通过集成低温热泵提高电池电动渡轮能源效率的案例研究

《Journal of Marine Engineering & Technology》：A case study of enhancing energy efficiency in battery-electric ferries through low-temperature heat pump integration

本研究以波罗的海某混合动力渡轮为对象，通过实测和模型分析，评估了在纯电池电动渡轮中集成低品位废热利用热泵系统的节能潜力。结果显示，热泵可将冬季供暖能耗降低9.5%，同时减少电池容量需求427kWh，热泵COP达3.5，验证了利用电池系统冷却废热实现能源循环的可行性，为渡轮全电动化转型提供技术路径。

　　在当今全球对可持续交通和减少碳排放的重视下，船舶的电气化和热能回收技术成为提升能效和经济性的重要方向。本研究聚焦于一种全电动电池驱动的渡轮，探讨通过集成低温水热泵系统，利用低温度废热实现船载供暖的可能性。这种技术不仅可以提高能源利用效率，还能降低对传统柴油发电的依赖，从而减少温室气体排放。通过对一艘混合动力柴油-电池驱动的Ro-Ro（滚装）渡轮进行实测分析，结合能量流动和热力学计算，研究发现热泵系统能够满足超过50%的供暖需求，其季节性性能系数（SCOP）达到3.5。这意味着，在供暖季节，与直接电加热相比，热泵可以减少渡轮的电力需求约9.5%。这些结果展示了热泵技术在电池驱动船舶中的巨大潜力，同时也为未来的船舶改造和运营策略提供了参考依据。

### 船舶电气化趋势与低温废热利用

随着国际海事组织（IMO）提出2050年实现航运净零排放的目标，以及欧洲联盟（EU）对航运业碳排放的严格限制，越来越多的船舶正在向电气化方向发展。特别是在短途航运领域，如挪威和丹麦等国家，电池驱动的渡轮已经逐步成为主流。这些国家的渡轮主要服务于岛际和近海航线，具备良好的条件利用低温废热进行供暖。相比之下，深海航运仍然主要依赖柴油动力系统，尽管近年来混合动力和电池辅助技术也有所应用，但其主要原因是深海航行对续航能力和能源密度的要求更高，而电池技术在这些方面仍有局限。

电池驱动船舶的热管理需求与传统船舶有所不同。由于电池系统运行时的温度通常较低，且没有内燃机产生的高温废热，因此必须通过专门的冷却系统来维持电池和功率电子设备的正常工作温度。然而，这些低温废热却未被充分利用，造成能量浪费。相比之下，传统的柴油船舶通过内燃机运行产生的高温废热，可以被用于船载供暖、蒸汽生产或其他热能需求。因此，如何将低温废热转化为有用的热能，成为电池驱动船舶能效提升的关键。

在这一背景下，低温水热泵技术展现出显著的优势。通过利用电池和功率电子设备的冷却循环中产生的低温废热，热泵可以将这部分能量重新用于船载供暖，从而减少对电网的依赖，降低整体能耗。研究指出，热泵的性能系数（COP）是其能效的核心指标，而低温热泵的COP通常高于直接电加热系统。例如，在本研究中，热泵的COP达到3.5，这意味着每消耗1 kWh的电能，可以产生3.5 kWh的热能。这一性能不仅有助于降低电力需求，还能够减少电池容量的需求，进而降低初始投资和运营成本。

### 低温热泵的技术挑战与优化潜力

尽管低温热泵在电池驱动船舶中的应用前景广阔，但其实施仍面临一定的技术挑战。首先，热泵的安装需要考虑空间限制和系统复杂性。船舶内部空间有限，尤其是在现有的混合动力系统中，如何在不干扰原有设备的情况下有效集成热泵系统，是一个需要解决的问题。其次，热泵的响应速度较慢，特别是在低温条件下，可能需要额外的备用加热系统以应对突发需求或低流量情况。此外，热泵系统对制冷剂的管理也至关重要，不同制冷剂对环境的影响差异较大，选择合适的制冷剂有助于减少碳足迹和环境影响。

然而，随着电池技术的不断进步，以及热泵系统设计的优化，这些问题正在逐步得到解决。例如，当前电池的平均成本已从2013年的260 kWh降至2023年的1000 kWh，并预计在2025年进一步降至1870 kWh。这一趋势使得电池驱动船舶的经济性显著提高，从而为热泵系统的应用提供了更坚实的基础。此外，热泵的性能也可以通过优化系统设计和选择合适的制冷剂来进一步提升，例如使用CO?或NH?等环保型制冷剂，既能提高热泵效率，又能减少对环境的负面影响。

### 实测数据与系统模型

为了更准确地评估热泵在电池驱动渡轮中的应用效果，本研究对一艘混合动力渡轮“Schleswig–Holstein”进行了为期5天的实测。该渡轮在北海水域运营，其电气系统包括2600 kWh的NMC电池和四台柴油发电机。通过NMEA接口和热能流动测量，研究人员获取了船舶的能耗和热能流动数据。实测结果显示，船舶在低温度冷却循环中释放的热能主要来自柴油发电机和电池系统，而电池系统在充电和放电过程中产生的热能也值得关注。

基于实测数据，研究人员构建了一个全电动模式的模拟场景，假设渡轮完全由电池驱动，并配备一个10 MWh的电池系统。该系统能够在港口充电，并在航行过程中提供足够的电力支持。同时，热泵系统被设计为利用电池和功率电子设备产生的低温废热，用于满足船载供暖需求。模拟结果显示，在全电动模式下，热泵系统能够提供足够的热能，满足50%以上的供暖需求，从而显著降低电力消耗。

### 经济与环境效益

从经济角度来看，热泵系统的引入可以大幅降低船舶的能源成本。在本研究中，假设船舶在供暖季节使用热泵，相比直接电加热，电力需求减少了9.5%。这一节省不仅有助于降低运营成本，还减少了对电网的依赖，使得船舶在特定条件下可以实现更独立的运行模式。此外，由于热泵的运行效率较高，其对电池容量的需求也相应减少，这为未来更大规模的电池系统设计提供了优化空间。

从环境角度来看，热泵系统能够有效减少温室气体排放。在传统的船舶运营中，柴油发电机是主要的热源，其排放的二氧化碳和其他污染物对环境造成较大压力。而热泵通过回收低温废热，减少了对柴油燃料的依赖，从而降低了船舶的碳足迹。同时，热泵系统的运行还可以结合可再生能源，如风能和太阳能，进一步提升船舶的可持续性。

### 未来发展方向与应用建议

为了实现更广泛的热泵应用，未来的研究需要关注几个方面。首先，应进一步优化热泵系统的设计，以适应不同类型的船舶和运营条件。例如，对于不同大小的渡轮，热泵的容量和效率需要根据实际需求进行调整。其次，应加强对热泵与电池系统协同工作的研究，探索如何通过智能控制和能量管理系统的优化，提高整体能效。此外，还需要关注热泵在不同季节的应用效果，尤其是在夏季，如何利用热泵进行冷却，以满足船舶的多样化需求。

同时，热泵系统的实施也需要考虑船舶的改造成本和运营策略。虽然热泵能够带来显著的经济和环境效益，但其初始投资较高，且对船舶的结构和空间布局提出了更高的要求。因此，在实际应用中，需要综合考虑船舶的改造成本、运营模式和长期收益，以实现最佳的经济效益和环境效益。

### 结论

综上所述，热泵技术在电池驱动渡轮中的应用具有显著的潜力。通过回收低温废热，热泵能够有效提升船舶的能源利用效率，减少电力消耗，并降低碳排放。本研究的实测数据和模拟结果表明，热泵系统可以满足超过50%的供暖需求，且在全电动模式下，电力需求减少9.5%。这不仅为渡轮的电气化提供了新的思路，也为未来的船舶设计和运营策略提供了重要参考。随着电池技术和热泵技术的不断进步，以及可再生能源的广泛应用，这种集成热泵的全电动渡轮模式有望成为实现可持续航运的重要手段。