取决于舟山当地有效太阳辐射和渔民实际出海天数。

通过调研气象数据和采访舟山渔民可知，舟山地区年太阳辐射量为4.353×109J/m²，春夏秋冬出海天数分别为68 d、25 d、82 d和75 d。

可在38 m中型渔船驾驶舱顶部铺设7组2 m²的太阳能平板，保守估计太阳能集热器光热转换率为50%。按照舟山地区太阳辐射强度和渔民出海天数，可得1年回收的总太阳能为：Q太阳能＝1.975×1010J。

柴油比热为4.6×1010J/t，其燃烧产生热量的7%由冷却水吸收，32%由排气热排出，总量分别为：Q冷＝3.220×109J；Q排＝1.472×1010J。假定温差发电的转换率为6%[5]，则温差发电的集热效率为37%～40%[6]，取均值38.5%；中小型溴化锂的热力系数为0.68[7]，热交换损耗为总量的1/2。

将节能效果统一折算为达到相同供暖、制冷和发电效果所需的柴油量。发电量折算时，假定柴油发电效率为35%。计算结果如表1所示，年节约柴油总量为11.86 t，其中吸收式制冷由于运行天数最长，节约柴油效果最显著。

表1 浙江舟山不同季节余热回收利用节省的柴油量（单位：t）

4.2 不同气候地区运行效果比较

不同地区气候不同，供暖和制冷需求不同，休渔期和渔民实际出海天数也不同，因此节能减排效果存在差异。比较浙江舟山、辽宁大连和海南海口等3个典型地区系统运行的节能减排差异，分析结果如图7所示。节能分析计算与浙江舟山地区计算方法相同；减排效果计算可将节约的柴油量换算成减少排放的大气污染物量。折算依据《中国环境影响评价培训教材》中燃烧1 m3柴油排放的主要大气污染物总量：NOx（以NO2计）为8.57 kg/m3，SO2为10.00 kg/m3，烟尘为1.80 kg/m3。

从图7可以看出：节能方面按每年每艘渔船计，浙江地区发电模块可节约柴油3.291 t，吸收式制冷节约7.630 t，余热供暖节约0.939 t，1年共节约柴油11.860 t。相比浙江地区而言，辽宁地区1年节约柴油总量略少，为10.370 t，其中，温差发电模块每年节约柴油3.291 t，吸收式制冷节约5.514 t，余热供暖节约柴油1.565 t。海南地区运行效果最好，1年节约柴油总量为14.267 t，其中，温差发电模块节约3.291 t，吸收式制冷节约10.976 t。

减排方面按每年每艘渔船计，其计算公式为m污染物＝m柴油/ρ油密度·V单位体积排放量。结果如图7所示：浙江地区减少排放NOx（以NO2计）为119.53 kg，SO2为139.47 kg，烟尘为25.11 kg；辽宁大连地区减少排放NOx以NO2计）104.51 kg，SO2为121.95 kg，烟尘为21.95 kg；海南海口地区减少排放NOx（以NO2计）143.79 kg，SO2为167.78 kg，烟尘30.20 kg。

图7 不同地区节能减排效果分析

由此可知系统运行效果：系统在海南沿海节约柴油的量最多，减少柴油燃烧污染物排放量也最大；在辽宁沿海节约柴油的量最少，柴油燃烧的污染物排放量也最小，说明系统方案更适用于夏季更长、冬季更短的地区，节能减排效果更为显著。

4.3 系统经济性分析

通过查阅资料和市场调研可知，中小型溴化锂吸收式制冷机成本为200 000～300 000 元，温差发电装置成本为45 000～60 000 元，太阳能集热器及其配件成本10 000～15 000 元，电辅热装置成本1 000～2 000 元，余热供暖系统成本5 000～10 000元，安装及维护成本占总成本的30 %～40%。节约柴油的收益，按照7 700 元/吨估算，计算结果如表2所示。

表2 不同地区成本收益分析

5 结论

本文针对沿海渔船燃油能源利用率低的问题，提出了余热综合利用系统，将中小型溴化锂吸收式制冷、温差发电和太阳能辅助供热等模块集成到船载空间，提出不同季节条件下的系统运行方案，主要研究结论如下：

1）系统船载集成和运行方案实现了夏季余热供冷为主、冬季余热供暖为主、四季常态化温差发电及制冷的综合能源利用方式，提高了渔船柴油能源的综合利用率。

2）节能效益分析表明，在我国多数沿海地区气候条件下，系统节约燃油所产生的收益可以覆盖设备成本投入，投资回收年限小于设备和渔船生命周期，具有良好的推广应用价值。

3）面向浙江、辽宁和海南不同气候地区的成本收益分析表明，系统方案更适用于夏季较长、冬季较短的沿海捕鱼区，节能减排效果更为显著。