工程热物理所在风热机组部件性能优化方面取得进展

　　研究所国家能源风电叶片研发（实验）中心提出的“风热机组”这一变革性清洁能源供暖理念，兼具高效可靠低碳安全等优点，丰富了风能利用方式，拓展了风能利用宽度。风热机组系统循环图见图1。为了更高效、更经济地利用风热机组，将风能最大程度上转化为热能，需要对风热机组进行性能优化。系统优化体系庞大，需要综合考虑各部件优化和整机控制策略优化内容。

　　为寻找各部件优化途径，需要深究各部件能量转化效率损失的原因。研究团队对100kW风热机组示范样机分别进行了实验研究、热力学理论分析和模型分析。通过分析样机运行的试验工况、理想工况和不可避免工况，获得了风热机组各部件不可逆损失出现的原因和需要优化的方向。

　　为分析风热机组各部件的不可逆损失及原因，研究人员采用传统㶲分析方法，基于各部件比㶲、㶲损失、㶲效率和局部㶲损失率等性能参数，对不同工况下风热机组各部件进行分析，结果如图2所示。相同风速下，不同水流量对压缩机和冷凝器㶲损变化影响不同。水流量增加，冷凝器㶲损降低，而压缩机㶲损增加。这是因为对于冷凝器而言，增大水流量，有利于提高冷凝器中水侧传热系数，强化换热，换热温差降低，换热器的不可逆性减小。而对于压缩机，水流量增大导致冷凝器平均水温降低，冷凝温度降低，压缩机的等熵压缩功率下降，而输入机械能不变。压缩机的㶲损随水流量的增大而增大。

　　对机组额定工况下的㶲平衡进行分析，进而判断风热机组中亟需进行热力学优化的部件，分析结果如图3所示。图中输入㶲包括Ewind,in（进入物理域的风能㶲）和EQL（从低温热源吸收的㶲）；输出㶲包括Ewind,out（出物理域的风能㶲）和EQH（输出给冷却水的㶲）；不可逆损失引起㶲损Ed。额定工况下风热机组最大㶲损发生在风力机部分，提高风力机的风能利用系数是降低㶲损的最有效途径。而热泵子系统的㶲损主要来源于压缩机，为优化热力循环，应加强压缩机的优化。

　　由于热泵子系统最大㶲损来自压缩机，为进一步优化压缩机性能参数，需要利用高级㶲分析方法，分析压缩机部件对应的内源性㶲损、外源性㶲损、可避免㶲损和不可避免㶲损，结果如图4、图5所示。压缩机平均内源性㶲损占比95.70%，压缩机可避免㶲损的平均占比为90.60%，即压缩机的㶲损主要是由内部不可逆性引起的，可以通过对压缩机进行独立优化来降低㶲损进一步优化压缩机内部结构参数。

　　该项研究成果有助于进一步为风热机组系统控制策略和各部件的优化设计指明方向，对提高风热机组能量转化效率具有重要意义。相关研究成果发表在《Energy》期刊上，并得到了中科院先导专项（No. XD A21050600）资助。
  

图1 风热机组工质循环图 


图2 风热机组不同工况下各部件㶲损图


 图3 额定工况风热机组各部件㶲流图 


 图4 不同工况下压缩机内源性㶲损变化


　　图5 不同工况下压缩机可避免㶲损变化