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江亿院士和他的科研团队研发的“适用于西部干燥地区的间接蒸发冷水机”获2009年国家技术发明二等奖

干气湿用化“清风”

●学生记者 刘茜 郭雪扉

在卡子湾人民医院楼顶,江亿(左一)等讨论冷水机结构

  2007年凭借“溶液式带有全热回收的模块化空气处理装置及其系统”项目荣获国家技术发明二等奖;2008年凭借“建筑节能模拟分析平台DeST”项目荣获国家科技进步二等奖;2009年凭借“适用于西部干燥地区的间接蒸发冷水机”项目荣获国家技术发明二等奖———三年来,我校建筑学院建筑技术系教授江亿院士和他的研究团队屡创佳绩,在建筑节能领域连年荣获国家科技奖励。

  社会需求与应用研究相结合

  江亿是我国人工环境学的创始人之一,一直从事人工环境工程领域的教学、科研和工程实施。该学科旨在节省能源、保护环境的前提下,为人类创造各种适宜的室内物理环境。围绕此目标,江亿系统参与了该学科基础理论、基础方法的建立和发展,完成了多项核心技术的研究并直接主持了上百项人工环境工程项目。

  以此为起点,江亿组建了一支具备较强研发实力的团队,开展了建筑节能领域的系列研究,其中包括建筑热环境模拟与系统设计,新型建筑热湿环境的营造方式—温、湿度独立控制的空调系统,大型公共建筑节能诊断与分项计量,建筑节能与评价,建筑自动化,城市能源系统等。

  众所周知,水在蒸发为气体的过程中会吸收热量,而空气由于干湿度不同,容纳水蒸气的能力也不同,干燥的空气可以容纳更多的水蒸气。因此,干空气在由干燥变潮湿的过程中能够为空调提供冷量。江亿带领团队研发的项目 “适用于西部干燥地区的间接蒸发冷水机”瞄准通风与空调工程技术领域,提出了间接蒸发冷却制备冷水的方法,发明并研发出系列间接蒸发冷水机组及系统。该方法无需使用常规制冷机,仅利用室外干燥空气即可制取温度处于室外湿球温度与露点温度之间的冷水,为空调系统提供冷源,从而构成一种全新的间接蒸发冷却空调系统。与常规空调系统相比,运行电耗降低了70%以上。

  以室外干燥空气为冷源的蒸发冷却技术主要分为直接蒸发冷却和间接蒸发冷却两种方式,而根据产出冷量的载体不同,又分为制备冷风和制备冷水两种方式。直接蒸发冷却制备冷风或冷水的技术上世纪40年代前已于国内外出现。间接蒸发冷却制备冷风技术60年代左右已在国外出现,国内在上世纪八九十年代也出现了系列研究和相关产品。但在 “适用于西部干燥地区的间接蒸发冷水机”项目出现之前,间接蒸发冷却制备冷水的技术在国内外均无相关报道。

  与其他冷却方式相比,间接蒸发冷水有其独特的优势。在相对湿度20%~40%的干燥地区,空气的湿球温度比露点温度高5~7℃。因此,采用直接蒸发冷却的方式只能获得温度约为22℃的冷水,很难满足空调系统的降温要求。而江亿的间接蒸发冷却技术在室外温度35℃、相对湿度25%时可以得到的冷水温度为15.5℃,完全可以满足空调系统的降温要求,而不必使用常规制冷机。然而目前国内外已有的间接蒸发冷却技术只能产生冷风,不能直接产生冷水,因此仅适用于全空气系统,其风机能耗偏高,风道占空间大,从而适用范围有限。另外,间接蒸发冷却制备冷水与冷风相比,输送相同冷量时,冷水系统的输配电耗是冷风系统的1/4~1/10。尤其对于大型公共建筑,输配系统电耗占到整个空调系统电耗的40%。

  无论从输配系统电耗和适用范围看,相较于目前国内外已有的直接蒸发冷却技术和间接蒸发冷却冷风技术,间接蒸发冷却冷水制备技术均有着明显优势。与传统机械压缩式空调相比,间接蒸发冷水机的驱动能源是室外干燥空气而非电能,比传统空调节能40%~70%,且不使用氯氟烃,对大气无污染。

  得益于其特有的优势,这种节能的、环保的适用于西部干燥间接蒸发冷水机可以在我国新疆、甘肃、内蒙、宁夏等西部地区适用,适用范围涵盖我国40%的国土面积,同时在北美、澳洲、印度、中东等干燥地区和西欧部分地区均适用,可替代全球目前使用的各类空调的 20%~25%,在建筑节能方面有着极为广泛的意义。

  “对于我们搞应用领域研究的来说,社会和市场的需求,‘比10所大学更能推动技术的进步’。”在江亿看来,是全社会对建筑节能的高度重视和迫切需要推动着团队的研究,迫使大家把一些初步想法迅速转变为现实,把纸上的构想迅速变为成熟的产品。只有将研究工作置于经济发展国家建设的主战场,同时全面、透彻地研究主战场的需求,解决“刀刃问题”,才能推动应用研究工作向前发展。
  
  基础理论研究与工程应用实践相合

  江亿带领的团队连续三年获奖。虽然从表面上看,各个项目都是独立且全新的,但每个项目的背后其实都蕴涵着15~20年的基础研究和历史铺垫。

  “适用于西部干燥地区的间接蒸发冷水机”项目就是基础理论研究和工程应用实践相结合的成果。“这个项目实际上是基础理论研究的一次验证,现在已经证明这几乎是唯一一个可以接近理想可逆的蒸发冷却过程,成为我们目前继续做的理论课题的一个经典案例。”江亿介绍说,“经过课题组10余年的持续研究,现在这个理论课题有了重大进展!”

  目前,常见的空调系统都是通过向室内送入经过处理的空气,依靠与室内的空气进行交换完成温湿度控制任务。然而,单一参数的送风很难实现温湿度双参数的控制目标,这往往导致温度、湿度不能同时满足要求。由于温湿度调节处理的特点不同,同时对这两者进行处理也容易造成一些不必要的能量消耗。温湿度控制的本质是什么?完成这一控制任务热力学意义上需要的最小做功是多少?从热力学意义上看现行的空调方式的效率如何?什么形式的空调系统构成才可能最好地接近热力学最小功方式?早在30年前在清华读研究生的时候,江亿就开始思考和探讨这一系列的问题。那时,由于江亿热衷于基于传热学开展对建筑环境控制系统的研究,他硕士研究生导师王兆霖教授建议他在热力学方面做些研究。于是,江亿开始学习热力学原著,理解热力学基础,尝试按照热力学的方法建立室内热湿环境控制的热力学分析框架,并试着以此为出发点具体分析解决一些实际工程问题。

  从1996年开始基本理论的讨论,到1999年在清华大学基础研究基金项目支持下组织起一个专门的课题组开始这一方向的理论研究,尽管人换了一茬又一茬,但这个小组一直持续到现在,这个方向也持续得到国家自然科学基金的支持,现在又得到清华自主科研项目的支持。经过20余年的积累,江亿提出一条新的理论主线——营造建筑热湿环境的热学体系框架。围绕这一新的理论主线,江亿带领的这个小组主持开发的“溶液式带有全热回收的模块化空气处理装置及其系统”获得2007年国家技术发明奖二等奖,他们发明的 “适用于西部干燥地区的间接蒸发冷水机”获得2009年度国家技术发明奖二等奖。

  该方向研究的持续推进引起了我校航天航空学院过增元院士研究组的强烈兴趣,两个小组曾聚在一起就相关问题召开研讨会,过增元也亲自参与其中,并多次提出宝贵的指导意见。项目的第三贡献人、江亿的博士研究生谢晓云的博士论文《间接蒸发冷却式空调的研究》也被过增元审阅过多遍。过增元在文中添加了多处批注,并提出了很多建议和看法。

  关于间接蒸发冷水机,江亿早在2001年就有想法,在得到理论研究结论后便很想尝试一下。但北京没有合适的气候条件,而要想在北京实验,就需要投入巨大的实验台来营造室外干燥环境,这几乎不太可能。直到2004年,江亿遇到了这个项目最重要的合作伙伴——新疆绿色使者空气环境技术有限公司总经理、项目第二贡献人于向阳。于向阳表示愿意在新疆做试验,于是两人一拍即合。于向阳当时是中国制造蒸发冷却型空调的最大厂商也是最热衷的研究者,之前在这个方向上的尝试都因为没抓住关键而失败。在江亿的理论和技术支持下,于向阳投资建造了第一个间接蒸发冷却式冷水机组,并相继开发出适合于干燥地区的温度湿度独立控制空调系统设备。

  据江亿介绍,这些项目在最初的10年里几乎没有任何经费支持,靠的是其他研究和横向服务的盈余。但是,只有看准这样一些关系到行业领域的基础问题,不为短期的‘大项目’和各种利益的诱惑所动,进而坚持不懈地做下去,才能迫使团队用新的理论框架和思路来认识和解决工程问题,不断产生新的构思、发明和成果,反过来又用不断涌出的新的工程问题来启发、认识所进行的基础研究问题。只有这样,基础研究和应用研究才能相互支撑、相互促进。

  营造团队文化氛围

  多年来,在江亿的带领和团队成员的共同努力下,整个研究团队形成了一种良好的学术氛围———大家经常深入研讨科学问题,使其成为共同的爱好,真心的享受;使大家可以甘受清贫而不为项目经费所诱惑,把解决社会急需的问题和实现团队的研究成果作为确定“接什么活”的判断原则;使团队成员们不斤斤计较个人得失与名利,相互配合,彼此为他人创造条件,把合作攻下难关作为每个团队成员工作的主要目标。

  在江亿看来,有这样一支队伍,有这样一种文化,没有什么困难克服不了。在这样的环境中生活,在这样的文化氛围下工作,对每个团队成员而言都是一种享受。

  在学生谢晓云的眼里,生活中的江亿勤俭朴实、平易近人,为人正直善良讲原则,大气而不拘小节,总是能站在别人的角度考虑问题,从来没有架子———每次去工厂和工人交谈,身为院士的他都像是一位工人师傅很容易亲近的工程师;和设计院的设计者交谈时,又像一位非常和蔼的老师;和老百姓交谈时,就像一位朴实的老百姓。“江老师总是鼓励我们提出问题,和江老师讨论问题从来没有负担”,谢晓云说。

  为改善煤矿工人的工作条件,2007年~2008年,江亿亲自考察山东新泰的孙村煤矿和龙固煤矿,两次下到1000多米深的矿井下,并坚持在井下爬到煤矿工人的采煤面进行现场考察,提出了矿井空调的最佳方案,大大改善了煤矿工人的工作条件。

  2003年SARS爆发,适逢江亿的团队在溶液除湿研究上有所突破。为了使当时疫区北京人民医院急诊病房能安全地再度开业,在绍兴吉利尔公司和清华同方人工环境设备公司的支持下,团队日夜奋战,一周内研制出集热、溶液全热回收和溶液除湿技术于一体的新风处理机,其性能完全达到预测值。

  1991年至今,江亿培养了24名博士、35名硕士,他们的多篇论文获清华大学优秀博士论文和优秀硕士论文,一篇获全国百篇优秀博士论文。学生们在国家不同领域、不同岗位上努力奋斗,很多已成为知名的学者、企业家和工程师,有些还成为国外知名大学的教授和老师。

  就是从这样一支团队中,诞生出全新的建筑环境领域的理论基础,产生出众多的技术成果,走出了大批优秀的人才。在全社会对节能减排给予前所未有的重视的今天,这支团队正本着对社会的责任、对真理的追求,一如既往地为中国的建筑节能事业奋斗着……

  来源:新清华 1825期

(http://news.tsinghua.edu.cn)
[更新:2010-12-27]
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