“雙碳”背景下風(fēng)熱機組在上海的應(yīng)用淺析

0 引言

2021年，國家發(fā)改委、能源局發(fā)布《關(guān)于完善能源綠色低碳轉(zhuǎn)型體制機制和政策措施的意見》，明確除了能源供應(yīng)側(cè)加強節(jié)能、大幅度提高能效以外，還需要在能源需求側(cè)“多用綠能”、探索“供需互動”的新方向，因此應(yīng)積極完善能源產(chǎn)、供、銷、存體系，精準(zhǔn)匹配新能源特點和區(qū)域的供能目標(biāo)，實現(xiàn)能源的高效利用。

大力推動美國學(xué)學(xué)科建設(shè)有何理論與現(xiàn)實意義？中國的美國學(xué)學(xué)者應(yīng)有怎樣的學(xué)術(shù)情懷、時代責(zé)任、價值標(biāo)準(zhǔn)和研究視角？如何確定研究內(nèi)容、研究目標(biāo)、理論與方法？目前，美國學(xué)概念尚未得到普遍認可，國內(nèi)美國學(xué)相關(guān)研究，分散在外語、歷史、文學(xué)、政治等各學(xué)科，相互之間缺乏融合與交叉，沒有形成嚴(yán)密的學(xué)科體系。因此，借助國別與區(qū)域研究熱潮，外語學(xué)科應(yīng)倡導(dǎo)美國學(xué)學(xué)科建設(shè)。利用外語優(yōu)勢，運用跨學(xué)科理論與方法，加強對美國文化的深層次分析，把握美國文明的歷史脈絡(luò)，成為美國學(xué)教研團隊的生力軍。同時，加強與其他學(xué)科的交流合作，共同承擔(dān)中國美國學(xué)學(xué)科建設(shè)的職責(zé)。

上海等南方城市隨著人民對生活水平提高的迫切需求，已開始探索供暖、供熱新方式。南方城市與北方不同，基本沒有集中供暖管網(wǎng)系統(tǒng)，且時間上寒潮期較短、空間上居住范圍較分散，給南方集中供暖和供熱經(jīng)濟性問題提出了挑戰(zhàn)，尋找高效低碳供熱方式有非常迫切的需求。風(fēng)電是近年來增長最快的清潔能源利用方式之一。2021年，陸上風(fēng)電已全面進入“平價時代”，降本增效也成為風(fēng)電企業(yè)生存的關(guān)鍵。由于風(fēng)力機數(shù)量激增，風(fēng)能波動性特征和大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)，易造成電網(wǎng)沖擊，從而產(chǎn)生新的棄風(fēng)限電問題，因此風(fēng)能應(yīng)用轉(zhuǎn)型發(fā)展，應(yīng)更靠近終端使用。

《水土保持定額》中的工程措施人工工資為1.50～1.90元/h，按8 h/d計算，水土保持工程人工日工資在9.60～15.20元/d之間。按（429號文件）樞紐工程部分二類區(qū)（柳林縣）中級工9.15元/h，按每天8 h計算，水利樞紐工程人工日工資73.20元/d。按正常市場經(jīng)濟發(fā)展，生活水平及人工工資正常提升，“2017年山西省最低工資標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)定”二類地區(qū)（柳林縣）16.60元/h，按每天8 h計算，人工日工資132.80元/d?！端帘３侄~》中人工工資遠遠低于當(dāng)?shù)兀挚h）市場人工價格。

綜上所述，風(fēng)能利用的能源清潔化發(fā)展模式符合政策要求和企業(yè)需求。上海等南方地區(qū)應(yīng)多角度出發(fā)繼續(xù)發(fā)展分布式能源為主、集中式能源為輔供熱模式，實現(xiàn)區(qū)域“雙碳”目標(biāo)，幫助企業(yè)降本增效和提升居民生活水平。

1 風(fēng)能熱利用技術(shù)介紹

風(fēng)能熱利用技術(shù)已在中科院工程熱物理所、沈陽工業(yè)大學(xué)等科研院所展開研究，有間接和直接制熱兩條技術(shù)路徑。間接制熱技術(shù)是先將風(fēng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，然后再將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?/p>

，這種方式因為電的便利性，對于用戶端使用較為方便，例如利用風(fēng)電帶動熱泵或者電鍋爐，并且配備蓄熱裝置，可以對用戶端實現(xiàn)舒適穩(wěn)定供暖（如圖1所示）。但是，這種轉(zhuǎn)變過程路徑較長，損失大，設(shè)備投資巨大，而且用能形式不符合能源的“溫度對口、梯級利用”理念，電能消耗過多。

通過項目建設(shè)完成的79個縣防汛計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，全省實現(xiàn)了“分級負責(zé)，集中管理”的信息“集約化”管理模式，加強了山洪災(zāi)害防御信息共享，提高了實時信息傳輸?shù)臅r效性。河南省雨水情自動監(jiān)測信息采取省級集中管理，各監(jiān)測站通過GSM和GPRS通信方式直接發(fā)到省中心，省中心數(shù)據(jù)通過防汛計算機網(wǎng)絡(luò)分發(fā)到各縣級山洪災(zāi)害監(jiān)測平臺及各市水情分中心、各水庫管理單位等，同時上報國家防總；各縣山洪災(zāi)害基礎(chǔ)信息和預(yù)警信息通過防汛計算機網(wǎng)絡(luò)直達市、省、中央，實現(xiàn)了信息共享。國家、省、市、縣四級互聯(lián)互通的防汛計算機網(wǎng)絡(luò)為信息“集約化”管理提供了快速的通道，時效性顯著提高。

1.1 風(fēng)能熱利用種類

2022 年，《上海市公共機構(gòu)綠色低碳循環(huán)發(fā)展行動方案》闡明了推廣太陽能、空氣源熱泵等可再生能源熱水系統(tǒng)。熱泵技術(shù)因其節(jié)能高效在供暖、供熱和烘干等領(lǐng)域有巨大潛力，如通過技術(shù)創(chuàng)新、集成熱泵和風(fēng)力機形成創(chuàng)新的風(fēng)熱機組，直接將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為熱能實現(xiàn)熱量倍增效應(yīng)。

上海市102 個工業(yè)區(qū)塊、500 余家重點用能企業(yè)，30 個擬建和規(guī)劃數(shù)據(jù)中心，都具有大量供熱和制冷需求。目前，它們大都采用工業(yè)鍋爐供熱加電制冷系統(tǒng)為主要供能方式，且絕大部分工業(yè)區(qū)、塊和重點用能企業(yè)已分布在郊區(qū)，具備建設(shè)風(fēng)熱機組潛力?！渡虾Ｊ芯G色制造體系建設(shè)實施方案（2021-2025 年）》擬建設(shè)綠色工廠、綠色園區(qū)200家，還將力爭創(chuàng)建零碳工廠40家。風(fēng)熱機組在上海市工業(yè)園區(qū)和產(chǎn)業(yè)供熱領(lǐng)域必將具有重要的發(fā)展?jié)摿Α?jù)分析，未來通過一企、一園區(qū)、一方案的模式，加快風(fēng)熱機組在綠色工廠、綠色園區(qū)、零碳工廠、綠色數(shù)據(jù)中心等領(lǐng)域推廣應(yīng)用。上海市具有600 MW 風(fēng)熱機組建設(shè)潛力，可帶動新能源投資超60 億元，實現(xiàn)節(jié)能潛力近 100 萬 tce/a，實現(xiàn) CO

減排能力150萬t/a。

整機測試儀通過裝置電源把座上的閉環(huán)測試連接線，實時檢測裝置閉鎖接點復(fù)位信號。當(dāng)裝置上電后，裝置閉鎖信號會從閉合到斷開，表明裝置已處于正常運行狀態(tài)，可以進行整機測試。WDT將裝置正常運行信號反饋給ITCC，有其根據(jù)信號來源，觸發(fā)左側(cè)或右側(cè)測試系統(tǒng)的掃描儀。掃描儀掃描裝置側(cè)面的機箱條碼，并將條碼信息提交給大數(shù)據(jù)服務(wù)支撐模塊。大數(shù)據(jù)服務(wù)支撐模塊根據(jù)裝置條碼獲取裝置硬件板卡等多維度數(shù)據(jù)，智能測試控制中心根據(jù)該數(shù)據(jù)控制對應(yīng)氣閥，完成該型號裝置測試連接線的自動連接，為整機智能測試構(gòu)建閉環(huán)測試環(huán)境。

1.2 風(fēng)熱機組工作原理與進展

基于風(fēng)能間接制熱技術(shù)的不足，中國科學(xué)院工程熱物理研究所（下文簡稱“研究所”）率先在徐建中院士提出的“風(fēng)熱機組”原創(chuàng)理念基礎(chǔ)上深入研究

，開發(fā)完成了國內(nèi)首臺（套）風(fēng)熱機組。

近年來，政府向地方上的鄉(xiāng)鎮(zhèn)級單位加大了財政投入，針對三農(nóng)問題這方面的專項撥款也在進一步加大，而針對財政資金的內(nèi)部控制制度卻沒有進一步完善。一方面一部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)財政所雖然說要按內(nèi)部控制制度執(zhí)行，但是大多只是將制度內(nèi)容懸于墻上，沒有真正執(zhí)行之一制度，將制度流于形式。另一方面鄉(xiāng)鎮(zhèn)財政的內(nèi)部控制在其施行過程中沒有與之相應(yīng)的措施，使得該制度的實際執(zhí)行力大打折扣，內(nèi)部控制因為不能被徹底執(zhí)行而對資金的使用以及產(chǎn)生的效用帶來了不利影響。

風(fēng)熱機組的原理是將風(fēng)電熱泵中的發(fā)電機、變流器與電動機等設(shè)備去除，將風(fēng)力機傳動機構(gòu)高速軸與壓縮機直接連接，風(fēng)力機直接驅(qū)動壓縮機運行，同時帶動整個熱泵系統(tǒng)進行供熱。風(fēng)熱機組的運行和風(fēng)電機組類似，當(dāng)來流風(fēng)速大于機組的啟動風(fēng)速時，風(fēng)力機啟動，風(fēng)輪捕獲風(fēng)能，經(jīng)傳遞鏈帶動壓縮機旋轉(zhuǎn)。壓縮機通過吸排氣管與地面的蒸發(fā)器冷凝器連接。壓縮機壓縮來自蒸發(fā)器的制冷劑氣體，氣體輸入冷凝器加熱供暖回水，經(jīng)節(jié)流降壓進入蒸發(fā)器，蒸發(fā)氣體流回壓縮機完成一個熱泵循環(huán)。為同時實現(xiàn)機艙流體與地面?zhèn)鬟f以及風(fēng)力機的偏航對風(fēng)，需要在機艙內(nèi)部添加滑環(huán)裝置，保證風(fēng)力機在偏航過程中，管道內(nèi)流體不受影響（見圖3）。

從投資回收期看，風(fēng)熱機組投資回收期僅為1.55年，而三聯(lián)供系統(tǒng)投資回收期為2.22年。從節(jié)能量和減排量看更為明顯，風(fēng)熱機組可實現(xiàn)年節(jié)能量3 184 tce，實現(xiàn)年減少排放量4 980 tCO

；三聯(lián)供系統(tǒng)可實現(xiàn)年節(jié)能量1 226 tce，實現(xiàn)年減少排放量1 787 tCO

，其中風(fēng)熱機組節(jié)能降碳效果比三聯(lián)供系統(tǒng)更為顯著。由此可見，風(fēng)熱機組供能的經(jīng)濟性與環(huán)保性俱佳，是一項值得大力推廣的清潔能源供能技術(shù)。在有風(fēng)力資源優(yōu)勢、地區(qū)空間優(yōu)勢的產(chǎn)業(yè)園區(qū)、五大新城區(qū)域具有更大的建設(shè)可行性，可實現(xiàn)更大的節(jié)能降碳價值。

近年來，研究所在風(fēng)熱機組仿真模型構(gòu)建、100 kW風(fēng)熱機組示范平臺、風(fēng)熱機組智能控制等方面均取得了突破性的進展。基于風(fēng)熱機組各個部件的仿真模型，將復(fù)合風(fēng)速模型、變速定槳風(fēng)力機模型、蒸汽壓縮式熱泵模型進行封裝和組合連接，最終在Matlab/Simulink 平臺上建立了風(fēng)熱機組仿真模型（見圖4），圖5為制熱量和制冷量模擬結(jié)果。

2019 年底，研究所在河北張家口成功建成世界首臺百千瓦風(fēng)熱機組。研究所根據(jù)當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)資源及熱負荷情況研發(fā)了100 kW 風(fēng)熱機組，采用100 kW 風(fēng)力機驅(qū)動開啟式螺桿壓縮機，熱泵系統(tǒng)以氨為制冷劑。為提高系統(tǒng)的制熱效率，以土壤為低溫?zé)嵩?，通過U 形地埋管吸取熱量，風(fēng)熱機組制熱工況下產(chǎn)生50～60℃的熱水，制熱COP 可達3.0以上，可為4 000 m

建筑提供冷熱源，實現(xiàn)100%可再生能源供暖。

2 上海風(fēng)能資源及供熱需求分析

上海屬亞熱帶季風(fēng)氣候，春秋較短，夏冬較長，而在風(fēng)資源分布上每年的11 月至次年4 月和每年7-8 月均是風(fēng)速明顯上升期，因此上海市風(fēng)能資源利用的最佳時期和人們的冷熱需求基本重合。上海市也處中國南北海岸的中部，東瀕東海，南臨杭州灣，風(fēng)力資源在空間分布上較為明顯，海上風(fēng)資源主要集中在東南沿海地區(qū)，從沿海到內(nèi)陸，風(fēng)力資源一路遞減，城市中心地區(qū)80 m高度處的年平均風(fēng)速為5 m/s，沿海地區(qū)80 m高度處的年平均風(fēng)速為6.5 m/s（如圖6、圖7、圖8 所示），風(fēng)速可以在較長時間內(nèi)保持穩(wěn)定高風(fēng)速。

熱泵空調(diào)和地暖是目前上海常用供暖方式。2000-2020年間，上海市各區(qū)域的平均地表溫度均呈上升趨勢，研究結(jié)果表明，上海市地表溫度由中心城區(qū)向外圍區(qū)逐漸遞減，存在顯著的熱島效應(yīng)（如表1 所示），五大新城建設(shè)中供暖和供熱需求將明顯增加。上海中心地區(qū)住宅目前廣泛采用熱泵型空調(diào)器供暖，按部分時間、部分空間的模式，供暖能耗維持在很低的水平。但是，南方濕度較大，空氣濕度大小直接影響建筑空調(diào)能耗。在冬季，室內(nèi)設(shè)計相對濕度越大，能耗越高，在冬季相對濕度每提高10%，能耗約增加6%。外圍偏內(nèi)陸這一地區(qū)，高檔住房的比例較高，獨棟樓房往往會選用不占用空間且舒適的地暖，外圍偏沿海地區(qū)近幾年人口增加，供暖設(shè)備還未發(fā)展成熟。

綜上所述，上海市風(fēng)能資源和供暖、供熱需求的時空匹配性很強，所以在碳達峰碳中和背景下，上海市五大新城、上海市重點工業(yè)園區(qū)和產(chǎn)業(yè)園區(qū)采取風(fēng)熱機組實現(xiàn)供暖和供熱具有積極的推廣價值。

3 風(fēng)熱機組應(yīng)用場景分析

風(fēng)熱機組示范性項目的建立和成功運行證明了風(fēng)熱機組的應(yīng)用可行性和發(fā)展前景性。上海市近海地域條件，為其提供了大量可利用的風(fēng)能資源。同時，上海具有存量和增量的供熱需求，這些都為風(fēng)熱機組技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提供了良好的市場機遇。

在項目水資源論證階段，對項目區(qū)實行嚴(yán)格的水資源論證審批制度，項目規(guī)模和布局以取水總量控制指標(biāo)為指導(dǎo)，項目取水不得突破國家下達的地表水和地下水取水總量控制指標(biāo)，對于已達到或超過控制指標(biāo)的地區(qū)，不得新增取水，對于接近控制指標(biāo)的地區(qū)，限制新增取水。地下水超采區(qū)內(nèi)不得新增取用地下水，生態(tài)脆弱區(qū)限制地下水開采，防止出現(xiàn)生態(tài)環(huán)境問題。

3.1 典型案例分析

本文以上海市某建筑物（4 萬m

供熱面積）為例，選用純電供能、燃氣三聯(lián)供和風(fēng)熱機組供能就經(jīng)濟性、能耗和碳排放三個方面對三種供能方法進行比較分析。如圖9 所示，該建筑物空調(diào)冷負荷約3 704 kW，空調(diào)熱負荷約2 768 kW，生活熱水負荷約3 435 kW，空調(diào)冷負荷主要集中在5 月到10 月，空調(diào)熱負荷主要集中在11 月到次年的2 月，生活熱水全年均有，平均冷熱負荷按照50%，生活熱水平均負荷按照30%。為滿足上述需求，本文選用2 MW 風(fēng)熱機組系統(tǒng)，從風(fēng)熱機組運行特性曲線與建筑物冷熱負荷特性曲線對比分析來看，風(fēng)熱機組基本上可以滿足建筑物冷熱負荷需求（如圖10所示）。

1.2.2.2 護士長每天隨時檢查,節(jié)假日臨時抽查。定期評分。嚴(yán)格執(zhí)行護士長查房制度,可作為收集信息、評價護理質(zhì)量的措施,并有助于提高各層護理人員工作的積極性。[1]

該建筑物采用三個設(shè)計方案對比：方案一采用風(fēng)熱機組供熱供冷系統(tǒng)，主要包括風(fēng)熱機組、蓄冷蓄熱、輔助熱泵、主控機房等；方案二采用燃氣熱電冷三聯(lián)供系統(tǒng)，主要包括燃氣內(nèi)燃發(fā)電機、吸收式熱泵機組、蓄熱、熱回收熱泵、離心式制冷、燃氣鍋爐等；方案三采用純電供能方式，主要包括空氣源熱泵、電鍋爐等設(shè)備。三個方案具體經(jīng)濟性分析如表2。

在我們的觀察中有3例不成功，在鼻內(nèi)鏡下吻合口可見瘢痕過度生長，考慮為創(chuàng)面的過度增殖所致，我們總結(jié)在年輕患者及術(shù)后復(fù)查吻合口過度肉芽組織生長的患者中可在吻合口填塞的海綿中使用5-FU以減輕瘢痕形成。

3.2 應(yīng)用場景分析

風(fēng)熱機組如匹配上儲能系統(tǒng)，與光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電等系統(tǒng)比較就更具有運行時間長的特點，因此其應(yīng)用可替代能耗和碳排放比重高的園區(qū)、工廠、數(shù)據(jù)中心、公共建筑老裝備，對上海市碳達峰碳中和目標(biāo)實現(xiàn)具有重大推動作用。

直接制熱技術(shù)即將風(fēng)能利用與高效熱力循環(huán)技術(shù)有機融合，風(fēng)力機直接驅(qū)動熱泵，也應(yīng)是未來風(fēng)能熱利用的重點技術(shù)路線（如圖2所示）。在風(fēng)能直接轉(zhuǎn)化為熱能方面形式多樣，將風(fēng)力機結(jié)合攪拌制熱裝置、壓縮流體（空氣或液體）制熱技術(shù)以及渦流制熱，產(chǎn)生了多種多樣的風(fēng)力直接制熱技術(shù)。國外已有研究，驗證了風(fēng)能熱泵制熱系統(tǒng)的可行性與高效性，并建立了一些小型的實驗裝置。國內(nèi)的相關(guān)研究也證明了風(fēng)能熱泵系統(tǒng)在清潔供熱領(lǐng)域?qū)档痛髿馕廴疚锱欧啪哂兄匾饬x。

上海市大型公共建筑、創(chuàng)意園區(qū)、產(chǎn)業(yè)園區(qū)能源消耗和碳排放的重點領(lǐng)域?qū)岷椭评湫枨蟠?，如在上海市五大新城建設(shè)中加快能源供應(yīng)的整體規(guī)劃，風(fēng)熱機組等分布式新能源應(yīng)用模式需加快推廣，對標(biāo)桿型公共建筑優(yōu)先試點，對5 萬m

以上建筑樓宇開展可行性研究和逐步推廣，可形成風(fēng)熱機組推廣應(yīng)用潛力超400 MW。上海市建筑樓宇領(lǐng)域風(fēng)熱機組建設(shè)潛力，可帶動新能源投資超40 億元，實現(xiàn)節(jié)能潛力超60 萬tce/a，實現(xiàn)CO

減排能力約100萬t/a。

隨著工業(yè)鍋爐“十二五”煤改氣和“十三五”提標(biāo)改造專項行動的實施，工業(yè)鍋爐能效提升明顯，但企業(yè)用能成本也有較大提高。上海市工業(yè)鍋爐中的燃油鍋爐和實施燃氣三聯(lián)供經(jīng)濟性不合適的燃氣鍋爐可加快風(fēng)熱機組推廣應(yīng)用，據(jù)分析可形成100 MW 的建設(shè)潛力，可帶動新能源投資超10 億元，實現(xiàn)節(jié)能潛力超15萬tce/a，實現(xiàn)CO

減排能力約25萬t/a。

風(fēng)熱機組也可在污水處理領(lǐng)域推廣應(yīng)用。上海市污水處理系統(tǒng)及污泥處理要加大力度，在風(fēng)資源較豐富地區(qū)的污水處理廠采用風(fēng)能熱利用技術(shù)解決污泥干化，成本可以大幅度降低，能耗和碳排放也可大幅度減少。據(jù)了解，全國城市污水處理廠處理能力 1.77 億 m

/d，年處理污水量 532 億 m

，年干污泥處置量為1 182 萬t。污泥處理技術(shù)主要采取機械脫水和污泥熱干化，現(xiàn)采用污泥熱干化技術(shù)處理成本較高，脫除每噸水的成本約300元，能耗和碳排放量大，建議污水處理廠可加大風(fēng)熱機組與污泥熱干化集成試點。據(jù)分析，上海市污水處理廠具備50 MW 風(fēng)熱機組應(yīng)用潛力，可形成年節(jié)能潛力8 萬tce/a，減少CO

排放近12.5萬t/a。

“古爾邦”，阿拉伯語音譯“爾德·古爾邦”“爾德·阿祖哈”，意為“犧牲”“獻身”，故亦稱“宰牲節(jié)”“獻牲節(jié)”“忠孝節(jié)”“爾德節(jié)”。寧夏南部山區(qū)等地的回族稱為“大爾德”，云南等地的回族稱為“小爾德”，是伊斯蘭教三大節(jié)日之一，一般在開齋節(jié)過后七十天舉行，回歷十二月十二日.

4 結(jié)論

本文闡述了風(fēng)能熱利用技術(shù)的主要原理和進展，以及在上海市應(yīng)用的前景。

1）風(fēng)熱機組的關(guān)鍵技術(shù)問題包括風(fēng)力機和熱泵機組的運行匹配性，風(fēng)力機與熱泵的耦合動態(tài)調(diào)控策略，風(fēng)熱機組高效、高可靠優(yōu)化設(shè)計方法等，目前國內(nèi)已有成熟的風(fēng)熱機組示范項目，已具備推廣應(yīng)用的技術(shù)可行性。

2）風(fēng)熱機組作為一種可再生能源利用的新型方式，制熱技術(shù)更為簡單，技術(shù)上可行，同時也是綠色低碳的制熱方式，且相比于風(fēng)電機組以及風(fēng)電熱泵機組有較大的經(jīng)濟性優(yōu)勢，相比于純電供能系統(tǒng)經(jīng)濟性和節(jié)能降碳效果更為顯著，具備推廣應(yīng)用的經(jīng)濟可行性。

3）上海具有風(fēng)資源地域優(yōu)勢，上海市的產(chǎn)業(yè)發(fā)展和城市建設(shè)的供能需求，以及碳達峰碳中和目標(biāo)的推進，對風(fēng)熱機組都具有較大的需求潛力，加快推進風(fēng)熱機組試點示范和推廣應(yīng)用符合政策要求和企業(yè)需求，對上海市發(fā)展綠色低碳的生產(chǎn)方式和生活方式都具有積極意義。

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