为此，我们团队历时两年，设计了一款风能直驱热泵供暖系统。减少了转化过程，供热效率可达56.05%，相比风力发电制热效率提高了7%以上，且供热量达到市政供暖温度16℃以上的要求。供暖系统主要包括风力驱动模块、喷气增焓热泵供暖模块、蓄热模块以及电控模块。电控上位机部分结合 stm32 单片机实现对于所在风场的风速测量以及转轴的控制。有风时，风力驱动垂直轴风力机带动喷气增焓压缩机做工以及为蓄电装置提供电能；无风条件下，蓄热水箱良好的储热性能为热用户提供持续稳定的热量来源，实现了供暖系统在无风，有风条件下连续供暖的目的。在供暖的同时，减少了转化过程，对缓解能源压力，减少碳排放，提高生产、生活质量具有重要意义。

关键字：风力驱动、喷气增焓热泵、机械储能、变档增速齿轮、蓄热、电控
       本系统主要由风力驱动、喷气增焓供暖、蓄热、电控四大模块组成，其中电控上位机部分结合 stm32 单片机实现对于所在风场的风速测量以及转轴的控制。集成系统内部工作过程可以概括如下：有风条件下，XTL-V 型螺旋式风力机转动，将风的动能转化为垂直轴风力机的转动能；风力大时，通过输入轴将动能储存于涡卷发条中，风力小时，涡卷发条中的能量又作为动力从输出轴输出。一对链轮带动可变档增速齿轮机构转动，齿轮机构通过档位结合套将风力机低速主轴和压缩机高速转动副轴连接，通过内部的齿轮传动，加快转动轴的转速，实现喷气增焓压缩机轴工的变换；蒸发器将循环工质 R410A 从低温低压液体汽化为高温低压的气体，并向低位热源吸收热量。压缩机经外力压缩循环制冷工质 R410A 做工，使 R410A 从高温低压气体转为高温高压蒸汽。之后在冷凝换热器中散热冷凝，将潜热释放至高位热源蓄热水箱中为住户提供水暖。经济器接入压缩机的吸气口，提高冷凝器的换热效率，同时循环工质 R410A 经膨胀阀节流装置恢复成低温低压的液体，形成循环。无风条件下，蓄热水箱良好储热性能为热用户提供 1-2 天 28-30℃水温的稳定热量来源，实现了供暖系统在无风，有风条件下连续供暖的目的。

1    风力驱动模块

1.1   XTL-V 型螺旋式风力机

该机构为采用垂直叶片和弧形螺旋设计，使主要受力点集中于轮毂，很好的解决了叶片脱落、断裂和叶片飞出的问题；并采用水平面旋转以及叶片应用飞机机翼原理设计，使得噪音降低到在自然环境下测量不到的程度；水平旋转和弧形螺旋叶片设计原理，使得它受风压力小，可以抵抗每秒 45 米的超强台风并使得适合运行风速范围扩大到 2.5～25m/s，在最大限度利用风力资源的同时获得了更大的制热总量，提高了风电设备使用的经济性。

1.1    机械储能装置

本装置采用涡卷发条储能的方式，主要包括输入轴、变速齿轮、发条、输出轴等，风力机转动时，通过皮带将风力机动能传递至机械储能装置的输入轴，输入轴通过减速齿轮将动能储存在发条中，而发条中的能量通过弹性势能反过来作为动力从输出轴输出。有效解决了风力输出多变的问题。

1.2    可变档增速齿轮机构

可变档增速齿轮机构是传动系统的核心部分，该机构利用档位结合套将风力机低速主轴和压缩机高速转动副轴轴连接，并设有三种不同的档位。通过结合结合套拨向不同的档位齿轮，将齿轮和轴卡住，使齿轮能够随轴一起旋转，将结合套拨动相应的单位齿轮，实现档位的调节。图为自主设计的增速齿轮系统有限元模型。利用 ANSYS 软件对增速齿轮系统进行有限元分析模拟仿真得出可变档增速齿轮系统有效实现压缩机轴工的变换和转速的可调节性，达到提高供热系统运行可靠性的目的。

1    喷气增焓供暖模块

1.1    制冷工质 R410A

本模块使用的致冷工质为 R410A,R410A 是为了针对愈发恶化的环境而研发的一种环保致冷剂。无色、易挥发、不可燃。成分中含有 R32 和 R125 冷媒，沸点大约在-51℃左右，相比于单一致冷剂 R22，沸点大约在-41℃左右，且不含氯离子，也不会破坏臭氧层。致冷剂 R22 排入空气，会对臭氧层造成破坏，产生环境问题。R410A 水溶性与 R22 类似，但是致冷量有了明显提高。选用 R410A 在绿色低碳的同时，能有效提高热泵的供热效率。

1.2    喷气增焓供热系统

（1）  热泵装置

热泵装置是整体系统最为核心的部分，该装置利用蒸发器器将低温低压的 R410A 液体汽化为高温低压的气体，并向低位热源吸收热量。压缩机经外力压缩循环制冷工质 R410A 做工，使 R410A 从高温低压气体转为高温高压蒸汽。之后在冷凝器中散热冷凝，将潜热释放至高位热源蓄热水箱中为住户提供水暖。最后循环工质 R410A 经膨胀阀节流装置恢复成低温低压的液体，形成循环。

（1）  喷气增焓压缩机、经济器

喷气增焓压缩机相比于普通制冷压缩机在中间多了一个吸气口，从经济器回来的 R410A 气态制冷剂进入该吸气口到达压缩机的中间腔，从而降低中间腔的温度。喷气降低排气温度，同时降低其排气过热度，减少冷凝器的气相换热区的长度，增加两相换热面积，提高冷凝器的换热效率，当蒸发温度和冷凝温度相差越大会产生越好的效果，热泵压缩机功率 3 匹，环境温度零下 5-10℃摄氏度时制热系数为 2.5，温度零下 20℃时制热系数 1.8-2.0,制热量 5.5KW。可满足面积 50 ㎡，两个房间的供暖要求。

2    蓄热模块

本模块采用容积 200L 的蓄热水箱，可维持 30℃水温 2-3 天。通过 ANSYS 软件对蓄热水箱进行模拟仿真分析，得出最佳的受力以及受热强度。使蓄热水箱具有良好的储热性能以及抗压性能，从而为热用户提供持续稳定的热量来源。并与风力驱动模块相结合，实现了供暖系统在在无风，有风条件下连续工作的目的。

        4   电控模块

利用 DS18B20 温度传感器对温度进行采集、利用霍尔元件制作转轴转速测量传感器、利用陀螺仪感受风场流向对风场进行模拟。

1.1    上位机部分

利用VB平台设计了一款PC端上位机软件对下位系统即风暖实物进行检测主要检测有风速、热量采集以及转化比、风场效能模拟及风向流速模拟。通过对风场和热量的采集最终数据会通过 ACCESS 数据库进行上传，在后台进行记录，实现物联网工作。

1.2    单片机与传感器

采用 STM32 单片机对测量和数据发送工作进行主控。ds18b20 温度传感器可测量 0 到 100 摄氏度温度，对热泵温度输出的数据源进行检测发送至单片机中；霍尔传感器具有中断计时功能，故用来设计本次的转速测量模块，通过对垂直轴转速的测量可计算出垂直轴风机所在风场的实时风速，通过计算公式和 C 语言代码对风速数据传至单片机中；在转轴底部加入陀螺仪可判断所处风场风向。

实验验证

依据理论数据，本团队设计出一代实物模型，并于甘肃省风力机工程技术研究中心风洞实验室进行产品的性能测试。其中，尖劈与粗糙元模拟大气边界层风场的实时变化情况，操控台主控边界层风场的实时风速，温度显示器来观测供暖系统对于不同风速下的制热量情况。风速为

1.53m/s（1 级风）时风力机开始转动，操控台以每段增加 0.5m/s 进行实时控制，在 6.88m/s

（4 级风）时维持恒定。系统温度显示器起始示数为 21.5℃，经 7 分钟后上升至 23.1℃。实验最终得出以下结论：供暖系统启动风速为 1.53 米/秒（1 级风），额定风速为 12.7 米/秒（6 级风），在风速 6.88m/s（4 级风）的环境下系统热量为每分钟上升 0.23℃。达到本产品的理论设计要求。

  创新点

（1）  风力机直接驱动热泵，省去了发电环节，相比风力发电制热系统效率提高 7%以上。

（2）  喷气增焓压缩机相比普通压缩机具有更好的低温工况性能，即使在-20℃极寒条件下，也有极好的制热效果。

（3）  涡卷发条储能机构，实现了机械能的可调节，解决了风力输出多变的难题。

（4）  可变档增速齿轮机构实现压缩机轴工的变换，提高系统运行的稳定性。

（5）  风力驱动与蓄热模块相结合实现了供暖系统在无风，有风条件下的连续工作。

   项目意义：

（1）      能够结合政策方针，对缓解能源压力献出智慧，促进我国风能制热行业的发展

（2）      适用于风能资源丰富的北方分散型农村地区，改善传统燃煤，秸秆供暖方式，节能减排，绿色环保，具有较高的性价比。

（3）      适用于种植业温室大棚作物培养，对室内温度进行调节，大大增加作物产量和降低作物病害发生率，有效降低作物培养成本。

（4）      适用于畜牧养殖业，智能化控制保证牲畜的四季恒温需求，使牲畜快速健康生长，降低死亡率，提高养殖场整体的经济效益。