【儀表網 儀表研發】中國科學院工程熱物理研究所研究人員提出的“風熱機組”這一清潔能源供暖理念，具有高效、可靠、低碳、安全等優點，豐富了風能利用方式，拓展了風能利用寬度(圖1)。為了更高效、經濟地利用風熱機組，將風能最大程度上轉化為熱能，需要對風熱機組進行性能優化。系統優化體系龐大，需要綜合考慮各部件優化和整機控制策略優化內容。
為尋找各部件優化途徑，需要深究各部件能量轉化效率損失的原因。研究團隊對100kW風熱機組示范樣機分別進行了實驗研究、熱力學理論分析和模型分析。通過分析樣機運行的試驗工況、理想工況和不可避免工況，該研究獲得了風熱機組各部件不可逆損失出現的原因和需要優化的方向。
為分析風熱機組各部件的不可逆損失及原因，研究人員采用傳統?分析方法，基于各部件比?、?損失、?效率和局部?損失率等性能參數，對不同工況下風熱機組各部件進行分析(圖2)。相同風速下，不同水流量對壓縮機和冷凝器?損變化影響不同。水流量增加，冷凝器?損降低，而壓縮機?損增加。這是因為對于冷凝器而言，增大水流量，有利于提高冷凝器中水側傳熱系數，強化換熱，換熱溫差降低，換熱器的不可逆性減小。而對于壓縮機，水流量增大導致冷凝器平均水溫降低，冷凝溫度降低，壓縮機的等熵壓縮功率下降，而輸入機械能不變。壓縮機的?損隨水流量的增大而增大。
研究人員對機組額定工況下的?平衡進行分析，進而判斷風熱機組中亟需進行熱力學優化的部件(圖3)。研究表明，輸入?包括Ewind,in(進入物理域的風能?)和EQL(從低溫熱源吸收的?)；輸出?包括Ewind,out(出物理域的風能?)和EQH(輸出給冷卻水的?)；不可逆損失引起?損Ed。額定工況下風熱機組最大?損發生在風力機部分，提高風力機的風能利用系數是降低?損的最有效途徑，而熱泵子系統的?損主要來源于壓縮機，為優化熱力循環，應加強壓縮機的優化。
由于熱泵子系統最大?損來自壓縮機，為進一步優化壓縮機性能參數，需要利用高級?分析方法，分析壓縮機部件對應的內源性?損、外源性?損、可避免?損和不可避免?損(圖4、圖5)。壓縮機平均內源性?損占比95.70%，壓縮機可避免?損的平均占比為90.60%，即壓縮機的?損主要是由內部不可逆性引起的，可以通過對壓縮機進行獨立優化來降低?損，進一步優化壓縮機內部結構參數。
該項研究成果有助于進一步為風熱機組系統控制策略和各部件的優化設計指明方向，對提高風熱機組能量轉化效率具有重要意義。
相關研究成果發表在Energy上。研究工作得到中科院戰略性先導科技專項的資助。
圖1 風熱機組工質循環圖
圖2 風熱機組不同工況下各部件?損圖
圖3 額定工況風熱機組各部件?流圖
圖4 不同工況下壓縮機內源性?損變化
圖5 不同工況下壓縮機可避免?損變化
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