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中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所 鐘曉暉

在“雙碳”戰(zhàn)略的指引下，我國(guó)北方地區(qū)清潔供暖已成為一項(xiàng)緊迫的民生工程和生態(tài)任務(wù)。傳統(tǒng)的燃煤供暖面臨高碳排放壓力，而單純依賴風(fēng)電、光電供暖，又受制于日益嚴(yán)重的電網(wǎng)消納能力和“棄風(fēng)棄光”的困擾。有沒(méi)有一種技術(shù)，能繞開(kāi)“并網(wǎng)”難題，直接將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為熱能，為千家萬(wàn)戶送去溫暖？答案是肯定的，這就是正在快速發(fā)展的風(fēng)熱機(jī)組供熱技術(shù)，其背后是一套日益成熟的“中國(guó)方案”。

風(fēng)熱機(jī)組——一場(chǎng)“能量轉(zhuǎn)換”的革新

風(fēng)熱機(jī)組，是風(fēng)能直接驅(qū)動(dòng)熱泵高效制熱的裝備。它不同于我們熟知的風(fēng)力發(fā)電機(jī)。

傳統(tǒng)風(fēng)電供暖路徑：風(fēng)力發(fā)電機(jī)（風(fēng)能→電能）→并入電網(wǎng)→電采暖設(shè)備（電能→熱能）。這個(gè)過(guò)程能量轉(zhuǎn)換鏈條長(zhǎng)，每一環(huán)節(jié)都存在能量損耗和效率瓶頸，且受電網(wǎng)制約。

風(fēng)熱機(jī)組供暖路徑：風(fēng)能→直接驅(qū)動(dòng)熱泵壓縮機(jī)→熱能。其核心原理可以簡(jiǎn)單理解為：風(fēng)力帶動(dòng)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)，這個(gè)旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能不經(jīng)過(guò)發(fā)電環(huán)節(jié)，而是直接驅(qū)動(dòng)一個(gè)熱泵的壓縮機(jī)，從空氣、土壤或中提取熱量，并將熱量提升后用于供暖或生活熱水。這樣一來(lái)，不僅能量轉(zhuǎn)換路徑縮短，并且充分利用熱泵能量倍增原理，使最終輸出的熱能數(shù)倍于輸入的機(jī)械能，系統(tǒng)綜合能效得到質(zhì)的飛躍。

“中國(guó)方案”——直面本土化挑戰(zhàn)

風(fēng)熱技術(shù)要在中國(guó)大范圍推廣應(yīng)用，必須解決一系列的挑戰(zhàn)，這正是“中國(guó)方案”的出發(fā)點(diǎn)：

成本與規(guī)模挑戰(zhàn)：早期小型機(jī)組產(chǎn)業(yè)配套少，造價(jià)高，難以滿足低成本供暖規(guī)?；枨?。

技術(shù)與可靠性挑戰(zhàn)：需要攻克大型風(fēng)熱機(jī)組高效一體化動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)、風(fēng)熱機(jī)組降載與減振耦合控制技術(shù)、風(fēng)熱機(jī)組一體化設(shè)計(jì)技術(shù)，確保在機(jī)組嚴(yán)寒地區(qū)風(fēng)況多變惡劣環(huán)境下的穩(wěn)定運(yùn)行。

系統(tǒng)集成挑戰(zhàn)：如何將風(fēng)熱與儲(chǔ)熱、地?zé)岬绕渌茉瘩詈希瑯?gòu)建穩(wěn)定、高效、智慧的綜合能源系統(tǒng)。

應(yīng)用場(chǎng)景挑戰(zhàn)：如何匹配中國(guó)北方多樣的供暖需求，從城鎮(zhèn)集中供暖到農(nóng)村分散式供暖，再到工業(yè)領(lǐng)域的低品位熱需求。

“中國(guó)方案”——?jiǎng)?chuàng)新與實(shí)踐

面對(duì)諸多挑戰(zhàn)，我國(guó)的科研機(jī)構(gòu)走出了一條從技術(shù)研發(fā)、工程示范到產(chǎn)業(yè)推廣的特色路徑，構(gòu)成了風(fēng)熱技術(shù)的“中國(guó)方案”核心。

1、技術(shù)創(chuàng)新：從實(shí)驗(yàn)室走向規(guī)模化以中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所研究團(tuán)隊(duì)的研發(fā)歷程為代表，中國(guó)風(fēng)熱技術(shù)實(shí)現(xiàn)了“從0到1”的突破。

小試牛刀：早在2020年，團(tuán)隊(duì)研發(fā)的100kW風(fēng)熱機(jī)組已在張家口投入運(yùn)行，可為約4000平方米建筑提供100%可再生能源冷熱源。

重大跨越：2023年，團(tuán)隊(duì)成功研制并投運(yùn)2MW風(fēng)熱機(jī)組。這是目前世界上單機(jī)容量最大的風(fēng)熱機(jī)組之一。在7.8米/秒的風(fēng)速下，其制熱量可達(dá)4437kW，制冷量達(dá)3200kW，標(biāo)志著風(fēng)熱技術(shù)具備了服務(wù)大型社區(qū)或工業(yè)園區(qū)的能力。風(fēng)熱技術(shù)完成了從實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證到工程應(yīng)用的重大跨越。目前，團(tuán)隊(duì)已著手研發(fā)3MW、6MW及更大規(guī)模機(jī)組，并有條不紊地推動(dòng)風(fēng)熱機(jī)組的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

2.系統(tǒng)集成：打造多元化綠色能源體系“中國(guó)方案”不局限于單一技術(shù)，而是強(qiáng)調(diào)集成創(chuàng)新與多能耦合。

風(fēng)熱+光熱+地?zé)幔?025年底，中國(guó)科學(xué)院在哈爾濱呼蘭區(qū)建設(shè)的“基于風(fēng)熱機(jī)組新型風(fēng)光儲(chǔ)綜合能源系統(tǒng)示范”項(xiàng)目，將1.5MW風(fēng)熱機(jī)組與光伏光熱組件、地?zé)嵯到y(tǒng)深度耦合，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)、光、地?zé)岫嗄芑パa(bǔ)的穩(wěn)定供能體系。

風(fēng)熱+儲(chǔ)能+儲(chǔ)熱：在吉林乾安、河北張家口等地規(guī)劃的示范項(xiàng)目中，風(fēng)熱機(jī)組與儲(chǔ)能、儲(chǔ)熱系統(tǒng)集成，構(gòu)成了微電網(wǎng)綜合能源系統(tǒng)，提高了整體能源利用率和可靠性。

3.示范應(yīng)用：瞄準(zhǔn)國(guó)家重大需求中國(guó)的風(fēng)熱項(xiàng)目正緊密圍繞我國(guó)鄉(xiāng)鎮(zhèn)清潔供暖替代和工業(yè)節(jié)能降碳的重大需求展開(kāi)布局。

供暖主戰(zhàn)場(chǎng)：風(fēng)熱技術(shù)特別適用于風(fēng)能豐富、供暖期長(zhǎng)的“三北地區(qū)”（東北、華北、西北），吉林松原、黑龍江大慶、河北察北等地已積極對(duì)接并啟動(dòng)示范項(xiàng)目，旨在替代高成本、高污染的區(qū)域燃煤鍋爐。

工業(yè)新藍(lán)海：在油田等工業(yè)領(lǐng)域，大量低溫加熱需求（如原油脫水伴熱）是風(fēng)熱機(jī)組的理想應(yīng)用場(chǎng)景，能有效替代傳統(tǒng)的燃?xì)饣螂娂訜?，降低生產(chǎn)成本和碳排放。

4.資源循環(huán)：賦予退役設(shè)備“第二生命”?！爸袊?guó)方案”的另一個(gè)亮點(diǎn)是退役風(fēng)電設(shè)備的梯次利用。呼蘭項(xiàng)目的成功示范為退役風(fēng)機(jī)關(guān)鍵部件升級(jí)改造為風(fēng)熱機(jī)組提供了技術(shù)支撐。這不僅大大降低了設(shè)備成本，也為大批即將退役的風(fēng)電機(jī)組找到了資源化、高值化的利用新路徑，契合循環(huán)經(jīng)濟(jì)理念。

展望未來(lái)——風(fēng)送暖流，綠動(dòng)中國(guó)

展望未來(lái)，風(fēng)熱機(jī)組“中國(guó)方案”有望在以下方面發(fā)揮更大作用：

成為北方清潔供暖的“生力軍”：特別是“三北地區(qū)”集中供熱設(shè)施短缺的鄉(xiāng)鎮(zhèn)區(qū)域，風(fēng)熱機(jī)組可作為分布式清潔熱源，直接滿足供暖需求。

助力工業(yè)領(lǐng)域低碳轉(zhuǎn)型：為食品加工、紡織、化工等需要大量低溫?zé)崮艿男袠I(yè)提供綠色、低成本的綠色熱源。

融入新型能源體系：作為多能互補(bǔ)微電網(wǎng)的重要一環(huán)，與光伏、儲(chǔ)能、智能控制系統(tǒng)深度融合，提升區(qū)域能源自給率和韌性。

綜上所述，從實(shí)驗(yàn)室的原理驗(yàn)證，到兆瓦級(jí)機(jī)組的工程示范，再到與多種能源的智慧耦合，風(fēng)熱機(jī)組的“中國(guó)方案”正在將呼嘯而過(guò)的風(fēng)，實(shí)實(shí)在在地轉(zhuǎn)化為清潔低碳的綠色能源。它不僅是一項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新，更是一套包含技術(shù)研發(fā)、系統(tǒng)集成、場(chǎng)景適配和資源循環(huán)的系統(tǒng)性解決方案。隨著技術(shù)的不斷成熟和成本的持續(xù)下降，這份源自中國(guó)的“風(fēng)熱方案”，正以其獨(dú)特的智慧與路徑，守護(hù)著千家萬(wàn)戶的四季冷暖，在實(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型與降碳減排的道路上，書(shū)寫(xiě)著科技與自然和諧共生的新篇章。

作者簡(jiǎn)介：

鐘曉暉，中國(guó)科學(xué)院工程熱物理所研究員，風(fēng)能熱利用方向負(fù)責(zé)人，中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所“攀登人才計(jì)劃”，中國(guó)能源研究會(huì)低碳智慧供技術(shù)專委會(huì)委員，中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械工業(yè)協(xié)會(huì)風(fēng)能裝備分會(huì)委員。主要從事風(fēng)能熱利用基礎(chǔ)理論及關(guān)鍵技術(shù)等方面研究工作，突破2MW風(fēng)熱機(jī)組一體化設(shè)計(jì)、智能控制、熱力循環(huán)優(yōu)化等核心技術(shù)，完成了全球首臺(tái)2MW風(fēng)熱機(jī)組樣機(jī)的研制與工程示范。實(shí)現(xiàn)了風(fēng)熱機(jī)組原創(chuàng)概念從“0到1”的突破，并成功走向產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，已與國(guó)家電投集團(tuán)黑龍江電力有限公司簽訂“3MW風(fēng)熱機(jī)組供熱技術(shù)”科技成果賦權(quán)轉(zhuǎn)化合作意向協(xié)議，專利評(píng)估價(jià)值達(dá)7350萬(wàn)元，有效推動(dòng)了風(fēng)熱技術(shù)邁向規(guī)模化應(yīng)用新階段。成果曾獲省部級(jí)獎(jiǎng)勵(lì)2項(xiàng)，主持中國(guó)科學(xué)院先導(dǎo)A、中國(guó)科學(xué)院先導(dǎo)C、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、北京市自然科學(xué)基金以及企業(yè)合作課題多項(xiàng)。入選科技部、北京市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)專家組，相關(guān)研究成果共發(fā)表論文100余篇、獲得發(fā)明專利授權(quán)50余項(xiàng)、獲得2024年度中國(guó)可再生能源學(xué)會(huì)科技創(chuàng)新人物獎(jiǎng)。