為尋找各部件優(yōu)化途徑，需要深究各部件能量轉(zhuǎn)化效率損失的原因。研究團隊對100kW風(fēng)熱機組示范樣機分別進行了實驗研究、熱力學(xué)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(fēng)熱機組各部件不可逆損失出現(xiàn)的原因和需要優(yōu)化的方向。
 

　　為分析風(fēng)熱機組各部件的不可逆損失及原因，研究人員采用傳統(tǒng)?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(shù)，對不同工況下風(fēng)熱機組各部件進行分析(圖2)。相同風(fēng)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(cè)傳熱系數(shù)，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(dǎo)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(fēng)熱機組中亟需進行熱力學(xué)優(yōu)化的部件(圖3)。研究表明，輸入?包括Ewind,in(進入物理域的風(fēng)能?)和EQL(從低溫熱源吸收的?)；輸出?包括Ewind,out(出物理域的風(fēng)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(fēng)熱機組最大?損發(fā)生在風(fēng)力機部分，提高風(fēng)力機的風(fēng)能利用系數(shù)是降低?損的最有效途徑，而熱泵子系統(tǒng)的?損主要來源于壓縮機，為優(yōu)化熱力循環(huán)，應(yīng)加強壓縮機的優(yōu)化。
 

　　由于熱泵子系統(tǒng)最大?損來自壓縮機，為進一步優(yōu)化壓縮機性能參數(shù)，需要利用高級?分析方法，分析壓縮機部件對應(yīng)的內(nèi)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(nèi)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(nèi)部不可逆性引起的，可以通過對壓縮機進行獨立優(yōu)化來降低?損，進一步優(yōu)化壓縮機內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)。
 

　　該項研究成果有助于進一步為風(fēng)熱機組系統(tǒng)控制策略和各部件的優(yōu)化設(shè)計指明方向，對提高風(fēng)熱機組能量轉(zhuǎn)化效率具有重要意義。
 

　　相關(guān)研究成果發(fā)表在Energy上。研究工作得到中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項的資助。
 

圖1 風(fēng)熱機組工質(zhì)循環(huán)圖
 

圖2 風(fēng)熱機組不同工況下各部件?損圖
 

圖3 額定工況風(fēng)熱機組各部件?流圖
 

圖4 不同工況下壓縮機內(nèi)源性?損變化
 

圖5 不同工況下壓縮機可避免?損變化