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中國科學院工程熱物理研究所 鐘曉暉

在“雙碳”戰(zhàn)略的指引下，我國北方地區(qū)清潔供暖已成為一項緊迫的民生工程和生態(tài)任務。傳統(tǒng)的燃煤供暖面臨高碳排放壓力，而單純依賴風電、光電供暖，又受制于日益嚴重的電網(wǎng)消納能力和“棄風棄光”的困擾。有沒有一種技術，能繞開“并網(wǎng)”難題，直接將風能轉(zhuǎn)化為熱能，為千家萬戶送去溫暖？答案是肯定的，這就是正在快速發(fā)展的風熱機組供熱技術，其背后是一套日益成熟的“中國方案”。

風熱機組——一場“能量轉(zhuǎn)換”的革新

風熱機組，是風能直接驅(qū)動熱泵高效制熱的裝備。它不同于我們熟知的風力發(fā)電機。

傳統(tǒng)風電供暖路徑：風力發(fā)電機（風能→電能）→并入電網(wǎng)→電采暖設備（電能→熱能）。這個過程能量轉(zhuǎn)換鏈條長，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。

風熱機組供暖路徑：風能→直接驅(qū)動熱泵壓縮機→熱能。其核心原理可以簡單理解為：風力帶動風輪旋轉(zhuǎn)，這個旋轉(zhuǎn)的機械能不經(jīng)過發(fā)電環(huán)節(jié)，而是直接驅(qū)動一個熱泵的壓縮機，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，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)倍于輸入的機械能，系統(tǒng)綜合能效得到質(zhì)的飛躍。

“中國方案”——直面本土化挑戰(zhàn)

風熱技術要在中國大范圍推廣應用，必須解決一系列的挑戰(zhàn)，這正是“中國方案”的出發(fā)點：

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

技術與可靠性挑戰(zhàn)：需要攻克大型風熱機組高效一體化動態(tài)仿真技術、風熱機組降載與減振耦合控制技術、風熱機組一體化設計技術，確保在機組嚴寒地區(qū)風況多變惡劣環(huán)境下的穩(wěn)定運行。

系統(tǒng)集成挑戰(zhàn)：如何將風熱與儲熱、地熱等其它能源耦合，構建穩(wěn)定、高效、智慧的綜合能源系統(tǒng)。

應用場景挑戰(zhàn)：如何匹配中國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)領域的低品位熱需求。

“中國方案”——創(chuàng)新與實踐

面對諸多挑戰(zhàn)，我國的科研機構走出了一條從技術研發(fā)、工程示范到產(chǎn)業(yè)推廣的特色路徑，構成了風熱技術的“中國方案”核心。

1、技術創(chuàng)新：從實驗室走向規(guī)?；灾袊茖W院工程熱物理研究所研究團隊的研發(fā)歷程為代表，中國風熱技術實現(xiàn)了“從0到1”的突破。

小試牛刀：早在2020年，團隊研發(fā)的100kW風熱機組已在張家口投入運行，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，團隊成功研制并投運2MW風熱機組。這是目前世界上單機容量最大的風熱機組之一。在7.8米/秒的風速下，其制熱量可達4437kW，制冷量達3200kW，標志著風熱技術具備了服務大型社區(qū)或工業(yè)園區(qū)的能力。風熱技術完成了從實驗室驗證到工程應用的重大跨越。目前，團隊已著手研發(fā)3MW、6MW及更大規(guī)模機組，并有條不紊地推動風熱機組的產(chǎn)業(yè)化進程。

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

風熱+光熱+地熱：2025年底，中國科學院在哈爾濱呼蘭區(qū)建設的“基于風熱機組新型風光儲綜合能源系統(tǒng)示范”項目，將1.5MW風熱機組與光伏光熱組件、地熱系統(tǒng)深度耦合，實現(xiàn)了風、光、地熱多能互補的穩(wěn)定供能體系。

風熱+儲能+儲熱：在吉林乾安、河北張家口等地規(guī)劃的示范項目中，風熱機組與儲能、儲熱系統(tǒng)集成，構成了微電網(wǎng)綜合能源系統(tǒng)，提高了整體能源利用率和可靠性。

3.示范應用：瞄準國家重大需求中國的風熱項目正緊密圍繞我國鄉(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布局。

供暖主戰(zhàn)場：風熱技術特別適用于風能豐富、供暖期長的“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接并啟動示范項目，旨在替代高成本、高污染的區(qū)域燃煤鍋爐。

工業(yè)新藍海：在油田等工業(yè)領域，大量低溫加熱需求（如原油脫水伴熱）是風熱機組的理想應用場景，能有效替代傳統(tǒng)的燃氣或電加熱，降低生產(chǎn)成本和碳排放。

4.資源循環(huán)：賦予退役設備“第二生命”。“中國方案”的另一個亮點是退役風電設備的梯次利用。呼蘭項目的成功示范為退役風機關鍵部件升級改造為風熱機組提供了技術支撐。這不僅大大降低了設備成本，也為大批即將退役的風電機組找到了資源化、高值化的利用新路徑，契合循環(huán)經(jīng)濟理念。

展望未來——風送暖流，綠動中國

展望未來，風熱機組“中國方案”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)”集中供熱設施短缺的鄉(xiāng)鎮(zhèn)區(qū)域，風熱機組可作為分布式清潔熱源，直接滿足供暖需求。

助力工業(yè)領域低碳轉(zhuǎn)型：為食品加工、紡織、化工等需要大量低溫熱能的行業(yè)提供綠色、低成本的綠色熱源。

融入新型能源體系：作為多能互補微電網(wǎng)的重要一環(huán)，與光伏、儲能、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，從實驗室的原理驗證，到兆瓦級機組的工程示范，再到與多種能源的智慧耦合，風熱機組的“中國方案”正在將呼嘯而過的風，實實在在地轉(zhuǎn)化為清潔低碳的綠色能源。它不僅是一項技術創(chuàng)新，更是一套包含技術研發(fā)、系統(tǒng)集成、場景適配和資源循環(huán)的系統(tǒng)性解決方案。隨著技術的不斷成熟和成本的持續(xù)下降，這份源自中國的“風熱方案”，正以其獨特的智慧與路徑，守護著千家萬戶的四季冷暖，在實現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型與降碳減排的道路上，書寫著科技與自然和諧共生的新篇章。

作者簡介：

鐘曉暉，中國科學院工程熱物理所研究員，風能熱利用方向負責人，中國科學院工程熱物理研究所“攀登人才計劃”，中國能源研究會低碳智慧供技術專委會委員，中國農(nóng)業(yè)機械工業(yè)協(xié)會風能裝備分會委員。主要從事風能熱利用基礎理論及關鍵技術等方面研究工作，突破2MW風熱機組一體化設計、智能控制、熱力循環(huán)優(yōu)化等核心技術，完成了全球首臺2MW風熱機組樣機的研制與工程示范。實現(xiàn)了風熱機組原創(chuàng)概念從“0到1”的突破，并成功走向產(chǎn)業(yè)化應用，已與國家電投集團黑龍江電力有限公司簽訂“3MW風熱機組供熱技術”科技成果賦權轉(zhuǎn)化合作意向協(xié)議，專利評估價值達7350萬元，有效推動了風熱技術邁向規(guī)模化應用新階段。成果曾獲省部級獎勵2項，主持中國科學院先導A、中國科學院先導C、國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、北京市自然科學基金以及企業(yè)合作課題多項。入選科技部、北京市科學技術委員會專家組，相關研究成果共發(fā)表論文100余篇、獲得發(fā)明專利授權50余項、獲得2024年度中國可再生能源學會科技創(chuàng)新人物獎。