“双碳”背景下风热机组在上海的应用浅析

0 引言

2021年，国家发改委、能源局发布《关于完善能源绿色低碳转型体制机制和政策措施的意见》，明确除了能源供应侧加强节能、大幅度提高能效以外，还需要在能源需求侧“多用绿能”、探索“供需互动”的新方向，因此应积极完善能源产、供、销、存体系，精准匹配新能源特点和区域的供能目标，实现能源的高效利用。

大力推动美国学学科建设有何理论与现实意义？中国的美国学学者应有怎样的学术情怀、时代责任、价值标准和研究视角？如何确定研究内容、研究目标、理论与方法？目前，美国学概念尚未得到普遍认可，国内美国学相关研究，分散在外语、历史、文学、政治等各学科，相互之间缺乏融合与交叉，没有形成严密的学科体系。因此，借助国别与区域研究热潮，外语学科应倡导美国学学科建设。利用外语优势，运用跨学科理论与方法，加强对美国文化的深层次分析，把握美国文明的历史脉络，成为美国学教研团队的生力军。同时，加强与其他学科的交流合作，共同承担中国美国学学科建设的职责。

上海等南方城市随着人民对生活水平提高的迫切需求，已开始探索供暖、供热新方式。南方城市与北方不同，基本没有集中供暖管网系统，且时间上寒潮期较短、空间上居住范围较分散，给南方集中供暖和供热经济性问题提出了挑战，寻找高效低碳供热方式有非常迫切的需求。风电是近年来增长最快的清洁能源利用方式之一。2021年，陆上风电已全面进入“平价时代”，降本增效也成为风电企业生存的关键。由于风力机数量激增，风能波动性特征和大规模风电并网，易造成电网冲击，从而产生新的弃风限电问题，因此风能应用转型发展，应更靠近终端使用。

《水土保持定额》中的工程措施人工工资为1.50～1.90元/h，按8 h/d计算，水土保持工程人工日工资在9.60～15.20元/d之间。按（429号文件）枢纽工程部分二类区（柳林县）中级工9.15元/h，按每天8 h计算，水利枢纽工程人工日工资73.20元/d。按正常市场经济发展，生活水平及人工工资正常提升，“2017年山西省最低工资标准与规定”二类地区（柳林县）16.60元/h，按每天8 h计算，人工日工资132.80元/d。《水土保持定额》中人工工资远远低于当地（柳林县）市场人工价格。

综上所述，风能利用的能源清洁化发展模式符合政策要求和企业需求。上海等南方地区应多角度出发继续发展分布式能源为主、集中式能源为辅供热模式，实现区域“双碳”目标，帮助企业降本增效和提升居民生活水平。

1 风能热利用技术介绍

风能热利用技术已在中科院工程热物理所、沈阳工业大学等科研院所展开研究，有间接和直接制热两条技术路径。间接制热技术是先将风能转变为电能，然后再将电能转变为热能

，这种方式因为电的便利性，对于用户端使用较为方便，例如利用风电带动热泵或者电锅炉，并且配备蓄热装置，可以对用户端实现舒适稳定供暖（如图1所示）。但是，这种转变过程路径较长，损失大，设备投资巨大，而且用能形式不符合能源的“温度对口、梯级利用”理念，电能消耗过多。

通过项目建设完成的79个县防汛计算机网络系统，全省实现了“分级负责，集中管理”的信息“集约化”管理模式，加强了山洪灾害防御信息共享，提高了实时信息传输的时效性。河南省雨水情自动监测信息采取省级集中管理，各监测站通过GSM和GPRS通信方式直接发到省中心，省中心数据通过防汛计算机网络分发到各县级山洪灾害监测平台及各市水情分中心、各水库管理单位等，同时上报国家防总；各县山洪灾害基础信息和预警信息通过防汛计算机网络直达市、省、中央，实现了信息共享。国家、省、市、县四级互联互通的防汛计算机网络为信息“集约化”管理提供了快速的通道，时效性显著提高。

1.1 风能热利用种类

2022 年，《上海市公共机构绿色低碳循环发展行动方案》阐明了推广太阳能、空气源热泵等可再生能源热水系统。热泵技术因其节能高效在供暖、供热和烘干等领域有巨大潜力，如通过技术创新、集成热泵和风力机形成创新的风热机组，直接将风能转化为热能实现热量倍增效应。

上海市102 个工业区块、500 余家重点用能企业，30 个拟建和规划数据中心，都具有大量供热和制冷需求。目前，它们大都采用工业锅炉供热加电制冷系统为主要供能方式，且绝大部分工业区、块和重点用能企业已分布在郊区，具备建设风热机组潜力。《上海市绿色制造体系建设实施方案（2021-2025 年）》拟建设绿色工厂、绿色园区200家，还将力争创建零碳工厂40家。风热机组在上海市工业园区和产业供热领域必将具有重要的发展潜力。据分析，未来通过一企、一园区、一方案的模式，加快风热机组在绿色工厂、绿色园区、零碳工厂、绿色数据中心等领域推广应用。上海市具有600 MW 风热机组建设潜力，可带动新能源投资超60 亿元，实现节能潜力近 100 万 tce/a，实现 CO

减排能力150万t/a。

整机测试仪通过装置电源把座上的闭环测试连接线，实时检测装置闭锁接点复位信号。当装置上电后，装置闭锁信号会从闭合到断开，表明装置已处于正常运行状态，可以进行整机测试。WDT将装置正常运行信号反馈给ITCC，有其根据信号来源，触发左侧或右侧测试系统的扫描仪。扫描仪扫描装置侧面的机箱条码，并将条码信息提交给大数据服务支撑模块。大数据服务支撑模块根据装置条码获取装置硬件板卡等多维度数据，智能测试控制中心根据该数据控制对应气阀，完成该型号装置测试连接线的自动连接，为整机智能测试构建闭环测试环境。

1.2 风热机组工作原理与进展

基于风能间接制热技术的不足，中国科学院工程热物理研究所（下文简称“研究所”）率先在徐建中院士提出的“风热机组”原创理念基础上深入研究

，开发完成了国内首台（套）风热机组。

近年来，政府向地方上的乡镇级单位加大了财政投入，针对三农问题这方面的专项拨款也在进一步加大，而针对财政资金的内部控制制度却没有进一步完善。一方面一部分乡镇财政所虽然说要按内部控制制度执行，但是大多只是将制度内容悬于墙上，没有真正执行之一制度，将制度流于形式。另一方面乡镇财政的内部控制在其施行过程中没有与之相应的措施，使得该制度的实际执行力大打折扣，内部控制因为不能被彻底执行而对资金的使用以及产生的效用带来了不利影响。

风热机组的原理是将风电热泵中的发电机、变流器与电动机等设备去除，将风力机传动机构高速轴与压缩机直接连接，风力机直接驱动压缩机运行，同时带动整个热泵系统进行供热。风热机组的运行和风电机组类似，当来流风速大于机组的启动风速时，风力机启动，风轮捕获风能，经传递链带动压缩机旋转。压缩机通过吸排气管与地面的蒸发器冷凝器连接。压缩机压缩来自蒸发器的制冷剂气体，气体输入冷凝器加热供暖回水，经节流降压进入蒸发器，蒸发气体流回压缩机完成一个热泵循环。为同时实现机舱流体与地面传递以及风力机的偏航对风，需要在机舱内部添加滑环装置，保证风力机在偏航过程中，管道内流体不受影响（见图3）。

从投资回收期看，风热机组投资回收期仅为1.55年，而三联供系统投资回收期为2.22年。从节能量和减排量看更为明显，风热机组可实现年节能量3 184 tce，实现年减少排放量4 980 tCO

；三联供系统可实现年节能量1 226 tce，实现年减少排放量1 787 tCO

，其中风热机组节能降碳效果比三联供系统更为显著。由此可见，风热机组供能的经济性与环保性俱佳，是一项值得大力推广的清洁能源供能技术。在有风力资源优势、地区空间优势的产业园区、五大新城区域具有更大的建设可行性，可实现更大的节能降碳价值。

近年来，研究所在风热机组仿真模型构建、100 kW风热机组示范平台、风热机组智能控制等方面均取得了突破性的进展。基于风热机组各个部件的仿真模型，将复合风速模型、变速定桨风力机模型、蒸汽压缩式热泵模型进行封装和组合连接，最终在Matlab/Simulink 平台上建立了风热机组仿真模型（见图4），图5为制热量和制冷量模拟结果。

2019 年底，研究所在河北张家口成功建成世界首台百千瓦风热机组。研究所根据当地的风资源及热负荷情况研发了100 kW 风热机组，采用100 kW 风力机驱动开启式螺杆压缩机，热泵系统以氨为制冷剂。为提高系统的制热效率，以土壤为低温热源，通过U 形地埋管吸取热量，风热机组制热工况下产生50～60℃的热水，制热COP 可达3.0以上，可为4 000 m

建筑提供冷热源，实现100%可再生能源供暖。

2 上海风能资源及供热需求分析

上海属亚热带季风气候，春秋较短，夏冬较长，而在风资源分布上每年的11 月至次年4 月和每年7-8 月均是风速明显上升期，因此上海市风能资源利用的最佳时期和人们的冷热需求基本重合。上海市也处中国南北海岸的中部，东濒东海，南临杭州湾，风力资源在空间分布上较为明显，海上风资源主要集中在东南沿海地区，从沿海到内陆，风力资源一路递减，城市中心地区80 m高度处的年平均风速为5 m/s，沿海地区80 m高度处的年平均风速为6.5 m/s（如图6、图7、图8 所示），风速可以在较长时间内保持稳定高风速。

热泵空调和地暖是目前上海常用供暖方式。2000-2020年间，上海市各区域的平均地表温度均呈上升趋势，研究结果表明，上海市地表温度由中心城区向外围区逐渐递减，存在显著的热岛效应（如表1 所示），五大新城建设中供暖和供热需求将明显增加。上海中心地区住宅目前广泛采用热泵型空调器供暖，按部分时间、部分空间的模式，供暖能耗维持在很低的水平。但是，南方湿度较大，空气湿度大小直接影响建筑空调能耗。在冬季，室内设计相对湿度越大，能耗越高，在冬季相对湿度每提高10%，能耗约增加6%。外围偏内陆这一地区，高档住房的比例较高，独栋楼房往往会选用不占用空间且舒适的地暖，外围偏沿海地区近几年人口增加，供暖设备还未发展成熟。

综上所述，上海市风能资源和供暖、供热需求的时空匹配性很强，所以在碳达峰碳中和背景下，上海市五大新城、上海市重点工业园区和产业园区采取风热机组实现供暖和供热具有积极的推广价值。

3 风热机组应用场景分析

风热机组示范性项目的建立和成功运行证明了风热机组的应用可行性和发展前景性。上海市近海地域条件，为其提供了大量可利用的风能资源。同时，上海具有存量和增量的供热需求，这些都为风热机组技术的产业化应用提供了良好的市场机遇。

在项目水资源论证阶段，对项目区实行严格的水资源论证审批制度，项目规模和布局以取水总量控制指标为指导，项目取水不得突破国家下达的地表水和地下水取水总量控制指标，对于已达到或超过控制指标的地区，不得新增取水，对于接近控制指标的地区，限制新增取水。地下水超采区内不得新增取用地下水，生态脆弱区限制地下水开采，防止出现生态环境问题。

3.1 典型案例分析

本文以上海市某建筑物（4 万m

供热面积）为例，选用纯电供能、燃气三联供和风热机组供能就经济性、能耗和碳排放三个方面对三种供能方法进行比较分析。如图9 所示，该建筑物空调冷负荷约3 704 kW，空调热负荷约2 768 kW，生活热水负荷约3 435 kW，空调冷负荷主要集中在5 月到10 月，空调热负荷主要集中在11 月到次年的2 月，生活热水全年均有，平均冷热负荷按照50%，生活热水平均负荷按照30%。为满足上述需求，本文选用2 MW 风热机组系统，从风热机组运行特性曲线与建筑物冷热负荷特性曲线对比分析来看，风热机组基本上可以满足建筑物冷热负荷需求（如图10所示）。

1.2.2.2 护士长每天随时检查,节假日临时抽查。定期评分。严格执行护士长查房制度,可作为收集信息、评价护理质量的措施,并有助于提高各层护理人员工作的积极性。[1]

该建筑物采用三个设计方案对比：方案一采用风热机组供热供冷系统，主要包括风热机组、蓄冷蓄热、辅助热泵、主控机房等；方案二采用燃气热电冷三联供系统，主要包括燃气内燃发电机、吸收式热泵机组、蓄热、热回收热泵、离心式制冷、燃气锅炉等；方案三采用纯电供能方式，主要包括空气源热泵、电锅炉等设备。三个方案具体经济性分析如表2。

在我们的观察中有3例不成功，在鼻内镜下吻合口可见瘢痕过度生长，考虑为创面的过度增殖所致，我们总结在年轻患者及术后复查吻合口过度肉芽组织生长的患者中可在吻合口填塞的海绵中使用5-FU以减轻瘢痕形成。

3.2 应用场景分析

风热机组如匹配上储能系统，与光伏发电和风力发电等系统比较就更具有运行时间长的特点，因此其应用可替代能耗和碳排放比重高的园区、工厂、数据中心、公共建筑老装备，对上海市碳达峰碳中和目标实现具有重大推动作用。

直接制热技术即将风能利用与高效热力循环技术有机融合，风力机直接驱动热泵，也应是未来风能热利用的重点技术路线（如图2所示）。在风能直接转化为热能方面形式多样，将风力机结合搅拌制热装置、压缩流体（空气或液体）制热技术以及涡流制热，产生了多种多样的风力直接制热技术。国外已有研究，验证了风能热泵制热系统的可行性与高效性，并建立了一些小型的实验装置。国内的相关研究也证明了风能热泵系统在清洁供热领域对降低大气污染物排放具有重要意义。

上海市大型公共建筑、创意园区、产业园区能源消耗和碳排放的重点领域对供热和制冷需求大，如在上海市五大新城建设中加快能源供应的整体规划，风热机组等分布式新能源应用模式需加快推广，对标杆型公共建筑优先试点，对5 万m

以上建筑楼宇开展可行性研究和逐步推广，可形成风热机组推广应用潜力超400 MW。上海市建筑楼宇领域风热机组建设潜力，可带动新能源投资超40 亿元，实现节能潜力超60 万tce/a，实现CO

减排能力约100万t/a。

随着工业锅炉“十二五”煤改气和“十三五”提标改造专项行动的实施，工业锅炉能效提升明显，但企业用能成本也有较大提高。上海市工业锅炉中的燃油锅炉和实施燃气三联供经济性不合适的燃气锅炉可加快风热机组推广应用，据分析可形成100 MW 的建设潜力，可带动新能源投资超10 亿元，实现节能潜力超15万tce/a，实现CO

减排能力约25万t/a。

风热机组也可在污水处理领域推广应用。上海市污水处理系统及污泥处理要加大力度，在风资源较丰富地区的污水处理厂采用风能热利用技术解决污泥干化，成本可以大幅度降低，能耗和碳排放也可大幅度减少。据了解，全国城市污水处理厂处理能力 1.77 亿 m

/d，年处理污水量 532 亿 m

，年干污泥处置量为1 182 万t。污泥处理技术主要采取机械脱水和污泥热干化，现采用污泥热干化技术处理成本较高，脱除每吨水的成本约300元，能耗和碳排放量大，建议污水处理厂可加大风热机组与污泥热干化集成试点。据分析，上海市污水处理厂具备50 MW 风热机组应用潜力，可形成年节能潜力8 万tce/a，减少CO

排放近12.5万t/a。

“古尔邦”，阿拉伯语音译“尔德·古尔邦”“尔德·阿祖哈”，意为“牺牲”“献身”，故亦称“宰牲节”“献牲节”“忠孝节”“尔德节”。宁夏南部山区等地的回族称为“大尔德”，云南等地的回族称为“小尔德”，是伊斯兰教三大节日之一，一般在开斋节过后七十天举行，回历十二月十二日.

4 结论

本文阐述了风能热利用技术的主要原理和进展，以及在上海市应用的前景。

1）风热机组的关键技术问题包括风力机和热泵机组的运行匹配性，风力机与热泵的耦合动态调控策略，风热机组高效、高可靠优化设计方法等，目前国内已有成熟的风热机组示范项目，已具备推广应用的技术可行性。

2）风热机组作为一种可再生能源利用的新型方式，制热技术更为简单，技术上可行，同时也是绿色低碳的制热方式，且相比于风电机组以及风电热泵机组有较大的经济性优势，相比于纯电供能系统经济性和节能降碳效果更为显著，具备推广应用的经济可行性。

3）上海具有风资源地域优势，上海市的产业发展和城市建设的供能需求，以及碳达峰碳中和目标的推进，对风热机组都具有较大的需求潜力，加快推进风热机组试点示范和推广应用符合政策要求和企业需求，对上海市发展绿色低碳的生产方式和生活方式都具有积极意义。

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