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用空气源热泵进行地板辐射采暖十年历程的回顾之一 清华大学教授李元哲

2013/05/16

                                             一、三十年前一项工程实验的启发

时光荏苒,岁月如梭。30年在人生中是很长一段,而在历史的长河中却是一刹那。

七十年代初的那场全球能源危机,沉重打击了西方发达国家。却使清洁、可再生的太阳能利用浪潮兴起。刚刚从十年动乱中恢复过来的中国也于1979年成立了太阳能学会,清华大学王补宣院士任第一任理事长。在西安召开的太阳能学会成立大会上,清华大学带去了8篇有创见的学术论文,从而登上了为中国太阳能利用而奋斗的舞台。

起初,还没有太阳能真空管集热器,大部分是研究平板集热器,如它的热效率、出水温度与纬度、倾角、涂层种类、玻璃盖层透光性及最佳流量等因素的关系。特别是平板型集热器集热板的构造、成本和热效率的研究许多学者做出了颇多的贡献。

我有幸参与了这些研究。1979年我在自己实验室的屋顶上安装了8平方米的自制平板型太阳能集热器,倾角57°。集热器吸热板是从北京钢窗厂买回来的,玻璃与框架的密封是从化工二厂买回来的硅橡胶。它可以解决受热膨胀问题。

集热器由管路与实验室内的开式水箱联成水系统。由于当时北京地区冬季气温很低,一天下来水箱中的水温最高40,但有良好的温度分层,这样的水温采取散热器供暖显然是不行的。翻开高等院校供暖工程的教科书,地面辐射供暖具有散热面积大,与人体的热交换充分,尤其是足底温暖合乎生理要求等优点凸显出来。

我决定采取太阳能地面辐射供暖方案试验,实验室是单层的框架结构,层高4.2,辐射地面采暖就供给其中的一间办公室约十几平米。

怎样设计辐射地板供暖系统中的地下保温、管道、水泥填充和装饰地面满足采暖负荷的需要?从当时的中文教材中找不到答案。我们从一本俄文书中找到了法国的相关资料,自己完成了地下部分施工,开始了太阳能辐射地面采暖系统的运行,测试和使用。

出乎意料的是白天运行了一天下来,水箱中的热水不过40左右,下午4点后开始给地盘管供热水,早晨上班约8点钟停机,该办公室温暖如春,给我们留下深刻印象。

记得,此举不但惊动了建研院同行专家,还惊动了吴良镛先生带来的美国客人,我用英文介绍地下结构做法的用词还受到吴先生的首次夸奖。

可惜这一成果当时得不到推广,主要原因是地下水盘管除了用钢管以外,国内没有另外的材料可用,不能避免产生的腐蚀、漏水。但是利用低温热水在北京冬季寒冷气候下,可以采用地面辐射供暖记在了实践的历史上。

廿十世纪末,大气环境保护的重要性迫使排放有害物的燃煤锅炉供暖方式改变。业内专家组纷纷组织全国性考察,寻求解决方案。这时恰逢地面辐射供暖工程在国内市场上由于PEX等高分子管材的出现,逐渐推广起来。它在低温下的供暖特性一下子提醒了我,经过理论的思考,我提出以空气源热泵作为辐射地面采暖的热源,并于2000-2001年冬季在北京回龙观小区单元住宅试验。记得实验是在正月初进行的,那年春节连续下大雪,天气湿冷,有在空调企业工作的好心人提醒我:“李老师,-5以下的天气用空气源热泵不能供暖”。系统正式运行时我是在乌鲁木齐出差,当长途电话中传来室温18稳定运行的消息时,在我的科技人生路途上又一次驾驭了自然,终生难忘。

事实上在我工作的北京清华索兰环能技术研究所从1997年就开始了空气源热泵的理论研究、备加工、施工工艺的探讨。在初试成功的基础上,将一台热泵热水机组委托中国家用电器研究所对其在环境温度分别为-15-10-7-2℃的工况下,供水温度32-34的供热量和供暖系统消耗的电量进行测试,结果证明:该机组的低温性能稳定,要安全可靠,在-15的空气环境中能效比为1.5即与用电采暖比,还能节约33%,而在近年来北京地区一个冬季不过出现十几个小时的-10℃环境下,供水温度34℃的能效比1.78,即节电48.8%。该能效比完全符合2005年国家颁布的《公共建筑节能设计标准》(DBJ01-621-2005)的有关规定,由于受检单位是国家最具权威的相关产品性能的检测机构,使用了最为科学的检测方法,其出具的检测报告,对此后的工程实践起了指导作用。

为什么能从寒冷空气中取出为房间供暖的那么多热量呢?

这就是所谓“热泵”的神奇之处,它的奥秘首先是找到了一种物质叫“制冷剂”,它在稍高于大气压力的状态下,可以比大气环境温度低得多。例如现在常用的R22制冷剂,在等于大气压力 2.5倍时是零下20,因此它可以通过换热器从大气中吸热。而这类制冷剂在高压下的温度很高,例如在高于大气压力20倍时它的温度是50度,因而它又可以通过热交换器向水或空气放热进行供暖。

那么用什么办法可以使它压力升高呢?

通过电动压缩机,压缩机就是完成制冷剂从低压到高压的机械。与此同时,热泵需要消耗电能完成以低温吸热向高温放热的过程。压缩机是一种十分精密的机械,我国在这方面的机械制造业还落后于先进国家如美国,欧洲等,而它又是供热制冷设备中的核心,十分希望摆脱现在以进口为主的局面。

有人问什么是热泵的能效比?热泵的能效比大于1是否违背了能量守恒的原理?

热泵的能效比指热泵输出的热量与输入压缩机(还有风机水泵等其他耗电远小于压缩机)的电量之比,在比较时将热量与电量的单位都转化为电量的单位kwh,因此能效比是无量纲的,通常我们利用热泵取它的能效比远大于1时才有意义。在这里大家首先想到的问题是就连供暖或制冷的能量因温度不同都不应该等同看待的确供暖的水温温度愈高或制冷温度愈低,越不容易获得,这就叫能有品位高低之分。何况把热量和电量直接比较不是更有不妥吗?是的,电比热尤其是常温下的热的品位要高得多。所以能效比是把不同品位的能量直接加以比较,因此就产生了大于1.0的结果,而不是能量守恒中能量转化的概念。

那么从能源利用的角度,怎样评价热泵的节能性呢?