在追求节能的今天，系统节能中最不可忽视的是用能设备的效率提高。产业界对于制冷空调机组产品能效的提高倍加关注，多年来核心的关注一直集中在压缩机和换热器的优化方面。但研究机构对于用能设备提高效率如何达到极限的科研一直在做更多的努力，“膨胀机代替节流阀的技术”就是这一努力的重要成效。天津大学的科研团队对于“膨胀机代替节流阀”课题的研究已经进行了十多年，暖通空调在线对项目带头人马一太教授进行了专访，为广大专业网友系统梳理这一研究进展的情况及发展趋势。马一太教授从事教学与科研三十多年，他提出的有关“自然度”和“完善度”的科研思想，也值得我们思考。
马一太教授： 1968年毕业于天津大学动力工程系，1982年在天津大学热物理工程系获硕士学位。1987-1988年赴联邦德国埃森大学攻读中德合作培养博士学位，1989年获博士学位。主要从事应用热力学研究、逆循环（制冷和热泵）节能技术的研究、混合工质节能及自然工质研究、太阳能、地热能等可再生能源利用研究等工作。 [马一太教授百科]
关于课题
暖通空调在线：马教授您好！非常感谢您接受暖通空调在线的专访。我们在行业的一些学术研讨会上聆听过您对于“膨胀机代替节流阀技术”的相关报告，非常希望您能就这一技术研究领域的情况为我们做一些梳理。暖通空调在线高端访谈栏目一直在努力追踪行业科研课题与产业结合的热点，期望能够为优质科研成果转化尽力。首先请您介绍一下“用膨胀机代替节流阀”这一课题的引出背景及这个思路会带来的产品节能方面的影响，当前节流阀的使用中存在的普遍问题有哪些？
马一太教授：空调制冷系统用膨胀机代替节流阀可回收膨胀功，在制冷原理上制冷循环来自逆向卡诺循环，而逆向卡诺循环就有膨胀机。由于膨胀机制造成本较高，长期以来，在普冷范围的蒸气压缩制冷循环（也包括热泵循环）就用一个简单的节流装置代替膨胀机。
对于普通工质的亚临界循环，根据工质种类不同和工况不同，理论上膨胀机可回收的功占压缩功的5%～10%，而对于CO2跨临界循环，可能占压缩功的20%以上，更为可观。这部分功如果能回收回来，一方面可减少压缩功的消耗，另一方面对于制冷循环，等于增加了同样数量的冷量，这样对EER的贡献是双倍的，考虑CO2膨胀机的效率，通常可以提高能源利用效率10%～20%。我国是制冷与热泵装置的生产与使用大国，其能耗巨大，如果普遍提高效率5%～10%，对于全国也是重大的成绩，所以用膨胀机代替节流阀有着重要的节能意义。
当前普遍使用的节流阀，包括电子膨胀阀，结构简单，运行可靠。其浪费的能量在过去并不受人注意。但是对于CO2跨临界循环，其效率低不是一般的低，比起普通工质其EER低20%～30%，一直是影响该系统走向应用的主要障碍。理论研究表明，膨胀机代替节流阀能够最大幅度地提高制冷系统的效率，只是膨胀机还有待于技术上的实现。
如果把研究引向普通工质中，虽然节流阀相对损失小些，但基数很大，节能潜力巨大。研究主要解决在大膨胀比下工质气液两相流膨胀机的设计，如NH3，R290 以及其他的普通工质如R134a 和R410A。而近年来研究的CO2 工质做为制冷剂时容积膨胀比相对其他工质要小。
在深冷范围也采用蒸气压缩制冷循环，因为压缩比大，若用节流阀会由于节流损失过大而无冷量输出，无一例外地要采用膨胀机。这些膨胀机在结构、运行方面已经有了丰富的经验，方面也有许多理论上的共同点，可以借鉴到普冷范围。但在这方面也不是简单照搬，原因有以下三个方面：
1、深冷范围为了抽取冷量是不计较能耗的，膨胀机的采用是为了能获得较多的冷量，膨胀机结构上基本是离心式，可实现增加冷量，但不回收膨胀功，而是采用阻尼装置将膨胀功转化为热；
2、这种膨胀机在成本上较高，其制造工艺复杂；
3、只有外国大公司掌握低温膨胀机的技术。
总之这项研究已经起步，希望能取得实质性进展。
关于成果
暖通空调在线：谢谢您系统而简约地介绍了这一课题设立的意义和应用领域的拓展。经过十多年的研究，这一课题的研究成果目前获得的认可怎么样？获得哪些奖项？
马一太教授：天津大学热能研究所从2000年就开始了CO2膨胀机的研究，通过申请国家自然科学基金、科技部科技支撑、863计划、教育部博士点基金、天津市自然科学基金、与松下公司和韩国LG公司合作等，从理论到实验进行了深入的研究，研究结果无论从公开发表论文，还是验收报告，都得到业内的充分肯定。样机主要包括滚动转子式和摆动转子式两种。该膨胀机的效率为40%以上，最高效率达到50%。这些成果在很多刊物上发表，得到国内外同行的认可。
2008年我们“CO2跨临界循环系统用新型膨胀机的研发”得到中国制冷学会科学技术发明奖（相当于省部级奖）。
关于创新
暖通空调在线：请您阐述一下CO2制冷空调系统的技术创新进展，以及用膨胀机代替节流阀技术创新的具体技术体现。
马一太教授：CO2制冷空调系统主要有四方面的技术创新进展：
1、在日本已大批量生产和销售家用 CO2热泵热水器，出水温度达65℃～90℃，并可用于寒冷地区，能效比COP达到较高水平。
2、在欧洲和美国，CO2制冷系统普遍用于超市展柜，其中采用双级压缩技术、喷射器技术和复叠制冷技术。
3、在大型冷库和冷链车间，氨∕CO2复叠系统技术趋于完善，并大量走向应用。我国烟台冰轮集团在这方面取得很多工程应用成果，也是有目共睹的。
4、近年来发展比较快的是CO2 膨胀机，主要还是实验室研究。除我们的研究外，还有以下一些机构的一些成果：
德国DRESDEN大学根据空气分离系统中应用的自由活塞膨胀压缩机，对应用在CO2双级压缩制冷系统中的自由活塞膨胀压缩机进行研制。在这个系统中自由活塞膨胀压缩机中的压缩部分作为高压级侧的压缩机，低压侧为独立压缩机。此膨胀压缩机的膨胀侧的吸排气阀的开关是根据活塞的位置进行控制。
英格兰 MIEE DRIVER科技公司在滑片压缩机的概念上开发了铰链式的膨胀压缩机，将滑片改变为有一定厚度的楔形的叶片，与转子活动连接，有一定的角度，端部与气缸紧密接触，并随转子的转动夹角改变，导致容积变化，同时将整个膨胀腔分割成多个基元。
伦敦CITY大学的N．STOSTIC 小组对制冷系统CO2 双螺杆压缩膨胀机（Twin screw combined compressor and expander）进行了理论研究。美国UIUC大学的ACRC研究中心，对研制汽车空调CO2离心式膨胀机可行性作了分析。挪威科技大学、日本大金公司、松下电器公司，美国的马里兰大学以及普渡大学也开展了CO2膨胀机研究工作。
在常规工质方面，美国Carrier公司于1995年研制出冲击型离心式两相流膨胀机，将其安装在自己生产的19XT型离心式制冷机组中。对R134a带膨胀机的离心式制冷机组进行了实验研究，得到总制冷量为8720kW，理论膨胀功为84kW，实际回收功54kW，膨胀机效率为64%，回收功占压缩功的2.5%。
对于常规工质或CO2，制冷系统的膨胀机的工作原理是基本相同的，而且流体都要在膨胀机内进行降压膨胀，因此在流体进行相变都存在相同的问题，只是大小可能存在不同而已，因此可以提出普遍适用的规律，满足不同工质情况下的应用。为能最大幅度地提高制冷系统的效率，开发膨胀机和研究膨胀机内部流体是非常有必要的。
对于CO2跨临界循环，在膨胀过程中经历超临界、亚临界液体、气液两相三个阶段，其中后两个阶段与常规工质无本质差别。为提高膨胀机的效率还需要在工质在气液两相流特殊流动条件下膨胀做功，包括研究亚稳态、相变滞后、两相流动过程等方面开展研究，有的在基础研究方面尚属空白。同时润滑油作为膨胀机运转的必不可少的润滑剂，对膨胀机的作用同样是不可忽视的，润滑油的提供方式，供油量，润滑油与流体混合后如何影响流体的相变以及膨胀功的输出，都是需要解决的基本问题。另外膨胀功的输出方式，以及膨胀机与系统的连接方式等，膨胀机的基本结构和关键参数也都是要解决的基本问题。
关于课题影响
暖通空调在线：十几年实验室研究的成果有目共睹了，请您介绍一下此项研究的意义何在？会怎样影响未来在制冷空调设备中的应用？
马一太教授：从上世纪出现制冷工质臭氧层破坏和大气温室效应问题以来，人工合成工质有的已被淘汰，有的将被淘汰。CO2是一种可以长期使用，对环境几乎没有影响的自然工质。但其循环效率较低，会造成间接温室气体排放。如果普遍使用了膨胀机，这一缺点得以完全克服，困扰人类的制冷剂环境问题可以永久性的解决。所以这项研究的意义非常重大。
将来CO2不仅在中小型制冷空调有关的应用，包括汽车空调、家用空调、商用空调，民用和商用热泵热水机（器），当大中型压缩机、膨胀机和换热器技术成熟后，也可以用于大型中央空调和水源热泵等。
关于产业化
暖通空调在线：此项技术的加工制造及可产业化的基础是否已成熟？产业界若想与您或者课题组开展合作，可以用什么方式？
马一太教授：我们实验室研究膨胀机，样机制造非常专业，从结构到可靠性，都可用于指导生产，我们一直和产业界有接触。一方面与我们在直接或间接科研合作的日本松下、大金以及国内的公司，都开展了CO2膨胀机的研制。另一方面，我们也研制了普通工质大中型制冷热泵系统的膨胀机、用于余热回收动力循环的膨胀机，运转都很成功。其结构和制造与代替节流阀的膨胀机有很多相同之处，这也是相当量大面广的产业。
如果有企业想在膨胀机或更广泛意义的膨胀机与我们合作，当然有很多方式。我甚至希望合作建立膨胀机专业生产厂。
关于专著
暖通空调在线：此项目是否已有相关专业书籍出版？如果业界想深入了解，您能推荐一些书籍或者资料？
马一太教授：国内比较系统的书有上海交大丁国良著：《二氧化碳制冷技术》。如果特别针对膨胀机，我们计划今年在科学出版社出版专著《自然工质二氧化碳制冷与热泵循环原理的研究与进展》，其中对于在CO2循环理论、膨胀机的设计和理论分析方面做出较详细的介绍。 大家还可从网上下载我们近年来关于膨胀机的研究论文。
多年从教与科研心得
暖通空调在线：听说您最近要从天津大学退休了，多年的教学科研经验积累，您一定对于教书育人及推动产业技术进步有很多心得，我们也希望您能有些总结，分享给我们大家。
马一太教授：是的。我今年69周岁，按天津大学的有关规定，我将在2016年初正式退休。自1982年我硕士研究生毕业留校至今，已经渡过了32周年。工作年限长，是有一些经验和体会。
通过长期教学和科研的体会，我对热力学理论有新的感触，对热力学几大定律提出自己的新的认知。这里不是讲过多学术的场合，暂不多讲。我用两个“度”说明一下我的学术观点。
人类的发展有偏离自然的倾向，但不能偏离太远，要有回归机制。所以我提出“自然度”的概念，即偏离自然要有度。所有违背自然规律、违反自然伦理的科学研究也好，所谓“创新”也好，都应该受到抵制。在制冷技术方面要使用自然工质。特别是自然工质CO2，是人类今后的主要循环工质。
我在与企事业合作时，体会到国家标准的重要性，一直关注相关标准的制订和修订。从上世纪末，我一直参与国内从电冰箱、房间空调器、单元式空调机、冷水机组、水源热泵等国家产品标准或能效标准的制订。由于能纵观整个制冷与热泵产品的全性能，通过分析归纳，提出以热力学完善度为核心的一系列标准制订的基础理论。2012年，我们出版了《制冷与热泵产品能效标准的研究和循环热力学完善度的分析》，是这些成果的总结。
要使用能设备的效率达到极致，我提出 “完善度”的概念。为了提高CO2跨临界循环的效率，除在压缩机、换热器上进行优化外，我认为用膨胀机代替节流阀，回收膨胀功是制冷技术的一个关键，可以提高循环的完善度。“自然度”可特指循环工质，“完善度”则是循环效率，是相辅相成的。推而广之，这两个概念可推广到能量利用大系统的复杂过程，甚至可用于分析人类社会。
