摘 要

空调系统是保障船舶舒适度的重要配置。船舶空调系统的驱动能量通常来自柴油机的发电，对船舶能耗以及大气污染物的排放产生了一定的贡献。邮轮对舒适度和绿色船舶技术提出了更高的要求，海水源热泵技术历经多年发展表现出可工程化应用的潜力，为邮轮设计和布置海水源热泵系统具有显著的节能减排优势。

本文围绕某中型邮轮海水源热泵系统的设计和布置问题，开展了如下研究工作：首先，通过查阅设计手册选择满足空调负荷的热泵器件的种类，计算器件的尺寸，规划选定器件的布置方案。对于前端换热器，则选取了各具优势的毛细管和螺旋盘管两种类型；然后，基于Simulink工具箱建立了海水源热泵系统的稳态仿真模型；最后，研究了两种换热器条件下海水源热泵系统的能效，据此确定了前端换热器的选型方案，并进一步计算了海水源热泵的制冷能力。

本文通过上述内容的研究，本文得到以下结论：

（1）相比于螺旋盘管换热器，海水源热泵使用毛细管换热器时的能效提升了18.1%。

（2）所设计的海水源热泵系统在海水温度为20℃的条件下，制冷能力达到2335.8kW，符合2300kW的设计目标。

（3）所设计的海水源热泵系统可实现在中型邮轮上的灵活布置。

关键词：中型邮轮；海水源热泵；配置；布置；前端换热器

Abstract

Air conditioning system is an important system to ensure the comfort of ships. Ship air conditioning system use electric energy usually come from diesel engine, which contributes to the energy consumption of the ship and the emission of air pollutants. Medium cruise ships put forward higher requirements for comfort and green ship technology. After years of development, seawater source heat pump technology has shown potential for engineering application. It has obvious advantages of energy saving and emission reduction in designing and arranging seawater source heat pump system for medium cruise ships.

This paper focuses on the design and layout of a medium-sized cruise sea water source heat pump system, and carries out the following research work: First of all, by consulting the design manual, select the types of heat pump parts that meet the air conditioning load, calculate the size of the parts, and plan the layout scheme of the selected devices. For the front-end heat exchanger, I selected capillary heat exchanger and spiral coil heat exchanger. Then, based on Simulink toolbox, I established the steady-state simulation model of seawater source heat pump system. Finally, I studied the energy efficiency of the seawater source heat pump system under two heat exchangers. According to this, I determined the selection scheme of front-end heat exchanger, and further calculated the refrigeration capacity of the seawater source heat pump.

In this paper, through the above research, the following conclusions are obtained:

1. Compared with spiral coil heat exchanger, the energy efficiency of seawater source heat pump using capillary heat exchanger is improved by 18.1%.
2. The designed seawater source heat pump system has a cooling capacity of 2335.8kW under the condition of seawater temperature of 20℃, which meets the design target of 2300kW.
3. The designed sea water source heat pump system can realize flexible arrangement on medium cruise ship.

Key Words：medium cruise；seawater source heat pump；choosing the parts；arranging the parts；front-end heat exchanger

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 研究现状 1

1.2.1 国外研究现状 1

1.2.2 国内研究现状 1

1.3 研究目标和内容 2

第2章 海水源热泵关键器件选型与布置 3

2.1海水源热泵系统的工作原理 3

2.2关键器件类型的选择 3

2.2.1 压缩机的类型 3

2.2.2 冷凝器的类型 4

2.2.3 蒸发器的类型 4

2.2.4 膨胀阀的类型 4

2.3关键器件性能参数的选定 4

2.3.1 热泵系统热力计算 4

2.3.2 压缩机的功率 5

2.3.3 蒸发器的换热量 5

2.3.4 冷凝器的换热量 6

2.3.5 膨胀阀的压降 6

2.3.6 换热器的具体参数 6

2.4海水源热泵系统布置方案 7

2.4.1 供回水管道的布置 7

2.4.2 海水源热泵机组的布置 8

2.5本章小结 8

第3章 中型邮轮海水源热泵系统的稳态仿真 9

3.1 仿真软件介绍 9

3.2 海水源热泵系统稳态模型的建立 9

3.2.1 前端换热器数学模型 9

3.2.2 海水源热泵机组数学模型 11

3.2.3 海水源热泵系统稳态仿真模型 13

3.3 海水源热泵系统的稳态仿真 13

3.3.1 模型参数的设置 13

3.3.2 研究变量 14

3.3.3 仿真结果和分析 14

3.4本章小结 16

第4章 结论与展望 17

4.1 结论 17

4.2 展望 17

参考文献 18

致谢 20

第1章 绪论

1.1 研究背景

二十世纪七十年代，太阳能、水能和风能等可再生新能源开始兴起^[1]，但传统的化石能源却走向枯竭。地球表面被水资源覆盖的面积高达71%，因此水能是取代化石能为人们提供动能的重要途径。在海水利用方面，与人们生活息息相关的就是空调方面的利用。

传统的船舶空调系统利用的是柴油机燃烧化石燃料产生的能量，这种方式能源利用效率低、污染十分严重，并且在利用过程中能量种类多次发生转换，增加了不必要的能量损失。水源热泵能量输入低，几乎无污染，设备简单，能量来源方便，是目前最理想的船舶空调供能设备。然而，它也存在能源利用效率低的问题，这是一直限制水源热泵技术发展的主要因素。

1.2 研究现状

1.2.1 国外研究现状

1998年，美国加州大学伯克利分校的Corina Stetiu选定了两栋办公楼，一栋安装了毛细管末端换热器空调，另一栋安装了传统末端换热器空调，它对两者进行了量化对比，通过分析试验数据发现：以毛细管作为空调末端换热器比传统的空调末端换热器的换热效果更好^[2]。

2002年，毛细管的研究取得了重大突破：德国首次提出了使用塑料为原料制造毛细管。这种毛细管克服了以往存在的管壁厚，传热系数低的自身问题，从而极大地提高了毛细管换热器的换热性能，并且还降低了制造成本^[3]。