在距離北京2個(gè)小時(shí)車程的張家口涿鹿縣黃帝城小鎮(zhèn)，有一片自然田園，一座186米高的“大風(fēng)車”矗立于此。這座“大風(fēng)車”是全球首個(gè)兆瓦級(jí)風(fēng)熱機(jī)組樣機(jī)。

過(guò)去幾年，這里幾乎成了中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所（以下簡(jiǎn)稱工程熱物理所）風(fēng)電中心項(xiàng)目研究員鐘曉暉的第二個(gè)家。他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)研發(fā)原創(chuàng)“風(fēng)熱機(jī)組”，將圖紙變成現(xiàn)實(shí)，清潔高效地借“風(fēng)”直接送“熱”。

10余年前，風(fēng)熱技術(shù)無(wú)人問(wèn)津。如今它已成為一種可以替代燃煤鍋爐供暖并提高風(fēng)能消納能力的變革性可再生能源供熱技術(shù)。作為總設(shè)計(jì)師，鐘曉暉走了一條鮮有人走的路。

37歲從零起步

“徐老師有個(gè)新的方向，沒(méi)人做，你愿意嗎？”

“那我試試看吧?！?/span>

2014年，到工程熱物理所做博士后時(shí)，鐘曉暉37了。“徐老師”是中國(guó)科學(xué)院院士、工程熱物理所研究員徐建中。而他提出的新方向，是利用風(fēng)能解決供熱需求問(wèn)題。

那時(shí)，北京的霧霾還比較嚴(yán)重，我國(guó)風(fēng)場(chǎng)建設(shè)正如火如荼地進(jìn)行。

一直以來(lái)，風(fēng)能制熱是先把風(fēng)能轉(zhuǎn)化成電能，再用電來(lái)制熱。過(guò)程需要經(jīng)歷葉輪把風(fēng)能變成機(jī)械能、變速箱增速、發(fā)電機(jī)發(fā)電、變流、升壓并網(wǎng)、電力輸送、電驅(qū)鍋爐或熱泵等幾個(gè)環(huán)節(jié)。然而，由于新能源電力并網(wǎng)受限，電網(wǎng)穩(wěn)定性問(wèn)題，使得風(fēng)能制熱存在諸多障礙，不少研究者通過(guò)儲(chǔ)能的方式來(lái)解決風(fēng)電波動(dòng)性問(wèn)題，但是經(jīng)濟(jì)性差和系統(tǒng)效率低，很難從根本上解決。鐘曉暉最初也想選擇這條路線。

而徐建中想實(shí)現(xiàn)的是風(fēng)能直接驅(qū)動(dòng)熱泵制熱，不經(jīng)過(guò)發(fā)電環(huán)節(jié)。而這種方案，幾乎沒(méi)有人嘗試過(guò)。

“如果有兩條路線擺在面前，你要選擇更難的那一條，因?yàn)樗星巴尽！毙旖ㄖ懈嬖V鐘曉暉。

沒(méi)有團(tuán)隊(duì)、沒(méi)有經(jīng)費(fèi)，鐘曉暉在幾平米的工位上開(kāi)始苦苦探索。在此之前，鐘曉暉是大學(xué)教授，日子過(guò)得十分安逸。

探索之路孤獨(dú)，且不被看好?！帮L(fēng)熱是啥東西？沒(méi)聽(tīng)說(shuō)過(guò)”“風(fēng)電發(fā)展那么好，你這成本能不能做得下來(lái)?。俊弊哌M(jìn)傳統(tǒng)供熱企業(yè)和風(fēng)電企業(yè)尋求合作和支持時(shí)，鐘曉暉到處被“潑冷水”。

面對(duì)質(zhì)疑，鐘曉暉自我暗示，“無(wú)所謂，他也不懂”。然后堅(jiān)定轉(zhuǎn)身，投入研究重新尋找合作伙伴。那時(shí)，鐘曉暉深信這個(gè)研究的重量和意義——這能解決很多人心中的一個(gè)困惑。

為什么我國(guó)大力發(fā)展風(fēng)光等新能源，碳排放依然很多？

鐘曉暉表示，一方面，新能源裝機(jī)量不斷攀升，但由于電力并網(wǎng)和穩(wěn)定性問(wèn)題，新能源電力無(wú)法消納，2023年，蒙西地區(qū)、青海省和甘肅省棄風(fēng)率分別高達(dá)6.8%、5.8%和5%；另一方面，供熱領(lǐng)域是碳排放的“大戶”，我國(guó)仍以燃煤熱電聯(lián)供機(jī)組和天然氣鍋爐等高碳排放為主。

“探索和應(yīng)用直接利用新能源進(jìn)行供熱的技術(shù)和方案，意義重大?！辩姇詴熣f(shuō)。

越苦，幸福越大

原有仿真設(shè)計(jì)軟件不適用、試驗(yàn)驗(yàn)證困難、風(fēng)熱機(jī)組整機(jī)穩(wěn)定性控制難度加大……從基礎(chǔ)理論到關(guān)鍵技術(shù)，幾乎無(wú)方案可參考。

后來(lái)相繼有學(xué)生和年輕人加入，他們組成風(fēng)熱團(tuán)隊(duì)，鐘曉暉帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)從整機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、關(guān)鍵部件研制、熱力學(xué)循環(huán)優(yōu)化、能量傳遞規(guī)律、系統(tǒng)智能調(diào)控與多能源系統(tǒng)耦合等不同角度開(kāi)展研究和布局，開(kāi)發(fā)了風(fēng)熱機(jī)組仿真平臺(tái)，揭示了創(chuàng)新風(fēng)能系統(tǒng)多場(chǎng)耦合性能演化機(jī)理與控制機(jī)制。

“風(fēng)熱機(jī)組的控制是非常關(guān)鍵的，要根據(jù)風(fēng)輪特性與壓縮機(jī)特性進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)控，如果控制策略跟不上風(fēng)速變化，風(fēng)熱機(jī)組就有飛車的危險(xiǎn)?！辩姇詴煾嬖V《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，做應(yīng)用研究，從一開(kāi)始就要考慮工程化的問(wèn)題，“最開(kāi)始幾年會(huì)做噩夢(mèng)，夢(mèng)到風(fēng)熱機(jī)組倒塔了?！?/span>

做基礎(chǔ)理論探索的4年里，他們?cè)趯?shí)驗(yàn)室苦苦探索，完成了小試實(shí)驗(yàn)裝置和風(fēng)熱機(jī)組仿真。這次，鐘曉暉帶著樣機(jī)到行業(yè)里作報(bào)告，質(zhì)疑聲變成了期待的目光。

當(dāng)年12月，中國(guó)科學(xué)院Ａ類戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)課題“風(fēng)熱機(jī)組關(guān)鍵技術(shù)研究及示范”立項(xiàng)，鐘曉暉拿到了第一筆重要的經(jīng)費(fèi)支持。2019年初，鐘曉暉帶著研究走進(jìn)黃帝城小鎮(zhèn)，開(kāi)展100千瓦風(fēng)熱機(jī)組樣機(jī)研制與示范。

他在距離示范地一公里租了一套公寓，作為他和三個(gè)學(xué)生的臨時(shí)住所。從基建、協(xié)調(diào)設(shè)備，到布置管道、擰螺絲……鐘曉暉事無(wú)巨細(xì)地操持著現(xiàn)場(chǎng)的每一項(xiàng)工作。

2020年1月9日，一個(gè)冬日的午后，陽(yáng)光正暖。鐘曉暉徒手攀爬上30米塔筒，為制冷劑管道做保溫措施。從塔上下來(lái)，抬頭便看到陽(yáng)光直射在塔筒上。他拿出手機(jī)，定格下這一瞬間，在朋友圈里寫(xiě)下“金光閃閃”四個(gè)字。仿佛卸下了千斤重?fù)?dān)，疲憊的身體也隨之變得輕盈了。

至此，吊裝完成。經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)試，4月，正式開(kāi)始運(yùn)行。實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)表明，這臺(tái)100千瓦的風(fēng)熱機(jī)組可以為4000平方米建筑提供冷熱源，實(shí)現(xiàn)了100%可再生能源供暖。

有了小機(jī)組的經(jīng)驗(yàn)，鐘曉暉帶著團(tuán)隊(duì)立即開(kāi)始攻關(guān)2兆瓦風(fēng)熱機(jī)組的關(guān)鍵技術(shù)并進(jìn)行工程示范，2023年7月，項(xiàng)目驗(yàn)收現(xiàn)場(chǎng)，實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)風(fēng)速7.8m/s時(shí)，機(jī)組制熱量達(dá)到額定值4437千瓦，機(jī)組制冷量達(dá)到額定值3200千瓦。

鐘曉暉用“痛苦”形容這些年的經(jīng)歷，除了科研，他還做了很不多不擅長(zhǎng)的事情：包括征地、跑手續(xù)、與村民談判、修設(shè)備……他至今還記得與學(xué)生踩著雪去現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試的場(chǎng)景，大家埋頭苦干，冰天雪地間，只剩下機(jī)器的運(yùn)轉(zhuǎn)聲與腳下踏雪的咯吱聲。

問(wèn)題幾乎每天都有，他告訴自己，也告訴團(tuán)隊(duì)，“辦法總比困難多”。

如今，兩臺(tái)風(fēng)熱機(jī)組都在平穩(wěn)運(yùn)行著?？吹揭淮笠恍膳_(tái)機(jī)組同時(shí)運(yùn)行的畫(huà)面，鐘曉暉會(huì)拍個(gè)短視頻記錄，成就感油然而生，“之前有多苦，后來(lái)就有幸福?！蓖@個(gè)時(shí)候，也是高水平成果誕生的時(shí)候。

產(chǎn)業(yè)進(jìn)行時(shí)

“我國(guó)降碳形勢(shì)日益嚴(yán)峻，傳統(tǒng)供熱行業(yè)亟需轉(zhuǎn)型。清潔能源供暖是減少化石能源消耗、改善大氣環(huán)境的關(guān)鍵舉措。與傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電制熱相比，風(fēng)熱技術(shù)避免了對(duì)電網(wǎng)的沖擊，降低了系統(tǒng)造價(jià)，大幅提升了風(fēng)能利用效率。它被越來(lái)越多人看到?！辩姇詴熣f(shuō)。

鐘曉暉表示，根據(jù)風(fēng)熱機(jī)組的性能特點(diǎn)和市場(chǎng)分析，風(fēng)熱機(jī)組在城鎮(zhèn)建筑清潔供暖領(lǐng)域、油氣領(lǐng)域低溫加熱和農(nóng)業(yè)農(nóng)村領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。近年來(lái)，一些地方政府、企業(yè)對(duì)引入風(fēng)熱技術(shù)表現(xiàn)出濃厚興趣。

目前風(fēng)熱機(jī)組已在多地多場(chǎng)景落地，比如，哈爾濱龍江光谷產(chǎn)業(yè)園區(qū)的“基于2兆瓦風(fēng)能熱電聯(lián)供機(jī)組新型風(fēng)光儲(chǔ)綜合能源系統(tǒng)示范”已開(kāi)工建設(shè)，吉林省乾安泥林“基于風(fēng)熱機(jī)組綜合能源微電網(wǎng)示范項(xiàng)目”等項(xiàng)目已開(kāi)展方案設(shè)計(jì)。

“我國(guó)已進(jìn)入風(fēng)力發(fā)電與風(fēng)能制熱多元發(fā)展時(shí)代?！辩姇詴煂?duì)未來(lái)充滿期待，他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開(kāi)始產(chǎn)業(yè)化推廣，進(jìn)一步攻克3兆瓦、6兆瓦以及更大規(guī)模機(jī)組的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、關(guān)鍵技術(shù)和工程示范問(wèn)題。

多年來(lái)，疲憊感雖常有，但鐘曉暉找到了放松方式，“累了就去打羽毛球，讓身體疲憊對(duì)沖精神疲憊”。

駛過(guò)鄉(xiāng)間道路，巨大的白色風(fēng)車在樹(shù)影間若隱若現(xiàn)。鐘曉暉感慨，科技與自然在此和諧共生，在實(shí)現(xiàn)降碳減排的道路上，風(fēng)熱技術(shù)守護(hù)著千家萬(wàn)戶的四季冷暖。