科创中国

2018年环保部实施《打赢蓝天保卫战三年行动计划》指出重点区域是京津冀及周边，重点时段是秋冬季。“行动计划”要求构建清洁低碳高效能源体系，从实际出发有效推进北方地区清洁取暖。在政府主导下，联合企业及研究机构开展了大规模实施“煤改电”工程。在清洁采暖技术方案论证中，清洁高效的热泵技术成为采暖设备改造首选，但当时缺乏针对性产品。 城郊及农村地区供暖的特征是建筑分散、房间多，安装条件各不相同，这为空气源热泵的设计、安装带来了挑战。分散民宅建筑漏热量大，所需热负荷高，对室内末端的温度及其启动性、均匀性要求更高；此外，结霜问题是影响空气源热泵运行的另一关键问题。北京地区冬季气温-5℃~5℃时间较长，是热泵结霜的严重温区。结霜使热泵蒸发器的热阻增加，造成整机性能衰减。5匹以下小型热泵使用的逆循环除霜，而在兆瓦级的大型空气源热泵逆循环除霜不再适用，高效精准除霜是中大型空气源热泵高效运行稳定运行的关键问题。

1）针对住宅研究出带自然对流末端的热泵系统，包括热管式和丝管式末端。最大程度减小了主机与末端的传热温差，具有无水不需防冻的优势。系统制热性能系数高于常规系统15%以上；系统启动速度快，末端的温度均匀性更好舒适度更高；此外，末端的模块化生产大幅度降低了制造成本和安装成本。 2）在传统的蒸气压缩式热泵冷热水机的基础上，研发出热泵驱动分体式水循环结构，并实现了产品化。分体式热泵系统适合多房间、长距离热量输送，能有效防止冬季低温环境下水路冻结损坏机组；针对此机型研发出新型控制策略，在高温保护、部件启动/停止顺序上推演出全新逻辑，确保系统高效率安全运行。 3）针对替代中大型燃煤锅炉的MW级空气源热泵，提出模块化室外单元和过冷交替融霜技术，实现不停机除霜且显著降低除霜对设备的冲击。开发出容量MW级的准二级压缩螺杆空气源热泵机组，工作温度降低到-30℃以下仍能保持较高的制热能力和能效比。

本项目研制的“煤改电”新型热泵供热关键技术广泛适用于“煤改电”工程、以及北方的供暖设备。

团队包含教授1名，副高级职称4名。目前在读博士研究生3名，硕士研究生20余名。项目团队长期从事制冷、空调设备循环机理和性能改善等方面的理论研究和新技术研发，以及多组分低沸点介质热虹吸管循环机理及其利用自然冷源特性的研究。在国内外率先展开适合寒冷气候的空气源热泵循环机理和工作特性研究，提出了准二级压缩-喷射复合热泵系统和复合热管散热末端的热泵供热系统。近年来，承担国家自然科学基金、国家重点研发计划和企业委托等科研项目10余项；公开发表学术论文80余篇，其中在Energy Conversion and Management、International Journal of Refrigeration、Energy and Buildings, Applied Thermal Engineering等本领域重要期刊上发表论文20余篇；获得专利近30项，其中授权发明专利10项。项目团队的部分研究成果已经应用于同方人工环境、珠海格力和青岛海尔等知名公司的技术研发，研制出的产品获得批量生产和推广应用，产生了显著的经济效益和社会效益，与这些公司获得北京市科学技术奖等科技奖励3项。

理论研究方面，北京工业大学已经完成了传热分析、循环仿真和实验室小试，基本摸清了其设计理论和控制方法。与企业联合研发出热管耦合式空气源热泵，在北京、河北省及山东地区建立示范项目5项，项目的采暖面积60平米-120平米。机组连续运行2个完整供暖季未出现大的故障报警，用户反映采暖效果良好。带过冷交替融霜技术空气源热泵，在公共建筑中获得了应用。张家口太子城综合枢纽是2022年冬奥会配套工程，在空气调节设计中使用海尔超低温双级螺杆空气源热泵机组，其中采用了制冷剂液体过冷除霜/除冰防冻技术，系统在结霜情况下运行良好，除霜准确彻底。

与企业联合开发，或专利转让等。