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城市供暖不能烧煤了,天然气投资造价太高,用油、用电贵的惊人,暖气怎么烧?

清华同方:十年才能磨一剑

——空气源低温热泵中央空调规模化生产纪事

科技日报 2003-03-11

本报记者 于莘明

背景

  在热泵系统的封闭循环中,要利用一种特定的冷媒来作为热载体,比如氟利昂就是可以将热量进行转移的一种媒介物质。在室温下,冷媒通常保持在气态。而在热泵系统中,则是利用它在气态及液态间的变化,来达到热量转移的功效。当一种媒质从液态转换为气态时,它会吸收能量。不同的媒质,功效不同。当你洒几滴酒精在手上,你便能从其蒸发后所带来的清凉,感觉到其比水更加优越的散热功能,因为它蒸发得更快。

  热泵有个被称为心脏的部件,就是压缩机,它可以改变其内部环境的压力,它是通过电能完成这项工作的,冷媒在压缩机的作用下,从低温低压的气体,变为高温高压的气体和液体的混合物,这些混合物要经过像汽车水箱的部件,这就是热泵的冷凝器,通常也可以发现在冷凝器旁边安装着散热的风扇,这些风扇吹出来的空气温度都比较高,因为冷凝器就是利用这些空气带走冷媒的热来降低压缩过后高温冷媒的温度。这些低温低压的液体,再通过与压缩机作用相反的装置,即膨胀阀,膨胀让冷媒在到达蒸发器时气压降低,这样冷媒又从液态转变成气态了,当然,这是需要能量的。在这种情形之下,冷媒发生变化所需要的能量,自然是来自于蒸发器的周遭。冷媒变化形态时的吸热放热过程,就是热泵能完成制冷或者制热的原因。

  

  “我觉得这是一件挺大的事,这是一件暖通空调行业人的、至少对我个人来说的多年的理想和梦想。”我国暖通界惟一的中国工程院院士、清华大学建筑科学院副院长江亿教授在3月1日的清华同方空气源热泵技术研讨会上,说道:“最近几年煤气污染严重,城市不能烧煤了,均改用天然气,但天然气投资造价太高,用电就更贵得惊人,水源热泵又受水资源的限制不便推广。尤其现在随着人民生活水平的提高,对环境的要求越来越高,城市结构开始调整,导致我们这些多年从事空调供热行业的人员都不知道现今的暖气要如何烧才更好。清华同方人工环境公司推出在零下15摄氏度的情况下都能运行的空气源热泵能解决这一问题,就等于给北方地区的采暖找出了一条非常好的道路,提供了一个大好的市场,是一件大好事。”

  “能源结构在华北地区不合理的状况尤其明显,现在北京三环路内都要煤改气,结果是天然气在冬天用量负荷非常大,而夏天用量却很少。在北京冬天天然气的负荷量是夏天的7倍多,造成天然气管道的使用效率低下,极不平衡,导致现在要修第二条西气东输的天然气管线。但是在夏天又用不上,这也就是天然气价格高的原因所在。在去年冬天最冷的那两天,曾导致天然气管线满负荷运转还不能满足北京的用量,由于老天爷可怜气温提高了才挺过去。因此全部依赖天然气采暖也不是很好的办法。反之用电负荷是夏天高冬天低,北京在1999年以前用电量是夏天低冬天高,2000年就持平了,2001年以后已经是夏天高冬天低了,去年夏天已比冬天高出20%之多。这是空调增加的原因。天然气用量是冬天高夏天低,而用电量是冬天低夏天高,这两种基础能源使用情况都非常不合理,能源结构也自然不合理。如何削减冬天能源使用量增加夏天用量,从城市能源来说是件大事。如何使北京市的燃气与电这两种能源结构趋于平衡,成为近年来市政府工作会议上经常讨论的一个非常话题。如果清华同方空气源热泵能解决采暖问题,把冬天用气负荷和夏天用电量降下来,使二者趋于接近化发展,将是很好的事。

  从经济上来说,具体纯算燃料费用的话,这个机器能在零下15摄氏度下运行,北京地区一个冬天平均制热效率在2.7(输入1kW电能可获得2.7kW热能)左右。天然气烧锅炉,效率在90%,如果天然气1.8元/立方米,只要峰谷电价平均下来比0.54元低,在纯然料费上使用清华同方的空气源热泵机组就会赚一些利润。如果电价大于0.54元,电费要高一些,但还是有很好的推广作用,至少与天然气有一拼。就北京这样的大城市来说有很好的作用。北京去年好于二级的好天气达到55%,跟煤改气有很大关系。随着改成天然气,北京现在最大的污染源是氮氧化物,随着小汽车的推广,氮氧化物的污染更严重了。但天然气并不能降低氮氧化物,为国家经济的发展又不能限制汽车,如何限制氮氧化物的污染是个大问题。现在如果推广使用空气源热泵供暖,从一定程度上减缓天然气的使用,就可改善氮氧化物的污染,在环境上也是一大贡献,环保采暖从各方面来说都是件大好事,所以要利用这项技术把北方地区的采暖创出新思路,这对整个空调行业的发展都是大贡献。”

  何况我国全球矿产资源战略研究权威部门曾告诫人们:未来20年中国石油需求缺口超过60亿吨,天然气超过2万亿立方米,重要矿产资源的供应将是不可持续的。

  美国曾经因热泵骚动

  在美国曾经因热泵技术(把在不适宜使用环境中的能量“收集”、“搬运”到适合使用地方的能量技术设备)引起骚动。广告商在得意洋洋地宣传采用热泵技术的产品时说,这种产品是“吃”一份能量“吐”两份能量,多棒!对此,顾客却嗤之以鼻。原因何在?

  上过初中的人就知道物理学的能量守衡定律。能量只能一比一地转换,加上损耗还转换不到一,怎会“吃一吐二”呢?不可能。当然,这并不能怪顾客,因为顾客对热泵技术不了解,没和热泵亲密接触所致。

  以往人们只能从比想要得到的温度更热的温度中获得热量。比如:冬天人们希望室内16摄氏度或者20摄氏度时,那么就必须找到比这个温度更高的热源,通常的做法是燃烧石化产品(煤、油、气等)造出这些热量源。

  热泵技术则完全从另外一种思路来解决这个问题。它不是在制造热量源,而是找到比我们要得到的温度低的热量源,通过一系列的物理过程,将这些热量提升到可使用的温度。比如:冬天人们希望室内20多摄氏度时,就可以从0摄氏度以上的很多地方(空气、水、土壤中)获得热量源,利用电能将这些热量源提升,即可使用。

  但在我国华北地区,冬天零摄氏度以下时间很长,甚至达零下20摄氏度左右,现有的热泵技术就无能为力了。而同方人环公司依托清华大学在此领域的人才技术优势,自1993年以空调领域最高最难的技术为目标攻关,研究设计新型空气源中央空调,并很快获得了具有世界先进水平的技术优势,在1998年又承接了“热泵机组”国家火炬计划项目,深入研发空气源热泵,在中国更广泛区域,甚至华北地区的应用课题,并于2001年通过验收。其间相关产品在在长江流域很快“走红”。接着,同方人环公司又向适于北方寒冷地区、因温差大技术难度更高的空气源热泵领域进军,研制成功适于零下15摄氏度地区的中央空调,并通过了我国权威机构的检测。谁知,2002年,秦皇岛百信书城开发商在决定使用这种采暖设备时,热泵又在中国的秦皇岛出现波澜。

  两次承诺

  三个股东联合投资的秦皇岛市五兴房地产公司,2001年独立承担两栋楼的开发建设,计划投入4000万元,但说到采暖问题谁都头疼。秦皇岛市在这一地区没有管网供热能力,当时开发办为开发商提供了煤气、电和油三种选择,但希望首选煤气和电。

  哪一种方式最经济、最划算,五兴房地产公司组织专家到各地调查,有介绍电热膜的、电暖气、电辐射、油锅炉、燃气锅炉、直燃机、水源热泵的等,最后锁定大约30多家供暖企业进行深入调查,并且到哈尔滨、沈阳、抚顺、北京等华北地区的十几个城市考察,然后将所有采暖方式的优点、缺点、附属配套设施、建筑要求,运行费用、能耗、管理费用等项目,用图表进行了系统比较,在董事会上一家一家地介绍。因为开发商的期望是投资最省、性价比最高、使用寿命最长、管理最简单、运行费用最低。通过比较,最后,在争论中选定清华同方空气源热泵系统,并进行了实地考察。

  项目组织者、总经理王臻在北京考察时,公司董事会让他写一份承诺书,向股东明确表示,采用清华同方空调采暖没有问题。因为股东中有人说这种机组在华北地区采暖效果有问题。这时,负责这个项目设计的秦皇岛市设计院的专家了解的情况是,同方空调只能在最低温度比较高的南方使用,零下15摄氏度根本无法启动和运行。设计院出于对用户负责,还与用户进行单独探讨,劝说他们千万别花100多万元买个只能使用两个月的产品。并提醒说,万一不能正常使用,作为业主要承担很大责任,若是开业以后因为室内太冷没有人来怎么办等一系列问题。设计院坚决不同意这个方案,否则,就请王总在设计委托书上做出承诺:甲方自行提供并决定设计空气源热泵机组,如果出现供热效果达不到设计要求,由甲方自行负责,设计院没有任何技术责任。同时将设计退回。

  遇到这么大的阻力,王总又请负责清华同方中央空调销售的郭经理和负责产品技术的吴工,到秦皇岛设计院就如何设计、设计参数和工况等进行了设计交底,并且给五兴房地产公司作出了书面承诺:一旦设计采用清华同方U型空气源热泵机组达不到设计参数和供冷采暖要求,一切经济损失由清华同方人环公司赔偿。盖章签字后,作为签订购买合同的附件。王总又以五兴房地产的名义给设计院写了两封委托书,并放入设计院档案,设计院这才进行设计。房地产公司也做好了万一使用效果难以保证,就打官司索赔的准备。

  空气源低温热泵空调安装使用后,王总评价:清华同方是艺高人胆大,保证了投资开发商的投资安全、使用安全,并且一定不会让投资商受损失。

  五兴房地产公司投资的两栋楼都订购了清华同方空气源热泵机组。其中6700平方米的百信图书广场,自2002年11月20日运行起,王总就委派专人将每天机组运行的状况全部记录下来,另一方面也是收集资料,万一效果不好打官司也有事实依据。2002年是个冷冬,王总压力更大,每天早上第一件事就是查看车里的温度计。有几天特别冷,最冷时零下11摄氏度,他每天早上直接就到工程现场,查看使用情况。看了几次他就完全放心了。因为室内温度完全达标。下一步就看运行费用了。

  第一个月总电费才4万余元,王总特别高兴,第二天就请客,而且让百信集团的人也要请客。因为如果采用热力公司供暖,百信集团每个月每平方米向热力公司付6.97元的采暖费,相当于1个月4.7万元。而使用清华同方空气源热泵中央空调,加上电梯、照明等所有电费才4万元,这还是2002年冬11-12月之间最冷的一个月,算下来采暖费约合每月每平方米才5元左右。从现在掌握的2002年11月到2003年1月两个月统计的费用看,采暖费约合每月每平方米4元。到2月17日,已降到3.5326元。

  王臻总经理准备年底向董事会汇报经营情况,便把用于费用分析的电费表拿出来,并付上了电业局打印的电费单。看着单子王臻高兴啊,赶紧用这个喜讯作礼物,向清华同方人环公司总经理范新拜年,真诚地感谢他。董事会有位董事,听了这些数字后,居然问了王臻三遍:“有这么低吗?”

  因为当时准备使用这种产品的费用与城市热力管网基本持平,甚至再高一些都可以接受,别说还比热力管网供暖的费用低了。何况这既解决了太阳城没有城市供暖的问题,又解决了夏季制冷问题。从2002年11月、12月最冷的两个月运行情况看,11月份电费5万多元,12月份电费3万多元,2月费用更低才2万多元。甲方认为,前些日子在5、6摄氏度左右,现在温度达到零上10摄氏度了,电费超不过3元/月平方米。3月1日,王总说,他因选装同方空调而获奖金。

  百信图书广场一共三层,一层原本设计很多大门,是打算成为出租用房的,现在由门改成了大窗户,而大窗子的保温性比墙小近5倍,而且因有噪音,也没加装风幕机,仅用塑料片保温,不利于保暖。但在冬天最冷的日子里,百信图书大厦一层也没有低于14℃,最高时达到25℃。百信图书广场的中央滚梯,将内部三层空调全部贯通起来,由于热空气上升,二层仅启用了部分空调末端,三层在整个冬季室内根本就没启用空调末端,整个室内温度仍然非常好,甚至开始时还有人开窗散热。

  同方空调可以无人看管,全部计算机控制,全自动,温度自动调节,夜间只须将室内部分关闭,机组自动进行防冻保护。用户感到,管理真是非常简单。王臻回忆当初选择中央空调供暖服务商时,国内外很多厂家都没有技术承诺,还是清华同方最有底气。用户兴奋地表示,在与清华同方中央空调项目的合作上取得了胜利,并确定在下一步的住宅项目上,也采用清华同方的空气源热泵机组供冷暖。因为秦皇岛电业局为用户安装了峰谷表,在23:00到次日7:00的谷时电费仅为2角多。住宅主要是夜间用电,节资效果应该更明显。

  使用集中供暖,秦皇岛市收费为6.97元/月平方米,而用清华同方热泵采暖,费用大约是其一半。

  热泵空调缘何止步长江?

  普通空气源热泵中央空调问世后,在我国长江中下游、西南、华南地区(中国气候分区的Ⅲ、Ⅳ区)得到广泛的应用。这些地区冬季室外温度一般均在零下5摄氏度以上,室内需要的热量不大;夏季气温较高,一般只有制冷要求。当采用空气源热泵空调时,无需辅助热源,经济性好,既能以较低的初投资和能耗满足采暖、空调要求,又高效节能、不污染环境,还可一机两用。

  如果这种空调原封不动地用在黄河流域、华北、西北等地区,设备将无法在冬季正常工作。系统的制热量会随着外温的下降而迅速下降,而需热量却随着外温的下降而迅速上升,当外界温度很低时,系统的制热量将小到无法满足这些地区的冬季采暖需求;长时间运行还会严重损坏压缩机。

  为此,国内外多家企业进行了诸多研究。1998年日本的山神胜治提出利用燃油、燃气燃烧器,在低环境温度时,辅助加热室外换热器来解决空气源热泵的低温工况制热不足的问题。日立公司也推出J系列热泵空调机组,采用变频技术在低环境温度时增加转速,同时通过向工作腔喷液解决低温工况制热时的排气温度过高问题,现场实际测试表明其可以在零下15摄氏度以上的条件下正常工作。但是,这些方案不是系统复杂、成本增加,就是能源利用率偏低,均未解决根本问题。同方空调只能止步长江。

  清华同方挑战国际名牌

  其实,同方空调扎根长江已经不容易了。我国南方夏天很热而且潮湿,主要以制冷为主,一年四季中绝大多数的日子要用空调。而在长江中下游一带和华北地区,特别是长江中下游一带湿热,在冬天要用热泵空调对除霜要求很高,而这个地域的气候特点在世界上类似的国家很少,所以国外名牌公司到中国的长江中下游,除霜问题解决不了,当然他们也结合中国的气象条件在进行不断地研究。一般的空气源热泵在零上2摄氏度到零下2摄氏度的结霜情况最严重,在这个温度范围内,空气的湿度相对比较大,温度也到了结霜点,结霜后,热泵的换热器工作效率严重下降甚至不工作,这时还需要机器进行自动除霜。空气源热泵的除霜技术始终是热泵技术的一个难题:同样的一台热泵机器在不同的气候条件下运行,它的结霜和除霜模式却不一样。在不同的气候特点条件下,它对制热的影响也不一样。因为空气源低温热泵空调能在零下15摄氏度运行,同样也面临着非常严峻的结霜和除霜要求。除霜技术也就是系统的控制技术,是使这个机器能够在零下15摄氏度这样的条件下工作的一个关键手段。国家压缩机制冷设备质量监督检验中心主任樊高定说:清华同方在这方面的研究相当成功。

  在现场,实验人员告诉记者,热泵系统完成一次循环需要冷媒进行一次压缩、一次膨胀、两次换热的过程,压力的变化导致的温度变化,也是热泵结霜的重要原因,曾经用压缩瓦斯填充打火机的人也会有类似的经验。填充罐上的小喷嘴会变得非常冷,尤其是在瓦斯外泄到空气中的时候。在深冷的环境下,这种作用会显得更为突出。这台热泵机组采用同一个模块两套独立系统的设计思想,在同一台机组上,一半用制冷模式除霜,一半继续制热,除霜过程对制热效果的影响非常小。

  除霜技术难度大,而更难的是实现零下15摄氏度制暖。研究最适合北方寒冷地区使用的空气源热泵系统,首先要了解北方地区的气候特点:这些地区冬季采暖期较长,而且室外温度比较低,要想不依靠辅助热源满足冬季采暖需要,设备就得能够在零下15摄氏度左右的大气环境中,长期高效、安全运行,并能够提供足够的热量。实际上这一段气温低的室外环境温度持续时间又相对短,系统大多时间运行在一个相对较高的室外温度环境下。在进行系统设计时得综合考虑空气源热泵的冬、夏季运行时间及系统的经济性,压缩机的最佳压缩比一般均在3.0的水平。但这种压缩比的压缩机难以适应温度较低的工况要求,这就要求研制出既能保证其在冬季最大运行频段,所对应的效率最高,同时当室外温度较低没有后备热源时仍能安全、经济运行的空气源热泵,这样无论从初投资还是运行费用都是用户最希望的。

  为了得到实际气候资料,同方人越是在下雪的日子越是在露天实际观测,记录24小时的温度变化。这样的观测统计在大连持续了一个月。同方人环公司经过5年的潜心努力,通过采用多种专有技术不仅提高了空气源热泵在低温工况下的性能,而且系统简单,易于实施,最大限度地挖掘了涡旋压缩机的潜力。智能系统是它的最大特点。外界的气候始终在变化,机器始终能跟着这些变化作出不同动作满足需求。目前,该项技术已申报多项专利。

  创造新纪录

  关键时刻到了。时间:2002年11月地点:中国中央空调检测中心江西检测点检测项目:空气源热泵

  监测台温度窗口显示,环境温度已经降到零下15摄氏度,检测继续进行着,由于要求的环境温度越来越低,检测中心测试机房制冷机的工作也变得越来越困难,在此之前,这个检测中心从来没有给任何一台空气源热泵提供如此低的环境温度。被测的清华同方空气源热泵进水正常,出水正常,油温正常,能效比保持在2.0以上,机器还在平稳的运行当中。

  这次检测是由国家压缩机制冷设备质量监督检验中心主任、合肥通用机械研究院樊高定院长主持的。

  环境温度继续降低,工作小组的数据记录也按部就班地进行着,接下来的时间,检测已经变成了继续进行的热泵低温运行试验。但是所有人都知道,今天的检测创造了空气源热泵低温制热的新纪录,这次空气源热泵在零下15摄氏度环境中制热的检测,画上了圆满的句点。它标志着热泵领域对零下15摄氏度的挑战宣告成功。

  为什么要研究热泵在低温下的制热呢?热泵产生的能量是输入电能的二到三倍左右,也就是说输入1kW电能,可以获得2kW到3kW的热能。给电暖炉,输入1kW电能,顶多也只能获得1kW的热能。因此,采用热泵取暖,可以节省电力约五到七成。如果把热泵比喻成一辆搬运能量的汽车,那么输入的电能就是这辆车搬运能量时花的汽油钱,当外界环境温度比较高的时候,证明空气中的热能距离较近,很快就能搬来,花的汽油钱也不多;当外界环境温度很低的时候,证明空气中的热能离得远,要走很长的路才能搬来,花的汽油钱当然也多。如果汽油钱超过了搬进来能量的价值,就证明空气温度太低,这时热泵就没有使用的意义了。

  面对我国未来20年矿产资源短缺的警示,提高能效比就更为重要。提高能效比就是节约能源。清华同方人工环境有限公司用科学技术突破,换来了节能环保空调实在是可喜可贺。

  樊高定院长表示:“我国制冷空调的质量已经和发达国家基本上处在同一水平上,我们是真正的制冷空调制造大国,并正在向制冷空调的制造强国迈进。包括发达国家也在把他们的研发中心搬进中国。另外我们自己培养的科技人员,大学和研究所也在进行深层次的研究,因此我们中国的制冷空调产品在国际的地位已经有大的改变。空气源热泵的使用与当地的气候特点紧密相关,我国长江中下游一带湿热,在冬天要用热泵对除霜就要求很高。北方地区相对湿度不高,对除霜的要求不是很重要,在北方主要是低温,使用空气源热泵供暖提高能效比就显得尤为重要。而清华空气源热泵该技术确实是在低温零下15摄氏度时能效比超过了2,甚至在零下20摄氏度时也能正常的可靠运行,这是在我们的实验人员在场的情况下实际检测的。效率的提高、成本的降低,对用户来说就是钱的问题,这对国家来说是资源问题,提高能效比就是节约能源,国家对此十分重视。”

  目前,空气源热泵中央空调,已经在清华同方人工环境公司占地118800平方米的生产基地规模化生产,这将是空调业对我国节约能源,实现可持续发展的重大贡献。

(http://news.tsinghua.edu.cn)
[更新:2003-03-12]
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