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李元哲:空气源热泵地暖空调拓荒者
文章来源: 发布时间:2018-11-24 03:26:39 浏览次数:

 2015年10月30日,清华大学建筑学院建筑技术与科学系举行了一场简朴而又热烈的庆祝活动。活动主角是清华大学李元哲教授,中国建设报等媒体与行业协会、李教授的学生代表一起,为李教授80岁生日献上了祝福。

活动当天,李元哲容光焕发,神采奕奕。但真正让老人家开心的应该是她辛勤钻研数十年的空气源热泵地暖空调技术正迎来春天。根据国际铜业协会的估算,仅我国夏热冬冷地区未来10年平均每年空气源热泵供暖市场需求量接近320万台,最高平均每年空气源热泵供暖市场需求量接近550万台。

空气源热泵地暖空调市场的火爆离不开行业先行者的不懈努力。本期“寻老”栏目,我们将带您走近我国空气源热泵地暖空调拓荒者——清华大学热能工程系教授、北京清华索兰环能技术研究所创始人李元哲。


36年前试验太阳能地暖,让美国人吃惊

李元哲与空气源热泵结缘,其实源自太阳能。1979年的一天,李元哲在清华大学一个试验室的屋顶上安装了一个8平方米的自制平板型太阳能集热器,倾角为57°。该集热器通过管路与实验室内10平方米的小屋连成水系统。由于北京冬季气温很低,一天下来水箱中的水温最高只有40℃。如此低的水温用于散热器采暖显然是不行的。那时,李元哲恰好从国外相关资料中了解到地暖的好处,于是决定进行“太阳能热水-地板辐射采暖”试验,并借鉴法国人的做法,完成了地板采暖设计施工及太阳能热水辐射地板采暖系统的搭建。

出乎意料的是,李元哲次日早晨上班时意外地发现:该办公室竟然温暖如春。此结果不但惊动了中国建筑科学研究院的同行专家,还惊动了清华大学建筑大师吴良镛先生带来的美国客人,给他们留下了深刻的印象。不过,由于当时用做地暖盘管的管道只有钢管可供选择,因此这一成果并未得到推广。但李元哲利用低温热水在北京这样的高寒地区采用地板辐射采暖供暖,为其以后研发、推广“空气源热泵-地暖”系统积累了宝贵的经验。

到了20世纪末期,全球遭遇能源与环保的双重挑战。而此时建筑成了耗能“大户”,燃煤供暖改造刻不容缓,有关部门纷纷组织业内专家组赴全国考察,寻求解决方案。此时恰逢PEX管等塑料管材大量应用在地暖系统中,使得空气源热泵地暖空调被推广应用的时机逐渐成熟。李元哲由此加大了对该项技术的研发力度。

严谨的科研态度,用数据说话

李元哲是一位非常严谨的学者,她强调理论分析与实验室模拟试验及国家权威机构的检测结果殊途同归。

2001年末,清华索兰研究所委托中国家用电器研究所对该所的空气源热泵进行测试。中国家用电器研究所在环境温度分别为-15℃、-10℃、-7℃等工况下,对清华索兰热泵在供水温度为32℃~34℃时的供热量和电功率进行了测试,结果表明该机组的低温性能稳定、安全可靠,在-15℃的空气环境中cop=1.5,即能节电30%。

2001年~2002年冬季,由中国家用电器研究所参与的测试组,对北京曙光花园的一个房间进行了全冬季地板辐射采暖测试。该建筑面积88平方米,辐射地板采暖系统中配置了清华索兰环能技术研究所生产的FRS-6(即2.5HP)空气源热泵热水机组。上述空气源热泵热水机组在室温控制下运行并自动记录了供回水温度和耗电量。

2012 年1 月23 日至2 月6 日共15天的测试数据显示:系统供水温度最高33℃,该阶段室温为20℃左右,总耗电量为260.5千瓦时,平均每天耗电量为17.3千瓦时。

2003年,在某刊物刊发的《在寒冷地区稳步推广中的空气源热泵地板空调采暖》一文中,李元哲对空气源热泵的热工特性和技术要求及辐射地板传热做了初步的理论分析,得出了准确的数据——对于北京地区50%节能标准的民用节能建筑,“空气源热泵-地板辐射采暖”系统最高平均水温只需32.5℃左右。

上述成果是李元哲在该领域取得自主科技创新的结晶,并于2002年通过了原建设部科技司主持的专家鉴定,项目名称为“用于寒冷地区的风冷热泵采暖系统”。这一项目奠定了李元哲作为“我国空气源热泵地暖空调技术应用开创者”的地位。2003年4月,李元哲的上述技术获得专利。

艰难推广,持续进取

10年前,空气源热泵并不像今天这么热。当时要让社会接受空气源热泵并非易事。当时空气源热泵不被社会接受,不是因为产品和技术不过关,也不是因为用户不需要,而是因为不被国家或地方标准认可。2002年~2006年间,空气源热泵供暖供冷技术在辽宁以南、陕西以西以及南方除海南以外的各省都有应用案例,得出的结果大致如下:1.比直接电采暖节电约60%;2.在寒冷地区每平方米一个冬季电费为8元~12元(按0.48元1度计);3.零污染。但是,当时大多数设计院在项目中仍不敢设计空气源热泵系统,大开发商不敢使用,导致空气源热泵供暖供冷技术推广缓慢。

不过,李元哲和她的团队并没有放弃推动空气源热泵供暖供冷技术的应用。2005年,该技术引起了北京市海淀区人民政府的注视,获得了区人民政府颁发的“建设节约型海淀优秀奖”。2007年,黑龙江省节能检测中心对安装了空气源热泵供暖供冷系统的北京某小区用户进行实地检测调研,得出了“该系统全冬季能效比大于2.2、能节电60%”的结论。后来,该案例成为“国家发改委信息传播中心最佳节能实践案例”,得以向全社会传播和推广。

此后,李元哲进一步完善计算理论。2010年~2011年,李元哲以北京地区气象及节能50%民用建筑为对象,进行了系统的计算,提出了针对不同结构的水盘管式辐射采暖地板,由水至地板表面传热热阻及温差的计算公式并在工程中得到验证,进一步得出“采用‘空气源热泵-地板采暖系统’全冬季供水温度在30℃~35℃”的结论。这一结论与2000年美国ASHRAE手册中列出的同种辐射地板的热阻数据一致。

此后,李元哲在权威刊物上相继发表《关于我国北方寒冷地区采用空气源热泵地板采暖的节能性与舒适性分析》和《室外空气温度波动对空气源热泵采暖室温的影响》等文章,通过实测,进一步证明了在寒冷地区应用空气源热泵低温热水地板采暖的稳定性。

2011年冬天,上海安贞暖通设备有限公司以薄型预制沟槽水盘管覆盖实木面层,在北京鸿博家园80平方米单元住宅中进行采暖示范工程测试,特意邀请李元哲做测试分析。结果与理论计算中的室温、外温、水温、耗电量等数据相吻合,具有显著的节能效果。

空气源热泵地暖空调应用终迎春

经过不懈努力,空气源热泵供暖供冷技术得到了社会广泛认可,尤其得到了国家支持。2012年4月,基于住房和城乡建设部科技项目的“住宅户式空气源热泵低温热水地板辐射采暖技术导则”开始编制。李元哲作为首席专家参加了编写。此后,包括北京市在内,多个地方将空气源热泵供暖供冷列入推荐应用技术目录。

更让李元哲教授欣慰的是,截至2014年底,北京清华索兰环能技术研究所已在陕西西安、山东临沂、四川成都、江苏连云港等地将该产品成功运用于高层建筑和多层户式建筑采暖,累计面积达几十万平方米。而2013年~2014冬季,相关部门在位于北京昌平的清华阳光50%节能建筑标准的职工住宅宿舍进行了“主被动太阳能与空气源热泵集成进行全冬季地板采暖测试”,结果显示平均室温为20.11℃,每平方米冬季采暖季耗电量为20.72千瓦时,如民用电价以0.5元/千瓦时算,则每平方米冬季取暖费为10.36元。该项目于2014年3月20日经北京市经济和信息化委员会主持通过了专家鉴定。2014年~2015年冬季,清华索兰在北京市延庆县一个面积为115平方米的平房型农宅安装的“空气源热泵-散热器系统”显示,整个冬季每平方米采暖耗电48.4千瓦时,能效比达到2.5,节能60%……

一个又一个成功项目,昭示着空气源热泵供暖供冷应用的春天已经来临,更加坚定了李元哲教授推广空气源热泵在寒冷地区应用的决心。尽管已经八旬高龄,但李元哲持续研究、改进空气源热泵供暖供冷技术的热情依旧未减。

(来源:中国建设报,记者:唐维)


 

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