蓄冷空調及氣體水合物蓄冷技術(shù)分析

隨著(zhù)國民經(jīng)濟的不斷發(fā)展，電力供應和需求的矛盾日益加劇，雖然建設大型燃煤電站和小型燃油電站可以緩解電力緊張的局面，但是經(jīng)濟的增長(cháng)、產(chǎn)業(yè)結構的調整、人民生活水平的提高使得電力需求直線(xiàn)上升，而且電力需求量晝夜變化大，出現巨大的峰谷差現象，即峰期電力緊張、谷期電力過(guò)剩．統計數字表明：我國東北電網(wǎng)的zui大峰谷差已達zui大負荷的37％，華北電網(wǎng)已達40％．出現電荷峰谷差的zui大原因就是空調用電的急劇增加．據統計，夏季空調用電占高峰用電負荷的比重，深圳約為40％，廣州約為30％，上海約為20％．一般來(lái)說(shuō)，當空調用電的比例超過(guò)15％，就成為影響電荷峰谷差的主要因素了．

為了平衡用電負荷、滿(mǎn)足電力需求，我國主要從改變發(fā)電量來(lái)適應電力需求的變化，但存在如下問(wèn)題：

(1)由于燃煤發(fā)電機組存在zui小出力，所以調峰能力有限；

(2)雖然燃氣輪發(fā)電機適合調峰的要求，但是由于燃燒燃料，成本高，投資大，增加了能源的外部使用成本；

(3)原子能發(fā)電只能承擔基本負荷，不適用于調峰，抽水蓄能電站電力調峰，但其電力轉換效率低于75％，初投資大，建設周期長(cháng)，且要有合適的地理位置．

這些問(wèn)題的存在，為蓄冷空調技術(shù)的發(fā)展提供了用武之地．蓄冷空調技術(shù)的應用，不僅可以調節能量供需，移峰填谷，平衡能量系統，而且可以降低能耗，節約運行費用，實(shí)現能量的合理利用．

1、蓄冷空調技術(shù)的發(fā)展與現狀

所謂蓄冷空調，即在夜間電網(wǎng)低谷時(shí)間(同時(shí)也是空調負荷很低的時(shí)間)，制冷主機開(kāi)機制冷并由蓄冷設備將冷量?jì)Υ嫫饋?lái)，待白天電網(wǎng)高峰用電時(shí)間(同時(shí)也是空調負荷高峰時(shí)間)，再將冷量釋放出來(lái)滿(mǎn)足高峰空調負荷的需要或生產(chǎn)工藝用冷的需求．蓄冷空調技術(shù)始于20世紀30年代，主要用于劇院、體育館等間歇性、負荷集中的場(chǎng)所．當時(shí)蓄冷只著(zhù)眼于減小制冷機容量和初投資．隨著(zhù)設備制造業(yè)的不斷發(fā)展，制冷機成本顯著(zhù)降低．但是，由于電耗的增加使得蓄冷系統的運行費用大大提高，以致于該項技術(shù)的發(fā)展陷于停頓．20世紀70年代以來(lái)，能源緊張、電力行業(yè)改革和實(shí)施需求側負荷管理(Demand_Side Management，縮寫(xiě)為DSM)以及環(huán)保意識的增強，蓄冷技術(shù)在歐美得到廣泛的應用．20世紀90年代美國大約30％的制冷系統采用蓄冷技術(shù)，本世紀初美國大約75％～80％的公共建筑中采用蓄冷空調系統．日本和我國的中國臺灣省20世紀80年代以來(lái)非常重視這項技術(shù)的開(kāi)發(fā)應用．目前，日本在電動(dòng)集中空調系統中已有60％采用蓄冷技術(shù)．我國中國臺灣省自1984年建成*個(gè)冰蓄冷空調系統以來(lái)，蓄冷空調技術(shù)發(fā)展很快，到1994年底就已經(jīng)建成225個(gè)蓄冷空調系統，總冷量高達2×106kwh，移嫁高峰用電超過(guò)5．2×104kw．1994年我國計委、電力部等部門(mén)決定實(shí)行電力供應峰谷不同電價(jià)政策，以推動(dòng)削峰填谷電的應用，緩解電力建設和新增用電的矛盾．1995年4月我國成立了全國蓄冷空調研究中心，1999年元月改名為中國節能協(xié)會(huì )蓄冷空調專(zhuān)委會(huì )．1998年底國務(wù)院頒布的國發(fā)[1998]32號文件及華北電管局華北電集營(yíng)[1998]30號文件強調"為了緩解高峰用電對電網(wǎng)安全穩定運行的壓力，保證經(jīng)濟發(fā)展和人民生活水平提高對電網(wǎng)的需要，要加大推動(dòng)峰谷電價(jià)差的力度，鼓勵用戶(hù)采用節電技術(shù)措施，鼓勵用戶(hù)多用低谷電，加快推廣蓄冷空調等削峰填谷的技術(shù)措施"．在這些政策的推動(dòng)下，我國蓄冷技術(shù)市場(chǎng)迅速發(fā)展，蓄冷已成為新興技術(shù)產(chǎn)業(yè)．雖然我國蓄冷空調起步比較晚，但全國范圍內采用蓄冷空調的工程逐年增加，據不*統計，我國至1997年底，開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)蓄冷設備的公司有11家，蓄冷工程數33個(gè)，zui大蓄冷系統的容量為7．48萬(wàn)RTH(進(jìn)口設備)，總蓄冷量約為20萬(wàn)RTH，可移峰10萬(wàn)kW，1998年以后各種冰蓄冷項目有50項左右．總之，蓄冷技術(shù)的應用在我國有廣闊的發(fā)展前景。

2、氣體水合物蓄冷技術(shù)

氣體水合物是由常規氣體(或易揮發(fā)液體)和水形成的包絡(luò )狀晶體，其重要特點(diǎn)是可以在冰點(diǎn)以上結晶固化，其一般的反應方程為：

氣體水合物屬新一代蓄冷介質(zhì)，又稱(chēng)"暖冰"．它克服了冰、水、共晶鹽等蓄冷介質(zhì)的致命弱點(diǎn)．其相變溫度在5～12℃之間，適合常規空調冷水機組．其蓄冷密度與冰相當，熔解熱約為302．4～464kJ／kg，儲一釋冷過(guò)程的熱傳遞效率高，而且可采用直接接觸式儲、釋冷系統，進(jìn)一步提高傳熱效率．其低壓蓄冷系統的造價(jià)相對較低，被認為是一種比較理想的蓄冷方式．

20世紀80年代初，氣體水合物作為新一代的蓄冷工質(zhì)提出后，立刻受到各國科技工作者的青睞，他們紛紛建立實(shí)驗室，對其進(jìn)行進(jìn)一步研究，形成了所謂的"氣體水合物暖冰蓄冷"技術(shù)．

其中以美國橡樹(shù)嶺國家實(shí)驗室和日本國家化學(xué)實(shí)驗室以及Keio大學(xué)機械工程系的研究zui受世人矚目．我國科研機構對氣體水合物的蓄冷技術(shù)研究始于90年代．中國科學(xué)院廣州能源所在基礎研究方面研究了單元氣體水合物HFCl34a、HFCl52a、HCFCl41b以及混合氣體水合物HFCl34a／HCFCl41b和HFCl52a／HCFCl41b的生成過(guò)程和相平衡持性．建立了水合物結晶可視化低溫顯微實(shí)驗臺，觀(guān)察到水合物連續生成過(guò)程圖象，確認水合物的生長(cháng)過(guò)程屬于分形生長(cháng)．實(shí)際應用方面，廣州能源所成功研制了內置換熱／外置促晶的蓄冷系統．華南理工大學(xué)王世平、呂樹(shù)申等研究了HCFCl41b、HCFCl42b、HFCl34a氣體水合物的分解放冷過(guò)程．研究了醇類(lèi)添加劑的加入對水合物熱導率的影響．以R11和R12為工質(zhì)，模擬了實(shí)用氣體水合物的蓄、放冷過(guò)程，得出了混合制冷劑沸騰傳熱模型和經(jīng)驗方程．

中國科學(xué)院低溫中心則在可視化蓄冷過(guò)程、強化技術(shù)和熱導率測試等方面展開(kāi)了一些研究工作．歸納起來(lái)，作者認為氣體水合物蓄冷技術(shù)的研究可以分為以下幾個(gè)方面．2．1氣體水合物蓄冷工質(zhì)的選擇理想蓄冷工質(zhì)的選擇應滿(mǎn)足以下目標．

(1)蓄冷密度大(>270kJ／kg)， (表現為相變物質(zhì)的相變潛熱大)；

(2)適當的相變溫度和工作壓力(6～12℃，0．1～0．3MPa)；

(3)適當的熱物性；表現為高的熱導率、低的相變體積變化，及一定的過(guò)冷度和溶解度；

(4)化學(xué)性能穩定，無(wú)環(huán)境污染，沒(méi)有ODP和GWP效應；

(5)材料價(jià)格合理，有實(shí)用性．

早期研究的氣體水合物蓄冷工質(zhì)是CFC-11和CFC-12．由于它們對大氣臭氧層有破壞作用，國內外隨后對一些替代制冷劑氣體水合物，包括HCFC和HFC類(lèi)制冷劑的蓄冷過(guò)程進(jìn)行了研

究．表1是一些已經(jīng)得到研究的制冷劑氣體水合物的性質(zhì)．

表1制冷劑氣體水合物性質(zhì)(已研究過(guò)的)

由于含氯氟里昂氣體破壞大氣層臭氧層，所以采用替代工質(zhì)將是明智和長(cháng)遠的設計．而混合工質(zhì)也常常會(huì )有意想不到的效果，但所選工質(zhì)應盡量滿(mǎn)足上述目標，且與實(shí)際系統相匹配．

目前來(lái)看，作為替代工質(zhì)的HFCl34、HFCl52a和HCFCl41b等都具有較好的蓄冷特性．

2.2氣體水合物促晶技術(shù)的研究

由于大多數的制冷劑與水互不相溶，所以在生成水合物的過(guò)程中存在著(zhù)誘導期長(cháng)，過(guò)冷度大，生長(cháng)速度慢的問(wèn)題．要使氣體水合物蓄冷技術(shù)走向實(shí)用，水合物的快速均勻生成是關(guān)鍵．

為了促進(jìn)水合物快速均勻生成，除了對反應物進(jìn)行攪拌，zui常規的辦法就是向反應物中添加表面活性劑或添加物．目前采用的添加劑有：SDS，乙烯乙二醇，正丁醇，金屬或金屬氧化物粉末(銅粉，鋅粉，鐵粉等)，無(wú)機鹽(NaCl，CaCl。等)，有機菌類(lèi)．從效果上看，還沒(méi)有一種添加劑能夠地改善水合物的結晶特性．因此，繼續尋找或研制新的添加劑是很有必要的．
此外，利用外場(chǎng)來(lái)促進(jìn)水合物結晶的研究也已經(jīng)得到了開(kāi)展．通過(guò)實(shí)驗發(fā)現，特殊組合的磁場(chǎng)會(huì )對制冷劑氣體合物的生成過(guò)程產(chǎn)生顯著(zhù)的影響．在磁場(chǎng)作用下，水合物的生成方向和生長(cháng)區域會(huì )發(fā)生變化，引導時(shí)間縮短，生成量增多，并測出了磁場(chǎng)強度與引導時(shí)間和水合率的關(guān)系．通過(guò)實(shí)驗，研究了超聲波對制冷劑氣體水合物生成過(guò)程的影響．結果表明，超聲波對水合物的結晶生長(cháng)有明顯的影響，階梯形的超聲探頭作用下的成核引導時(shí)間比指數形錐體引導時(shí)間長(cháng)，促進(jìn)水合物生長(cháng)的超聲波功率范圍是58～1000w．

2.3氣體水合物蓄冷裝置的設計

目前國外實(shí)際應用的氣體水合物蓄冷裝置都是間接接觸式，分為兩類(lèi)：①外置式換熱／促晶；②內置式換熱／結晶。．所謂外置式換熱／促晶是指氣體水合物的生成反應及反應過(guò)程中的熱交換都在蓄冷槽的外部進(jìn)行，蓄冷槽只起到儲存氣體水合物的作用．而內置式換熱／結晶是指氣體水合物的生成反應及反應過(guò)程中的熱交換都在蓄冷槽的內部進(jìn)行．這兩種蓄冷方式都要求水合物一水介質(zhì)必須具有足夠的流動(dòng)性．

在國內，華南理工大學(xué)建立了*套氣體水合物蓄冷實(shí)驗裝置(如圖1所示)．蓄冷罐的罐體高為600mm，內徑為175mm，外徑為200mm．罐體材料為無(wú)色透明的有機玻璃．在罐內接近上、下端蓋處各有一由D16×1(mm)的紫銅管繞成的盤(pán)管，分別作為冷凝器和加熱器用；兩端不銹鋼端蓋用PE棉包裹，防止漏冷．上端蓋有6個(gè)接口．其中兩個(gè)為冷卻水的進(jìn)出口；一個(gè)接精密真空表和壓力表，一個(gè)為熱電偶導出口，一個(gè)為接真空泵的接口，余下的是蓄冷媒的加入口．下端除了加熱水的進(jìn)出口外，還有一個(gè)排液口，作排放罐內液體用．

實(shí)驗時(shí)，在罐體的外側包裹兩層PE棉保溫，但會(huì )保留兩個(gè)長(cháng)方形的視孔，外壓一塊與之尺寸相當的有機玻璃板以便觀(guān)察實(shí)驗現象．

圖1華南理工大學(xué)氣體水合物蓄冷裝置

分析這種裝置蓄冷過(guò)程的傳熱過(guò)程可知，大致可分為3個(gè)傳熱單元：水合物結晶產(chǎn)生反應熱一槽中液體(水和氟利昂)中的熱量被氟利昂沸騰氣泡帶走，其間引起擾動(dòng)一通過(guò)在冷凝器表面的冷凝由冷凍水帶走熱量．其傳熱需借助氟利昂液滴和氣泡這一媒介．這種做法實(shí)質(zhì)上是以犧牲蓄冷槽的整體換熱性能來(lái)保證致水合劑與水的充分混合．中科院廣州能源研究所與中科院低溫技術(shù)實(shí)驗中心共同研制了一種采用內置換熱／外置促晶方式的氣體水合物蓄冷裝置(如圖2所示)．

圖2廣州能源所氣體水合物蓄冷裝置

蓄冷槽為圓柱體，內外殼均為不銹鋼板制成，內外殼之間間隙為45mm，其間用聚氨酯發(fā)泡材料填充用以保溫．蓄冷槽上端用法蘭密封．在槽的前后，都開(kāi)有雙層視窗，用來(lái)觀(guān)察儲冷釋冷過(guò)程(可以對整個(gè)相變蓄冷過(guò)程進(jìn)行攝制錄象，并對圖象進(jìn)行處理分析和再演示，并通過(guò)圖象對促晶生成、相界面形態(tài)和運動(dòng)等情況進(jìn)行定量化分析)．槽內為可拆卸的乒15mm×1mm換熱盤(pán)管，總長(cháng)6．8m．

由于致水合介質(zhì)的密度大于水，在重力作用下，部分致水合介質(zhì)分離下來(lái)，自然集于蓄冷槽下部(三區)，而部分水集于上部(一區)．氣體水合物的密度介于水和致水合介質(zhì)之間，則懸浮于中部水中(二區)．下降管(9)由三區的致水合介質(zhì)區域引出，下降管(10)由一區的水域引出．由管(9)、(10)引出的水和致水合介質(zhì)會(huì )合后進(jìn)入促晶器(12)，在促晶器中充分混合，在低于水合物臨界分解溫度的條件下，形成微小水合物晶體，然后經(jīng)回流管(13)回到蓄冷槽，由噴淋管(11)噴回槽中．噴出液體的動(dòng)能達到進(jìn)一步的混合效果．

隨著(zhù)相變結晶過(guò)程的進(jìn)行，蓄冷槽中氣體水合物(晶體)越來(lái)越多，流動(dòng)性越來(lái)越差．這時(shí)靠槽中的擾動(dòng)促使致水合介質(zhì)和水充分接觸和充分混合已較困難，這時(shí)內置式換熱／結晶式蓄冷裝置就難以進(jìn)一步結晶蓄冷．本裝置所采用的內置式換熱／外置式促晶方式就能克服這個(gè)難題．因為這時(shí)即使整個(gè)槽中介質(zhì)的的擾動(dòng)差，但只要蓄冷槽中的水合反應沒(méi)*完成，就有致水合介質(zhì)(液體)和水分別存在于蓄冷槽的上部和下部，它們能分別經(jīng)下降管(9)、(10)到促晶器進(jìn)行充分混合，形成晶體，回到槽中進(jìn)一步反應結晶．同時(shí)結晶熱也可通過(guò)內置式換熱器有效地傳給載冷介質(zhì)，保證結晶不斷進(jìn)行下去．

關(guān)于這方面的研究還沒(méi)有結束．目前，提出了一種采用引射器的蓄冷系統．該蓄冷系統利用引射器引射制冷劑液體，使其在混合腔中氣化并與水充分混合，以達到促進(jìn)水合物生成速度的目的．實(shí)驗表明，該系統能有效的減小結晶過(guò)冷度，縮短誘導時(shí)間．