一种完全基于风能的供暖系统研究

彭国勋，邹强强，张飞翔

（西南科技大学 制造科学与工程学院，四川 绵阳 621010）

0 引 言

随着能源和环境问题日益突出，人们越来越重视新能源的开发和利用。由于传统以石化燃料为能源的供暖系统存在消耗大、污染严重的缺点，近年来一些专家学者对利用可再生能源供暖进行了大量的研究，特别是风能供暖进行了深入的研究［1~3］。

本文综合利用热泵技术、压缩空气储能技术和风能利用技术，提出了一种利用风能驱动热泵的供暖系统，该系统设有储能装置能够在风能富裕时储能，以备风能不足时利用。介绍了新供暖系统的工作原理和特点，分析了系统的可行性和环境效益，并对系统各部分进行了设计计算。

1 工作原理及系统特点

1.1 工作原理

一种完全基于风能的供暖系统如图1 所示。

图1 完全基于风能的供暖系统示意图

该供暖系统由风能利用部分、能量储存部分和热泵供暖系统部分组成。风能利用部分主要包括风力机、塔架、液压泵1 和液压马达5；能量储存部分主要包括储气罐、液压马达2、空气压缩机3 和气动马达4；热泵供暖系统部分主要包括水源热泵、供暖管网、散热器等。下面以直接利用风能供暖和能量储存、释放的典型工况说明系统的工作过程。

当冬季海上风力充足时，安装在塔架上的风力机将风能转化成机械能，液压泵1 将风力机的机械能转化成液压油的压力能，液压马达5 将液压油的压力能转化成机械能驱动热泵供暖系统为用户供暖；若风能富裕时，液压马达2 将液压油的压力能转化成机械能，空压机3 将机械能转化成空气的压力能储存在储气罐中；若风能不足时，储气罐释放高压空气，气动马达4 将气体的压力能转化成机械能驱动热泵供暖系统为用户供暖。

1.2 系统特点

该系统利用可再生能源风能供暖，不消耗常规能源，为新能源的开发利用提供了新途径。风能转化成机械能，然后通过热泵转化成热能，而不必先转化成电能，减少了能量形式的转化环节，提高了风力资源的利用率和降低了投资成本，从而实现风能的广泛利用和达到节能减排的目的。水源热泵可以在输入1 份高位能条件下，输出4份左右的热能，节约了高位能。

另外，该供暖系统采用压缩空气储能，解决了风能的间歇性和不稳定性问题。采用高压空气储能，提高了储能密度，减小了储气罐的容积。

2 供暖系统设计计算

2.1 风能利用部分

风力机是风能供暖系统的重要组成部分，其性能和成本对整个供暖系统成本起主要作用。新型风能供暖系统的最大优点是直接将风能转化机械能，机械能驱动热泵供暖，不必先转成电能，减少能量形式的转化环节，提高风力资源的利用率和降低投资成本。

图2 青岛沿海地区一天内风速随时间的变化

根据青岛沿海地区冬季最冷月一天内的风速变化如图2，有两种不同的平均风速13 m/s（8 h）和8 m/s（16 h），因此选用华锐SL3 000/100 型风力机，其参数如表1。

表1 华锐SL3 000/100 型风力机参数

2.2 风力机总功率的确定

风力机的总功率根据供暖面积、供暖热指标、热泵的性能系数和当地的气象参数，并对系统内各部分性能做适当假设来确定。

青岛地区某节能建筑平均热指标为30 W/m，日运行时数24 h/d，每天总耗热量为2 592 kJ/m，1 000 户家庭的供暖面积100 000 m 消耗的热量为259 200 MJ/d。热泵制热系数按4 计算，供暖系统的效率为69%，液压泵、液压马达的效率均为90%，气动马达的效率为65%，空压机的效率90%，储气罐效率80%。则风力机至少产生的热量为248 000 MJ/d。

单台风力机的功率为：

式中：d 为风轮直径，m，取值100；ρ 为空气密度，kg/m3，取值1.225；v 为风速，m/s；Cp为风能利用系数，取值0.32。

单台风力机一天产生的能量为：

其中，Pi、ti分别为不同风速下风力机的功率、持续时间。

所以，单台风力机产生的能量为142 675 MJ/d。计算需要风力机248 000÷142 675=2 台。

3 能量存储部分

为了适应风能的间歇性和不稳定性，可把风力机产生的多余能量储存起来，以备风能不足时使用。目前在技术上已得到证实可行的规模储能技术主要包括抽水蓄能、压缩空气储能、大容量蓄电池和氧化还原液流电池，利用大型地下洞穴的压缩空气储能系统的压力都低于5 MPa。可是压缩空气的相对大气压的有效压力能近似和压力成正比，利用高压空气进行储能可大大减小储能所需的容积而不需要大型洞穴。因此，本系统采用高压压缩空气储能。

3.1 储气罐容积的确定

压缩空气的有效压力能：

式中：E 为压缩空气的有效能，J；P0为大气压力，Pa；V 为储气罐的容积，m3；r 为储气罐压力与大气压强比（P=rP0），取400。储能压力为40 MPa，假设热泵的输入功率为1.2 MW，则储能容量为43 GJ，由式（3）可得，储气罐的容积为220 m3。

3.2 储气罐形状的确定

考虑到储气罐的加工特点和受力均匀性，采用中部为圆柱体、两端为半球的结构，如图3 所示。

图3 储气罐的尺寸图

4 系统可行性与环境效益分析

本系统应用在我国北方山东半岛、辽东半岛沿海风能丰富区，而这些地区往往存在夜晚风大、白天风小的现象，因此，夜间风能富裕时，将能量储存在高压压缩空气中；白天风力不足时释放储存在高压空气中的能量，通过气动马达转化成机械能，带动热泵工作，实现能量持续稳定的输出。冬季海水温度变化不大，热泵具有较高的制热系数，可以消耗少部分高品位能量，吸收大部分海水中的能量，输出较多的热能。本系统完全利用风能和储存在海水中的太阳能，不消耗化石燃料，不产生粉尘和污染性气体，对当前面临的资源短缺和环境污染问题，提出了一种解决途径。

5 结 论

本文提出了一种完全基于风能的供暖方式，综合利用热泵技术、压缩空气储能技术、风能利用技术，可实现完全利用风能供暖。风能转化成机械能，机械能驱动热泵供暖，而不是先转化成电能，从而减少了能量转化的环节；利用高压压缩空气储能，减小了储能容器的容积；海水源热泵具有较高的制热系数，且不会产生污染。因此，本系统具有稳定、可靠、清洁、高效、环保的特点，针对近年来我国冬季供暖期间雾霾频发的现象，本文从技术上提出了一种解决方案。

［1］ 冯毅，杨根华.风力驱动压缩制冷（制热）系统的研究［J］.太阳能学报，2009，30（6）：810-813.

［2］ 杨龙君，刘扬，李想，等.微型风力热泵系统的研究［J］.能源研究与利用，2009（3）：31-32.

［3］ 赵海波，吴坤.以风力驱动的热泵空调系统［J］.建筑热能通风空调，2010，29（1）：32-35.

［4］ 刘佳，夏红德，陈海生，等.新型液化空气储能技术及其在风电领域的应用［J］.工程热物理学报，2010，31（12）：1993-1996.

［5］ 温丽.锅炉供暖现状分析及运行节能技术措施［J］.暖通空调，1994（6）：4-9.

［6］ 李小仨，钱则刚，杨启超，等.压缩空气储能技术现状分析［J］.流体机械，2013，41（8）：40-44.

［7］ 孙晓明，林子良，张成彦.压缩空气系统气动效率研究［J］.流体机械，2011，39（12）：23-27.

［8］ 何明勋，陈国娟.压缩空气系统耗能与节能分析［J］.流体机械，2012，40（2）：46-48.

［9］ 陈东，谢继红.热泵技术及其应用［M］.北京：化学工业出版社，2005.

［10］ 韩伟国，江亿，郭非.多种供热供暖方式的能耗分析［J］.暖通空调，2005，35（11）：106-110.