基于空氣動(dòng)力加熱爐的新型風(fēng)能制熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

丁 艷 金文雯 李 毅 魏中瑞 王 凱

基于空氣動(dòng)力加熱爐的新型風(fēng)能制熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

丁 艷 金文雯 李 毅 魏中瑞 王 凱

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院 徐州 221008）

為了解決北方低溫條件下空氣源熱泵能效低甚至不能工作的問題，設(shè)計(jì)了一種基于空氣動(dòng)力加熱爐的新型風(fēng)能制熱系統(tǒng)，作為空氣源熱泵的輔助系統(tǒng)，通過(guò)提升入口空氣溫度以提升空氣源熱泵的能效、拓寬其適用范圍，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)能到熱能的直接轉(zhuǎn)化，提高了能源轉(zhuǎn)化效率，為空氣源熱泵提效提供了新思路。通過(guò)數(shù)值模擬分析其可行性，探討其節(jié)能、經(jīng)濟(jì)及環(huán)保效益，結(jié)果表明，該系統(tǒng)節(jié)能效果顯著，具有一定的推廣和實(shí)用價(jià)值。

風(fēng)能；空氣動(dòng)力加熱爐；空氣源熱泵；能效

0 引言

我國(guó)北方冬季氣溫低，居民供暖及生活熱水用熱量大，主要由熱力發(fā)電廠提供[1]，一次能源消耗大，環(huán)境污染嚴(yán)重。隨著國(guó)家“煤改電”、“煤改清潔能源”的不斷推進(jìn)[2]，空氣源熱泵以其高效、環(huán)保、安全、可靠的優(yōu)勢(shì)，在商用和民用空調(diào)領(lǐng)域快速發(fā)展，國(guó)家已將空氣源熱泵納入可再生能源范圍，并在“十三五”規(guī)劃中設(shè)立了發(fā)展目標(biāo)[3]。但空氣源熱泵機(jī)組的能效隨著環(huán)境溫度的降低而不斷降低，在北方極其寒冷地區(qū)[4]，由于冬季最冷室外溫度較低，空氣源熱泵的應(yīng)用受大了極大限 制[5]。

空氣動(dòng)力加熱爐（簡(jiǎn)稱“空氣加熱爐”）是空氣能利用研究過(guò)程中誕生的一項(xiàng)關(guān)鍵性技術(shù)，通過(guò)提高空氣能利用設(shè)備入口溫度來(lái)提高產(chǎn)品效率。該技術(shù)發(fā)源于俄羅斯，對(duì)于其他國(guó)家還屬新興技術(shù)。2013年12月中國(guó)航天科技集團(tuán)四院西安航天化學(xué)動(dòng)力廠對(duì)空氣動(dòng)力爐展開研究，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空氣摩擦發(fā)熱應(yīng)用研究的空白[1]。目前空氣動(dòng)力加熱爐主要是采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)，葉輪與空氣摩擦產(chǎn)生熱量，使空氣加熱，同時(shí)葉輪的旋轉(zhuǎn)使?fàn)t腔內(nèi)的空氣循環(huán)流動(dòng)，從而使整個(gè)爐腔內(nèi)的溫度不斷上升，實(shí)現(xiàn)加熱。空氣動(dòng)力爐具有熱效率高、能耗低、無(wú)須電熱元件、無(wú)明火和設(shè)備安全性好等優(yōu)點(diǎn)。但空氣加熱爐一般采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電能消耗大。

本文擬采用風(fēng)能作為空氣加熱爐的動(dòng)力源，基于目前成熟的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)中的葉輪裝置，將風(fēng)吹葉輪旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能通過(guò)齒輪傳動(dòng)增速后傳遞給空氣加熱爐，實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣的加熱，為空氣能利用系統(tǒng)提高初溫，從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)能與熱能的直接轉(zhuǎn)化，減少能量的二次損失。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該新型風(fēng)能制熱系統(tǒng)主體如圖1所示，主要包括風(fēng)機(jī)葉輪、空氣加熱爐和增速裝置等部分。該系統(tǒng)放置于建筑樓頂，借助建筑自身高度來(lái)縮短風(fēng)機(jī)支架高度，在為風(fēng)機(jī)提供充足動(dòng)力的同時(shí)大大減少風(fēng)機(jī)的持續(xù)應(yīng)力，使風(fēng)機(jī)運(yùn)行更加安全穩(wěn)定；垂直軸風(fēng)機(jī)通過(guò)其對(duì)環(huán)境的較強(qiáng)適應(yīng)性及較小的磨損性，為加熱爐提供長(zhǎng)期穩(wěn)定的動(dòng)能輸出；齒輪增速裝置通過(guò)行星齒輪將轉(zhuǎn)速提升到加熱爐需要的速度，并通過(guò)法蘭連接傳遞給加熱爐；基于摩擦生熱原理的空氣加熱爐通過(guò)高速轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)空氣進(jìn)行連續(xù)重復(fù)加熱，提高空氣能利用設(shè)備的空氣初始溫度，以實(shí)現(xiàn)風(fēng)能與熱能的直接轉(zhuǎn)化。

圖1 系統(tǒng)示意圖

1.1 風(fēng)機(jī)葉輪設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用垂直軸式升力H型葉輪。垂直軸式風(fēng)機(jī)相比于水平式軸式風(fēng)機(jī)，壽命長(zhǎng)，可靠性高，噪音低，便于維護(hù)，風(fēng)能利用效率達(dá)40%以上，垂直阻力型風(fēng)輪由于其工作特性決定了它沒有很高的工作轉(zhuǎn)速，效率也受到了很大限制。而翼型升力型垂直軸式風(fēng)機(jī)則恰恰克服了阻力型的缺陷，其風(fēng)輪依靠葉片產(chǎn)生的升力工作，在現(xiàn)實(shí)中廣泛應(yīng)用。其中H型垂直軸風(fēng)力機(jī)葉片形式簡(jiǎn)單，成本較低。風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片可以通過(guò)改變其葉片與來(lái)流風(fēng)向之間夾角來(lái)改善其自啟動(dòng)性能，還可以通過(guò)這種方法來(lái)控制風(fēng)輪葉片的尖速比來(lái)提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)能利用率。并且直葉片型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片是由一個(gè)固定的截面通過(guò)掃略過(guò)一條直線而形成的，葉片形狀簡(jiǎn)單，加工方便，成本較低。

根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)分析方法以及葉素-動(dòng)量理論進(jìn)行葉輪物理參數(shù)計(jì)算，確定葉輪的掃風(fēng)面積，進(jìn)而計(jì)算出葉輪的直徑和高度。

葉輪掃風(fēng)面積為：

風(fēng)輪高度：

風(fēng)輪直徑：

實(shí)度：

式中：為葉輪的葉片數(shù)；葉片弦長(zhǎng)。

具體計(jì)算如表1所示。

1.2 空氣加熱爐設(shè)計(jì)

空氣加熱爐內(nèi)主要包括隔板、葉片和主軸等部分，如圖2所示。

圖2 爐體內(nèi)部結(jié)構(gòu)

制熱設(shè)備內(nèi)部葉片固定在圓形葉輪上，所以制熱設(shè)備實(shí)際的工作區(qū)域并不是一個(gè)整體的圓柱形區(qū)域。根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)可知制熱設(shè)備的工作半徑為0.75m，葉輪的半徑為0.25m，所以風(fēng)流過(guò)的區(qū)域?yàn)橥鈴?.5m，內(nèi)徑0.5m的圓筒體的區(qū)域。在制熱設(shè)備的外側(cè)內(nèi)壁上設(shè)計(jì)8個(gè)隔板，8個(gè)隔板將制熱設(shè)備在軸向分上為8個(gè)區(qū)域，同時(shí)制熱設(shè)備共擁有10級(jí)葉片，每1級(jí)葉片看作1個(gè)計(jì)算區(qū)域，共分為80個(gè)計(jì)算區(qū)域。

設(shè)加熱爐內(nèi)葉片外圈半徑為1，葉片內(nèi)圈半徑為2，通過(guò)下面的計(jì)算公式可以得出每一個(gè)計(jì)算扇形面積為：

設(shè)每級(jí)葉片的高度為（取0.1m），可知每個(gè)扇形體積為：

扇形的總體積為：

每個(gè)扇區(qū)做功：

每秒整體做功為：

2為制熱設(shè)備整體上單位時(shí)間所做的功，所以制熱設(shè)備內(nèi)部單位時(shí)間做功為3.6304kJ。而制熱設(shè)備在按設(shè)計(jì)工況所需求為3.2551275kJ。制熱設(shè)備實(shí)際功率大于設(shè)計(jì)功率，所以該設(shè)備理論上是可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)行的。

2 可行性分析

2.1 模擬驗(yàn)證

采用ANSYS FLUENT軟件對(duì)本文的空氣加熱爐部分進(jìn)行了數(shù)值模擬，設(shè)空氣加熱爐入口速度為0.053m/s，入口溫度為270K，葉輪旋轉(zhuǎn)速度為2300r/min，F(xiàn)luent模擬后的溫度分布云圖如圖3所示。圖中可以看出入口處的溫度為270K，出口處的溫度為300K，加熱系統(tǒng)中的葉輪旋轉(zhuǎn)使得空氣溫升提高了30℃。達(dá)到了預(yù)期的效果。

圖3 空氣加熱爐內(nèi)溫度場(chǎng)分布圖

2.2 節(jié)能與經(jīng)濟(jì)性分析

2.2.1 空氣源熱泵采暖

以內(nèi)蒙地區(qū)一臺(tái)5匹的空氣源熱泵，冬季平均室外溫度-10℃，入口空氣溫度提升30℃為例進(jìn)行核算。

5匹空氣源熱泵功率為3.675kW，室外溫度-10℃時(shí)生產(chǎn)45℃熱水（內(nèi)蒙地區(qū)冬季自來(lái)水溫取5℃），其能效比約為2，將空氣溫度提升30℃，能效比約提升2倍，產(chǎn)熱相同時(shí)，則耗電量縮小1倍。該熱泵熱水器-10℃時(shí)產(chǎn)生1噸熱水需消耗23.34度（千瓦時(shí)）電，而在20℃下工作時(shí)，產(chǎn)生1噸熱水僅需消耗11.67度電，節(jié)省一半，相當(dāng)于節(jié)省3.5kg標(biāo)準(zhǔn)煤。

以內(nèi)蒙赤峰地區(qū)100m2的典型家庭住宅為例，采取節(jié)能措施基礎(chǔ)上的5匹空氣源熱泵進(jìn)行間歇性供暖，工作時(shí)間不超過(guò)12h、出水溫度38～45℃。根據(jù)《城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范》，節(jié)能型住宅12h供暖熱指標(biāo)為80～90W/m2，取上限則100m2的節(jié)能型住宅采暖熱負(fù)荷為9KW，采暖1小時(shí)需要熱水量為0.1929噸，空氣源熱泵間歇供暖12h，生產(chǎn)熱水量為2.31噸，空氣源熱泵提升進(jìn)口空氣溫度后，按每天供暖12小時(shí)計(jì)算，生產(chǎn)2.31噸熱水可節(jié)約26.96度電，相當(dāng)于節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)煤8.09kg。內(nèi)蒙赤峰地區(qū)采暖時(shí)間按180天計(jì)，可節(jié)約電能約4852.8度，相當(dāng)于1456.2kg標(biāo)準(zhǔn)煤。

根據(jù)上述節(jié)能分析可知，100平方米的家庭住宅，采用本項(xiàng)目輔助空氣源熱泵進(jìn)行供暖，因熱泵能效提升2倍，一個(gè)采暖期可節(jié)約4852.8度電，電價(jià)按0.5元/kWh計(jì)，可節(jié)省2426.4元，若考慮生活熱水供應(yīng)，則節(jié)能效益更加可觀。該新型風(fēng)能制熱系統(tǒng)成本約為1200元，半個(gè)采暖期即可全部收回成本。

2.2.2 空氣源熱泵熱水器

空氣源熱泵在國(guó)標(biāo)工況下的能效比COP值一般在2.9～4.5之間，但環(huán)境溫度低于5℃后，機(jī)組能效開始衰減。在北方極其寒冷地區(qū)，由于冬季最冷室外溫度往往會(huì)低于-25℃，此時(shí)常規(guī)的空氣源熱泵已無(wú)法使用，即使超低溫空氣源熱泵可以實(shí)現(xiàn)在-25℃正常工作，但此時(shí)的能效衰減至2.0以下。若冬季采用傳統(tǒng)電熱水器提供生活熱水，與采用空氣源熱泵熱水器相比，能耗差異巨大。

以典型家庭（5口人）為例，根據(jù)國(guó)家生活熱水的標(biāo)準(zhǔn)，熱水溫度為55℃，年生活熱水耗熱量約為19.1625×106kJ。電熱水器功率按100%，提升溫度前的空源熱泵熱水器能效比約為2，提升30℃后的空氣源熱泵熱水器能效比約為4，以此可計(jì)算出內(nèi)蒙地區(qū)典型家庭一年生活熱水能耗比，具體見表2。

由表2可知，內(nèi)蒙地區(qū)典型家庭采用提升入口空氣溫度的空氣源熱泵熱水器，比傳統(tǒng)電熱水器每年節(jié)約電能3992.2kWh，以1度電花費(fèi)0.5元計(jì)，提升初溫后空氣源熱泵熱水器比傳統(tǒng)電熱水器可節(jié)省1996.1元。

表2 年生活熱水能耗比（內(nèi)蒙5口之家）

2.3 環(huán)保分析

1千克標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒可產(chǎn)生0.625kg粉塵、2.5kg二氧化碳、0.075kg二氧化硫和0.0375kg氮氧化物排放，一個(gè)冬季采用基于空氣加熱爐的新型風(fēng)能制熱系統(tǒng)輔助空氣源熱泵供暖，由于提升了空氣源熱泵的能效，可節(jié)約電能4852.8kWh，相當(dāng)于節(jié)約1456.2kg標(biāo)準(zhǔn)煤，同時(shí)減少910.13kg碳粉塵、3640.50kg二氧化碳、109.22kg二氧化硫、54.61kg氮氧化物。由此可見，采用該新型風(fēng)能制熱系統(tǒng)提升空氣源熱泵供暖，其減排效果十分顯著。

3 結(jié)論

首次提出風(fēng)力機(jī)帶動(dòng)空氣加熱爐來(lái)提高空氣源熱泵入口溫度的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)結(jié)果表明，該系統(tǒng)提高了空氣源熱泵的能量轉(zhuǎn)化率，拓寬其適用范圍；將風(fēng)能直接轉(zhuǎn)化為熱能，避免了風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能再轉(zhuǎn)化為熱能的中間能量消耗，提高了能源轉(zhuǎn)化效率，拓展了風(fēng)能的利用形式。該系統(tǒng)成本低、機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便，適用于輔助北方家庭空氣源熱泵采暖和生活用熱水系統(tǒng)，具有一定的推廣和實(shí)用價(jià)值。

[1] 丁艷,趙培濤,唐果,等.一種新型風(fēng)能制熱系統(tǒng)[P].中國(guó):ZL201820126602.5. 2018-10-16.

[2] 盛學(xué)章.誰(shuí)說(shuō)空氣源熱泵將取代多聯(lián)機(jī)?[J].機(jī)電信息,2017,(16):12-13.

[3] 馬一太,代寶民.熱泵在開發(fā)可再生能源領(lǐng)域的作用及其貢獻(xiàn)率的計(jì)算方法[J].制冷學(xué)報(bào),2016,(2):65-69.

[4] 封海輝.空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的應(yīng)用與能效評(píng)價(jià)研究[D].成都:西華大學(xué),2015.

[5] 張燦,常茹,呂建.地埋管地源熱泵制熱性能測(cè)試與分析[J].煤氣與熱力,2012,(10):1-4.

Design of a New Wind Energy Heating System Based on Aerodynamic Heating Furnace

Ding Yan Jin Wenwen Li Yi Wei Zhongrui Wang Kai

( Xuhai College of China University of Mining and Technology, Xuzhou, 221008 )

In order to solve the problem that the energy efficiency of air source heat pump is low or even can not work at low temperature in North China, a new type of wind energy heating system based on aerodynamic heating furnace is designed in this paper. As an auxiliary system of air source heat pump, the energy efficiency of air source heat pump is improved and its application scope is widened by raising the inlet air temperature. The direct conversion of wind energy to heat energy is realized and improved. Energy conversion efficiency provides a new idea for improving the efficiency of air source heat pump. The feasibility of the system is analyzed by numerical simulation, and its energy-saving, economic and environmental benefits are discussed. The results show that the system has remarkable energy-saving effect and has certain popularization and practical value.

Wind Energy; Aerodynamic Heating Furnace; Air Source Heat Pump; Energy Efficiency

TK89

A

1671-6612（2019）05-513-04

江蘇省高等學(xué)校自然科學(xué)研究面上項(xiàng)目資助（19KJD480001）；江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201613579003Y）；

丁 艷（1980-），女，碩士，講師，E-mail：dingyan02@126.com

2019-04-11