一種完全基于風能的供暖系統研究

彭國勛，鄒強強，張飛翔

（西南科技大學 制造科學與工程學院，四川 綿陽 621010）

0 引 言

隨著能源和環境問題日益突出，人們越來越重視新能源的開發和利用。由于傳統以石化燃料為能源的供暖系統存在消耗大、污染嚴重的缺點，近年來一些專家學者對利用可再生能源供暖進行了大量的研究，特別是風能供暖進行了深入的研究［1~3］。

本文綜合利用熱泵技術、壓縮空氣儲能技術和風能利用技術，提出了一種利用風能驅動熱泵的供暖系統，該系統設有儲能裝置能夠在風能富裕時儲能，以備風能不足時利用。介紹了新供暖系統的工作原理和特點，分析了系統的可行性和環境效益，并對系統各部分進行了設計計算。

1 工作原理及系統特點

1.1 工作原理

一種完全基于風能的供暖系統如圖1 所示。

圖1 完全基于風能的供暖系統示意圖

該供暖系統由風能利用部分、能量儲存部分和熱泵供暖系統部分組成。風能利用部分主要包括風力機、塔架、液壓泵1 和液壓馬達5；能量儲存部分主要包括儲氣罐、液壓馬達2、空氣壓縮機3 和氣動馬達4；熱泵供暖系統部分主要包括水源熱泵、供暖管網、散熱器等。下面以直接利用風能供暖和能量儲存、釋放的典型工況說明系統的工作過程。

當冬季海上風力充足時，安裝在塔架上的風力機將風能轉化成機械能，液壓泵1 將風力機的機械能轉化成液壓油的壓力能，液壓馬達5 將液壓油的壓力能轉化成機械能驅動熱泵供暖系統為用戶供暖；若風能富裕時，液壓馬達2 將液壓油的壓力能轉化成機械能，空壓機3 將機械能轉化成空氣的壓力能儲存在儲氣罐中；若風能不足時，儲氣罐釋放高壓空氣，氣動馬達4 將氣體的壓力能轉化成機械能驅動熱泵供暖系統為用戶供暖。

1.2 系統特點

該系統利用可再生能源風能供暖，不消耗常規能源，為新能源的開發利用提供了新途徑。風能轉化成機械能，然后通過熱泵轉化成熱能，而不必先轉化成電能，減少了能量形式的轉化環節，提高了風力資源的利用率和降低了投資成本，從而實現風能的廣泛利用和達到節能減排的目的。水源熱泵可以在輸入1 份高位能條件下，輸出4份左右的熱能，節約了高位能。

另外，該供暖系統采用壓縮空氣儲能，解決了風能的間歇性和不穩定性問題。采用高壓空氣儲能，提高了儲能密度，減小了儲氣罐的容積。

2 供暖系統設計計算

2.1 風能利用部分

風力機是風能供暖系統的重要組成部分，其性能和成本對整個供暖系統成本起主要作用。新型風能供暖系統的最大優點是直接將風能轉化機械能，機械能驅動熱泵供暖，不必先轉成電能，減少能量形式的轉化環節，提高風力資源的利用率和降低投資成本。

圖2 青島沿海地區一天內風速隨時間的變化

根據青島沿海地區冬季最冷月一天內的風速變化如圖2，有兩種不同的平均風速13 m/s（8 h）和8 m/s（16 h），因此選用華銳SL3 000/100 型風力機，其參數如表1。

表1 華銳SL3 000/100 型風力機參數

2.2 風力機總功率的確定

風力機的總功率根據供暖面積、供暖熱指標、熱泵的性能系數和當地的氣象參數，并對系統內各部分性能做適當假設來確定。

青島地區某節能建筑平均熱指標為30 W/m，日運行時數24 h/d，每天總耗熱量為2 592 kJ/m，1 000 戶家庭的供暖面積100 000 m 消耗的熱量為259 200 MJ/d。熱泵制熱系數按4 計算，供暖系統的效率為69%，液壓泵、液壓馬達的效率均為90%，氣動馬達的效率為65%，空壓機的效率90%，儲氣罐效率80%。則風力機至少產生的熱量為248 000 MJ/d。

單臺風力機的功率為：

式中：d 為風輪直徑，m，取值100；ρ 為空氣密度，kg/m3，取值1.225；v 為風速，m/s；Cp為風能利用系數，取值0.32。

單臺風力機一天產生的能量為：

其中，Pi、ti分別為不同風速下風力機的功率、持續時間。

所以，單臺風力機產生的能量為142 675 MJ/d。計算需要風力機248 000÷142 675=2 臺。

3 能量存儲部分

為了適應風能的間歇性和不穩定性，可把風力機產生的多余能量儲存起來，以備風能不足時使用。目前在技術上已得到證實可行的規模儲能技術主要包括抽水蓄能、壓縮空氣儲能、大容量蓄電池和氧化還原液流電池，利用大型地下洞穴的壓縮空氣儲能系統的壓力都低于5 MPa?？墒菈嚎s空氣的相對大氣壓的有效壓力能近似和壓力成正比，利用高壓空氣進行儲能可大大減小儲能所需的容積而不需要大型洞穴。因此，本系統采用高壓壓縮空氣儲能。

3.1 儲氣罐容積的確定

壓縮空氣的有效壓力能：

式中：E 為壓縮空氣的有效能，J；P0為大氣壓力，Pa；V 為儲氣罐的容積，m3；r 為儲氣罐壓力與大氣壓強比（P=rP0），取400。儲能壓力為40 MPa，假設熱泵的輸入功率為1.2 MW，則儲能容量為43 GJ，由式（3）可得，儲氣罐的容積為220 m3。

3.2 儲氣罐形狀的確定

考慮到儲氣罐的加工特點和受力均勻性，采用中部為圓柱體、兩端為半球的結構，如圖3 所示。

圖3 儲氣罐的尺寸圖

4 系統可行性與環境效益分析

本系統應用在我國北方山東半島、遼東半島沿海風能豐富區，而這些地區往往存在夜晚風大、白天風小的現象，因此，夜間風能富裕時，將能量儲存在高壓壓縮空氣中；白天風力不足時釋放儲存在高壓空氣中的能量，通過氣動馬達轉化成機械能，帶動熱泵工作，實現能量持續穩定的輸出。冬季海水溫度變化不大，熱泵具有較高的制熱系數，可以消耗少部分高品位能量，吸收大部分海水中的能量，輸出較多的熱能。本系統完全利用風能和儲存在海水中的太陽能，不消耗化石燃料，不產生粉塵和污染性氣體，對當前面臨的資源短缺和環境污染問題，提出了一種解決途徑。

5 結 論

本文提出了一種完全基于風能的供暖方式，綜合利用熱泵技術、壓縮空氣儲能技術、風能利用技術，可實現完全利用風能供暖。風能轉化成機械能，機械能驅動熱泵供暖，而不是先轉化成電能，從而減少了能量轉化的環節；利用高壓壓縮空氣儲能，減小了儲能容器的容積；海水源熱泵具有較高的制熱系數，且不會產生污染。因此，本系統具有穩定、可靠、清潔、高效、環保的特點，針對近年來我國冬季供暖期間霧霾頻發的現象，本文從技術上提出了一種解決方案。

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