【基金标书】2010CB227300-多能源互补的分布式冷热电联供系统基础研究

项目名称： 多能源互补的分布式冷热电联供系统基础研究 首席科学家： 金红光 中国科学院工程热物理研究所 起止年限： 2010 年 1 月 8 月 依托部门： 中国科学院 一、研究内容 面向工业、建筑等高能耗行业 节能减排 的 重大需求，针对 现有 分布式 供 能系统 所面临的 燃烧 过程不可逆损失巨大 ，微小 型 动力循环 叶尖泄漏损失大 ， 缺少动力变温余热的利用技术 ， 以及系统变工况下供能装置大幅度偏离额定工 况 引起的系统 效率 低等 技术难题， 本项目的 两个 关键科学问题 是 ： （ 1）燃料化学能与热能 综合梯级利用 原理 基于能的 品位高低 ， 逐级、有序 地 转化和释放 燃料化学能 ，进行燃烧 以及 热能梯级利用； 对 各个能量转化和利用过程 进行 品位 关联 ；耦合燃烧前热化学反应与燃烧后热力循环， 能量品位“无缝”接续地转化，综合梯级利用的原理 。 具 体阐明高品位燃料化学能释放的品位有序化机理 ， 高 、 中品位热能的热动与热声转换机理 ， 低品位热驱动制冷循环机理；阐明燃 料化学能 释放，冷热电联供系统的热力过程以及循环之间的品位关联规律与能量耦合机制。 （ 2）多 能源互补 机理与全工况性能调控 机制 可再生能 源、环境能源与化石能源有机结合，减少单一高品位化石能源转化不可逆损失的 多能源品位互补机理；多能源输入、冷热电输出的系统动态关联规律，系统全工况性能的主动调控机制。 主要在于阐明可再生能源、环境能源与燃料化学能释放、热能转换的品位互补机理 ， 多能源输入与系统冷热电动态输出特性的关联机理 ； 阐明蓄能与燃料热功转换的 相互 作用规律，系统全工况性能的 “ 品位互补，全时调控 ” 机制。 围绕上述科学问题，计划以下研究内容 ： 围绕 第一个关键科学问题“ 燃料化学能 与热能综合梯级利用原 理 ” ， 本项目 从 高品位 的燃料化学能 释放，以及 热转功 过程 的梯级利用，到中低温动力余热的 热声发电、吸收式制冷的 梯级利用 开展研究 。 主要内容有 ： 1） 燃料化学能释放机理 ： 燃烧前热化学反应与燃烧后热力循环的品位关联规律； 燃料化学能释放的品位有序化机理 ； 燃料化学能作功能力逐级、定向转化方法。 2） 微小型 动力的 热 功转换 机理 与方法 ： 微小型 燃气 轮机 流动 规律与热力循环 ； 对转冲压发动机 原理 与动力机械新方法 ； 大振幅行波热声 转换物理机 制与损失机理 ； 中温变温热源驱动 的 热声 发动机 热 功转换方法 。 3） 动力余热驱 动的正逆循环 耦合机理 ： 动力余热驱动正逆循环的功冷并供转换规律； 吸收式分级制冷循环耦合和冷量品位提升机理 。 4） 燃料化学能与热能的综合梯级利用的机理与方 法 ： 燃料化学能释放、热动与热声转换、余热驱动制冷（热泵）循环 耦合 的品位关联规律 ； 燃料化学能与热能的梯级利用方法 。 围绕第 二 个 关键科学问题“ 多能源互补机理与全工况性能调控机制 ” ， 主要内容有： 5） 多能源品位互补机理 ： 可再生 能源、环境 能源与燃料化学能释放、热能转换的品位互补机制 ； 多热源互补的吸收式热泵循环 新方法 。 6） 多能源互补的冷热电联供的动态规律 ： 太阳能 动态变化 与燃料化 学能释放的作用机制 ； 多能源互补与热驱动吸收式循环动态特性 ； 多能源输入、冷热电输出的系统动态关联规律 。 7） 系统全工况性能的主动调控机制 ： 蓄能 介质 、 蓄能 /释能 机理与方法 ； 分布式供能系统变工况特性、冷热电联供目标下的主动蓄能与 燃料热功转换的作用规律 ； 系统全工况性能的主动调控方法 。 二、预期目标 总体目标 应 对我国节能 减排重大需求 ，为 开拓新一代分布式供能技术 的 新理论与新方法，本项目的总体目标为： 构建 能的品位与循环耦合 理论 框架 ， 丰富和发展老一辈科学家吴仲华先生总能系统理论 ， 保持 我国在这一领域处于国际先进水平；建立微小型燃气轮机 、 热声热机、 余热制冷与热泵、蓄能等 关键过程的理论设计方法； 凝聚和培养高水平科研队伍，建立创新研究 基地 ，提高国家分布式供能技术持久发展的自主研发能力。 五年预期目标 理论 创新方面 ， 建立燃料化学能有序释放的基本原理，揭示燃料化 学能释放与 燃烧后热力过程及循环的能量耦合规律，提出 化石能 源 与可再生能源互补的全工况系统性能调控方法， 构建 能的品位与循环耦合理论框架 ， 突破传统热力循环仅考虑热能利用的局限性，在燃料化学能、热能综合梯级利用的系统节能理论方面取得重要进展，形成国际 一流的理论研究成果。 技术 突破方面，提出 燃料与中低温太阳能 的 品位互补方法 ，实现系统源头节能；研究新型对转冲压发动机原理，促进微小型动力技术革新；提出变温动力余热驱动热声发 电 新方法 ； 建立 多热源互补的吸收式正逆耦合循环与热泵循环 新方法 ； 提出 功能热流体等蓄能新介质及其蓄能 /释能新工艺；建立分布式供能的自主创新技术支撑。 示范验证 方面， 基于 本项目 建立 的 能的综合梯级利用理论 ， 面向 工业和建筑节能 ， 提出 多能源互补与全工况集成的新一代分布式供能系统 ， 通过太阳能与天然气互补的冷热电联供系统 示范验证 。 此外， 在项目的执行期间，发表 200 篇 以上 学术 论文 ， 其中国际期刊 100篇以上， 申请 20 项以上国家 发明 专利 ， 出版 3 部以上 学术著作 ， 培养 若干 名相关领域的 学术带头人 、研究生 150 名 ， 建立多能源互补 的 分布 式供能系统 研究 基地 ， 举办 国际会议 。 项目主要成果申报国家级科技奖励。 三、研究方案 总体 学术思路 围绕科学问题和项目目标，从项目层面和课题层面基于学科交叉和领域渗透，本项目以能的梯级利用理论为主线，从能的梯级利用和系统全工况两个方面开展研究。 长期以来，燃料化学能的传统利用方式是在燃烧后构建热力循环，主要基于卡诺定理，试图不断提高循环初参数，提高循环效率。但事实上，燃烧前的化学能释放存在巨大的 作功 能力损失，是开拓新一代供能系统的最大潜力所在。然而，卡诺定理只适用于燃烧后的热能利用范畴，对于化学能的转化与释 放则不再适用。本项目突破卡诺定理的局限性，发掘燃料化学能 作功 潜力，从本质上认识燃料化学能转化与释放规律，借助燃料转化反应的 由能变化，关联燃料化学能与燃烧热能的品位，探索燃烧前后能的品位相互之间的基本作用规律，揭示燃料化学能 作功 能力逐级、定向转化机制，开拓燃料化学能“有序转化，梯级释放”的根本途径；进一步，以品位“无缝”接续转化的思路，构建燃烧前热化学反应与燃烧后热力循环之间，以及热力过程之间的能量耦合关系；实现燃料化学能与热能综合梯级利用。 传统供能系统一般只考虑单一化石燃料的冷热电转换。即使采 用可再生能源，也仅仅将其作为系统用能的数量补充。太阳能热利用是可再生能源应用于分布式供能的重要形式。传统的单一太阳能集热温度越高，集热效率越低，与追求升高初温，提高效率的热力循环相矛盾，导致太阳能热发电效率难以提高。本项目突破单一太阳热能热功转换局限于卡诺循环的传统思路，探索中低温太阳能与化石燃料品位互补的能量释放新方法，研究燃料转化反应、热功和热冷转换等热力循环、热力过程与可再生能源之间的品位互补的理论与方法。以中低温太阳热能驱动燃料转化的吸热反应，产生高品位的太阳能燃料，可以显著提升中低温太阳热能的品位 ，大幅度提高太阳能与化石能源的互补利用水平。 只考虑用户需求，供能系统完全跟随用户需求变化，或者通过负荷“消峰填谷”蓄能的被动调控传统思路，忽视了供能侧调节系统全工况性能的主体作用，无法有效解决系统变工况效率下降的问题。本项目结合多能源输入的动态特性和用户冷热电逐时负荷的动态特性，发掘供能侧对变工况的调节潜力，采用可再生能源与化石能源热化学互补的“源头蓄能”，以及功能热流体、溶液蓄能、化学蓄能等多元蓄能的新方法，协调主动蓄能与燃料热功转换的作用，以及能源、供能系统和用户之间的动态匹配，开拓多能源互补、主动调 控的新途径，以提高供能系统全工况效率。 总体技术途径 以 能的综合梯级利用理论为 项目研究的主线 ， 指导整个项目研究。结合研究领域的相关性和交叉性，按照能源梯级利用的层次性，即高品位燃料和热力循环、中低温余热转换利用，及其整体系统 集成 ，将项目分为 ： 1） 燃料转换与微小型燃气轮机 ， 2） 先进动力余热利用与蓄能 ，以及 3）多能源互补的 分布式供能系统创新 三个研究方向 。 本项目力图寻求研究方法的创新。例如：将旋转作功和气体动能作功相结合，形成与只考虑旋转作功的传统微小型动力机械完全不同的新概念，研究对转冲压发动机；探索中温动力 余热驱动，无机械运动部件的热声发电新途径；不同于传统固定、间歇的蓄能 /释能，研究功能热流体的流动、连续蓄能 /释能新方法；改变传统仅考虑用户需求的被动调控，研究冷热电联供目标下的主动蓄能构成机制与全工况性能强化机理。 考虑认知规律的深入发展，以及过程研究与整体系统研究的层次提高，由分布式供能系统理论方面的 理论突破与发展、 分布式供能技术的 关键过程机理验证、 以及分布式供能 系统集成创新 ， 构成逐步推进的 三个 研究层面 。最终形成 两个项目出口 建 立 多能源互补的 能的综合梯级利用理论 、提供关键过程的自主创新技术支撑。 围绕两 个科学问题 及其研究内容 ，本项目的具体技术 路线 如下： （ 1） 燃料化学能与热能综合梯级利用原理 燃料化学能释放与能的综合梯级利用 ： 从理论层面建立燃料化学能与热能的综合梯级利用原理；在方法上研究能的品位互补分析法，为能的综合梯级利用的分布式冷热电联供系统基层提供方法论。为了验证原理的适用性，拟研制 10代液体燃料甲醇 /二甲醚）裂解或重整燃料转化实验台，集热温度区间 200 300 ，采用研制的新型一体化吸收 /反应器，燃料转化率与太阳能热化学效率设计分别达到 80和 50。获得太阳能聚光比 、辐照强度、反应动力学的实验特征方程，分析太阳能集热温度、集热效率、反应进度、化石燃料转化程度等关键因素对太阳能品位提升的影响规律，对比太阳能采集与热化学反应之间不同耦合方式的品位提升特点，验证并阐明燃料化学能有序释放的机理。实现燃烧过程不可逆损失减少 20 30，燃料节省 10 15，实现燃料源头节能。 微小型燃气轮机内的流动机理 ： 本课题拟应用计算流体力学与计算传热学理论方法，研究叶顶间隙流场的复杂涡系与波系结构，揭示叶顶间隙的泄漏机理，提出新的抑制叶顶间隙泄漏的密封方法；同时研究可调导叶的尾涡结构与 叶轮内的分离涡结构之间的相互干涉机制，通过改变导叶形状、数目和角度，实现对流场的有效调控。 高马赫数叶轮机械流动 图谱的获取。 由于受到测量手段的限制，动叶内部流场细节主要依靠数值模拟的方法获得。目前旋转叶轮机械内部流动的速度一般处于跨音范围，进行数值模拟所需要的若干经验性修正系数是否适用于马赫数 流动条件，还需要进行细致的对比考察。在这方面，拟通过对大量试验结果的分析，对这些经验性参数进行适当的修正。 通过分析对转冲压发动机的复杂激波波系流场，寻找高马赫数下对转冲压叶轮的流动组织模式，提出对转冲压压气机和对 转涡轮的设计方法。 中温变温热源驱动 的 热声动力转换机理 ： 传统分布式冷热电联供技术存在不能有效利用 300区动力余热的缺陷，本课题采用热声发电方式来高效地利用这一温区的动力余热，可以使分布式供能系统的效率得到进一步提高。 对于适合分布式供能功率范围的大振幅回热器、热声换热器的非线性传热和能量输运规律，本课题拟首先从声学的途径反演线性区域的工作规律，然后采用大功率的压力波发生器驱动进行非线性区试验，结合计算流体动力学的途径揭示其非线性工作特性。对于大功率热声发动机的研究，非均匀流场、温度场的分布将导致大尺度回热器、热缓冲管内的热声声流和不稳定现象，本课题拟基于相似准则理论，从计算流体动力学的手段研究相关的效应和工作机制。如何高效利用变温热源的热声流程是当前热声研究的新问题，我们将 以加热 器 /回热器 耦合 一体化 构造 热声转换单元，结合 实现 高效行波声场的研究思路，建立变温热源驱动的新型热声发动机 ，实验上通过调节变温热源及发电机电负载的手段开展其变工况运行规律和工作特性的研究。同时，将建立整机系统的数值模拟及优化程序，形成计算软件包。 正逆循环间以及逆循环间的能量耦合机理 :围绕分布式冷热电联供系统中低品位动力排烟余热 大温降利用以及多能源互补的问题，从解决热力学基础问题着手开展研究。首先将动力排烟 的 中温变温 余热 热源 视为不同温度的多热源系统 ；基于 氨水 混合 物、溴化锂溶液 的 基础热力学物性模拟和吸收式 循环构 型 图谱，研究正逆耦合循环 形成机制 和 中温变温热源驱动 的 吸收式 循环的构建机制；其次，基于 工质的 由能和可用能，分析工质 热物 性对循环耦合特性的作用机制 ， 研究功冷并供循环、多热源驱动吸收式分级制冷（热泵）循环的能量特性。为了验证理论成果，设计并建立 动力输出为 20制冷量为 10 氨水 功冷并供实验系统和 制冷量为 10 多热源驱动 的溴化锂 吸收式分级制冷（热泵）循环实验系统，进行机理验证实验研究。在原理研究的基础上，提出动力余热与中低温太阳能、地表热能互补的热泵原型机的设计方法 以及 正逆耦合循环 功冷并供系统设计方法 。 （ 2） 多能源互补机理与全工况性能调控机制 蓄能 /释能机理与分布式供能系统变工况性能的作用机制： 采 用以整体代局部，着重考虑分布式供能系统在供能、蓄能 /释能、用能三者之间的相互影响，通过理论分析和实验研究相结合的方法开展工作，并在试验系统上集成测试，同时完善其运行调节性能的技术路线，以达到预期研究目标。即根据反问题 的研究思路和热力学分析方法，确定适应于分布式供能系统全工况特性的蓄能 /释能过程，开展相应蓄能 /释能介质的热物性研究；在此基础上，确定合适的蓄能 /释能系统，搭建实验装置，研究 蓄能 /释能系统的流动特性和热传输特性的物理机制 、蓄能 /释能过程动态特性及其与分布式 供能 系统全工况性能的作用机制 ，最终 建立蓄能 /释能装置的理论设计方法 ；以上述研究为基础，研制适宜于分布式供能系统的主动蓄能 50学 蓄能 /释能 装置 样机，并进行实验验证。 分布式供能单元特性之间的关联及其与系统特性的作用机制： 首先， 根据品位分析方法，分析燃 料化学能释放、热功转换、余热制冷等过程能量的品位特征，及其与可再生能源、环境能源的互补机制，建立过程匹配、循环耦合的集成方法，以实现多能源输入、多产品输出的品位互补 ，通过百 实验系统进行机理和方法验证 。其次，在单元过程变工况特性和用户冷热电负荷动态特性基础上，分析变工况条件下系统性能下降的本质原因和特性规律，采用主动蓄能方法，以实现系统全工况调控 ， 建立 50力、 100力余热制冷 和 400冰的冷热电联供系统实验平台， 开展实验验证 。进而，提出多能源互补和全工况高效调控的新一代分布式供能系统。 建立分布式供能系统研究基地，开展核心技术匹配和主动蓄能全工况性能实验，系统性验证能源综合梯级利用理论和系统集成方法，指导多能源互补的分布式供能系统工程示范 ，节能率达到 30 。 创新 点 ： 能源梯级利用理论创新 拓展传统热力循环理论框架， 突破仅仅考虑燃料燃烧后热能利用的传统学术思路 ， 在 国内外首次揭示燃料化学能 释放的品位有序化 机理 ，燃料化学能与热能综合 梯级利用 原理 ， 燃料化学能与可再生能源、环境能源的品 位互补机理，创 建 能的 综合梯级利用理论 。 分布式供能 技术 方法 与 系统 的 创新 提出化石燃料与中低温太阳热能品位互补方法，建立 新型 槽式太阳能燃料转换一体化吸收 /反应器；发明适合分布式供能的新型发动机，提出对转冲压发动机的理论和设计方法，有望形成动力机械的一次革新；阐明变温余热驱动的热声动力转换方法，建立国际上首套利用中温动力余热驱动的热声发电装置；提出基于能源综合梯级利用和全工况系统集成方法的新一代分布式供能系统。 可行性分析 ： 应对我国能源战略发展与开拓新一代 分布式供能 技术的重大需求 ， 本项目依托相关 国家研究项目基础 ， 汇集 国内优势科研院所及高等院校的研究骨干， 制订了新颖的学术创新思路、总体工作方案以及切实可行的技术 路线 和 明确 的研究目标， 拥有完成 项目研究 所需的先进实验设施 ， 具备了在理论研究和技术基础研究方面取得重大突破的条件。 （ 1）学术思路 新 颖 学术思路新颖性是实现本项目目标 建立多能源互补的能源综合梯级利用的必要条件。本项目在项目层面以燃料化学能的研究、动力余热热声发电的研究和吸收式分级制冷（热）的新循环等研究 ，以及 多能源互补和主动蓄能 的研究， 体现 了 学科领域拓展 和 学术方法创新，从而形成了攻克项目难题的研究方案保障。 （ 2）项目目标明确、研究方案合理 在本项目申请提出前期，本着 “ 有限目标、突出重点、重在创 新、慎密计划 ” 的原则，在 “ 一个项目主线、三个研究方向、三个研究层面和两个项目出口 ” 的总体 技术途径的 指导下，考虑了科学问题的前沿性、关键过程设置的合理性、以及研究技术路线的策略性等因素，本项目组全体研究骨干充分讨论和交流，形成了对项目的关键科学问题的理解和解决途径的统一认识，为实现项目总体目标，制定了完整、合理的项目方案。 （ 3）项目前期研究基础坚实 近年来 ，本项目参加单位曾负责承担或参与了多项国家攀登 B 计划、国家 863、国家 973、国防 973 等重大项目、以及国家自然科学基金委的各类研究项目，在项目相关领 域开展了大量的前期研究，为本项目的实施建立了坚实的前期研究基础。 （ 4）优势的研究队伍和先进的科研条件 本项目的研究队伍集中了国内相关领域的优势研究单位，以国内的学术领域带头人领军及作为项目研究骨干，是一支富有创新能力和团队精神的研究团队。其中包括 3 位科学院院士，以及 3位杰出青年基金获得者；他们都曾领导或参与了多个国家重大研究项目。近年来，项目组成员之间通过多个项目合作，建立了密切联系，形成了跨领域学科交融、优势互补的研究团队。本项目参加单位拥有一批完成 本项目 研究所需的先进测试仪器、实验装置、研究设施 与科研条件， 为 项目 顺利 实施 提供 可靠保障。 课题设置 ： 围绕 科学问题一“燃料化学能与热能综合梯级利用原理”的研究内容，本项目设置 课题 1 “燃料 化学能释 放与能的综合梯级利用 ”、 课题 2 “微小型燃气轮机热力循环 ”、 课题 3 “动力余热驱动 的热声 发电 ”和课题 4 “动力余热驱动的循环耦合和功冷并供 ”。 围绕 科学问题二“多能源互补机理与全工况性能调控机制”的研究内容，本项目设置 课题 5 “蓄能 /释能过程与主动蓄能 ”和课题 6 “多能源互补的全工况系统集成 ”。同时，课题 1 和课题 4 也涉及科学问题二的研究。 课题 1 瞄准能的综合梯 级利用理论及其在分布式系统集成方面的拓展， 发挥对整个 项目 的 引领作用 。 课题 2 的研究解决分布式动力的核心问题；课题 3 探索中温动力余热的新途径；课题 4 研究动力余热大温降的循环耦合机理与功冷并供； 课题 2、 3、 4 旨在解决分布式供能中的热能梯级利用问题 。 课题 5“蓄能 /释能过程与主动蓄能”和课题 6“多能源互补的全工况系统集成”主要从系统层面研究全工况性能调控和示范验证。 各课题针对项目预期目标开展研究工作。课题 1、课题 4、课题 5 拟在 能的品位与循环耦合 的 理论 方面寻求创新； 技术 突破方面， 课题 2 针对 新型对转冲压发动机原理 ，课题 3 将提出 变温动力余热驱动热声发电 新方法 ，课题 4 将建立 多热源互补的吸收式正逆耦合循环与热泵循环 新方法 ，课题 5 拟提出 功能热流体等蓄能新介质及其蓄能 /释能新工艺 ；此外，课题 1、课题 4、课题 5、课题 6 的研究成果将为太阳能与天然气互补的冷热电联供系统 示范验证 提供支撑。 （ 1） 课题名称、主要研究内容和目标 课题 1、燃料化学能释放与能的综合梯级利用 研究内容： 1)燃料化学能有序释放机理 。包括 探索燃料化学能作功能力的物理本质 与 燃料转换反应 由能 基本 特性； 分析燃料化学能、 由能和热能的品位关联与 变化规律；研究燃料化学反应 由能的有序释放，揭示燃料化学能释放与能的综合梯级利用原理。 2） 化石燃料与可再生能源的品位互补机理 。包括 探索和建立燃料化学能、太阳能和热能的品位表征与分析方法；研究太阳能燃料转化中品位变化的物理本质，揭示燃料化学能释放品位降低和中低温太阳能品位提升的互补机理。 3） 化石燃料与太阳能的品位互补方法 。包括： 探索燃料化学能、反应作功能力、热能三种能的基本品位之间相互作用机制，即 “ 燃烧前热化学反应 ” 与 “ 燃烧后热力循环 ” 耦合机制； 提 出燃料化学能作功能力逐级、定向转化（间接燃烧、太阳能 燃 料 转换等）方法。 预期目标： 1） 建立燃料化学能有序释放的基本原理，揭示燃料化 学能释放 与 循环的品位耦合规律； 2）提出 中低温太阳 能 燃料热化学 方法， 开拓有序转化、多能源互补的新途径 ； 3） 建立 新型 抛物槽式太阳能燃料转换 一体化 实验 平台 ，完成 燃料化学能 有序 释放 的 机理 验证，达到燃烧过程不可逆损失减少 20 30的目标，燃料节省 10 15，实现燃料源头节能。 课题 2、微小型燃气轮机热力循环 研究内容： 1） 微小燃机的研究 。包括： 顶部间隙的复杂涡系与波系之间的耦合关系 ；微小型径向压气机及径向透平的变工况性能及特 性规律 ； 微小型燃气轮机内的流动损失机理。 2） 高马赫数叶轮机械流动机理研究 。包括：对转压气机 /对转 涡轮内部复杂流动 ； 叶片表面边界层转捩模型 ； 强激波与叶片表面边界层的相互作用 。3） 对转冲压 发动机 的设计、分析、优化与实验验证 。包括： 高、低压压气机的性能匹配 ； 旋转冲压叶轮的优化设计方法 ； 对转冲压压气机边界层控制方法 ； 对转涡轮叶片高效冷却方法 。 预期目标： 1） 揭示微小型燃气轮机顶部间隙泄漏的流动损失机理，提出有效的抑制间隙泄漏的方法 ， 微小型燃气轮机发电效率不低于 29； 2） 建立对转冲压 发动机的 理论和 设计 体系，研究 对 转冲压发动机内部复杂激波波系的流动图谱，阐明对转冲压发动机的三维激波波系的影响因素及组织方法 ； 3）构建对 转冲压发动机实验 平台，实现 对转冲压压气机 的实验 验证 。 课题 3、动力余热驱动的热声发电 研究内容： 1) 大振幅行波 热声 转换过程中的非线性效应。包括：行波热声发动机自激振荡物理机制、演化过程及其数理模型 ;大振幅条件下 流产生的物理 机制及其对热声热机性能的影响 规律，提出降低热声声流损失的 技术途径 ; 大尺度谐振管管中的非线性声波传播规律、损失机理及低耗散谐振方法。2)交变流动 回热 器 及热声换热器的工作机制及数理模型。包括：大振幅回热器的非线性效应及数理模型；热声换热器的动态、时均能量输运过程与转换机理。 3)大功率行波热声发动机热声转换特性。包括：大功率行波热声发动机的工作过程及关键部件最佳匹配规律；发动机回热器内部非均匀流动导致的局部声直流现象及其对热声转换性能的影响规律；混合工质气体强化热声转换效应。 4） 变温热源驱动的热声发电系统新流程及工作特性 。包括： 变温热源加热的新型热声转换流程；热声发动机 变工况 的声功输出特性 ； 热声发动机与直线发电机的高效耦合和最佳匹配机制 ；热 电的变工况 、变负载运行规律。 预期目标： 1） 揭示动力余热 驱动 的 大振幅行波 热声 转换过程中若干关键的非效应过程机理，并建立其系统的热动力学设计理论 ； 2） 提出 高效 利用变温 余热 驱动的 热声 动力转换 新方法 和 新流程 ，使本项目研究的新一代分布式供能系统有更高的能源利用效率； 3） 建立国际上首套利用 中温动力余热驱动的 5声 发电 装置，相对卡诺效率 达到 35%左右 。 课题 4、动力余热驱动的循环耦合和功冷并供 研究内容： 1） 研究 热驱动正逆循环间以及逆循环间的能量耦合形成机制，构建 功冷并供的正逆耦合循环 ， 以及多 热源驱动冷量品位提升逆循环 。 2） 研究 工质 热物 性对 上述循环 耦合特性的作用 机制 ； 剖析 传统 循环内部能量输运与不可逆损失 形成和分布规律 ，揭示 循环耦合与 冷量品位提升机理。 3） 建立功冷并供正逆耦合循环实验系统 以及双热源驱动吸收式分级制冷（热泵） 循环实验系统 ， 开展机理验证研究 。 4）研究热驱动逆循环的变工况特性，以及 多能源互补与热驱动吸收式循环动态特性 。 5） 提出动力余热与中低温太阳能、地表热能互补的热泵原型机设计方法 以及功冷并供系统设计方法 。 预期目标： 1） 揭示动力余热驱动的正逆循环间耦合机理，以及多热源吸收式分级制冷（热泵）循环耦合和冷量品位 提升机理； 2） 提出正逆耦合循环 功冷并供系统 理论设计原则及方法； 3） 提出动力余热与中低温太阳能、地表热能互补的制冷（热泵）理论设计原则及方法； 4） 建立首套动力输出为 20制冷量为 10正逆耦合循环 功冷并供 实验系统，实现循环效率较传统方法提高 15以上； 5） 建立首套制冷量为 10双热源驱动吸收式分级制冷（热泵）实验系统，实现循环单位动力余热烟气制冷（热泵）性能系数提高 18 25以上。 课题 5、蓄能 /释能过程与主动蓄能 研究内容： 1)研究适宜于 分布式供能系统的 蓄能介质 遴选原则，开展蓄能介质热物性 研究。 包括： 探索蓄存中温 （ 200 300） 余热 的 吸收式 化学蓄能 过程及其蓄能 工质对，研究基础 热 物性； 遴选 适于蓄存低温 至中温（常温 300 ）余热 的 固液相变蓄能介质；研究用于 冷、热 量高密度传输的潜热型功能热流体的输运特性。2)揭示 潜热型蓄能介质的蓄能 /释能流动性能和热传输特性强化的物理机制 。 包括： 研究蓄能 /释能 介质的 热力循环和传热传质性能 ； 分析潜热型 功能热流体 的蓄能 /释能 、 流动性能和热传输特性强化的物理机制 。 3） 研究蓄能 /释能过程动态特性及其与分布式供能系统全工况性能的作用机制 。 包括： 蓄能 /释能过程 的动态特性 ；蓄能装置主动蓄能 /释能的容量调控机制； 高效蓄能 /释能工艺 和 理论设计方法 。 4） 研制 蓄存 200 300 中温 余热的 50学蓄能 /释能装置 样机 ，并进行机理验证试验。 预期目标： 提出适合 分布式供能系统 主动蓄能 的 几种蓄能介质，获得蓄能密度、输运特性相关的相关热物性基础数据；阐明 蓄能 /释能介质流动性能和热传输特性强化的物理机制、 蓄能 /释能过程动态特性及其与分布式系统全工况性能的作用机制；建立蓄能 /释能装置的 理论设计方法 ，完成 50蓄 能 /释能机理 验证实验 ，蓄能介质输送能耗降低 50。 课题 6、多能源互补 的全工况系统集成 研究内容： 1）多能源品位互补的分布式供能系统集成机理与方法。包括：多能源输入、冷热电输出的品位互补机理；燃料化学能释放、热功转换、热冷转换、太阳能集热等能量转换品位互补的系统集成方法；分布式供能品位互补集成方法的实验验证，分析能量梯级利用对系统性能的影响。 2）系统全工况性能与主动蓄能的调控方法。包括：分析微小动力、动力余热制冷和热泵的变工况特性，冷热电负荷需求的变化规律，以及关键单元特性与系统变工况特性的关联规律；研究变工况下的多种能量转换的品位变化关联机制，以及系统性能下降的本质原因和 规律；研究多能源互补、冷热电联供目标下的主动蓄能构成机制，以及主动蓄能对系统性能的调控方法；开展系统变工况实验研究，分析主动蓄能对系统变工况性能的影响。 3）系统示范验证研究。包括：研究多能源互补和全工况性能主动调控的新一代分布式供能系统；开展太阳能与天然气互补的，工业园区分布式冷热电联供系统示范验证研究。 预期目标： 1） 建立能的综合梯级利用的系统集成机理与方法；揭示多能源输入、冷热电输出的品位互补机理， 提出基于能源综合梯级利用的 新一代 分布式供能系统，示范 验证 系统节能率达到 30以上 ； 2） 建立主动蓄能的系统 全工况性能调控方法；揭示分布式供能系统全工况调控机制；建立 50力 、 100力余热制冷和400能容量的 分布式供能关键单元的联合 实验 平台 ， 完成关键单元特性的联合实验 ， 形成多能源互补的分布式供能系统研究基地。 （ 2） 课题承担单位、负责人、参加人员及经费比例 序 号 课题名称 承担单位 负责人 主要学术骨干 经费 比例 1 燃料化学能释放与能的综合梯级利用 中国科学院 工程热物理研究所 上海交通大学 金红光 蔡睿贤 张娜 翁一武 崔平 韩巍 刘启斌 夏再忠 微小型 燃气轮机热力循环 中国科学院 工程热物理研究所 中国科技大学 徐建中 杜建一 林其钊 淮秀兰 石可重 赵庆军 赵伟 动力余热驱动 的热声 发电 中国科学院 理化技术研究所 浙江大学 周 远 罗二仓 杨鲁伟 戴巍 甘智华 孙大明 吴张华 动力余热驱动的循环耦合和 功冷并供 浙江大学 北京化工大学 陈光明 郑丹星 王勤 何一坚 韩晓红 纪培军 武向红 蓄能 /释能过程与主动蓄能 清华大学 中国科技大学 史 琳 张寅平 张学学 石文星 王馨 吴晓敏 胥蕊娜 胡 芃 多能源互补 的 全工况系统 集成 东莞理工学院 中国科学院 工程热物理研究所 邵 友元 杨晓西 范洪波 杨金福 杨敏林 左远志 隋军 、年度计划 年度 研究内容 预期目标 第一年 1） 建立燃料化学能作功能力表达式，燃料成分、反应条件对燃料化学能释放过程不可逆性的影响方程。 2） 微小型径向压气机及径向透平的变工况性能及特 性规律 ，建立对转冲压发动机气动热力过程分析算法；对转冲压压气机实验台的方案论证与设计。 3） 热声发动机与直线电机耦合工作机制和最佳匹配规律的理论研究 。 4）分析不同能源作功能力的本质差异；剖析传统单一热源驱动吸收制冷热泵）循环存在的本征局限性，研究正逆耦合循环和逆循环间耦合的构建机制 。 5）开展能的综合梯级利用的系统集成机理与方法研究；研究“分布式供能系统实验平台”的系统集成方案和设计方法 。 6）建立太阳能与化石燃料互补的热化学方法，研究太阳能吸收 /反应器一体化理论设计原则及方法，设计槽式太阳能一体化吸收 /反应器，以及中低温太阳能燃料转化实验台 。 7）研究多能源输入、冷热电输出的品位互补机理 。 8）蓄能介质的配备、研制与热物性测量 。 9）开展系统变工况 特性和全工况性能调控方法的研究 。 10）研究分布式供能系统中化学蓄能 /释能过程及其实现方式 。 1）揭示燃料化学能作功能力的物理本质 。 2）掌握变工况性能、得到特性曲线 ； 完成热力过程分析程序的编写 ； 完成对转冲压压气机实验台的设计 。 3） 掌握热声发动机与直线发电机的最佳匹配运行规律 。 4）提出功冷并供的正逆耦合循环、多热源驱动冷量品位提升逆循环以及动力与热互补的复合驱动逆循环 。 5）完成“分布式供能系统实验平台”新建和改造设计 。 6）完成一体化吸收 /反应器和10阳能燃料转化实验台设计 。 7）揭示多能源输 入冷热电联供系统中的品位互补机理 。 8）发展蓄能介质的遴选方法，提出可行的蓄能 /释能工艺 。 9）配制蓄能介质，获得部分蓄能介质的相关热物性数据 。 10）获得关键单元的变工况特性，及其与系统变工况特性的关联规律 。 年度 研究内容 预期目标 第二年 1）研究燃料化学能作功能力逐级、定向转化机理，开展化石燃料热化学互补的能量转化模型理论分析，研制 10式太阳能一体化吸收 /反应器，以及中低温太阳能燃料转化实验台，开展集热性能测试。 2）微小型燃气轮机内的流动损失 ;构建对转冲压压气机实验台 ； 对 转冲压发动机内部复杂激波波系的流动图谱。 3）小功率模拟变温热源驱动的热声发动机原理性实验平台的建立及其热声转换性能的研究。 4）研制大振幅可压缩交变流动回热器的实验平台，研究大动率热声发动机的流程结构及热声转换性能。 5）研究 冷量 的 品位表征方法以及品位提升机制。 6）研究太阳热能、环境能源与燃料化学能释放、热功转换、热冷转换等能量转换品位互补的系统集成方法。 7）构建动力余热、中低温太阳能、地表热能等各种形式能量的品位表征方法；研究多热源作用下循环内部能量流分布以及不可逆性分布规律。 8）蓄能材料基础热物 性推算方法模型，开展蓄能 /释能实验台建设。 9）分析变工况下的多种能量转换的品位变化关联机制，以及系统性能下降的本质原因和规律。 10）开展中期检查工作。 1）建立燃料化学能、与热能的品位表征与分析方法；建立 10式太阳能一体化吸收 /反应器，以及 中低温太阳能燃料转化实验台 。 2）建立损失模型，确定内部流动内的 熵 分布规律 ； 初步建成 对转冲压压气机实验台 并进行调试 ； 绘制带激波波系的流动图谱。 3）提出高效利用变温热源驱动的热声发动机流程。 4） 建成大振幅、非线性效应回热器热声转换性能试验平台 ，提出适合于大功 率热声转换的热声发动机结构。 5）构建 热驱动的循环耦合与冷量品位提升机制 。 6）建立能源综合梯级利用的系统集成方法。 7）建立多能源互补的能量品位表征方法。 8）建立蓄能材料物性的推算方法， 建成化学溶液蓄 /释能与功能热流体实验台 。 9）实验揭示冷热电联供系统的品位关联和性能变化规律。 年度 研究内容 预期目标 第三年 1）研究热化学反应中化学能、 由能和热能的相互转化现象，探索燃料化学能有序释放的普遍规律；实验研究太阳辐照强度、反应空速、原料组成等关键过程参数对燃料转换能量品位变化的影响。 2）高、低压压气机的性能匹配 ； 对转冲压压气机的实验研究 ;对转冲压压气机边界层控制。 3） 1动磁式直线发电机的研制及其声 尺度热缓冲管中热声声流的可视化研究平台建立及研究。 4）研究功冷并供系统能量调控机理，开展功冷并供正逆耦合循环，和双热源驱动吸收式分级制冷 （ 热泵）循环实验研究。 5）开展能源梯级利用的系统集