風(fēng)力致熱—地源熱泵耦合系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行綜述

劉曉暢

（沈陽建筑大學(xué) 市政與環(huán)境工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110168）

1概述

1.1研究背景

能源是人類生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。半個(gè)世紀(jì)以來，隨著世界各國對(duì)煤炭、石油和天然氣等燃料資源的加劇開采，導(dǎo)致資源的枯竭。大量燃用這些化石燃料，給人類的生存環(huán)境帶來了負(fù)面的影響。為了緩解和改善這種局面，世界各國紛紛采取提高能源利用效率、減少能源消耗、改善能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)等措施，尋求替代能源，其中包括太陽能、生物質(zhì)能、風(fēng)能、地?zé)崮芎秃Ｑ竽艿瓤稍偕Y源。我國的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)在近幾年也在發(fā)生變化［1］，對(duì)煤炭的消費(fèi)在逐漸減少，而對(duì)水能、風(fēng)能、核能的利用在不斷提高。

圖1 2010-2017年我國能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)統(tǒng)計(jì)

1.1.1風(fēng)能利用現(xiàn)狀

我國風(fēng)能資源十分豐富，最近的幾十年，風(fēng)力發(fā)電量急劇增加，然而風(fēng)力發(fā)電比例的增加也帶來了許多問題，例如，當(dāng)風(fēng)電并入主電網(wǎng)時(shí)，風(fēng)能的波動(dòng)和間歇性會(huì)帶來峰值調(diào)節(jié)和頻率調(diào)制的問題；風(fēng)能波動(dòng)特征和電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施不足將導(dǎo)致大面積停電；風(fēng)力發(fā)電和實(shí)時(shí)消耗平衡過程中存在的困難等。風(fēng)電資源大規(guī)模集中發(fā)展模式使中國成為輸入電壓最高的國家，中國逐漸出現(xiàn)“棄風(fēng)限電”，即由于安全控制，電網(wǎng)接入管理等原因?qū)е嘛L(fēng)電不投入電網(wǎng)，風(fēng)電機(jī)關(guān)閉的現(xiàn)象。這一現(xiàn)象在我國三北地區(qū)表現(xiàn)的尤為突出。由圖2可以看出，2017年國家出臺(tái)多項(xiàng)政策保障風(fēng)電消納，隨著棄風(fēng)限電改善以及特高壓通道的完工，2018年有所好轉(zhuǎn)，棄風(fēng)率控制在10%左右。但是在內(nèi)蒙古、吉林、甘肅和新疆4?。▍^(qū)）棄風(fēng)現(xiàn)象依然很嚴(yán)重［2］。

為更好地解決“棄風(fēng)限電”這一現(xiàn)象，合理地設(shè)計(jì)風(fēng)能利用的規(guī)則和機(jī)制是十分有必要的。Kong［3］等提出了“非電網(wǎng)連接風(fēng)電”理論，它直接將風(fēng)電應(yīng)用于一系列不連接電網(wǎng)的高能耗行業(yè)。除此之外，開發(fā)風(fēng)力致熱、風(fēng)力提水、風(fēng)能制氫等其他風(fēng)資源利用途徑，可以提高風(fēng)能的利用率，促進(jìn)能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

圖2 2011-2018我國棄風(fēng)率變化情況

1.1.2供暖行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

自1986年，建設(shè)部頒發(fā)了第一部節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)《民用建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（采暖居住建筑部分）》（JGJ26-86）開始，我國對(duì)建筑節(jié)能的研究進(jìn)入探索階段。我國的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)以煤炭為主，約占3/4以上，其中建筑采暖用煤約占75%以上。對(duì)于北方居住建筑能耗，占建筑總能耗80%的采暖通風(fēng)空調(diào)與熱水供應(yīng)需求非常接近于環(huán)境溫度的低品位能，其能級(jí)均在0.1左右。然而，建筑用能多數(shù)為高品位能源，能級(jí)高達(dá)1.0，熱力學(xué)第二定律效率只有10%左右。這種“高能低用”模式是造成能源結(jié)構(gòu)不合理與能源浪費(fèi)的根本原因。

淺層地?zé)崮茉诠┡欣萌找媸艿饺藗兊闹匾?，淺層地?zé)崮芫哂蟹植计毡椤⒙癫販\、可持續(xù)利用、不消耗地下水的特點(diǎn)，原則上適用于任何地層和建筑。地?zé)豳Y源具有三種利用方式：高于150℃的高溫地?zé)岚l(fā)電、低于150℃的中低溫地?zé)嶂苯永煤偷卦礋岜眉夹g(shù)。地源熱泵技術(shù)運(yùn)行溫度較低一般小于32℃［4］。地源熱泵技術(shù)在嚴(yán)寒地區(qū)應(yīng)用會(huì)出現(xiàn)夏季空調(diào)冷負(fù)荷小于冬季采暖熱負(fù)荷，導(dǎo)致地源熱泵向地下排熱與吸收的熱量不平衡的問題。此時(shí)可以采用“地下埋管+輔助熱源”的方式。輔助熱源可以選用太陽能、電加熱或余熱利用等方式。

1.1.3研究意義

進(jìn)入21世紀(jì)后，經(jīng)十幾年發(fā)展，各國地源熱泵的應(yīng)用規(guī)模不斷擴(kuò)大，發(fā)展迅猛。Ooka［5］等將太陽能、土壤能和空氣源等多種能源方式結(jié)合作為低溫?zé)嵩矗M比較與傳統(tǒng)熱泵系統(tǒng)的能耗差別，多源熱泵系統(tǒng)夏季最大可減少電力消耗44%，冬季可減少39%。Wakayama［6］等基于實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)得到白天供冷與夜間供生活熱水的運(yùn)行模式可使地源熱泵系統(tǒng)取得更高效率的結(jié)論。

眾所周知，在緯度較高的地區(qū)，秋、冬、初春季節(jié)往往是風(fēng)力比較旺盛的時(shí)期，把風(fēng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮軄砝每梢詾槭覂?nèi)供暖提供一種途徑。根據(jù)熱力學(xué)第二定律，風(fēng)能直接轉(zhuǎn)化為熱能其效率可達(dá)到100%，轉(zhuǎn)化效率非常高。所以，當(dāng)目的是利用熱能時(shí)，可以不將其先轉(zhuǎn)變成電能，而是直接轉(zhuǎn)變成熱能，這種直接轉(zhuǎn)換方式是非常有利的。所以提出風(fēng)力致熱-土壤源熱泵供暖系統(tǒng)是提高系統(tǒng)供熱效率的可行方法。

2研究現(xiàn)狀

2.1風(fēng)力致熱研究現(xiàn)狀

我國的風(fēng)力致熱技術(shù)處于初始階段，我國幾所大學(xué)院校和科研單位開始對(duì)風(fēng)力致熱技術(shù)進(jìn)行不同深度的研究。沈陽工業(yè)大學(xué)和西安交通大學(xué)致力于研究擠壓液體式風(fēng)力致熱；中國農(nóng)業(yè)大學(xué)致力于液體攪拌式風(fēng)力致熱研究。王士榮、吳書遠(yuǎn)對(duì)液壓式風(fēng)力致熱及其蓄熱裝置進(jìn)行了具體的介紹，郭新生等［7］對(duì)風(fēng)能致熱進(jìn)行了試驗(yàn)與分析；在800W試驗(yàn)裝置上，得到了3h內(nèi)工質(zhì)溫升近50℃的試驗(yàn)結(jié)果并提出了能量與換熱方程作為換熱器的設(shè)計(jì)依據(jù)，并可準(zhǔn)確預(yù)測風(fēng)力致熱裝置內(nèi)工質(zhì)溫升。2009年，由中國能源協(xié)會(huì)贊助的首屆WNWEC（世界非并網(wǎng)風(fēng)電與能源會(huì)議）召開，中國與丹麥、北歐各國就風(fēng)能在供熱過程中的長距離輸送問題進(jìn)行探討與研究，為風(fēng)能的發(fā)展貢獻(xiàn)力量，會(huì)議提出了一種新型的風(fēng)加熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和長距離傳輸模型，該系統(tǒng)臨界傳輸距離和最大傳輸距離對(duì)傳輸管道直徑的大小影響很大。因此，所提出的系統(tǒng)的最佳傳輸距離應(yīng)該考慮管道直徑的流速與建造成本［8］。近幾年，也有學(xué)者對(duì)液壓式風(fēng)能致熱系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)研究，得出風(fēng)力機(jī)和液壓泵的匹配主要考慮功率和扭矩的大小，只要風(fēng)力機(jī)的輸出功率和輸出扭矩大于液壓泵的輸入功率和扭矩即可。液壓泵和致熱器的匹配則考慮的是流量和壓力的關(guān)系，通過兩者的工作特性曲線的交點(diǎn)確定了最穩(wěn)定的工況點(diǎn)，即最合適的匹配工況點(diǎn)［10］。

世界上的一些國家，如日本、丹麥、美國、荷蘭、英國等，都開展了風(fēng)力致熱的研究，研制出了不同形式的風(fēng)力致熱裝置，用于加熱養(yǎng)魚池、沼氣池、干燥農(nóng)產(chǎn)品和為生產(chǎn)熱水向溫室和住宅供暖等方面。美國馬薩諸塞大學(xué)對(duì)美國一家生產(chǎn)風(fēng)力致熱裝置公司的產(chǎn)品進(jìn)行研究，此風(fēng)力致熱裝置采用液體攪拌式致熱，為擁有奶牛場的百頭奶牛提供清洗用溫水，冬季也可為牛舍供暖［9］。

日本在風(fēng)力致熱方面起步比較早，在1981年Gunkel，W.W等人 介紹了“奶牛中心風(fēng)能利用”研究項(xiàng)目的成果。之后又陸續(xù)制造了擠壓液體式風(fēng)力致熱裝置在北海道農(nóng)場使用，為蔬菜溫室大棚供暖；在北海道安裝“天鵝一號(hào)”風(fēng)爐，可以生產(chǎn)80℃熱水，供酒店浴池使用；日本科技廳提供了一套壓縮空氣風(fēng)力致熱裝置，安裝在秋田縣為溫室供暖；靜風(fēng)縣大仁鎮(zhèn)安裝攪拌液體式風(fēng)力致熱裝置，給使鰻魚池水溫度保持在25℃［11-12］。

2.2地源熱泵研究現(xiàn)狀

我國地源熱泵在21世紀(jì)初-2004年進(jìn)入推廣階段，相關(guān)的科學(xué)研究數(shù)量不斷增多。 刁乃仁、方肇洪等人先后提出了有限長熱源模型，對(duì)地源熱泵換熱器的運(yùn)行特性及土壤滲流作用對(duì)換熱器的影響進(jìn)行了模擬分析，為地源熱泵在我國的發(fā)展提供更多的理論基礎(chǔ)［13-14］。在地源熱泵推廣的重要階段，李新國等人通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)方法得出地源熱泵在不斷上漲的能源價(jià)格形勢下具有很強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)競爭性［15］，促進(jìn)了該技術(shù)在我國的高速發(fā)展；在地源熱泵的快速發(fā)展階段，各科研機(jī)構(gòu)開始討論地源熱泵技術(shù)應(yīng)用的適宜性。根據(jù)不同地區(qū)的氣候特點(diǎn)，高效的應(yīng)用地源熱泵，比如針對(duì)我國嚴(yán)寒地區(qū)將相變儲(chǔ)能技術(shù)、太陽能等節(jié)能技術(shù)與其相結(jié)合［16］，使地源熱泵技術(shù)更好的在我國發(fā)展。近幾年，國外對(duì)地源熱泵的研究不斷深入與創(chuàng)新，Gruniger等研發(fā)了一種以CO2為介質(zhì)的虹吸式地埋管換熱器，并對(duì)其流體特性和傳熱特性進(jìn)行了模擬，結(jié)果表明，該新型換熱器季節(jié)性能系數(shù)可比傳統(tǒng)地埋管提高15%～0%［17］。

3風(fēng)力致熱—地源熱泵耦合系統(tǒng)介紹

3.1風(fēng)力致熱系統(tǒng)介紹

液壓式風(fēng)力致熱也稱為油壓阻尼孔致熱，通過液體工質(zhì)在風(fēng)力機(jī)、液壓泵、阻尼孔、換熱器的能量轉(zhuǎn)換，獲得較高溫度的水補(bǔ)給地源熱泵。工作原理由五部分組成［18］：首先，風(fēng)力機(jī)吸收風(fēng)能獲得能量；

式中：P—風(fēng)力機(jī)輸出功率（W）；

Cp—功率系數(shù)，水平軸螺旋槳風(fēng)力機(jī)可

取0.35，垂直軸風(fēng)力機(jī)可取0.15；

ρ—空氣密度（ρ=1.25kg/m3）；

R—風(fēng)輪半徑（m）；

V—風(fēng)輪中心高度設(shè)計(jì)風(fēng)速（m/s）；

風(fēng)機(jī)獲得的能量以機(jī)械能的方式傳遞給液壓泵，液壓泵中的工質(zhì)選用等壓比熱容小、較高粘度、較高密度的油類。

式中：T—風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩（扭矩）［kgf·m（1kgf=9.80665N）］；

ω—風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)角速度（rad/s）；

λ—風(fēng)輪葉尖速度比（尖速比），即風(fēng)輪葉片葉尖速度與風(fēng)輪前風(fēng)速的比值；

V—風(fēng)速（m/s）；

R—風(fēng)輪半徑（m）；

在最佳尖速比λd下具有最大風(fēng)能利用系數(shù)Cpmax，推導(dǎo)得風(fēng)力機(jī)最佳載荷扭矩-轉(zhuǎn)速特性。

獲得的機(jī)械能再通過油壓泵轉(zhuǎn)換為壓力能。

ΔP—液壓泵輸入端、輸出端壓差（Pa）；

D—液壓泵排量（mL/rad）；

之后壓力能通過阻尼孔將油所獲得的壓力能轉(zhuǎn)換為高速噴出的工質(zhì)動(dòng)能，且工質(zhì)在阻尼孔中產(chǎn)生的壓力與其流速的平方成正比。

k—阻尼孔阻力系數(shù)；

Q—流量（mL/s）；

代入式（4），得風(fēng)力機(jī)與荷載保持最佳匹配公式，即不論風(fēng)速怎樣變化，都能使風(fēng)力機(jī)最大可能的吸收風(fēng)能，這是其他風(fēng)能利用裝置無法達(dá)到的。

最后在阻尼孔的輸出端，動(dòng)能通過高速油與低速油的摩擦碰撞轉(zhuǎn)化成熱能。

γ—所用工質(zhì)油的比熱；

在致熱系統(tǒng)中獲得的熱能在換熱器中與冷水進(jìn)行換熱，冷水溫度上升，上面致熱過程不斷重復(fù)，為地埋管補(bǔ)熱做準(zhǔn)備。

3.2地源熱泵系統(tǒng)介紹

圖3 地源熱泵冬季工況系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

地源熱泵冬季工況系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖所示，系統(tǒng)由地埋管換熱器、熱泵機(jī)組和用熱末端三部分組成，地下埋管換熱器回收土壤的低位熱源，制冷劑在蒸發(fā)器中吸收土壤熱量蒸發(fā)，再經(jīng)過壓縮機(jī)變成高溫高壓的氣體，接著與冷凝器中的冷凝水換熱，冷凝水吸熱溫度上升供用熱末端使用。而換熱后的制冷劑再經(jīng)過膨脹閥變成低溫低壓的液體流至蒸發(fā)器完成一個(gè)工作循環(huán)。

3.3耦合系統(tǒng)介紹

耦合系統(tǒng)原理圖如圖4所示，由風(fēng)力致熱部分得到的熱量通過換熱器傳遞給土壤源熱泵系統(tǒng)中，可以提高熱泵系統(tǒng)的供熱效率。

圖4 風(fēng)力致熱—地源熱泵耦合系統(tǒng)原理圖

4結(jié)語

在對(duì)供暖需求迫切的嚴(yán)寒地區(qū)，風(fēng)能或淺層地?zé)崮苓@種單一的熱源形式存在一定的局限性，兩者的相互結(jié)合，既可以克服熱泵長期連續(xù)從地下取熱，將使土壤溫度場長期得不到有效恢復(fù)的問題，又可以克服風(fēng)能受氣候的隨機(jī)因素影響的局限性［19］。綜合各方的研究，將風(fēng)力致熱-土壤源熱泵供暖系統(tǒng)建立仿真模型，研究系統(tǒng)在不同工況下的仿真模擬，是風(fēng)能在供暖方面發(fā)展的關(guān)鍵一步。