马最良教授谈地源热泵的推广应用科学之道

    作为国内最早研究地源热泵的知名专家之一——哈尔滨工业大学市政环境工程学院的马最良教授一直孜孜不倦的在地源热泵空调领域从事理论研究和教书育人工作，他不但亲身见证了我们国内地源热泵技术和应用的从无到有乃至挤入世界前例，还亲自参与了国内最早的地源热泵技术的研究工作和井水源热泵恒温恒湿机组样机的研发工作。近年来，许多媒体都报道我国的地源热泵的发展和应用已占据世界第一的位置，我们的地源热泵真的是世界第一了么？地源热泵目前的红火还能持续多久？地源热泵要怎样发展才能长盛不衰？带着这些问题，本刊记者于春节前专访了马最良教授。

    挑战世界第一：条件？实力？

    面对记者直截了当的询问“中国的地源热泵是否已具备世界第一的水平？”这一问题，马最良教授表示尚不认同这一说法，他认为我国地源热泵发展确实很迅速，具备了挑战世界第一的条件，但不具备挑战世界第一的实力，还有很长的路要走，目前，提世界第一还为时尚早。为什么说我们具备了挑战的条件，其理由为：

    第一，我国是一个地大人多的国家，做什么事情，都会是世界级的。当然对于地源热泵而言，从项目数量和单体项目服务面积上都是世界级的。近年来我国地源热泵发展速度非常快，在建筑中使用数量急剧上升，截止到2009年底我国地源热泵服务面积已达1.4亿平方米。项目的数量前几年每年在以20%-25%的速度增长，地源热泵应用示范项目全国有324个项目（第一批16项，第二批42项，第三批130项，第四批136项）。我国热泵空调系统应用规模由中小单体建筑转向大型建筑群住宅小区，采用了地源热泵系统的几万平方米乃至几十万平方米的小区都已很多，个别城市甚至在建上百万平方米的超大型地源热泵项目。而国外热泵空调系统应用规模大部分是中小型建筑。与此同时，我国的热泵产品市场份额也逐年递增，地、水源热泵生产商和销售商、施工企业都逐年增多，整个行业这几年已进入快速成长期。我们目前所具备的这些条件，都是世界上其他国家没有的。

    第二，随着我国地源热泵这几年的快速发展，与地、水源热泵相关的论文、著作也不断增多。如果从技术上来讲，这些进步都很大，而且国内地源热泵的一些院校以及企业也做了很多独特研究工作，从引进、仿制逐步走向正确的发展之路，发展形势喜人，前景乐观。比如：哈工大的空气源热泵蓄能除霜系统、单、双级耦合热泵系统、恒有源科技的地源热泵单井回灌系统及许多高校都在从事的地埋管换热模型等研发工作。其中的部分地源热泵技术甚至开创了行业先河。

    第三，从工业体系上看，我国地源热泵行业形成了以生产、销售、安装、设计为主的工业体系，初步形成中国热泵工业发展的基础，为迎接新的发展打下坚实的基础，积蓄了发展我国热泵的力量。并且从事该行业的人员也已达到数十万。

    如果只从上面几方面来看，我国地源热泵已有的工程数量、应用面积以及项目规模、从业人员人数都称得上世界第一，“因此，我认为我们是具备了向世界一流水平挑战的条件，但还没有达到实力第一，要达到实力第一还需要一个过程。”

    可以说，目前我国地源热泵的发展还不能起到推动世界地源热泵发展的作用，缺少有影响的典型工程案例，文献被国外引用的更少，我国地源热泵空调系统中还存在急待解决的问题。马教授进一步说，“要想把‘条件’变成‘实力’，我想在接下来几年里应做好以下几项工作：首先，我国热泵的应用与发展应进入一个以质量为核心的新的发展阶段，先做好自己的发展；其次，人才培养是行业可持续发展的源动力，要培养出一批热爱热泵事业，要敢于创新，勇于进取，敢于实践的专业人才，更要培养出一批具有世界影响的热泵人才；最后，面对热泵发展中的各种关健技术问题，要走技术创新之路，我们要加强地源热泵的基础性研究工作。”

    推广和应用地源热泵，质在先，量在后

    近年来，我国的地源热泵应用具有范围广（公建、商业、工业、民用等多领域都有应用）、发展快、规模大等特点，但在其发展中也逐渐暴露出一些技术、设计、施工和运行中的问题，而这将可能为热泵技术在我国应用带来许多不可预见的问题。马教授指出，我们做了一大批地源热泵项目，不管是成功的还是有问题的项目，对我们来说都是一笔宝贵的财富，我们应该珍惜这笔财富。他强调，“我们要关注地源热泵发展进步中出现的问题，出现问题不可怕，可怕的是对问题不研究、不解决，一弃了之，我们盯着存在的问题是为了更好的发展。”

    谈及地源热泵在发展进步中存在的问题时，马教授表示，地下水源热泵、地表水源热泵和地埋管地源热泵三者有共性的问题，也有个性的问题。共性问题表现为：其一，即系统的能效比太低。他举例说，在一次对已建成并投入运营的地源热泵系统抽样测试中，在供暖季共选取了25个项目：其中采用土壤源热泵系统的11个，采用了地下水水源热泵系统的8个，采用了海水源热泵系统的3个，采用了污水源热泵系统的3个。11个土壤源热泵系统的COP平均值为2.74，其中最低的是COP仅为2，最高的COP为3.6（一流水平）；8个地下水水源热泵系统中最低的COP为1.86，COP最高的3.05，COP平均值为2.48；在3个海水源热泵系统中，COP最高的是2.36，COP最低的2.08，COP平均值为2.18；3个污水源热泵系统中，COP最低的是1.5，最高的是3.07，COP平均值为2.36。平均下来，这25个系统的COP基本在2-3之间，最低的是1.5，最高的是3.6，2-3之间的占77.28%；COP小于2的占9.09%；COP大于3的占13.63%。这些地源热泵系统的COP从整体来看，并不高。因此，我们关注的焦点应该从热泵机组的能效上转移到系统性能系数上，更应该从某一工况的系统性能系数转移到系统季节性能系数上评价其系统的节能性。为此，我们要强调系统的优化设计，从整体每一个环节（低温热源、驱动能源、热泵机组、热用户、热泵空调系统等）上来考虑节能问题。其二，粗放式的管理。在对工程设计、施工、监理和验收等环节中，缺乏有效管理规范工作，甚至有的地源热泵建成投入运营后，没有专门的后期管理运行人员。其三，政府的监管力度不够。在新项目的勘察论证上，一定要杜绝盲目性，不能为了节能的要求而盲目上马地源热泵项目；在地源热泵的项目设计、施工、验收、能效测评等各个环节中要严格把好审查关；形成完善的监督体系，对违法现象应加大惩罚力度。

     图为哈尔滨工业大学教授马最良

    存在的个性问题主要表现在：地下水源热泵系统井泵功耗过大，地下水回灌困难，腐蚀和水质等问题；地表水源热泵系统供设计用的地表水基础资料缺乏，设计数据常用国外资料或采取类比方法粗略估计，大型热泵站驱动能源的合理选取，供热泵用的地表水源热泵承载能力等问题；地埋管地源热泵系统投资相对较高，占地面积大，对浅层岩土蓄能加浅层地温能才是地源热泵可持续利用的低位热源的认识不一，对夏季自然供冷（免费供冷）潜力巨大认识不足，地下水流动是地埋管换热器换热过程的重要影响因素，大容量地埋管换热器管群运行的可持续性，改善地埋管管群周围土壤热环境恢复的技术措施等。

    为了解决这些问题，今后，地源热泵空调技术在中国应进入一个“以质量为核心的新的发展阶段。”

    行业的发展离不开基础性研究

    在采访中，马教授还向记者讲述了地下水回灌这一特殊问题。他介绍，地下水源热泵应用于工程已有60多年的历史，在这60多年中时常暴露出回灌失效的问题。有一项调查数据显示：美国Dillon等人调查了40个地下水源热泵的回灌井，发现其中80%的回灌井出现堵塞现象，而出现问题的回灌井中有65％的井回灌堵塞原因已经查明，还有15％的原因尚不清楚。据《沈阳城市地下水源热泵运行状况调查及分析》统计，在沈阳市抽样调查的60个地下水源热泵中，只有31个能完全回灌，仅占到51%。

    “在目前的技术条件下，我们应该认识到地下水回灌问题是一个普遍存在的重要问题。”马教授指出，“因此在运用的时候就要谨慎，首先要从思想上重视起来，在设计、施工及监理过程中严格按照相关规范操作进行。其次，要加强研究。 一方面，掌握先进的回灌技术，提高成井工艺和成井质量；另一方面，加强对地下水的基础性研究工作并积极寻求易于回灌的地下水源热泵形式与回灌技术，从源头上解决回灌堵塞问题，学习其他专业（如：水资源管理、地热资源开发与利用、地下含水层储能等）的回灌经验与技术。最后，政府有关部门对地下水源热泵的回灌问题应进行长期有效的管理与监督，通过经济罚款手段（如对排掉的水应加收排水税）杜绝业主取水不全部回灌现象。”

    “过去我们的研究是基于实际工程来研究的要多一些，以地源热泵项目为基础，基于实践摸索出规律来解决问题，缺乏基础性研究。” 马最良教授举例说，“比如地埋管问题，基础研究就不够。各地虽做了大量的地埋管工程测试和热响应实验，但这些测试结果和数据却只是一个地方的研究数据，它具有一定的局限性，测的再多也只能应用在当地，如果直接搬用在其他地方，则其试验数据势必会带来很大的误差，甚至是错误的，这对科学有效的推广使用地源热泵不利。如果把热泵的基础性研究工作做好了，热泵的基本问题自然也就解决了。”

    “另外，现在地埋管地源热泵系统中存在冷热不平衡的问题，这种地下换热器要求冬夏热平衡问题虽然现已成为国内业内人士的共识，但这种理念将会导致出现：地埋管地源热泵系统适宜区的局限性；地埋管换热特性难于同冬季供暖特性耦合，又要与夏季空调特性耦合；客观上起到季节蓄能作用，但夏季向土壤中释放冷凝热又没有按蓄能理论和技术去实施等。那么，我们完全可以引入以年度为时间步长的浅层岩土储能理念去研究它，这样可带来的好处有：应用系统的适宜区更为广泛；可提高冬季土壤温度，使热泵工况能效比更高，它的可靠性也高；保证了大容量地埋管管群运行的可持续性，也便于它的优化设计。”

    推广地源热泵仍将因地制宜

    马教授指出，对于地源热泵的推广，我们一定要尊重科学、严格论证，因地制宜地制定科学、高效的系统应用方案。这个问题虽然是老生常谈，但还有必要强调它。世界各国热泵的发展都是依赖本国的国情、地理位置、能源政策和人的意识等诸多因素，这对我国各地区热泵的发展有很好的借鉴作用。因此，今后推广地源热泵要充分考虑中国的国情、气候条件、能源结构、能源比价、人民的生活水平和政府政策等。而不是只用外国热泵系统在中国套用，要根源于本土，因地制宜的应用它，发展它。

    他进一步指出，北方和南方使用的地源热泵机组应该有所差异，生产厂家完全可以根据各地的实际情况，做相应的配套生产。例如，北方的地埋管和南方的地埋管出水温度相差比较大，北方的出水温度比南方的低很多，因此蒸发温度就要提高，所配的地源热泵机组容量和两器相应的就应该有所区别。

    “另外，我国南方地区的地表水资源丰富，适合于发展地表水源热泵。如果确实需要采用地埋管地源热泵，在设计、安装时应该要按照冬天的采暖负荷来设计，不要按照夏天的负荷来设计，否则会增加很多的地埋管数量。实质上热泵冬天的供暖才是最重要的。南方有些地区如果适合采用空气源热泵就不应该再去采用地源热泵，毕竟空气源热泵的造价更低，极端的气候出现的频率是不多的，在大部分的时间内性能也可以。此外，需注意的是南方供暖也不能忽略空气源热泵的除霜问题。还有的地方可适当的发展燃气热泵应用，总之，因地制宜的推广和使用热泵，才能发挥出热泵的最大效益。”

    在继承中发展  在发展中创新

    哈尔滨工业大学早在20世纪60年代中期，马最良教授在徐邦裕教授和吴元炜教授的带领下开始了热泵研究工作的历程。哈工大人凭借自强不息、开拓创新的奋进精神，在不同年代里都留下了永久足印，他们运用自己的知识才干和科研成果积极推动着我国热泵事业的发展。

    1965年，马最良教授加入了由徐邦裕教授、吴元炜教授领导的科研小组团队。该团队在国际上首次提出应用辅助冷凝器作为恒温恒湿空调机组的二次加热器的新流程。并于1966年生产出第一台样机，该样机被命名为LHR-20A型热泵式恒温恒湿空调机组。样机用在大庆某机修厂精加工车间内，这是国内第一个用国产水源热泵机组实施的恒温恒湿工程，并做了全年测试工作。

    20世纪70年代，该团队研制出HR-20机组，该机组主要技术经济指标达到了国内较先进水平，尤其噪音指标接近国际先进水平；20世纪80年代建成了我国第一台标定型房间热平衡法实验装置；20世纪90年代对水环热泵空调系统运行能耗提出了三种评价方法，初步得出了水环热泵空调系统在我国的应用评价；进入21世纪后，该团队提出研究和开发热水供应的家用空调器、单、双级耦合热泵系统、地埋管换热器热渗耦合理论与实验研究等研究课题，随后开展了大型热泵站在我国应用的预测分析评价工作。

    热泵的普及工作于20世纪80年代开始。1983年，徐邦裕教授开辟硕士研究生热泵课程，1985年编制校内热泵教材，1988年正式出版第一本热泵教材，并且开始在全国高校得到推广使用。随着地源热泵的快速发展，（马最良教授及他）所带领的哈工大热泵研究团队有关热泵方面的著作也陆续编辑出版，如《热泵》、 《制冷技术与应用》、《民用建筑空调设计(第1版及第2版)》 、《水环热泵空调系统设计（第1版及第2版）》、《热泵技术应用理论基础与实践》、《地源热泵系统设计与应用》、《暖通空调热泵技术》、《空调工程中的制冷技术》等著作与教材。

    马最良教授在采访中表示：“在哈工大做热泵研究和教学工作的40多年里，我体会最深的是，在做热泵课题研究过程中，要牢记俗语所言，“你是块好钢，能打几个钉”，大家要有一个团队的精神，要坚持“和而不同”、发挥各自的优点，真诚合作，终有回报。俗话说的好，众人拾柴火焰高。如果没有一个核心的团队，那么任何事情是做不好的。”

    采访临近末尾，马最良教授对记者表示，“热泵的研究要立足于实际，热泵选题不能像向日葵一样围绕着太阳转动，也不能像放风筝那样随风飘，要有一个战略的思想，抓住基本问题，重要问题去研究。在做研究的过程中更要有一个坚持的精神，潜心研究，慢工出细活。作为高校，搞科研不能盲目跟风，目标定的太远大只能是不现实的空想，只定眼前的又太实际，要介于两者之间来研究。也就是说高校的研究题目应该是既不在天边，也不在眼前。”

马最良教授简介：
哈尔滨工业大学博士生导师，九三学社社员。曾是中国制冷学会理事会理事、黑龙江省制冷学会副理事长、黑龙江省能源研究会副理事长、中国建筑装饰协会暖通空调委员会理事，《暖通空调》、《地源热泵》等杂志编委。从事的主要研究方向有：热泵技术在暖通空调中应用理论与实践；暖通空调设备的研制与开发；暖通空调设备性能试验方法的研究与发展。研究成果累累。著有《热泵》、《制冷技术与应用置》、《建筑节能技术》、《民用建筑空调设计(第1版和第2版)》、《水环热泵空调系统设计（第1版和第2版）》、《热泵技术应用理论基础与实践》、《地源热泵系统设计与应用》、《暖通空调热泵技术》、《空调工程中的制冷技术》（第1版和第2版）等著作与教材。

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