风能热泵直接制热系统现状及展望

齐聪颖 程浩力 姜 炜 任 明 陈 强 范 宇 蔡峰峰

1. 中国石油工程建设有限公司北京设计分公司, 北京 100085;

2. 中国石油工程建设有限公司西南分公司, 四川 成都 610041;

3. 中国石油天然气第七建设有限公司, 山东 青岛 266300;

4. 中国石油工程建设有限公司, 北京 100120

0 前言

为应对全球气候变化,2016年由178个缔约方共同签署了《巴黎协定》，自其生效以来,全球可再生能源提供了全球新增发电量的约60%,全球主要经济体积极推动低碳发展,中国、欧盟、美国、日本等130多个国家和地区都提出了碳中和目标[1],清洁低碳能源发展迎来新机遇。在中国已连续多年成为全球最大的能源生产国、消费国和碳排放国的背景下[2-3],中国积极推进2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和的目标[1,4-5]。更高效可靠的风能、太阳能、水能、生物质能、地热能等可再生能源综合利用技术亟待探索。

风能和太阳能资源利用一直是中国新能源体系规划的重点[1-2],目前风能利用的主要方式是通过风力机将风能转化为电能、热能、机械能等。与其他风能利用形式相比,风能制热[6]能源转换效率高,具有很好的开发前景。然而,中国关于风能直接制热技术的研究还处在起步阶段,相关应用较少。推动风能热泵直接制热技术的应用,对完善中国能源结构、提高能源利用率、减少温室气体排放具有重要意义。

1 风能制热

中国拥有丰富的风能资源,在资源储备方面,总风能储量为3 226×1011W,实际可开发利用量达253×1011W[7],风能利用研究领域以及相关行业受到越来越多学者和企业的关注。目前,国际上风能开发利用的主要形式是风能发电。中国的风能发电行业发展迅速[8],风能发电是继火力发电、水力发电后的第三大发电形式,中国已成为全球风能发电装机容量最大的国家[9]。与此同时,弃风限电现象也日益突出,造成了风能的较大浪费。

为了减少现存弃风限电问题的发生和提高风能利用率,开发新的风能利用形式是关键。由于许多用户终端需求的能源形式是热能,如家庭取暖、大棚保温、水产养殖等,利用风能直接制热将有效减少能量转换环节,促进能源结构优化。中国北方尤其是东北、华北、西北等地区风能资源丰富,冬季气候寒冷,与采暖供热需求有很好的时空匹配性[10]。采用风能作为供热能源,可大量减少煤、天然气等不可再生资源的消耗,对减轻环境污染、减少CO2气体排放具有重要意义。

目前风能制热的方式主要分为三类:一是通过风力发电机发电,再将电能通过电阻丝转换为热能，该方式由于增加了能量转换环节,导致风能利用率较低,且造价昂贵;二是利用风力机将风能转换为机械能,再将其转换成热能,如固体摩擦制热、液体搅拌制热、液体挤压制热等,该方式下系统效率只有40%左右,经济性较差,且在大型化推广方面存在瓶颈,距实现工业化应用有很大距离;三是将风力机与热泵系统相结合,利用风力机驱动热泵压缩机制热,热泵是一种逆卡诺循环的能量转换系统,可以将低品位能源转变成高品位能源,制取的能量比自身运行所消耗的能量高。目前，常规制热方式由于各种能量损失，制热性能系数总是小于1,而热泵的制热性能系数通常大于1[11]，更加节能和高效，这是当前热泵制热最突出的优势。

2 风能热泵直接制热系统

将风力机与热泵系统相结合是当前风能制热研究的热点。近年来,热泵技术发展迅速,在全球范围内得到了广泛应用。热泵作为热力学中常见的系统,能从环境中吸收热量来提高制热效率,可有效提高能源利用率,是解决当前弃风限电问题的有效途径之一。采用风能热泵制热取代锅炉供暖,可以大大减少化石燃料的消耗和温室气体的排放,加快实现“双碳”目标,是一种节能环保的新型能源利用技术,具有广阔的市场应用前景。

风能热泵系统的应用主要有两种:一是风能发电、电再制热的间接制热，即风电热泵系统;二是风能直接驱动热泵制热。风电间接制热所需设备复杂,造价成本高,而风能热泵直接制热系统是用风力机传出的机械能直接驱动压缩机做功,减少了中间风—电能量转换环节。与风电热泵系统相比,风能热泵直接制热系统造价降低,同时理论效率提高10%以上[12],是目前风能制热研究领域的热点。韩帅[13]建立了风能热泵直接制热系统,通过仿真模拟和实验两种手段对风力机与压缩机的匹配特性进行了分析研究。张明洋等人[14]构建了风力机直接驱动热泵制热系统的仿真模型与经济性模型,并通过粒子群优化算法,对其进行了成本优化。钟晓晖等人[15]以张家口张北地区为例,对风能热泵直接制热系统进行了理论计算和分析,为风能直接制热技术的研究提供了一定参考。

风能热泵直接制热系统作为一种新型供热方式,与中国北方地区风能资源丰富、冬季气温较低的气候条件相吻合,是中国北方地区实现清洁供暖的有效途径之一。而风能热泵与储热技术结合组成的系统,不仅改善了因风能间歇性和季节性造成的热源不稳定问题,降低了能源成本，提高了能源效率,还减少了化石燃料使用量，实现了节能环保,具有较高的理论和工程实践价值。

2.1 风力机

风力机是风能热泵直接制热系统中的重要装置,可以将风的动能转化为机械能。根据风轮旋转中心轴与地面的相对位置关系,可以将风力机分为水平轴风力机和垂直轴风力机两类;根据风轮叶片工作原理,风力机又可以分为升力型风力机和阻力型风力机两类。

风力机的性能主要由空气动力学决定,其中叶片的气动特性如功率系数、转矩系数等决定了其对风能利用效率的高低,是风力机领域研究的热点和重点。叶素动量理论(Blade Element Momentum,BEM)、涡尾迹方法和计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)方法是当前计算风力机叶片气动性能的三种主要方法。陈安杰等人[16]以1.5 MW风力机为研究对象,基于BEM的GH Bladed软件对其进行模拟分析,得到了风力机叶片气动载荷的分布规律。刘燕等人[17]采用涡尾迹方法,对风力机叶片气动性能进行计算分析,发现与自由尾迹模型相比,固定尾迹涡模型计算运行时间短,具有较好的实用性。张立栋等人[18]采用CFD方法对双风轮风力机进行了动态分析,并将计算得到的风力机气动载荷结果与实验进行了对比,证明了CFD方法的有效性。除上述方法外,风洞实验和外场测试也是风力机气动性能研究的重要手段。由于风力机涉及的空气动力学问题复杂,上述数值模拟计算方法的精度和适用性仍存在部分问题未得到解决,需要通过实验进行验证和改进现有气动计算模型。郭少真等人[19]用数值模拟与风洞实验相结合的研究方法,对加装后缘小翼的H型垂直轴风力机输出特性进行了分析研究。郭欣等人[20]同样采用模拟与风洞试验相结合的方法,研究了在不同叶尖速比情况下,翼型的改变对垂直轴风力机气动特性的影响,结果表明翼型的改变可提高风力机对风能的利用率。

风力机在高度复杂的气流环境中运行,运动形式相当复杂,面临着非定常、非线性及气动弹性等问题,气动特性分析与计算难度很大。尽管当前业界已进行了大量的探索并取得了一定的成果进展,但精准、高效的气动特性计算方法和理论还不成熟,仍存在广阔的研究空间。

2.2 热泵系统

热泵系统可分为四部分:压缩机、冷凝器、蒸发器和节流元件。其中,冷凝器和蒸发器的作用是分别与热泵系统中的高温热源和低温热源进行热量交换,其换热性能的好坏对整个热泵系统的制热性能有较大影响；节流元件的主要作用是降低制冷剂压力,获得温度和压力较低的制冷剂工质；压缩机作为整个热泵系统的心脏,也是能量转换的关键部位,起压缩制冷剂工质和为整个热泵系统运行提供动力的作用。因此,提高压缩机性能对提高整个热泵系统的制热效率具有重大意义。钟晓晖等人[21]建立了风能热泵直接制热系统,通过模拟与实验发现,热泵系统的制热量与压缩机转速呈近似线性规律,而制热性能系数则随转速的改变呈近似指数变化规律。杨永安等人[22]通过实验研究了压缩机转速对复叠式热泵系统的影响,发现制热性能系数随压缩机转速的增加先增大后减小,存在最佳转速使得热泵系统以最大制热性能系数运行。

压缩机内的制冷剂工质在热泵运行过程中起着转换与传递能量的作用,其物性对热泵系统的性能有很大影响,不仅决定了热泵系统的制热效果,也决定了热泵系统的环保性能,因此制冷剂的选择十分重要。吴迪等人[23]以自然工质水作为制冷剂,通过理论模拟及实验验证,对高温热泵系统的性能进行了分析研究,结果表明,在较佳的实验条件下,热泵系统的性能优越,制热性能系数可接近于5。胡晓微等人[24]搭建了复叠式高温热泵试验系统,选用R245fa作为高温级循环工质、不同质量比的R134a/R245fa混合物作为低温级循环工质,实验结果发现,选用质量比为8∶2的R134a/R245fa低温级循环工质,热泵系统制热性能系数、制热量等性能较好。

实际运行过程中,受风能不稳定性影响,风能热泵直接制热系统处于明显的波动状态。为使风能热泵直接制热系统处于最佳运行状况,探索风能对热泵系统运行特性的影响,揭示风力机与压缩机之间的匹配特性,已成为当前理论研究的重点。赵斌等人[25]通过对不同风速下垂直轴风力机与压缩机的匹配特性进行研究,建议在风能热泵直接制热系统选型设计时,垂直轴风力机的额定功率应大于压缩机所需输入功率。钟晓晖等人[26]通过半物理仿真实验平台,对不同风速下,热泵系统制热量和风能利用系数Cp等进行了研究分析,发现当风速区间为3～11 m/s 时,制热量随风速的增加呈指数增加;当风速区间为11～21 m/s时,随着风速的增加,制热量保持恒定;当风速为7.74 m/s时,风能利用系数Cp达到最大值0.462 7,之后逐渐降低。曹春蕾[12]采用软连接方式突破风能热泵直接制热系统硬连接的瓶颈问题,并对不同工况下风力机和压缩机的匹配特性进行了探究,以张北地区为例,当转速比为1∶5.37时,风力机和压缩机可达到最佳匹配效果。

目前，对风能热泵直接制热技术的相关研究较少,且主要集中在实验室一定风速、一定风向条件下的小型垂直轴风力机驱动热泵压缩机制热;在风能热泵直接制热系统仿真研究方面,目前搭建的仿真模型大都是稳态模型,动态模型的构建还有待完善,对实际风况下运行的风力机与热泵系统之间的匹配控制机制还缺乏相应的理论研究。

2.3 储热系统

风能具有不稳定性、间歇性的特征,为了避免能量浪费,更好地利用风能,需要配备储热系统将未被利用的风能储存起来,实现持续稳定的热源供应[27]。储热系统是保证热源稳定输出、提高能源利用率的关键,能够解决能源供给和需求不匹配问题,在很多领域具有广泛的应用前景。

目前,热能存储的方式可分为显热储热、潜热储热和热化学反应储热。显热储热是利用物质温度的升高与降低实现热能的存储和释放,是目前使用最广泛的技术之一。优点是操作相对简单,技术较为成熟,但也存在储热密度小、储热设备体积大等问题。显热储热的工作介质一般选用比热容高、成本低廉的材料,如水、鹅卵石、导热油等。乔春珍等人[28]以北京市某一办公建筑为例,用水作为储热介质,与空气源热泵相结合,通过软件进行模拟分析,结果表明该系统可明显降低供暖设备运行成本。杨勇平等人[29]采用导热油与沙砾混合物作为储热介质进行研究,发现与纯沙砾储热材料相比,导热油与沙砾混合物的储热效率更高。

潜热储热又称相变储热,是利用材料在自身相变过程中吸收或放出的热量来进行热量的储存与释放[30],能有效解决能源供应在时间与空间上的不匹配问题,是提高能源利用率的重要途径之一。潜热储热的储热密度比显热储热的储热密度高,应用也较为广泛,但同时也存在相变材料热导率低的问题[31]。潜热储热根据相变形式可以分为固—固相变、固—液相变、液—气相变和固—气相变。相变材料根据化学成分组成可分为无机、有机和复合材料三类,其中,复合材料可以克服单一无机或有机材料的不足,是当前储热材料研究的热点。李文琛等人[32]制备了以三水合醋酸钠(C2H9NaO5)为主体的复合相变储热材料,并搭建了相变储热器,结果表明该储热器储热优势明显,储放热效率可达96.4%,储热密度是传统水箱的1.7倍。万倩等人[33]探究了石蜡及泡沫铁/石蜡复合相变储能材料的储热性能,实验发现添加泡沫铁能有效提高传热速率,改善石蜡导热系数差的问题。吴韶飞等人[34]选择棕榈酸作为相变材料,膨胀石墨作为添加基质,制备了复合材料,通过表征与分析,发现膨胀石墨的添加可有效提高相变材料的热导率。

热化学反应储热是利用化学反应过程中所产生的反应热进行热能存储的技术方式。与前两种储热方式相比,热化学反应储热的热能密度更高,且可以长期稳定储热,被认为是未来最有前景的储热方式之一。赵彩燕等人[35]以六水氯化镁(MgCl26 H2O)作为热化学存储材料,建立其脱水反应过程物理模型并进行计算与分析,发现较高的入口流体流速和温度能在一定程度上促进传热,但与此同时,热量的利用率也会降低。孙超颖等人[36]将CO2捕集和CaO/Ca(OH)2体系热化学储热相耦合,通过实验探究了不同反应条件对CaO储热性能的影响,发现CaO经多次循环碳酸化/煅烧捕集CO2后,仍然具有较高的储热性能。值得注意的是,热化学反应储热技术目前仍处于研究阶段,还有很多如化学反应过程复杂、对设备要求严格、技术成熟度较低等问题亟待解决,尚未具备工业化条件。

3 展望及挑战

3.1 展望

2020年的油价暴跌及新冠肺炎疫情带来的经济萧条全面推动了全球能源转型进度,新一轮科技革命和产业变革带来了能源革命和数字革命的爆发式发展,全球主要国家的生产生活方式迅速转向低碳化、去碳化、智能化,能源体系和发展模式则加快步入非化石能源主导的崭新阶段。中国也紧跟世界潮流,开始制定加快构建现代能源体系、推动能源高质量发展的总体蓝图和行动纲领。为落实“十四五”规划和碳达峰目标,国家发展改革委及国家能源局于2021年7月15日发布了《关于加快推动新型储能发展的指导意见》[37],并在2022年3月21日、3月22日、3月29日、4月2日,连续公布了《“十四五”新型储能发展实施方案》[38]《“十四五”现代能源体系规划》[1]《2022年能源工作指导意见》[39]《“十四五”能源领域科技创新规划》[2]等重磅文件,对加快新型储能技术规模化应用、中国新型储能高质量规模化发展、全面推进风光热等可再生能源大规模开发和高质量发展给出了明确的指导方针和目标,可再生能源发电及综合利用技术在“十四五”期间及未来利用前景一片光明。风能热泵直接制热系统在提高能源利用率、减少碳排放等方面起着十分重要的作用,也有着广阔的应用前景,但目前风能热泵直接制热系统的研究仍存在一定短板,与世界能源科技强国相比,在关键零部件、专用软件、核心材料等核心技术上仍存在一定差距,还需要后续进行更深入的研究。

3.2 挑战

1)由于风能本身的复杂性,风力机所涉及的空气动力学问题复杂,且大中小型风力机所涉及的复杂程度也各不相同,相应的风力机模型及气动性能计算方法还需要进一步完善。

2)在实际工程应用中,热泵的运行性能仍存在不足,如在低温环境下,制热能力有所下降。因此，为了使热泵稳定高效地运行,相应的除霜、防堵、除污等技术还有待进一步优化。

3)部分储热材料具有腐蚀性,实际应用过程中容易腐蚀设备,价格低廉、无腐蚀性、性能优异的储热材料的制备选取仍是今后课题研究的重点。

4)由于风能作为单一热源形式存在一定的局限性,在未来,如何将风能、太阳能、地热能等多种清洁可再生能源更好地组合,并与多种储热形式相结合的复合系统也将成为研究的热点。

4 结论

随着化石能源消耗的不断增加,生态环境问题日渐突出,发展新能源技术、改善能源结构对实现“双碳”目标具有重要意义。风能作为一种可持续再生的清洁自然能源,资源极为丰富,是较为理想的替代常规化石能源的新能源代表。风能热泵直接制热系统一方面可以减少化石燃料使用量,减少CO2排放;另一方面还可以减少弃风限电现象发生,提高风能利用率,具有广阔的发展前景。进一步加大对风能热泵直接制热技术及相关领域的研究,攻克当前技术发展面临的难题,相信随着研究的不断深入,风能热泵直接制热系统一定会在风能资源丰富地区得到广泛应用,更好地为人类造福。