doi: 10.52899/24141437_2026_03_365
UDK: 621.577:629.5.064

Exergetic Assessment of Marine Heat Pump Units With a Low‑Grade Heat Source: Seawater

Логинова А. А., Логинова Е. А., Алексин Е. Н.
Article language: русский
Citation Link: Логинова А.А., Логинова Е.А., Алексин Е.Н. Эксергетическая оценка судовых теплонасосных установок с низкопотенциальным источни- ком тепла «забортная вода» // Труды Санкт-Петербургского государственного морского технического университета. 2026. Т. 5, № 3. С. 365–372. DOI: 10.52899/24141437_2026_03_365 EDN: PDKXTE

Annotation

Актуальность. Декарбонизация морского транспорта требует вовлечения возобновляемых источников энергии в судовые энергосистемы. Забортная морская вода является неисчерпаемым низкопотенциальным источником тепла, однако её эффективное использование тепловыми насосами на различных хладагентах в судовых условиях изучено недостаточно.  Цель. Провести сравнительный энергетический и эксергетический анализ судовых тепловых насосов типа «вода-вода» с возобновляемым источником (забортная морская вода) на хладагентах R134a, R407C и R717 для условий Балтийского, Северного морей и арктических акваторий и выработать рекомендации по выбору рабочего тела.  Методы. Выполнены параметрические расчёты для температур источника от -1,5 °C (морская вода под ледовым покровом) до 10 °C (летний период) при температуре конденсации 50 °C и теплопроизводительности 100 кВт. Использованы энергетический (коэффициент трансформации - COP) и эксергетический методы с локализацией потерь в компрессоре, конденсаторе, терморегулирующем вентиле и испарителе. Учтены судовые факторы: коррозионная активность, вибрации, массогабаритные ограничения.  Результаты. Аммиак (R717) показал наилучшие результаты: COP = 5,91, эксергетический КПД ηex = 0,331, минимальные массовый (0,008 кг/с) и объёмный (0,00158 м3/с) расходы. При снижении температуры источника до -1,5 °C COP R717 составил 3,85, что выше летних показателей R134a. Эксергетические потери для R717 максимальны в конденсаторе (41,4%), для R134a и R407C - в компрессоре (45,6 и 38,2% соответственно).  Заключение. Выполнен сравнительный эксергетический анализ судовых тепловых насосов с возобновляемым источником (забортная морская вода) для широкого диапазона температур источника, включая отрицательные значения (до -1,5 °C), с обоснованием незамерзания солёной воды. Установлено, что аммиак (R717) является термодинамически наиболее эффективным хладагентом: COP = 5,91, ηex = 0,331 при T1 = 10 °C; даже при -1,5 °C COP = 3,85, что позволяет использовать тепловые насосы в арктических условиях. На основе анализа эксергетических потерь определены приоритетные направления оптимизации: для R717 - высокоэффективные компактные конденсаторы; для R134a/R407C - надёжные компрессоры с высоким КПД и электронные расширительные вентили. Использование тепла забортной воды как возобновляемого источника энергии позволяет заместить 30-40% тепловой нагрузки судна, снизив расход топлива и выбросы CO2. Keywords: тепловой насос,судовая энергетическая система,возобновляемые источники энергии,низкопотенциальное тепло морской воды,эксергетический анализ,хладагенты,R134a,R407C,аммиак,энергоэффективность судов

Bibliography

1. IMO. Initial IMO Strategy on reduction of GHG emissions from ships.
Resolution MEPC. 304(72). London; 2018. 27 p.
2. Brodianskii VM, Fratsher B, Mikhalek K. Exergy method and its applications.
Moscow: Energoatomizdat; 1988. 288 p. (In Russ.) ISBN: 5-283-00152-0.
3. Baldi F, Ahlgren F, Melini F, Gabrielli C. Optimal load allocation
of complex ship power plants with waste heat recovery systems.
Energy Conversion and Management. 2016:124(2):344–356.
doi: 10.1016/j.enconman.2016.07.009
4. Comprehensive review of heat exchanger technology for marine heat
pumps: Geometries, performance, and challenges. E3S Web of Conferences.
2026;726;01016. doi: 10.1051/e3sconf/202672601016.
5. wartsila.com [Internet]. Wärtsilä. Energy efficiency of cruise vessels:
case studies. Available from: https://www.wartsila.com/ (accessed:
April 20, 2026).
6. DNV. Rules for classification of ships. July 2023 edition. Oslo:
DNV; 2023. Available at: https://www.dnv.com (accessed: April 20,
2026).
7. Lorentzen G. The use of natural refrigerants: a complete solution
to the CFC/HCFC predicament. Int J Refrig. 1995;18(3):190–197.
doi: 10.1016/0140-7007(94)00001-E
8. American Bureau of Shipping (ABS). Guide for marine vessel air
conditioning and refrigeration. Houston; 2021. 62 p.
9. marine.copernicus.eu [Internet]. Copernicus marine service. Sea surface
temperature data for the Baltic and North Seas. Available from: https://
marine.copernicus.eu/ (accessed: April 20, 2026).
10. Bejan A., Tsatsaronis G., Moran M. Thermal design and optimization.
New York: Wiley; 1996. 560 p. ISBN: 0-471-58467-3.
11. International Maritime Organization (IMO). International code of
safety for ships using gases or other lowflashpoint fuels (IGF Code).
London; 2015. 128 p.