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马最良:悟道前行——疫情期重读热泵教材的体会

发表日期:2020/6/10 9:37:05 来源:HIT建筑热能工程系 评论 总点击量:

2020年初,突如其来的新冠肺炎疫情,迫使人们回到宅中隔绝避“疫”。刚开始时,每个人因为害怕而激发内心的不安与恐慌。居家避疫几周,加之对冠状病毒有了越来越多的认识,虽然疫情还在,但是恐惧已消减,如今只剩长长的等待“疫”散。这时我也开始安心阅读书籍啦。就取出来我们撰写的三部热泵教材,阅读和思考。这三部热泵教材是哈工大暖通空调三代人在改革开放四十多年里先后撰写而正式出版的,即:


1988

由徐邦裕、陆亚俊、马最良编著,彦启森审,国内第一本高等学校试用教材《热泵》(中国建筑工业出版社)。

2008

由马最良、姚杨、姜益强编著了高等学校建筑环境与设备工程专业规划教材《暖通空调热泵技术》(中国建筑工业出版社)。

2019

由姚杨、姜益强、倪龙编著,马最良主审,住房城乡建设部土建类学科专业“十三五”规划教材,高等学校建筑环境与能源应用工程专业规划教材《暖通空调热泵技术》(第二版)(中国建筑工业出版社)。


这三部教材跨越了40多年热泵技术的发展脉络,汇集哈工大暖通空调三代人为热泵技术努力奋斗的智慧。


由于我参与撰写或主审,每一本书的气味都很熟悉,只要拿到这些书,就立刻引起我对往事的种种回忆。今天再回头来看,这三本热泵教材就是我对热泵技术由认识肤浅到理解深刻,再由理解深刻到提出自己所思、所想、所悟的认识过程,深刻而清楚地认识到热泵技术的先进属性。从而让我们从20世纪60年代开始研究热泵技术,一直坚持到现在,将“发展热泵,造福人类;献身热泵,开拓未来”当作我们一生的奋斗目标。坚信热泵技术注定会在我国暖通空调中兴盛的理念,关键是我们争取热泵在我国暖通空调中兴盛的未来过程中,时间上不要花那么长,代价上要少交一点学费。

《热泵》一书是在徐邦裕教授多年对热泵技术的研究和讲授热泵课的基础上,撰写而成。徐邦裕教授早在20世纪60年代初期,开始了热泵研究工作,起步较早,起点较高,并取得了具有世界先进水平的研究成果。但由于受“文革”的影响,热泵研究工作荒芜多年。徐邦裕教授虽然屡遭劫难,多年不搞热泵研究工作,但好在多年还在看热泵资料,洞察世界热泵的发展,看好热泵在中国的发展前景。改革开放以后,在20世纪80年代初徐先生率先在哈尔滨建筑工程学院(现哈尔滨工业大学)为暖通空调研究生开出“热泵”选修课。还以空气/空气热泵为主,开展一些基础性的研究工作,在短短的10年里,做出许多成绩,其发展速度很快。我是1966年参与徐先生领导的热泵式恒温恒湿机组的研制工作,这是我的热泵工作第一次起点。当时,我觉得热泵很有意思,制冷变成制热用,其实对热泵知识了解甚少,找热泵书和资料也很难,可以说国内的热泵书和资料几乎是一片空白。但徐先生对我影响很大,在我的心中播下一颗热泵的种子。在文革中我的热泵工作也夭折啦,1971年我调入关中工具工作,1978年我考徐先生的硕士研究生回校,继续搞热泵,又一次开始了我的热泵工作,这是我的热泵工作第二次起点。1980年研究生毕业后,我给徐先生助“热泵”课。所以我才有幸参与徐先生领导的《热泵》书的编写工作,在编写过程中我第一次较系统地了解和归纳总结热泵技术,也深入学到了徐先生关于热泵技术的见解。诸如:

随着人口和经济的迅速增长,加剧了矿物能源的消耗和枯竭,导致环境的污染和破坏。为此,向我们提出如何利用低位能源的新课题。热泵在此新课题中将会占有重要的战略地位,它是回收和利用低位热能的有效技术之一,研究和推广应用热泵技术就给人们提出一条节约高位能、合理利用高位能、减轻环境污染的途径。

徐邦裕教授在国内首次提出“节约能源”的新解。直到目前为止,节约能量消耗有两个途径:一是以热力学第一定律为基础,从量的方面着手,减少各种损失和浪费,这是目前人们较熟悉的。二是从热力学第二定律出发,从质的方面着手研究,利用低位能(空气、土地、水、太阳能、工业废热等)代替一部分高位能(煤、石油、燃气和电能等),以达到节约高位能的目的。这个关键命题和新解,已引起人们对热泵技术的重视。但是,热泵技术还存在一些技术和经济上的问题与困难,尚有大量的科学研究工作待做。

众所周知,热泵与制冷的工作原理相同,但用途和工作温度范围不同。编著者就以实现制热、工作温度不同的新视角,阐述与分析热泵工质、低位能源、驱动能源、蒸气压缩热泵装置等。

在编写《热泵》一书时,热泵技术在我国尚属起步阶段,尚不为人们所熟悉。基于这种背景,我们编写了两章热泵在暖通空调上和工业上的应用内容,给出一些应用案例,以启发读者对热泵技术的深入了解与理解。当时,我们对热泵技术与应用经验也不足,对国外典型热泵实例的分析与理解略显粗浅。比如奥斯陆利用未经处理污水作热源的热泵站,就对为什么实例采用淋激式板式热交换器作为蒸发器;取水设施中应该设置什么样的水处理装置;利用城市未经处理污水的余热对后续的水处理工艺的影响等问题未做叙述与分析。又如对小型水/空气热泵回收建筑物余热的系统,当时此系统在美国称加利福尼亚系统,英国称维塞坦普系统,教材就照搬日本对此系统的称谓,称为“分散式热泵系统”。当时,国内还不十分了解分散式热泵系统的特点,后来,我国称为水环热泵空调系统更符合它的特点。书中这种例子还很多,就不一一列举了。

基于“三新一无”(新课题、新解、新视角,无经验)编写出《热泵》正式出版后,影响深远。这本书在我国热泵应用和发展中起到“开路先锋”的作用,给了在我国普及与发展热泵技术打开了一扇窗户,播下了一颗热泵在今后我国健康地成长的种子。一直到2008年,全国一些高校仍在使用这本教材,在公开发表的论文和著作中已被引用几百次。

在《热泵》这个框架下,我们经过20年的热泵教学和热泵科学研究工作后,于2008年又在我国热泵技术新的发展起点上,继承和发展了第一本《热泵》教材的基础上,重新编写了第二本教材,定名为《暖通空调热泵技术》。全教材包括三大部分:热泵技术的基本理论知识(1~3章)、热泵空调系统的通用知识(4~9章)和开拓创新知识(10章)。它记录着这20年我国热泵的发展,也记录着编著者在这20年里对热泵技术的深刻的认识与理解和热泵的研究成果。比如:

我们充分认识到:热泵技术是科学使用能源和科学配置能源的典型有效技术,它为解决暖通空调的能源与环境问题提供了技术支持,也为实现暖通空调事业可持续发展指明了有效途径。

空气源热泵空调系统用能遵循部分能量的循环利用原则,避免了常规暖通空调用能的单向性。所谓用能的单向性是指:热源消耗高位能(电、燃气、油和煤等)—向建筑物内提供低温的热能(热水、低压蒸汽等)—向环境排放废物(废热、废气、废渣等)的用能方式。

21世纪初人们对“热泵”这个词已不像20世纪时那么生疏,但《暖通空调热泵技术》中却从高位能与低位能出发,引出热泵概念,再进一步介绍热泵的定义与内涵,清晰地阐述热泵机组、热泵系统、热泵空调系统之间的联系与区别。把一个看似粗浅的热泵升华到科学术语的层面,规范了热泵技术有关的术语,也避免了将热泵视为制冷的一个分支,让它朝着形成独立而完整的学科方向发展。不过,这不是一个人能办到的,也不是一年两年而办到的,这是大家长期的不断努力而能办到的。

在编写教材过程中,把这20年里我们搞过的热泵技术的热点问题和前沿问题的研究结果和悟到的新得都归纳总结到新教材中。如空气源热泵的结霜与融霜(结霜规律模拟和实验研究、蓄能热气除霜系统实验研究等),空气源热泵的低温适应性(单、双级耦合热泵系统的提出、在我国的可行性模拟分析、实验室实验研究和工程中试研究),海水源和污水源热泵的特殊措施(防腐、防堵、淋激式换热器、干式自除污壳管式换热器等),水环热泵空调系统的问题与对策(合理选择应用场合、向系统水环路中引入外部低温热源、采用混合系统等)。

热泵工程典型案例分析实为开拓创新知识。它的特点善于在案例分析中提出一些创新观点与所悟。这些新观点与所悟可能有的不一定经住考验,但是它们也会给人启发。

通过了解世界各国的热泵发展历程,看到一个具有如此大前景的热泵产品,却因技术问题、设备费用高、能源价格低等问题,而导致热泵的发展过程曾多次出现热泵发展停滞、热泵市场下跌等问题。因此,我们就提醒大家,我国应很好吸取各国发展热泵的经验与教训,以避免今后我国热泵快速发展中出现类似的热泵发展停滞现象。

众所周知,一本特色鲜明的教材是一个持续成长、成熟过程的产物。2016年姚杨、姜益强、倪龙以《暖通空调热泵技术》教材申请了住房城乡建设部土建类学科专业“十三五”规划教材,报告获批后,经过三年多努力,完成了《暖通空调热泵技术》(第二版)(简称为第二版教材)修编工作,由马最良担任主审,于2019年末第二版教材正式出版。与第一版相距11年,这11年是我国热泵发展过程中很不平凡的时期,有创新的理念与技术的问世,有成功的经验积累与热泵市场下滑的教训总结,需要我们撰写者很好思考与总结。因此,在第一版的基础上,基本保留第一版教材的框架下,对第一版教材进行增删调整,增加地源热泵系统存在的问题与对策、空气源热泵近年来的研究成果(如空气源热泵系统多区域结霜图谱、误除霜事故、除霜新技术)、水环多联机热泵空调系统等新章节,使第二版教材更有特点,也使我们更明确在未来热泵发展中走什么样的路。诸如:

热泵系统是转移热量,而不是产生热量的系统,并在转移热量的过程中实现能级(品位)的提升,从而使热源端不能直接利用的低位热能变为可以满足热用户(热汇端)要求的用热品位的热能。因此,我们就由热泵系统是回收和利用低位热能的有效技术升华到热泵系统视为热能再生系统,热泵可以在能源应用工程中担当用能的重要角色。这一概念的提出,无疑会对未来的可再生能源的开发利用与发展具有重要的战略意义。

热泵低温热源各具不同的特征,应注意不同的低温热源对热泵系统产生的不同影响,热泵系统又如何调整去适应它。同时也要注意到热泵系统的长期运行对低温热源是否带来新的问题,对低温热源又会产生什么样的变化,如何解决等等。热泵若以电为驱动能源的话,我们应该注意到:在发电中相当一部分一次能源在电站以废热形式损失掉了。因此从能量观点看,使用燃料动力发动机来驱动热泵更好。它可以将发动机损失的大部分热量通过热回收系统输入热泵供热系统,这样就可以大大提高热泵系统一次能源利用率,更好地展现热泵的节能效果和环保效益。

目前,燃气锅炉供暖方式是北方城市的基本供暖方式之一。由于它用能极为不合理,不能称燃气锅炉供暖方式为清洁供暖方式,只有通过用低位可再生能代替燃气(天然气),才能使现有的建筑供暖系统变为清洁供暖方式。为此,用空气源并具有热回收的燃气热泵供暖系统替代现有的燃气锅炉供暖系统势在必行。空气源并具有热回收的燃气热泵供暖系统的应用前景十分广阔,应引起我们的关注,并加大研究与开发力度,力争早日商品化。

中国的地埋管地源热泵空调系统规模一般较大,不同于其它国家与地区,几十万平方米的地埋管地源热泵工程实例时有介绍。这么大规模的地埋管地源热泵的低温热能从哪里来?来源的量够不够?来源的热量能持久吗?这一切都有争论。有人认为浅层地能是一种资源,地埋管地源热泵是以“浅层地热能资源”为低温热源,且“浅层地热资源”在我国应用的区域非常广泛。我们认为浅层岩土蓄能+浅层地温能才是地源热泵可持续利用的低温热源。通过蓄能技术将夏季热能(如太阳能、室外大气热能、空调冷凝热等)转移到浅层岩土中储存起来,冬季再通过热泵技术将浅层岩土层中热能取出向用户供暖。在此过程中,浅层低温能作为一种辅助性的调节用能,它是地源热泵安全用能的一种保证。

在第二版教材中撰写一节“水环多联机热泵空调系统”,这是水环热泵系统和水冷变容量热泵式多联机系统的发展,其系统既保持了传统多联机系统和传统水环热泵系统的优点,又由于水环路的引入给新系统带来了一些新的特点。为了推广水环多联机热泵空调系统在我国空调系统工程中的应用,今后我们应加大对此系统研究力度,早日用于实际工程中。


疫情期间,在家重读这三本热泵教材,边阅读边思考,颇有感触,想到几点体会,值得一提:

1 静下心认真想一想,在这改革开放时代里,我有幸能为我国的热泵普及工作,做出自己的一点贡献

参加撰编两部教材和主审了第二版教材(当时,年事已高,又有病,主动退出编写工作)。这三部热泵教材被广泛地传播,经受了时间的考验,实属不易。我还给研究生开出多年的热泵选修课,在几十年的热泵教学中,深深感到通过几十学时、甚至十几学时的热泵选修课的学习,完全可以把学生引进到“热泵技术”之门内,起到一个引路的作用。在改革开放几十年里,能给热泵普及工作留下了一笔。想起这些往事,很值得珍惜的,也是很自豪的,让我十分知足。

2 哈工大暖通空调人始终有重教书的老传统

预见专业的新发展,不断开出新课,远在1957年,徐邦裕教授率先为“供热、供煤气与通风”专业开出“制冷”课,为以后全国“老八校暖通专业”向着空调方向发展打下基础。又在1983年徐先生又率先开出“热泵”选修课,29年后,又给2012年全国暖通空调专业调整为“建筑环境与能源应用工程”专业提供一门专业课程,热泵在能源应用工程中具有非常重要的地位与意义。

新课开出后,就着手新教材建设也是我们的老传统。如1983年徐先生开出“热泵”课,于1985年形成校内教材,1988年正式出版国内第一本《热泵》高校试用教材,2008年正式出版《暖通空调热泵技术》,2019年出版《暖通空调热泵技术》(第二版)“十三五”规划教材。这三部教材说明:哈工大热泵团队,就是一代人传一代人,接力前进,继续向上攀登,后一代人站在前一代人的肩膀上,使后一代人看得更远,走的更远。一代人又一代人具有这种甘为人梯的宽厚胸怀,这就是我们为热泵奋斗终生的一种精神,要坚守传承。

3 莫嫌教材内容浅,书香味更浓

热泵教材是初学者的第一本专业理论与技术的入门书籍。不要像以往教材中强调教材的内容前沿性,将教材撰写成专著类书籍;也不要像以往教材强调教材内容紧密联系工程实际,将教材撰写成实用产品、相关数据样样聚全,多而全的工程设计类书籍。《暖通空调热泵技术》以讲解基本原理、基本知识、基本技术手段为主,将热泵新知识、新理论和技术充实到蒸气压缩式热泵技术与系统中去,少而精地介绍一些工程应用中的实际问题,但不面面俱到。为学生提供符合时代需要的教学内容,这才是读者从事热泵技术工作的最基本知识。在今后的工作中,只要你对热泵感兴趣或工作需要,通过再学习、再思考、不断地实践,完全可以成为一名优秀的热泵工作者,甚至成为热泵专家。我的几十年热泵技术的教学实践中,培养出的学生就已证明了此道理。

4《暖通空调热泵技术》(第二版)第10章中明确指出:案例分析与评价是编著者所写,其内容与理念只是编著者从某个角度对案例的鉴赏、判断与理解,并非标准答案。只是启发学生对案例的理解

因此,更期待学生在掌握前几章内容后,通过自己的真实感受和独立思考,给出自己的案例分析与评价,以更好地培养自己深度阅读和判断思维的能力,这才是撰写案例分析与评价的真正目的。这就是我们编著热泵教材的理念:给读者的不单单是热泵的基本知识与技术,而重要的是给读者的一些问题与思考。

有价值的体会并不多,也非常肤浅。在家隔离这段特殊日子里,写点东西,也是一种难忘的乐趣。盼“疫”散,“疫”霾时也得干活。

2020.4.2 于北京


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