蓄冷空調(diào)及氣體水合物蓄冷技術(shù)分析

隨著國民經(jīng)濟的不斷發(fā)展，電力供應(yīng)和需求的矛盾日益加劇，雖然建設(shè)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、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整、人民生活水平的提高使得電力需求直線上升，而且電力需求量晝夜變化大，出現(xiàn)巨大的峰谷差現(xiàn)象，即峰期電力緊張、谷期電力過剩．統(tǒng)計數(shù)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(xiàn)電荷峰谷差的zui大原因就是空調(diào)用電的急劇增加．據(jù)統(tǒng)計，夏季空調(diào)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％．一般來說，當空調(diào)用電的比例超過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、滿足電力需求，我國主要從改變發(fā)電量來適應(yīng)電力需求的變化，但存在如下問題：

(1)由于燃煤發(fā)電機組存在zui小出力，所以調(diào)峰能力有限；

(2)雖然燃氣輪發(fā)電機適合調(diào)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(diào)峰，抽水蓄能電站電力調(diào)峰，但其電力轉(zhuǎn)換效率低于75％，初投資大，建設(shè)周期長，且要有合適的地理位置．

這些問題的存在，為蓄冷空調(diào)技術(shù)的發(fā)展提供了用武之地．蓄冷空調(diào)技術(shù)的應(yīng)用，不僅可以調(diào)節(jié)能量供需，移峰填谷，平衡能量系統(tǒng)，而且可以降低能耗，節(jié)約運行費用，實現(xiàn)能量的合理利用．

1、蓄冷空調(diào)技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀

所謂蓄冷空調(diào)，即在夜間電網(wǎng)低谷時間(同時也是空調(diào)負荷很低的時間)，制冷主機開機制冷并由蓄冷設(shè)備將冷量儲存起來，待白天電網(wǎng)高峰用電時間(同時也是空調(diào)負荷高峰時間)，再將冷量釋放出來滿足高峰空調(diào)負荷的需要或生產(chǎn)工藝用冷的需求．蓄冷空調(diào)技術(shù)始于20世紀30年代，主要用于劇院、體育館等間歇性、負荷集中的場所．當時蓄冷只著眼于減小制冷機容量和初投資．隨著設(shè)備制造業(yè)的不斷發(fā)展，制冷機成本顯著降低．但是，由于電耗的增加使得蓄冷系統(tǒng)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，能源緊張、電力行業(yè)改革和實施需求側(cè)負荷管理(Demand_Side Management，縮寫為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(yīng)用．20世紀90年代美國大約30％的制冷系統(tǒng)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(diào)系統(tǒng)．日本和我國的中國臺灣省20世紀80年代以來非常重視這項技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用．目前，日本在電動集中空調(diào)系統(tǒng)中已有60％采用蓄冷技術(shù)．我國中國臺灣省自1984年建成*個冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)以來，蓄冷空調(diào)技術(shù)發(fā)展很快，到1994年底就已經(jīng)建成225個蓄冷空調(diào)系統(tǒng)，總冷量高達2×106kwh，移嫁高峰用電超過5．2×104kw．1994年我國計委、電力部等部門決定實行電力供應(yīng)峰谷不同電價政策，以推動削峰填谷電的應(yīng)用，緩解電力建設(shè)和新增用電的矛盾．1995年4月我國成立了全國蓄冷空調(diào)研究中心，1999年元月改名為中國節(jié)能協(xié)會蓄冷空調(diào)專委會．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[1998]30號文件強調(diào)"為了緩解高峰用電對電網(wǎng)安全穩(wěn)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，要加大推動峰谷電價差的力度，鼓勵用戶采用節(jié)電技術(shù)措施，鼓勵用戶多用低谷電，加快推廣蓄冷空調(diào)等削峰填谷的技術(shù)措施"．在這些政策的推動下，我國蓄冷技術(shù)市場迅速發(fā)展，蓄冷已成為新興技術(shù)產(chǎn)業(yè)．雖然我國蓄冷空調(diào)起步比較晚，但全國范圍內(nèi)采用蓄冷空調(diào)的工程逐年增加，據(jù)不*統(tǒng)計，我國至1997年底，開發(fā)、生產(chǎn)蓄冷設(shè)備的公司有11家，蓄冷工程數(shù)33個，zui大蓄冷系統(tǒng)的容量為7．48萬RTH(進口設(shè)備)，總蓄冷量約為20萬RTH，可移峰10萬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(yīng)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(guī)氣體(或易揮發(fā)液體)和水形成的包絡(luò)狀晶體，其重要特點是可以在冰點以上結(jié)晶固化，其一般的反應(yīng)方程為：

氣體水合物屬新一代蓄冷介質(zhì)，又稱"暖冰"．它克服了冰、水、共晶鹽等蓄冷介質(zhì)的致命弱點．其相變溫度在5～12℃之間，適合常規(guī)空調(diào)冷水機組．其蓄冷密度與冰相當，熔解熱約為302．4～464kJ／kg，儲一釋冷過程的熱傳遞效率高，而且可采用直接接觸式儲、釋冷系統(tǒng)，進一步提高傳熱效率．其低壓蓄冷系統(tǒng)的造價相對較低，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，他們紛紛建立實驗室，對其進行進一步研究，形成了所謂的"氣體水合物暖冰蓄冷"技術(shù)．

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

中國科學院低溫中心則在可視化蓄冷過程、強化技術(shù)和熱導率測試等方面展開了一些研究工作．歸納起來，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(yīng)滿足以下目標．

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

(2)適當?shù)南嘧儨囟群凸ぷ鲏毫?6～12℃，0．1～0．3MPa)；

(3)適當?shù)臒嵛镄?；表現(xiàn)為高的熱導率、低的相變體積變化，及一定的過冷度和溶解度；

(4)化學性能穩(wěn)定，無環(huán)境污染，沒有ODP和GWP效應(yīng)；

(5)材料價格合理，有實用性．

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(nèi)外隨后對一些替代制冷劑氣體水合物，包括HCFC和HFC類制冷劑的蓄冷過程進行了研

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)將是明智和長遠的設(shè)計．而混合工質(zhì)也常常會有意想不到的效果，但所選工質(zhì)應(yīng)盡量滿足上述目標，且與實際系統(tǒng)相匹配．

目前來看，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(shù)的制冷劑與水互不相溶，所以在生成水合物的過程中存在著誘導期長，過冷度大，生長速度慢的問題．要使氣體水合物蓄冷技術(shù)走向?qū)嵱?，水合物的快速均勻生成是關(guān)鍵．

為了促進水合物快速均勻生成，除了對反應(yīng)物進行攪拌，zui常規(guī)的辦法就是向反應(yīng)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)，無機鹽(NaCl，CaCl。等)，有機菌類．從效果上看，還沒有一種添加劑能夠地改善水合物的結(jié)晶特性．因此，繼續(xù)尋找或研制新的添加劑是很有必要的．
此外，利用外場來促進水合物結(jié)晶的研究也已經(jīng)得到了開展．通過實驗發(fā)現(xiàn)，特殊組合的磁場會對制冷劑氣體合物的生成過程產(chǎn)生顯著的影響．在磁場作用下，水合物的生成方向和生長區(qū)域會發(fā)生變化，引導時間縮短，生成量增多，并測出了磁場強度與引導時間和水合率的關(guān)系．通過實驗，研究了超聲波對制冷劑氣體水合物生成過程的影響．結(jié)果表明，超聲波對水合物的結(jié)晶生長有明顯的影響，階梯形的超聲探頭作用下的成核引導時間比指數(shù)形錐體引導時間長，促進水合物生長的超聲波功率范圍是58～1000w．

2.3氣體水合物蓄冷裝置的設(shè)計

目前國外實際應(yīng)用的氣體水合物蓄冷裝置都是間接接觸式，分為兩類：①外置式換熱／促晶；②內(nèi)置式換熱／結(jié)晶。．所謂外置式換熱／促晶是指氣體水合物的生成反應(yīng)及反應(yīng)過程中的熱交換都在蓄冷槽的外部進行，蓄冷槽只起到儲存氣體水合物的作用．而內(nèi)置式換熱／結(jié)晶是指氣體水合物的生成反應(yīng)及反應(yīng)過程中的熱交換都在蓄冷槽的內(nèi)部進行．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性．

在國內(nèi)，華南理工大學建立了*套氣體水合物蓄冷實驗裝置(如圖1所示)．蓄冷罐的罐體高為600mm，內(nèi)徑為175mm，外徑為200mm．罐體材料為無色透明的有機玻璃．在罐內(nèi)接近上、下端蓋處各有一由D16×1(mm)的紫銅管繞成的盤管，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個接口．其中兩個為冷卻水的進出口；一個接精密真空表和壓力表，一個為熱電偶導出口，一個為接真空泵的接口，余下的是蓄冷媒的加入口．下端除了加熱水的進出口外，還有一個排液口，作排放罐內(nèi)液體用．

實驗時，在罐體的外側(cè)包裹兩層PE棉保溫，但會保留兩個長方形的視孔，外壓一塊與之尺寸相當?shù)挠袡C玻璃板以便觀察實驗現(xiàn)象．

圖1華南理工大學氣體水合物蓄冷裝置

分析這種裝置蓄冷過程的傳熱過程可知，大致可分為3個傳熱單元：水合物結(jié)晶產(chǎn)生反應(yīng)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，其間引起擾動一通過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．這種做法實質(zhì)上是以犧牲蓄冷槽的整體換熱性能來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)實驗中心共同研制了一種采用內(nèi)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(nèi)外殼均為不銹鋼板制成，內(nèi)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，都開有雙層視窗，用來觀察儲冷釋冷過程(可以對整個相變蓄冷過程進行攝制錄象，并對圖象進行處理分析和再演示，并通過圖象對促晶生成、相界面形態(tài)和運動等情況進行定量化分析)．槽內(nèi)為可拆卸的乒15mm×1mm換熱盤管，總長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，自然集于蓄冷槽下部(三區(qū))，而部分水集于上部(一區(qū))．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(qū))．下降管(9)由三區(qū)的致水合介質(zhì)區(qū)域引出，下降管(10)由一區(qū)的水域引出．由管(9)、(10)引出的水和致水合介質(zhì)會合后進入促晶器(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．噴出液體的動能達到進一步的混合效果．

隨著相變結(jié)晶過程的進行，蓄冷槽中氣體水合物(晶體)越來越多，流動性越來越差．這時靠槽中的擾動促使致水合介質(zhì)和水充分接觸和充分混合已較困難，這時內(nèi)置式換熱／結(jié)晶式蓄冷裝置就難以進一步結(jié)晶蓄冷．本裝置所采用的內(nèi)置式換熱／外置式促晶方式就能克服這個難題．因為這時即使整個槽中介質(zhì)的的擾動差，但只要蓄冷槽中的水合反應(yīng)沒*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)到促晶器進行充分混合，形成晶體，回到槽中進一步反應(yīng)結(jié)晶．同時結(jié)晶熱也可通過內(nèi)置式換熱器有效地傳給載冷介質(zhì)，保證結(jié)晶不斷進行下去．

關(guān)于這方面的研究還沒有結(jié)束．目前，提出了一種采用引射器的蓄冷系統(tǒng)．該蓄冷系統(tǒng)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，以達到促進水合物生成速度的目的．實驗表明，該系統(tǒng)能有效的減小結(jié)晶過冷度，縮短誘導時間．