风力致热—地源热泵耦合系统联合运行综述

刘晓畅

（沈阳建筑大学 市政与环境工程学院，辽宁 沈阳 110168）

1概述

1.1研究背景

能源是人类生存和发展的物质基础。半个世纪以来，随着世界各国对煤炭、石油和天然气等燃料资源的加剧开采，导致资源的枯竭。大量燃用这些化石燃料，给人类的生存环境带来了负面的影响。为了缓解和改善这种局面，世界各国纷纷采取提高能源利用效率、减少能源消耗、改善能源消费结构等措施，寻求替代能源，其中包括太阳能、生物质能、风能、地热能和海洋能等可再生资源。我国的能源消费结构在近几年也在发生变化［1］，对煤炭的消费在逐渐减少，而对水能、风能、核能的利用在不断提高。

图1 2010-2017年我国能源消费结构统计

1.1.1风能利用现状

我国风能资源十分丰富，最近的几十年，风力发电量急剧增加，然而风力发电比例的增加也带来了许多问题，例如，当风电并入主电网时，风能的波动和间歇性会带来峰值调节和频率调制的问题；风能波动特征和电网基础设施不足将导致大面积停电；风力发电和实时消耗平衡过程中存在的困难等。风电资源大规模集中发展模式使中国成为输入电压最高的国家，中国逐渐出现“弃风限电”，即由于安全控制，电网接入管理等原因导致风电不投入电网，风电机关闭的现象。这一现象在我国三北地区表现的尤为突出。由图2可以看出，2017年国家出台多项政策保障风电消纳，随着弃风限电改善以及特高压通道的完工，2018年有所好转，弃风率控制在10%左右。但是在内蒙古、吉林、甘肃和新疆4省（区）弃风现象依然很严重［2］。

为更好地解决“弃风限电”这一现象，合理地设计风能利用的规则和机制是十分有必要的。Kong［3］等提出了“非电网连接风电”理论，它直接将风电应用于一系列不连接电网的高能耗行业。除此之外，开发风力致热、风力提水、风能制氢等其他风资源利用途径，可以提高风能的利用率，促进能源结构优化。

图2 2011-2018我国弃风率变化情况

1.1.2供暖行业发展现状

自1986年，建设部颁发了第一部节能设计标准《民用建筑节能设计标准（采暖居住建筑部分）》（JGJ26-86）开始，我国对建筑节能的研究进入探索阶段。我国的能源消费结构以煤炭为主，约占3/4以上，其中建筑采暖用煤约占75%以上。对于北方居住建筑能耗，占建筑总能耗80%的采暖通风空调与热水供应需求非常接近于环境温度的低品位能，其能级均在0.1左右。然而，建筑用能多数为高品位能源，能级高达1.0，热力学第二定律效率只有10%左右。这种“高能低用”模式是造成能源结构不合理与能源浪费的根本原因。

浅层地热能在供暖中利用日益受到人们的重视，浅层地热能具有分布普遍、埋藏浅、可持续利用、不消耗地下水的特点，原则上适用于任何地层和建筑。地热资源具有三种利用方式：高于150℃的高温地热发电、低于150℃的中低温地热直接利用和地源热泵技术。地源热泵技术运行温度较低一般小于32℃［4］。地源热泵技术在严寒地区应用会出现夏季空调冷负荷小于冬季采暖热负荷，导致地源热泵向地下排热与吸收的热量不平衡的问题。此时可以采用“地下埋管+辅助热源”的方式。辅助热源可以选用太阳能、电加热或余热利用等方式。

1.1.3研究意义

进入21世纪后，经十几年发展，各国地源热泵的应用规模不断扩大，发展迅猛。Ooka［5］等将太阳能、土壤能和空气源等多种能源方式结合作为低温热源，模拟比较与传统热泵系统的能耗差别，多源热泵系统夏季最大可减少电力消耗44%，冬季可减少39%。Wakayama［6］等基于实际运行数据得到白天供冷与夜间供生活热水的运行模式可使地源热泵系统取得更高效率的结论。

众所周知，在纬度较高的地区，秋、冬、初春季节往往是风力比较旺盛的时期，把风能转变为热能来利用可以为室内供暖提供一种途径。根据热力学第二定律，风能直接转化为热能其效率可达到100%，转化效率非常高。所以，当目的是利用热能时，可以不将其先转变成电能，而是直接转变成热能，这种直接转换方式是非常有利的。所以提出风力致热-土壤源热泵供暖系统是提高系统供热效率的可行方法。

2研究现状

2.1风力致热研究现状

我国的风力致热技术处于初始阶段，我国几所大学院校和科研单位开始对风力致热技术进行不同深度的研究。沈阳工业大学和西安交通大学致力于研究挤压液体式风力致热；中国农业大学致力于液体搅拌式风力致热研究。王士荣、吴书远对液压式风力致热及其蓄热装置进行了具体的介绍，郭新生等［7］对风能致热进行了试验与分析；在800W试验装置上，得到了3h内工质温升近50℃的试验结果并提出了能量与换热方程作为换热器的设计依据，并可准确预测风力致热装置内工质温升。2009年，由中国能源协会赞助的首届WNWEC（世界非并网风电与能源会议）召开，中国与丹麦、北欧各国就风能在供热过程中的长距离输送问题进行探讨与研究，为风能的发展贡献力量，会议提出了一种新型的风加热转换系统和长距离传输模型，该系统临界传输距离和最大传输距离对传输管道直径的大小影响很大。因此，所提出的系统的最佳传输距离应该考虑管道直径的流速与建造成本［8］。近几年，也有学者对液压式风能致热系统进行试验研究，得出风力机和液压泵的匹配主要考虑功率和扭矩的大小，只要风力机的输出功率和输出扭矩大于液压泵的输入功率和扭矩即可。液压泵和致热器的匹配则考虑的是流量和压力的关系，通过两者的工作特性曲线的交点确定了最稳定的工况点，即最合适的匹配工况点［10］。

世界上的一些国家，如日本、丹麦、美国、荷兰、英国等，都开展了风力致热的研究，研制出了不同形式的风力致热装置，用于加热养鱼池、沼气池、干燥农产品和为生产热水向温室和住宅供暖等方面。美国马萨诸塞大学对美国一家生产风力致热装置公司的产品进行研究，此风力致热装置采用液体搅拌式致热，为拥有奶牛场的百头奶牛提供清洗用温水，冬季也可为牛舍供暖［9］。

日本在风力致热方面起步比较早，在1981年Gunkel，W.W等人 介绍了“奶牛中心风能利用”研究项目的成果。之后又陆续制造了挤压液体式风力致热装置在北海道农场使用，为蔬菜温室大棚供暖；在北海道安装“天鹅一号”风炉，可以生产80℃热水，供酒店浴池使用；日本科技厅提供了一套压缩空气风力致热装置，安装在秋田县为温室供暖；静风县大仁镇安装搅拌液体式风力致热装置，给使鳗鱼池水温度保持在25℃［11-12］。

2.2地源热泵研究现状

我国地源热泵在21世纪初-2004年进入推广阶段，相关的科学研究数量不断增多。 刁乃仁、方肇洪等人先后提出了有限长热源模型，对地源热泵换热器的运行特性及土壤渗流作用对换热器的影响进行了模拟分析，为地源热泵在我国的发展提供更多的理论基础［13-14］。在地源热泵推广的重要阶段，李新国等人通过技术经济评价方法得出地源热泵在不断上涨的能源价格形势下具有很强的经济竞争性［15］，促进了该技术在我国的高速发展；在地源热泵的快速发展阶段，各科研机构开始讨论地源热泵技术应用的适宜性。根据不同地区的气候特点，高效的应用地源热泵，比如针对我国严寒地区将相变储能技术、太阳能等节能技术与其相结合［16］，使地源热泵技术更好的在我国发展。近几年，国外对地源热泵的研究不断深入与创新，Gruniger等研发了一种以CO2为介质的虹吸式地埋管换热器，并对其流体特性和传热特性进行了模拟，结果表明，该新型换热器季节性能系数可比传统地埋管提高15%～0%［17］。

3风力致热—地源热泵耦合系统介绍

3.1风力致热系统介绍

液压式风力致热也称为油压阻尼孔致热，通过液体工质在风力机、液压泵、阻尼孔、换热器的能量转换，获得较高温度的水补给地源热泵。工作原理由五部分组成［18］：首先，风力机吸收风能获得能量；

式中：P—风力机输出功率（W）；

Cp—功率系数，水平轴螺旋桨风力机可

取0.35，垂直轴风力机可取0.15；

ρ—空气密度（ρ=1.25kg/m3）；

R—风轮半径（m）；

V—风轮中心高度设计风速（m/s）；

风机获得的能量以机械能的方式传递给液压泵，液压泵中的工质选用等压比热容小、较高粘度、较高密度的油类。

式中：T—风轮转矩（扭矩）［kgf·m（1kgf=9.80665N）］；

ω—风轮旋转角速度（rad/s）；

λ—风轮叶尖速度比（尖速比），即风轮叶片叶尖速度与风轮前风速的比值；

V—风速（m/s）；

R—风轮半径（m）；

在最佳尖速比λd下具有最大风能利用系数Cpmax，推导得风力机最佳载荷扭矩-转速特性。

获得的机械能再通过油压泵转换为压力能。

ΔP—液压泵输入端、输出端压差（Pa）；

D—液压泵排量（mL/rad）；

之后压力能通过阻尼孔将油所获得的压力能转换为高速喷出的工质动能，且工质在阻尼孔中产生的压力与其流速的平方成正比。

k—阻尼孔阻力系数；

Q—流量（mL/s）；

代入式（4），得风力机与荷载保持最佳匹配公式，即不论风速怎样变化，都能使风力机最大可能的吸收风能，这是其他风能利用装置无法达到的。

最后在阻尼孔的输出端，动能通过高速油与低速油的摩擦碰撞转化成热能。

γ—所用工质油的比热；

在致热系统中获得的热能在换热器中与冷水进行换热，冷水温度上升，上面致热过程不断重复，为地埋管补热做准备。

3.2地源热泵系统介绍

图3 地源热泵冬季工况系统结构图

地源热泵冬季工况系统结构图如图所示，系统由地埋管换热器、热泵机组和用热末端三部分组成，地下埋管换热器回收土壤的低位热源，制冷剂在蒸发器中吸收土壤热量蒸发，再经过压缩机变成高温高压的气体，接着与冷凝器中的冷凝水换热，冷凝水吸热温度上升供用热末端使用。而换热后的制冷剂再经过膨胀阀变成低温低压的液体流至蒸发器完成一个工作循环。

3.3耦合系统介绍

耦合系统原理图如图4所示，由风力致热部分得到的热量通过换热器传递给土壤源热泵系统中，可以提高热泵系统的供热效率。

图4 风力致热—地源热泵耦合系统原理图

4结语

在对供暖需求迫切的严寒地区，风能或浅层地热能这种单一的热源形式存在一定的局限性，两者的相互结合，既可以克服热泵长期连续从地下取热，将使土壤温度场长期得不到有效恢复的问题，又可以克服风能受气候的随机因素影响的局限性［19］。综合各方的研究，将风力致热-土壤源热泵供暖系统建立仿真模型，研究系统在不同工况下的仿真模拟，是风能在供暖方面发展的关键一步。