劉曉暢

（沈陽建筑大學 市政與環(huán)境工程學院，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)。半個世紀以來，隨著世界各國對煤炭、石油和天然氣等燃料資源的加劇開采，導致資源的枯竭。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、風能、地熱能和海洋能等可再生資源。我國的能源消費結(jié)構(gòu)在近幾年也在發(fā)生變化［1］，對煤炭的消費在逐漸減少，而對水能、風能、核能的利用在不斷提高。

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

1.1.1風能利用現(xiàn)狀

我國風能資源十分豐富，最近的幾十年，風力發(fā)電量急劇增加，然而風力發(fā)電比例的增加也帶來了許多問題，例如，當風電并入主電網(wǎng)時，風能的波動和間歇性會帶來峰值調(diào)節(jié)和頻率調(diào)制的問題；風能波動特征和電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施不足將導致大面積停電；風力發(fā)電和實時消耗平衡過程中存在的困難等。風電資源大規(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)“棄風限電”，即由于安全控制，電網(wǎng)接入管理等原因?qū)е嘛L電不投入電網(wǎng)，風電機關(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年國家出臺多項政策保障風電消納，隨著棄風限電改善以及特高壓通道的完工，2018年有所好轉(zhuǎn)，棄風率控制在10%左右。但是在內(nèi)蒙古、吉林、甘肅和新疆4?。▍^(qū)）棄風現(xiàn)象依然很嚴重［2］。

為更好地解決“棄風限電”這一現(xiàn)象，合理地設(shè)計風能利用的規(guī)則和機制是十分有必要的。Kong［3］等提出了“非電網(wǎng)連接風電”理論，它直接將風電應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)風力致熱、風力提水、風能制氫等其他風資源利用途徑，可以提高風能的利用率，促進能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

圖2 2011-2018我國棄風率變化情況

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)計標準《民用建筑節(jié)能設(shè)計標準（采暖居住建筑部分）》（JGJ26-86）開始，我國對建筑節(jié)能的研究進入探索階段。我國的能源消費結(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。對于北方居住建筑能耗，占建筑總能耗80%的采暖通風空調(diào)與熱水供應需求非常接近于環(huán)境溫度的低品位能，其能級均在0.1左右。然而，建筑用能多數(shù)為高品位能源，能級高達1.0，熱力學第二定律效率只有10%左右。這種“高能低用”模式是造成能源結(jié)構(gòu)不合理與能源浪費的根本原因。

淺層地熱能在供暖中利用日益受到人們的重視，淺層地熱能具有分布普遍、埋藏淺、可持續(xù)利用、不消耗地下水的特點，原則上適用于任何地層和建筑。地熱資源具有三種利用方式：高于150℃的高溫地熱發(fā)電、低于150℃的中低溫地熱直接利用和地源熱泵技術(shù)。地源熱泵技術(shù)運行溫度較低一般小于32℃［4］。地源熱泵技術(shù)在嚴寒地區(qū)應用會出現(xiàn)夏季空調(diào)冷負荷小于冬季采暖熱負荷，導致地源熱泵向地下排熱與吸收的熱量不平衡的問題。此時可以采用“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

進入21世紀后，經(jīng)十幾年發(fā)展，各國地源熱泵的應用規(guī)模不斷擴大，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)合作為低溫熱源，模擬比較與傳統(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］等基于實際運行數(shù)據(jù)得到白天供冷與夜間供生活熱水的運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)往往是風力比較旺盛的時期，把風能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮軄砝每梢詾槭覂?nèi)供暖提供一種途徑。根據(jù)熱力學第二定律，風能直接轉(zhuǎn)化為熱能其效率可達到100%，轉(zhuǎn)化效率非常高。所以，當目的是利用熱能時，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風力致熱研究現(xiàn)狀

我國的風力致熱技術(shù)處于初始階段，我國幾所大學院校和科研單位開始對風力致熱技術(shù)進行不同深度的研究。沈陽工業(yè)大學和西安交通大學致力于研究擠壓液體式風力致熱；中國農(nóng)業(yè)大學致力于液體攪拌式風力致熱研究。王士榮、吳書遠對液壓式風力致熱及其蓄熱裝置進行了具體的介紹，郭新生等［7］對風能致熱進行了試驗與分析；在800W試驗裝置上，得到了3h內(nèi)工質(zhì)溫升近50℃的試驗結(jié)果并提出了能量與換熱方程作為換熱器的設(shè)計依據(jù)，并可準確預測風力致熱裝置內(nèi)工質(zhì)溫升。2009年，由中國能源協(xié)會贊助的首屆WNWEC（世界非并網(wǎng)風電與能源會議）召開，中國與丹麥、北歐各國就風能在供熱過程中的長距離輸送問題進行探討與研究，為風能的發(fā)展貢獻力量，會議提出了一種新型的風加熱轉(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)的最佳傳輸距離應該考慮管道直徑的流速與建造成本［8］。近幾年，也有學者對液壓式風能致熱系統(tǒng)進行試驗研究，得出風力機和液壓泵的匹配主要考慮功率和扭矩的大小，只要風力機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確定了最穩(wěn)定的工況點，即最合適的匹配工況點［10］。

世界上的一些國家，如日本、丹麥、美國、荷蘭、英國等，都開展了風力致熱的研究，研制出了不同形式的風力致熱裝置，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。美國馬薩諸塞大學對美國一家生產(chǎn)風力致熱裝置公司的產(chǎn)品進行研究，此風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“奶牛中心風能利用”研究項目的成果。之后又陸續(xù)制造了擠壓液體式風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”風爐，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力致熱裝置，安裝在秋田縣為溫室供暖；靜風縣大仁鎮(zhèn)安裝攪拌液體式風力致熱裝置，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世紀初-2004年進入推廣階段，相關(guān)的科學研究數(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，對地源熱泵換熱器的運行特性及土壤滲流作用對換熱器的影響進行了模擬分析，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)濟評價方法得出地源熱泵在不斷上漲的能源價格形勢下具有很強的經(jīng)濟競爭性［15］，促進了該技術(shù)在我國的高速發(fā)展；在地源熱泵的快速發(fā)展階段，各科研機構(gòu)開始討論地源熱泵技術(shù)應用的適宜性。根據(jù)不同地區(qū)的氣候特點，高效的應用地源熱泵，比如針對我國嚴寒地區(qū)將相變儲能技術(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，并對其流體特性和傳熱特性進行了模擬，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風力致熱—地源熱泵耦合系統(tǒng)介紹

3.1風力致熱系統(tǒng)介紹

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

式中：P—風力機輸出功率（W）；

Cp—功率系數(shù)，水平軸螺旋槳風力機可

取0.35，垂直軸風力機可取0.15；

ρ—空氣密度（ρ=1.25kg/m3）；

R—風輪半徑（m）；

V—風輪中心高度設(shè)計風速（m/s）；

風機獲得的能量以機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—風輪轉(zhuǎn)矩（扭矩）［kgf·m（1kgf=9.80665N）］；

ω—風輪旋轉(zhuǎn)角速度（rad/s）；

λ—風輪葉尖速度比（尖速比），即風輪葉片葉尖速度與風輪前風速的比值；

V—風速（m/s）；

R—風輪半徑（m）；

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

獲得的機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），得風力機與荷載保持最佳匹配公式，即不論風速怎樣變化，都能使風力機最大可能的吸收風能，這是其他風能利用裝置無法達到的。

最后在阻尼孔的輸出端，動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行換熱，冷水溫度上升，上面致熱過程不斷重復，為地埋管補熱做準備。

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 風力致熱—地源熱泵耦合系統(tǒng)原理圖

4結(jié)語

在對供暖需求迫切的嚴寒地區(qū)，風能或淺層地熱能這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的問題，又可以克服風能受氣候的隨機因素影響的局限性［19］。綜合各方的研究，將風力致熱-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，是風能在供暖方面發(fā)展的關(guān)鍵一步。