彭國勛，鄒強(qiáng)強(qiáng)，張飛翔

（西南科技大學(xué) 制造科學(xué)與工程學(xué)院，四川 綿陽 621010）

0 引 言

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

本文綜合利用熱泵技術(shù)、壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)和風(fēng)能利用技術(shù)，提出了一種利用風(fēng)能驅(qū)動(dòng)熱泵的供暖系統(tǒng)，該系統(tǒng)設(shè)有儲(chǔ)能裝置能夠在風(fēng)能富裕時(shí)儲(chǔ)能，以備風(fēng)能不足時(shí)利用。介紹了新供暖系統(tǒng)的工作原理和特點(diǎn)，分析了系統(tǒng)的可行性和環(huán)境效益，并對系統(tǒng)各部分進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算。

1 工作原理及系統(tǒng)特點(diǎn)

1.1 工作原理

一種完全基于風(fēng)能的供暖系統(tǒng)如圖1 所示。

圖1 完全基于風(fēng)能的供暖系統(tǒng)示意圖

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

當(dāng)冬季海上風(fēng)力充足時(shí)，安裝在塔架上的風(fēng)力機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，液壓泵1 將風(fēng)力機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化成液壓油的壓力能，液壓馬達(dá)5 將液壓油的壓力能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能驅(qū)動(dòng)熱泵供暖系統(tǒng)為用戶供暖；若風(fēng)能富裕時(shí)，液壓馬達(dá)2 將液壓油的壓力能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，空壓機(jī)3 將機(jī)械能轉(zhuǎn)化成空氣的壓力能儲(chǔ)存在儲(chǔ)氣罐中；若風(fēng)能不足時(shí)，儲(chǔ)氣罐釋放高壓空氣，氣動(dòng)馬達(dá)4 將氣體的壓力能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能驅(qū)動(dòng)熱泵供暖系統(tǒng)為用戶供暖。

1.2 系統(tǒng)特點(diǎn)

該系統(tǒng)利用可再生能源風(fēng)能供暖，不消耗常規(guī)能源，為新能源的開發(fā)利用提供了新途徑。風(fēng)能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，然后通過熱泵轉(zhuǎn)化成熱能，而不必先轉(zhuǎn)化成電能，減少了能量形式的轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)，提高了風(fēng)力資源的利用率和降低了投資成本，從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)能的廣泛利用和達(dá)到節(jié)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(jié)約了高位能。

另外，該供暖系統(tǒng)采用壓縮空氣儲(chǔ)能，解決了風(fēng)能的間歇性和不穩(wěn)定性問題。采用高壓空氣儲(chǔ)能，提高了儲(chǔ)能密度，減小了儲(chǔ)氣罐的容積。

2 供暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算

2.1 風(fēng)能利用部分

風(fēng)力機(jī)是風(fēng)能供暖系統(tǒng)的重要組成部分，其性能和成本對整個(gè)供暖系統(tǒng)成本起主要作用。新型風(fēng)能供暖系統(tǒng)的最大優(yōu)點(diǎn)是直接將風(fēng)能轉(zhuǎn)化機(jī)械能，機(jī)械能驅(qū)動(dòng)熱泵供暖，不必先轉(zhuǎn)成電能，減少能量形式的轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)，提高風(fēng)力資源的利用率和降低投資成本。

圖2 青島沿海地區(qū)一天內(nèi)風(fēng)速隨時(shí)間的變化

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

表1 華銳SL3 000/100 型風(fēng)力機(jī)參數(shù)

2.2 風(fēng)力機(jī)總功率的確定

風(fēng)力機(jī)的總功率根據(jù)供暖面積、供暖熱指標(biāo)、熱泵的性能系數(shù)和當(dāng)?shù)氐臍庀髤?shù)，并對系統(tǒng)內(nèi)各部分性能做適當(dāng)假設(shè)來確定。

青島地區(qū)某節(jié)能建筑平均熱指標(biāo)為30 W/m，日運(yùn)行時(shí)數(shù)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(shù)按4 計(jì)算，供暖系統(tǒng)的效率為69%，液壓泵、液壓馬達(dá)的效率均為90%，氣動(dòng)馬達(dá)的效率為65%，空壓機(jī)的效率90%，儲(chǔ)氣罐效率80%。則風(fēng)力機(jī)至少產(chǎn)生的熱量為248 000 MJ/d。

單臺(tái)風(fēng)力機(jī)的功率為：

式中：d 為風(fēng)輪直徑，m，取值100；ρ 為空氣密度，kg/m3，取值1.225；v 為風(fēng)速，m/s；Cp為風(fēng)能利用系數(shù)，取值0.32。

單臺(tái)風(fēng)力機(jī)一天產(chǎn)生的能量為：

其中，Pi、ti分別為不同風(fēng)速下風(fēng)力機(jī)的功率、持續(xù)時(shí)間。

所以，單臺(tái)風(fēng)力機(jī)產(chǎn)生的能量為142 675 MJ/d。計(jì)算需要風(fēng)力機(jī)248 000÷142 675=2 臺(tái)。

3 能量存儲(chǔ)部分

為了適應(yīng)風(fēng)能的間歇性和不穩(wěn)定性，可把風(fēng)力機(jī)產(chǎn)生的多余能量儲(chǔ)存起來，以備風(fēng)能不足時(shí)使用。目前在技術(shù)上已得到證實(shí)可行的規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)主要包括抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)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(chǔ)能系統(tǒng)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(jìn)行儲(chǔ)能可大大減小儲(chǔ)能所需的容積而不需要大型洞穴。因此，本系統(tǒng)采用高壓壓縮空氣儲(chǔ)能。

3.1 儲(chǔ)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(chǔ)氣罐的容積，m3；r 為儲(chǔ)氣罐壓力與大氣壓強(qiáng)比（P=rP0），取400。儲(chǔ)能壓力為40 MPa，假設(shè)熱泵的輸入功率為1.2 MW，則儲(chǔ)能容量為43 GJ，由式（3）可得，儲(chǔ)氣罐的容積為220 m3。

3.2 儲(chǔ)氣罐形狀的確定

考慮到儲(chǔ)氣罐的加工特點(diǎn)和受力均勻性，采用中部為圓柱體、兩端為半球的結(jié)構(gòu)，如圖3 所示。

圖3 儲(chǔ)氣罐的尺寸圖

4 系統(tǒng)可行性與環(huán)境效益分析

本系統(tǒng)應(yīng)用在我國北方山東半島、遼東半島沿海風(fēng)能豐富區(qū)，而這些地區(qū)往往存在夜晚風(fēng)大、白天風(fēng)小的現(xiàn)象，因此，夜間風(fēng)能富裕時(shí)，將能量儲(chǔ)存在高壓壓縮空氣中；白天風(fēng)力不足時(shí)釋放儲(chǔ)存在高壓空氣中的能量，通過氣動(dòng)馬達(dá)轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，帶動(dòng)熱泵工作，實(shí)現(xiàn)能量持續(xù)穩(wěn)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(shù)，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(tǒng)完全利用風(fēng)能和儲(chǔ)存在海水中的太陽能，不消耗化石燃料，不產(chǎn)生粉塵和污染性氣體，對當(dāng)前面臨的資源短缺和環(huán)境污染問題，提出了一種解決途徑。

5 結(jié) 論

本文提出了一種完全基于風(fēng)能的供暖方式，綜合利用熱泵技術(shù)、壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)、風(fēng)能利用技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)完全利用風(fēng)能供暖。風(fēng)能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，機(jī)械能驅(qū)動(dòng)熱泵供暖，而不是先轉(zhuǎn)化成電能，從而減少了能量轉(zhuǎn)化的環(huán)節(jié)；利用高壓壓縮空氣儲(chǔ)能，減小了儲(chǔ)能容器的容積；海水源熱泵具有較高的制熱系數(shù)，且不會(huì)產(chǎn)生污染。因此，本系統(tǒng)具有穩(wěn)定、可靠、清潔、高效、環(huán)保的特點(diǎn)，針對近年來我國冬季供暖期間霧霾頻發(fā)的現(xiàn)象，本文從技術(shù)上提出了一種解決方案。

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