只做有“温度”的绿色科研,这位第一完成人14年囊括国家科技奖励三大项目奖

图片
在上海交通大学制冷与低温工程研究所,王如竹长期关注“冷暖变化”,干了20多年所长。这一次,凭借从北京“鸟巢”到漠河“北极村”等项目应用,他们创新攻关“采热供暖”,再度拿下国家级奖项。
图片
王如竹(右二)及其团队。
6月24日,这位上海交大机械与动力工程学院教授带领团队,获得国家科技进步奖二等奖。据悉,这是王如竹以第一完成人身份,最近14年来收获的第三座国家科技大奖。而且,从国家技术发明奖到国家自然科学奖,再到今年的国家科技进步奖,他们囊括了国家科技奖励的全部三大项目奖。
图片
空气源大温升热泵蒸汽发生系统。
解放日报·上观新闻记者了解到,2010年,王如竹等人的“太阳能空调与高效供热装置与应用”项目,获国家技术发明二等奖;2014年,其“吸附式制冷的吸附机理、循环构建及热设计理论”项目,又获国家自然科学奖二等奖;2024年拿奖的,则是“空气源热泵多品位热能高效供应关键技术与应用”项目。不难发现,这支团队只做有“温度”的绿色科研,引领清洁能源高效供应,助推低碳减排可持续发展。
图片
空气源热泵热水器。
【1份电、搬3份热,4倍于电加热】
据国际能源署的研究报告,供热是全球最大的能源终端消费领域,当前向住宅、工业部门以及其他用途的供热约占全球总能耗的50%。
在过去很长一段时期,我国供热以煤炭为主,碳排放高,燃煤供热还曾造成严重雾霾。面向国家“双碳”战略,热能减碳任务艰巨。随着可再生电力占比提高,供热技术正逐步从传统化石燃料燃烧,转型为电气化低碳供热。
作为电气化低碳供热的关键技术,热泵可以通过消耗1份的电,从低温环境热源,如水源、地源、空气源、余热中,额外吸收搬运3份的热,实现4倍于电加热的供热能力。
目前学界普遍认为,若热泵全面应用于规模化供热水、采暖和供工业蒸汽等场景,可实现全社会减碳15%到22%。其中,空气源随处可取,更适合热泵的大规模推广。
在这一能源应用趋势下,项目团队在国家科技计划和校企合作项目支持下联合攻关,历时20年掌握了热能品位广、供热效率高、应用范围宽的“空气源热泵的多品位高效供热系列关键技术”,并实现了热水、采暖以及工业蒸汽的高效供应。在商用领域,他们首创空气源大温升复叠热泵蒸汽发生系统,最高输出温度可达到150℃,为工业热能供应提供了新选项。
图片
王如竹等现场考察技术应用。
【超低温“破冰”,极寒地带照样供暖】
相比“烧管道气”的最常见燃气热水器,空气源热泵热水器则利用周边空气作为低温热源,来制取生活热水。它主要由空气源热泵循环系统和蓄热水箱两部分组成,通过消耗部分电能,把空气中的热量转移到水中,从而制取热水。
已应用王如竹团队关键技术的产品,实际运行测试表明,在室外干湿球温度计分别测得20℃、15℃的环境中,空气源热泵热水器把15℃冷水加热到55℃时,其性能系数达到4.73,处于国际最高水平。从全年运行的平均供热性能系数看,是传统的电加热热水器用电量1/4。
图片
超低环温空气源热泵采暖机。
但不得不承认,在北方极寒地带,传统空气源热泵往往难以施展拳脚。面对这一挑战,项目团队研发出一项革命性的技术——气液混合喷射压缩技术。它巧妙地将制冷剂蒸气与液体同时注入压缩机,不仅显著降低了压缩机排气温度,而且也提高了热泵的制热效率,还确保了供水温度能够满足多样化的采暖需求。即便在-35℃的极端低温环境下,空气源热泵也能稳定高效地运行,实现了从家庭住宅到大型公共设施的全面适用性。
该技术在一系列标志性项目中得以成功应用,不仅北京“鸟巢”场馆的采暖项目确保了赛事的舒适环境,在素有“中国北极村”之称的漠河,低环温空气源热泵直面-40到-30℃的极端低温挑战,稳定供热保障了20℃的室内温度,有力证明了空气源热泵在超低温环境下的可靠性和高效性。
图片
采用小温差换热末端的高效空气源热泵冷暖机。
【小温差换热末端,35℃进水供暖保湿】
“解剖”这一空气源热泵项目的内部,可谓“细节决定成败”。原来,其低水温风机盘管,利用“小温差换热末端技术”开发,将小管径铜管与波纹铝翅片相结合。
只见里面的铜管就像细密的血管,虽然管径纤细,却大大增加了与外界“交流”的表面积,让热量传递更加亲密无间;而那些波纹状的铝翅片,就像无数个小风扇,不仅扩大了热交换的空间,还加速了热量的“奔跑”速度,让冷凝过程变得更加轻松愉快。
由于这样的室内换热风机盘管显著提升了单位体积的换热能力,可以只用35℃热水高效供热,降低了整个热泵系统的供热水温度需求,较传统的45℃热水供热,使得热泵制热效率提高近30%。
在这一高能效比的换热新方案下,在冬季,即使风量较小,机组也能迅速将热量传播至室内,而且进水温度只需要35℃就能达到良好效果,确保了24小时采暖的高效运行。不仅即开即热,快速升温,减少了不必要的能源消耗,而且其空气源热泵水系统的供暖方式使得室内湿度得以保持,避免了空气过于干燥的问题。
而在夏季,当需要制冷时,通过加大风量,循环冷媒的温度在12℃-15℃便能轻松达到制冷要求,且无强力送风的不适感和噪音干扰。