【正文】 注:本文為寧波市科技攻關(guān)項目課題1引言隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，船舶航運業(yè)、電力工業(yè)也得到了迅速發(fā)展，由此帶來的能源供應(yīng)緊張和環(huán)境污染問題也日益嚴重，嚴重制約了工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的增長和投資環(huán)境的改善，也出現(xiàn)了電力供應(yīng)的峰谷差不斷加大。為此，節(jié)約能源、環(huán)境保護及電力資源的優(yōu)化配制等研究成為國家扶持的熱門課題。近年來空調(diào)負荷在城市中迅猛增長，一些大中城市的空調(diào)用電量已占其高峰用量的30%以上，加劇了電力高峰不足而低谷過剩的矛盾。因此，有顯著移峰填谷、節(jié)能、環(huán)保功能的蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的研究成為一個主要研究方向。船舶電力網(wǎng)作為向全船供電的獨立系統(tǒng),其負荷也存在著明顯的峰谷差，且其空調(diào)負荷所占比例很高，一些大、中型客船的空調(diào)負荷占到供電總負荷的50%以上，但船舶中央空調(diào)對船舶電力網(wǎng)的影響及優(yōu)化電力資源配制的研究目前還未引起重視，也無相關(guān)的文獻報道。船舶電站裝機容量為滿足高峰用電的需要，必須配置較大容量的發(fā)電機組，因而大多數(shù)時間處于部分負荷下工作，造成船舶電站資源的浪費。因此，將空調(diào)蓄冷技術(shù)應(yīng)用到船舶中可減小船舶電站裝機容量，均衡發(fā)電機組供電負荷，提高發(fā)電機組的運行效率，降低單位功率的耗油，減少有害廢氣的排放等有重要的意義。蓄冷空調(diào)技術(shù)的應(yīng)用在國外始于二十世紀30年代的教堂。70年代由于能源危機的爆發(fā)及中央空調(diào)的使用，蓄冷空調(diào)技術(shù)在發(fā)達國家重新受到重視，90年代冰蓄冷空調(diào)技術(shù)在美國、日本等發(fā)達國家得到快速發(fā)展。如日本1990年只有228個冰蓄冷系統(tǒng)，而到1999年已發(fā)展到7000多個冰蓄冷系統(tǒng)。美國蓄能協(xié)會則預(yù)測到2010年全國空調(diào)采用蓄能技術(shù)的將達到95%以上。我國自90年代初開始引進和自制蓄冷空調(diào)設(shè)備，到2001年已有冰蓄冷空調(diào)工程100多個，轉(zhuǎn)移電荷約10萬KW，但還僅相當于美國的1/50或日本的1/30，離國家提出的今后5 年內(nèi)采用蓄冷空調(diào)移峰填谷300500萬KW的要求相距甚遠?？梢哉f，我國蓄冷空調(diào)技術(shù)的應(yīng)用尚剛剛起步。隨著電網(wǎng)移峰填谷的要求越來越迫切和政府推行峰谷電價的力度越來越大，蓄冷空調(diào)即將在中國掀起一個迅猛發(fā)展的高潮。從技術(shù)上看，目前國內(nèi)外正在實際應(yīng)用的空調(diào)蓄冷方式主要是第一代的水蓄冷和第二代的冰蓄冷。水蓄冷是利用水的顯熱蓄冷，系統(tǒng)簡單、技術(shù)要求低、維修方便、投資少，且夏可蓄冷、冬可蓄熱，主要問題是蓄能密度小，蓄冷池容積大，故只適用于空間條件許可的場合。冰蓄冷是目前應(yīng)用最多的一種蓄冷方式。冰蓄冷有多種形式，如冰盤管式、冰板式、制冰落冰式、冰球式、冰泥式等。各類蓄冰形式各有特色，適用于不同要求的場合。冰相變潛熱大、無污染，且可結(jié)合低溫送風，但制冰要求載冷劑溫度低于5℃，比常規(guī)空調(diào)冷水機組出水7℃低很多，導(dǎo)致制冷量降低約30~40%，電耗約增加20%。此外，制冰蓄冷速度和融冰釋冷速度受冰層厚度影響很大，為解決這一問題，一些新的冰蓄冷方式正在開發(fā)。如日本正在進行油水乳化冰漿的蓄冷與輸冷研究[1]。上海理工大學正在研究直接接觸式冰蓄冷，它是以制冷劑R123（兼作載冷劑）與水在蓄冷罐內(nèi)直接接觸換熱制取冰晶，以冰水混合物儲冷和輸冷[2]。針對第一代水蓄冷蓄冷密度小和第二代冰蓄冷相變溫度低進而COP低的不足，相變溫度高于0℃的第三代蓄冷技術(shù)應(yīng)運而生。第三代高溫相變蓄冷介質(zhì)分優(yōu)態(tài)共晶鹽、醇酸等低凝固點有機物和氣體水合物三類。前二類蓄冷密度一般介于水和冰之間，后者蓄冷密度與冰相當，相變溫度為512℃，故俗稱暖冰，可與常規(guī)空調(diào)同工況運行，被認為是最有前途的第三代蓄冷介質(zhì)。氣體水合物蓄冷研究最早起始于20世紀80年代，美國橡樹嶺國家試驗室首次以制冷劑R1R12為水合介質(zhì)形成氣體水合物蓄冷。1986年日本也開始該項研究，接著，臺灣、法國、泰國等陸續(xù)進行研究、開發(fā)和生產(chǎn)。1993年起，華南理工大學、中科院廣州能源研究所等也相繼開展這項研究。目前，水合物蓄冷的研究主要包括以下兩大方面：一是單元氣體或多元混合氣體形成水合物的熱力學條件和動力學問題，即研究水合物形成條件、生成速度及添加劑的作用。二是暖冰蓄冷系統(tǒng)的開發(fā)及其性能、傳熱傳質(zhì)研究。對于第一方面問題，一些研究表明，制冷劑R1R1R2R141b、R142b、R134a、R152a、R31等單元氣體及其二元或三元混合氣的水合物都有比較合適的相變溫度、相變壓力和相變潛熱，可作為較理想的蓄冷介質(zhì)。研究還表明，醇類特別是碳鏈長度適中的異戊醇對R12水合物的形成有很好促進作用[3]，次氯酸鈣和苯磺酸鈉對R141b水合物的形成也顯著效果[4]。對于第二方面問題，已研究開發(fā)的暖冰蓄冷系統(tǒng)主要有以下4 種形式：1) 利用熱管機理的在蓄冷罐氣層和液層內(nèi)分別設(shè)置蓄冷換熱器和釋冷換熱器的蓄冷方式[5]，利用水合介質(zhì)的蒸發(fā)和冷凝產(chǎn)生的自然循環(huán)效應(yīng)作為水合循環(huán)動力，故要求過冷度較大；2)美國加州儲熱能技術(shù)公司開發(fā)的利用R11氣體為水合介質(zhì)的外置反應(yīng)和換熱的蓄冷方式[6]，℃，但在整個蓄冷過程中，水合物與過余水形成的冰漿在輸送管道和換熱器以及蓄冷槽中循環(huán)流動，故必須保證其有足夠的流動性，以免堵塞管道和換熱器，從而限制了冰漿濃度和蓄冷密度的提高。3)日本超級熱泵計劃開發(fā)的以R141b氣體為水合介質(zhì)的內(nèi)置式反應(yīng)和熱交換蓄冷方式[7]，℃，但內(nèi)置攪拌器，功耗大，限制了蓄冷密度的提高。4)中科院廣州能源研究所研究的以R134a/R141b和R151a/R141b二元混合氣體為水合介質(zhì)的內(nèi)置式換熱/外置促晶蓄冷方式[8]，換熱器置于蓄冷罐液體層中，兼作蓄冷換熱器和釋冷換熱器，從水層和水合介質(zhì)液層中按比例抽取水和水合介質(zhì)液，經(jīng)外置促晶器形成微小水合物晶核，并循環(huán)回到蓄冷罐。，但一個蓄冷期內(nèi)循環(huán)流過促晶器的流體量很大，粗略估計約為蓄冷罐容量的100倍左右，此外，當暖冰達到一定濃度時，導(dǎo)熱性差的暖冰將降低內(nèi)置換熱器的換熱速率，進而影響蓄冷速率和釋冷速率。目前尚無有關(guān)船舶使用蓄冷空調(diào)的報道。，位居世界第二，但電力需求變化也出現(xiàn)了一些新的問題。其中之一是用電高峰負荷增長很快，電網(wǎng)負荷率逐年下降，峰谷差逐年拉大，有的電網(wǎng)峰谷差達40%。，在27GW以上只有12天，而實際每天達到最高負荷一般僅持續(xù)1~2小時。據(jù)不完全統(tǒng)計，1998年全國近20GW裝機僅在負荷高峰運行數(shù)百小時。2002年峰谷電差近400萬KW，比2001年凈增100萬KW，2003年由于持續(xù)的高溫少雨水電量下降，高峰負荷造成全國范圍內(nèi)缺電1000多萬KW，其中浙江缺電200多萬KW，寧波缺電30多萬KW，2004年，據(jù)國家電力局有關(guān)負責人表示，夏季全國用電缺口達3000萬KW左右，華東電網(wǎng)缺口達1800萬KW左右，江浙兩省電力缺口在1500萬KW以上，寧波市的用電指標為175萬KW，預(yù)計用電缺口在100萬KW以上，峰谷電差額繼續(xù)拉大，高峰時不得不實行拉閘限電，嚴重制約了工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的增長和投資環(huán)境的改善。加大電力投資規(guī)模，雖可解決遠期的用電緊張狀況，但對于峰谷電差額的不斷增大卻無能為力，還將造成發(fā)電資源很大閑置，表現(xiàn)在電網(wǎng)低谷時要停掉很多機組，機組的頻繁啟停不僅增加能耗，而且影響機組壽命，是很不經(jīng)濟的運行方式。作為移峰填谷的主要技術(shù)——蓄冷技術(shù)，即可提高電網(wǎng)的工作效率，達到節(jié)能、環(huán)保、又可延長發(fā)電機組壽命，減少維修費用，提高運營的經(jīng)濟性。冷藏倉庫采用蓄冷技術(shù)，既可利用峰谷電價的差價提高經(jīng)濟性，還可加快降溫速度，在停電時作為應(yīng)急冷源，確保貨物不受損壞、冷藏運輸過程中采用蓄冷技術(shù)，也可使制冷機負荷保持穩(wěn)定，提高其工作效率。近年來空調(diào)負荷在城市中迅猛增長，加劇了電力高峰不足而低谷過剩的矛盾。因此我國政府和電力部門十分重視鼓勵空調(diào)用戶將低谷電能轉(zhuǎn)移到高峰期來用。國家電力部一位權(quán)威人士指出：各地政府應(yīng)從提高電力資源的優(yōu)化配置，減少燃煤鍋爐煙塵和COSO2等有害物排放，保護環(huán)境的立場出發(fā)，制定并實施有利于引導(dǎo)用戶減少或轉(zhuǎn)移高峰需求，鼓勵在電網(wǎng)低谷時多用電的各種電價政策，要積極推廣應(yīng)用可減少或轉(zhuǎn)移高峰電力的蓄冷空調(diào)技術(shù)。國家經(jīng)貿(mào)委辦公廳頒發(fā)的經(jīng)貿(mào)廳技[1997]298號文，將蓄冷空調(diào)作為今后重點發(fā)展項目。國務(wù)院國發(fā)[1998]32號文中更強調(diào)了加快推廣包括蓄冷空調(diào)在內(nèi)的各種削峰填谷的技術(shù)措施。國家電力公司國電財[2003]114號文件明確要加快加大峰谷電價推行力度，特別指出有利于節(jié)能和環(huán)保技術(shù)應(yīng)用的用電，可制定相應(yīng)的低谷電優(yōu)惠電價及實行峰谷電價，適當減免電力容量貼費，鼓勵低谷蓄能用電。在此背景下，各省市紛紛制定出峰、谷、平段供電價格，使低谷電價為高峰電價的1/2~1/6。削峰填谷政策的實施對于能源的高效利用，延緩新機組和供配電設(shè)施建設(shè)，減少電力投入和裝機容量，提高電網(wǎng)負荷率，降低運行成本，節(jié)約能源消耗及對環(huán)境保護都具有重要的意義?？梢灶A(yù)見，隨著蓄冷技術(shù)的成熟和蓄冷空調(diào)產(chǎn)品不斷開發(fā)，蓄冷空調(diào)替代現(xiàn)有空調(diào)產(chǎn)品是必然結(jié)果，發(fā)展前景廣闊。隨著蓄冷技術(shù)在陸地空調(diào)中應(yīng)用的成熟，推廣和普及，也將滲透到船舶空調(diào)、冷藏運輸、冷藏倉儲等領(lǐng)域。也給船舶蓄冷空調(diào)發(fā)展提供強有力的技術(shù)支持，船舶空調(diào)應(yīng)用軸帶壓縮機暖冰蓄冷技術(shù)，可使空調(diào)系統(tǒng)負荷脫離船舶電網(wǎng)，減小船舶電站負荷，從而減少發(fā)電機組裝機容量，同時發(fā)電機組供電負荷也較穩(wěn)定，提高了發(fā)電機組的運行效率，降低單位功率的耗油，減少有害廢氣的排放。目前船舶主機的熱效率遠高于發(fā)電機組柴油機的熱效率，且船舶主機使用劣質(zhì)燃油的成本遠小于使用柴油的發(fā)電機組柴油機的成本，因而船舶空調(diào)軸帶壓縮機暖冰蓄冷技術(shù)應(yīng)用可大大降低空調(diào)的運行成本，提高船舶運行的經(jīng)濟性。在靠碼頭時暖冰蓄冷系統(tǒng)可利用岸電蓄冷，進一步降低船舶運行成本，減少船員的勞動強度。對于交通運輸鏈中的倉儲、運輸環(huán)節(jié)中，蔬菜、水果等物品也需要控溫儲存和運輸，蓄冷技術(shù)也有廣泛的發(fā)展前景。2船舶蓄冷工質(zhì)的要求和選擇混合氣體水合物蓄冷材料要求對大氣臭氧無破壞作用、無毒、安全、化學及使用性能穩(wěn)定，而且水合反應(yīng)熱較大，相變溫度適中、壓力和反應(yīng)速度等性能相互補償，達到綜合性能的優(yōu)勢。因而對適合船舶使用的相變材料的氣體水合物的性能測定和比較是選擇優(yōu)良性能蓄冷材料必須做好的工作。測定氣體水合物相平衡特性、確定水合物的相圖及氣體水合物的生成過程中的水合過程的過冷度、生成速度、溫度等特性是選擇優(yōu)良蓄冷材料的關(guān)鍵。 船舶蓄冷工質(zhì)的要求a 在常壓下的氣體水合物的相變溫度在4—120C左右，使制冷系統(tǒng)有較高的COP值，并滿足送風溫度和對空氣降溫除濕的要求。蓄冷柜在接近常壓下工作，減少制冷劑泄漏的可能性。b 蓄冷密度大，以減小蓄冷柜的體積，也有利于冷量的輸送。c 氣體水合物中制冷劑在常溫下的飽和壓力要低，降低蓄冷柜制造成本。d 氣體水合物換熱特性好，蓄冷、釋冷速度快，蓄冷、釋冷過程中熱流量穩(wěn)定。e 氣體水合物形成過冷度要小。a 形成氣體水合物的制冷劑應(yīng)有較好的化學穩(wěn)定性和惰性，在極端環(huán)境溫度和壓力條件下不會化合與分解，減少蓄冷工質(zhì)對金屬材料有腐蝕作用的物質(zhì)產(chǎn)生。b 氣體水合物在水中分布均勻或與水分層后結(jié)構(gòu)松散。c 氣體水合物在儲存溫度下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，可長時間儲存。d 氣體水合物在良好的流動性，可直接輸送熱交換面換熱，減少冷媒的循環(huán)量。不易燃燒，與空氣混合不爆炸，對人體無毒，無污染，不破壞大氣臭氧層。價格低廉，易于取得，使用壽命長，維護管理成本低。 水蓄冷及船舶適用性分析水蓄冷是利用3－7oC的低溫水進行蓄冷，可直接與常規(guī)系統(tǒng)匹配，無需其它專門設(shè)備。其優(yōu)點是：投資省，維修費用少，管理比較簡單，既可蓄熱和又可蓄冷。但由干蓄冷過程水無相變，只能儲存水的顯熱，因而蓄能密度低，蓄水槽占地面積大。在陸地可利用高層建筑內(nèi)的消防水池，無需設(shè)置專用的蓄冷水池，可節(jié)省不少占地面積。為充分利用建筑內(nèi)的消防水池，在確定制冷機容量與蓄冷槽的容量時，可根據(jù)消防水池的容量來計算出蓄冷量，然后根據(jù)剩余負荷量來確定冷水機組的制冷量。最后校核一下冷水機組能否滿足夜間蓄冷的需要，具備實用的條件。在船舶使用水蓄冷，從理論上可利用充足的船舶固定壓載水或?qū)Ｅ搲狠d水作為蓄冷介質(zhì)，但由于船舶結(jié)構(gòu)材料的導(dǎo)熱性好，船艙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且船體外的海水換熱能力強，因而對水艙保溫要求高，保溫的成本較高。其次是固定壓載水或?qū)Ｅ搲狠d水艙的布置位置也不能滿足水蓄冷系統(tǒng)布置的要求。因而，將水蓄冷技術(shù)應(yīng)用到船舶蓄冷還有許多問題有待解決。冰蓄冷空調(diào)除一般蓄冷系統(tǒng)具有的優(yōu)點外，還具有中央空調(diào)冷水機組容量較小，一次性投資較??；總用電設(shè)施少，可減少電力增容費和基本電費開支；可作為應(yīng)急冷源，提高空調(diào)系統(tǒng)運行的可靠性；供冷供熱的轉(zhuǎn)換方便；中央空調(diào)冷水機組始終處于滿負荷最佳效率運行等優(yōu)點。從現(xiàn)有的幾十種儲冰系統(tǒng)來看，如直接蒸發(fā)制冰如冰盤管式、機械動態(tài)制冰和間接蒸發(fā)制冰如完全凍結(jié)式、冰球式等，都是利用水的固液轉(zhuǎn)換時潛熱儲存冷量，因而都有下列缺點：(1)制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度較低，通常在50C—100C。據(jù)測定，電動螺桿式壓縮機冷水機組在其它條件相同的情況下，蒸發(fā)溫度每下降1℃，耗電量將增加2～4%，制冰工況的耗電量明顯增加；蒸發(fā)溫度較低使制冷系統(tǒng)的COP系數(shù)明顯降低?！?；運行的經(jīng)濟性不高。(2)需設(shè)專用儲冰罐，占用一定的建筑面積。(3)冰蓄冷空調(diào)是在常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)外增加一套蓄冰系統(tǒng)，其冷量的儲存和釋放是利用水的反復(fù)融化和凍結(jié)來實現(xiàn)，由于冰和水的導(dǎo)熱能力和傳熱方式不一樣，且融冰、結(jié)冰過程中冰水的接觸面積也不斷改變，其融冰、結(jié)冰過程傳熱是一個不穩(wěn)定動態(tài)過程，流體分配的不均勻性將導(dǎo)致傳熱速度不穩(wěn)定，也直接影響儲冰系統(tǒng)的結(jié)冰和融冰速度。實現(xiàn)快速釋冷有許多問題需解決。（4）由于存在著結(jié)晶過冷度，冷水機組蒸發(fā)溫度大大低于普通冷水機組，使制冷系統(tǒng)蒸發(fā)溫度進一步降低，COP系數(shù)下降，制冷系統(tǒng)運行經(jīng)濟性降低，并可能造成壓縮機的回油困難和增加液擊的可能。(5)造價高于傳統(tǒng)系統(tǒng)；由此可見,冰蓄冷用于船舶經(jīng)濟性不高且保溫要求較高,不是蓄冷介質(zhì)的理想選擇。優(yōu)態(tài)鹽蓄冷系統(tǒng),因其相變溫度在0℃以上，雖其相變潛熱小于冰，但蓄冷能力遠大于水，且亦可使用常規(guī)的冷水機組，很容易對現(xiàn)有的空調(diào)系統(tǒng)進行改建。所以優(yōu)態(tài)鹽蓄冷系統(tǒng)具有水和冰蓄冷兩種系統(tǒng)的優(yōu)點。目前用作空調(diào)的優(yōu)態(tài)鹽蓄冷工質(zhì)多為Na2SO4水化合物溶液，根據(jù)文獻報道，熔點在4～8℃范圍內(nèi)優(yōu)態(tài)鹽相變材料，大多由硫酸鈉10水化合物溶液并添加其他鹽類組成。其具體成分大多為