丁 艷 金文雯 李 毅 魏中瑞 王 凱

基于空氣動力加熱爐的新型風能制熱系統(tǒng)設計

丁 艷 金文雯 李 毅 魏中瑞 王 凱

（中國礦業(yè)大學徐海學院 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，設計了一種基于空氣動力加熱爐的新型風能制熱系統(tǒng)，作為空氣源熱泵的輔助系統(tǒng)，通過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，實現(xiàn)了風能到熱能的直接轉化，提高了能源轉化效率，為空氣源熱泵提效提供了新思路。通過數(shù)值模擬分析其可行性，探討其節(jié)能、經(jīng)濟及環(huán)保效益，結果表明，該系統(tǒng)節(jié)能效果顯著，具有一定的推廣和實用價值。

風能；空氣動力加熱爐；空氣源熱泵；能效

0 引言

我國北方冬季氣溫低，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)境污染嚴重。隨著國家“煤改電”、“煤改清潔能源”的不斷推進[2]，空氣源熱泵以其高效、環(huán)保、安全、可靠的優(yōu)勢，在商用和民用空調領域快速發(fā)展，國家已將空氣源熱泵納入可再生能源范圍，并在“十三五”規(guī)劃中設立了發(fā)展目標[3]。但空氣源熱泵機組的能效隨著環(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，空氣源熱泵的應用受大了極大限 制[5]。

空氣動力加熱爐（簡稱“空氣加熱爐”）是空氣能利用研究過程中誕生的一項關鍵性技術，通過提高空氣能利用設備入口溫度來提高產(chǎn)品效率。該技術發(fā)源于俄羅斯，對于其他國家還屬新興技術。2013年12月中國航天科技集團四院西安航天化學動力廠對空氣動力爐展開研究，填補了國內空氣摩擦發(fā)熱應用研究的空白[1]。目前空氣動力加熱爐主要是采用電機驅動葉輪旋轉，葉輪與空氣摩擦產(chǎn)生熱量，使空氣加熱，同時葉輪的旋轉使爐腔內的空氣循環(huán)流動，從而使整個爐腔內的溫度不斷上升，實現(xiàn)加熱?？諝鈩恿t具有熱效率高、能耗低、無須電熱元件、無明火和設備安全性好等優(yōu)點。但空氣加熱爐一般采用電機驅動，電能消耗大。

本文擬采用風能作為空氣加熱爐的動力源，基于目前成熟的風力發(fā)電技術中的葉輪裝置，將風吹葉輪旋轉的機械能通過齒輪傳動增速后傳遞給空氣加熱爐，實現(xiàn)對空氣的加熱，為空氣能利用系統(tǒng)提高初溫，從而實現(xiàn)風能與熱能的直接轉化，減少能量的二次損失。

1 系統(tǒng)設計

該新型風能制熱系統(tǒng)主體如圖1所示，主要包括風機葉輪、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縮短風機支架高度，在為風機提供充足動力的同時大大減少風機的持續(xù)應力，使風機運行更加安全穩(wěn)定；垂直軸風機通過其對環(huán)境的較強適應性及較小的磨損性，為加熱爐提供長期穩(wěn)定的動能輸出；齒輪增速裝置通過行星齒輪將轉速提升到加熱爐需要的速度，并通過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高速轉動對空氣進行連續(xù)重復加熱，提高空氣能利用設備的空氣初始溫度，以實現(xiàn)風能與熱能的直接轉化。

圖1 系統(tǒng)示意圖

1.1 風機葉輪設計

本系統(tǒng)采用垂直軸式升力H型葉輪。垂直軸式風機相比于水平式軸式風機，壽命長，可靠性高，噪音低，便于維護，風能利用效率達40%以上，垂直阻力型風輪由于其工作特性決定了它沒有很高的工作轉速，效率也受到了很大限制。而翼型升力型垂直軸式風機則恰恰克服了阻力型的缺陷，其風輪依靠葉片產(chǎn)生的升力工作，在現(xiàn)實中廣泛應用。其中H型垂直軸風力機葉片形式簡單，成本較低。風力發(fā)電機葉片可以通過改變其葉片與來流風向之間夾角來改善其自啟動性能，還可以通過這種方法來控制風輪葉片的尖速比來提高風力發(fā)電機的風能利用率。并且直葉片型風力發(fā)電機的葉片是由一個固定的截面通過掃略過一條直線而形成的，葉片形狀簡單，加工方便，成本較低。

根據(jù)空氣動力學分析方法以及葉素-動量理論進行葉輪物理參數(shù)計算，確定葉輪的掃風面積，進而計算出葉輪的直徑和高度。

葉輪掃風面積為：

風輪高度：

風輪直徑：

實度：

式中：為葉輪的葉片數(shù)；葉片弦長。

具體計算如表1所示。

1.2 空氣加熱爐設計

空氣加熱爐內主要包括隔板、葉片和主軸等部分，如圖2所示。

圖2 爐體內部結構

制熱設備內部葉片固定在圓形葉輪上，所以制熱設備實際的工作區(qū)域并不是一個整體的圓柱形區(qū)域。根據(jù)設計參數(shù)可知制熱設備的工作半徑為0.75m，葉輪的半徑為0.25m，所以風流過的區(qū)域為外徑1.5m，內徑0.5m的圓筒體的區(qū)域。在制熱設備的外側內壁上設計8個隔板，8個隔板將制熱設備在軸向分上為8個區(qū)域，同時制熱設備共擁有10級葉片，每1級葉片看作1個計算區(qū)域，共分為80個計算區(qū)域。

設加熱爐內葉片外圈半徑為1，葉片內圈半徑為2，通過下面的計算公式可以得出每一個計算扇形面積為：

設每級葉片的高度為（取0.1m），可知每個扇形體積為：

扇形的總體積為：

每個扇區(qū)做功：

每秒整體做功為：

2為制熱設備整體上單位時間所做的功，所以制熱設備內部單位時間做功為3.6304kJ。而制熱設備在按設計工況所需求為3.2551275kJ。制熱設備實際功率大于設計功率，所以該設備理論上是可以實現(xiàn)運行的。

2 可行性分析

2.1 模擬驗證

采用ANSYS FLUENT軟件對本文的空氣加熱爐部分進行了數(shù)值模擬，設空氣加熱爐入口速度為0.053m/s，入口溫度為270K，葉輪旋轉速度為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)中的葉輪旋轉使得空氣溫升提高了30℃。達到了預期的效果。

圖3 空氣加熱爐內溫度場分布圖

2.2 節(jié)能與經(jīng)濟性分析

2.2.1 空氣源熱泵采暖

以內蒙地區(qū)一臺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℃為例進行核算。

5匹空氣源熱泵功率為3.675kW，室外溫度-10℃時生產(chǎn)45℃熱水（內蒙地區(qū)冬季自來水溫取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，則耗電量縮小1倍。該熱泵熱水器-10℃時產(chǎn)生1噸熱水需消耗23.34度（千瓦時）電，而在20℃下工作時，產(chǎn)生1噸熱水僅需消耗11.67度電，節(jié)省一半，相當于節(jié)省3.5kg標準煤。

以內蒙赤峰地區(qū)100m2的典型家庭住宅為例，采取節(jié)能措施基礎上的5匹空氣源熱泵進行間歇性供暖，工作時間不超過12h、出水溫度38～45℃。根據(jù)《城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)設計規(guī)范》，節(jié)能型住宅12h供暖熱指標為80～90W/m2，取上限則100m2的節(jié)能型住宅采暖熱負荷為9KW，采暖1小時需要熱水量為0.1929噸，空氣源熱泵間歇供暖12h，生產(chǎn)熱水量為2.31噸，空氣源熱泵提升進口空氣溫度后，按每天供暖12小時計算，生產(chǎn)2.31噸熱水可節(jié)約26.96度電，相當于節(jié)省標準煤8.09kg。內蒙赤峰地區(qū)采暖時間按180天計，可節(jié)約電能約4852.8度，相當于1456.2kg標準煤。

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

2.2.2 空氣源熱泵熱水器

空氣源熱泵在國標工況下的能效比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低于-25℃，此時常規(guī)的空氣源熱泵已無法使用，即使超低溫空氣源熱泵可以實現(xiàn)在-25℃正常工作，但此時的能效衰減至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)國家生活熱水的標準，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，以此可計算出內蒙地區(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0.5元計，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（內蒙5口之家）

2.3 環(huán)保分析

1千克標準煤燃燒可產(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，一個冬季采用基于空氣加熱爐的新型風能制熱系統(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，相當于節(jié)約1456.2kg標準煤，同時減少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 結論

首次提出風力機帶動空氣加熱爐來提高空氣源熱泵入口溫度的系統(tǒng)設計方案，設計結果表明，該系統(tǒng)提高了空氣源熱泵的能量轉化率，拓寬其適用范圍；將風能直接轉化為熱能，避免了風能轉化為電能再轉化為熱能的中間能量消耗，提高了能源轉化效率，拓展了風能的利用形式。該系統(tǒng)成本低、機構簡單、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用價值。

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

[2] 盛學章.誰說空氣源熱泵將取代多聯(lián)機?[J].機電信息,2017,(16):12-13.

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

[4] 封海輝.空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的應用與能效評價研究[D].成都:西華大學,2015.

[5] 張燦,常茹,呂建.地埋管地源熱泵制熱性能測試與分析[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

江蘇省高等學校自然科學研究面上項目資助（19KJD480001）；江蘇省大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目（201613579003Y）；

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

2019-04-11