揭秘|清华“空调院士”在武汉方舱医院筑起防疫“空气屏障”

（原标题：揭秘|清华“空调院士”在武汉方舱医院筑起防疫“空气屏障”）

在疫情防控中，不仅有医护人员奋战在一线，还有一群“空调人”在贡献力量。

暖通空调的学科全称是供热、供燃气、通风及空调工程，系统维系建筑内的暖气、空调、通风、照明等运行。为了节约能源、保护环境，清华大学建筑节能研究中心主任江亿围绕能源利用、建筑模拟分析、人体热舒适等方向开展探索，致力于创造各种适宜的室内环境，成为我国人工环境学的倡导者之一。

暖通空调领域的科研成果，也成了抵挡疫情肆虐的坚实之盾。2003年春天，北京大学人民医院因非典疫情发生院内感染而封闭，空荡荡的门诊楼内，出现了一群让人意想不到的身影——江亿带领清华大学建筑学院团队通过模拟空气流动状态，摸清了非典病毒在门诊楼内的传播轨迹，率先为非典疫情下空调系统安全运行提供了“中国方案”。相关科研数据被运用在此次抗击新冠肺炎疫情守护方舱医院内医护人员的安全中。

将暖通空调技术用于蔬果保鲜、地铁通风等民生领域，开发出国际通用的能耗模拟软件，发明建筑控制管理平台群智能架构，围绕“零碳”运行目标提出“光储直柔”新型配电方式……40余年来，作为我国暖通空调领域的首位院士，江亿亲历了这一专业从“冷”到“热”的过程，见证、实践和推动着我国建筑节能、环保、低碳领域的发展。近日，江亿荣获2022年北京“最美科技工作者”称号。

清华大学建筑节能研究中心主任江亿，制图：吴薇

破解果蔬保鲜难题

1969年，还没读完初中的江亿就被分配到内蒙古插队，“这段经历是我人生的巨大转折点，我进入了一个完全不一样的社会。”半农半牧的五年时间里，江亿彻底融入了乡间生活，从老乡那里学到了大量的人生经验，连口音都带上了些许当地的味道，“直到现在，我闲下来也总要去农村转转，这样心里才踏实。”

后来，江亿考入清华大学暖通专业深造，但他从未忘记那段带着泥土气息的生活经历。用科研为老乡们解决民生问题，“干点真活儿”，是他一以贯之的信条。大学期间，江亿实际只在清华园里学习生活了半年，其余的“课程”其实是在二七车辆厂、878电子厂的车间里上的。爬风道、钻冷却塔、进锅炉房……在“工厂大学”里，他和同学们边劳动边学习，直接参与到工程项目中，解决生产中“恒温恒湿”等特殊环境要求。“知识不是蹲在屋里学出来的，是干活干出来的，要结合实践。在工厂里我实实在在地感觉到，我们学的东西真的有用，真能解决师傅们生产中急需解决的关键问题。赶紧把知识弄明白了，就能尽快用在生产上。”

上世纪80年代初，在清华大学就读热能系空调专业研究生的江亿接到了一个课题。

秋季苹果大量产出时，市场供大于求，果农手中的苹果大量积压，卖不出好价钱。而由于缺乏合适的存储条件，一旦过季，消费者就无法买到品质良好的苹果。江亿回忆道：“到了春节，老百姓家里想买点苹果过年，只能买到口感发‘面’的品种，其实这就是因为储藏条件达不到，把原本的脆苹果放‘面’了。”

那时，山村大多尚未通电，修建冷库存储的方法自然是行不通。利用当地的自然环境条件，营造出能够维持苹果的口感、营养成分的环境，是最为可行的思路。山西省的果树专家祁寿椿为窑洞改造了通风孔，在一定程度上降低了存储温度。为了进一步改善存储环境，应山西省农科院邀请，江亿来到山西参与方案的热环境优化。

人工环境营造，就是通过各种技术手段，创设出一个与室外温度、湿度不同的环境。在山西的窑洞内，江亿和其他果蔬专家运用塑料薄膜、硅橡胶窗等常见的材料，共同研发出气调技术，实现了窑洞内通风、透气、控温。用气调技术贮存秋季收获的苹果，能维持至少半年的新鲜度，果实的硬度、营养成分等指标依然优秀。

这项技术彻底改变了当时的果蔬行业，在山西省、河南省、山东省等苹果产区迅速普及开来，果农的收入大幅增加，各地的消费者也能更方便地买到香、甜、脆的苹果。直到现在，山西、河南等地还有果农用着这种“土法子”造出的“土窑洞”，一年四季的储藏温度都能控制在0℃至6℃，保鲜效果堪比高级冷库。这项技术让国外专家都感到惊讶：“在没通电的地方也能做到这样，简直不可思议！”

被誉为“百菜之王”的白菜，是北方家家户户过冬必备的。但白菜放久了，常会出现掉叶、腐烂的情况，为了保鲜，需要隔几天就倒垛一次，费时费力。江亿和北京蔬菜所的专家合作，发现了导致白菜腐烂的“罪魁祸首”——乙烯。

原因找到了，便可以有针对性地解决问题。此前，白菜存放堆垛前，需要工人用拍子挨个拍打白菜，用人力尽量促使白菜中的乙烯排出。而江亿设计出一套新方案，白菜收获后就地挖出地窖，底部搭起架子悬空码放，在最下方铺设风道。通过合理的码放设计，控制好地窖内的温度、湿度，只需定期开启鼓风机通风，空气便可轻松带走白菜存放过程中释放出的乙烯。头一年秋天收获的白菜，第二年夏天拿出来仍然新鲜得很，我国北方地区的白菜存储问题得到顺利解决。

“那时候我们国家缺吃的，就要解决吃的问题。现在咱们有温室、有大棚，一年四季什么菜都有了，这些也都成为了历史。”江亿感慨道，随着经济发展，暖通领域逐渐从“冷”到“热”，他的研究方向也发生转变，通过改善建筑的空调、通风、暖气等设施，控制人居环境、工作环境，让室内更加舒适。采用新人环工程设计理念和具体方法，他主持开发了这一领域的第一套计算机控制系统，并成功应用在人民大会堂、故宫博物院等30余个重点工程中；组织团队开发了拥有自主知识产权的建筑热环境和能耗模拟软件DeST，现在这款软件已是该领域的国际通用三软件之一。

疫情中的“逆行者”

2003年的北京，春夏之交，非典肆虐，感染人数节节攀升。

北京大学人民医院是非典疫情的“风暴眼”之一，因发生院内感染，医院被整体封闭。随着疫情相关信息的逐渐公布，“天井病房”这个词为人们所熟知。

为了方便每日接诊大量的急诊病人，人民医院将急诊留观病房设置于急诊科与门诊大厅之间的通道。其四周原本都是建筑物，加了个盖子便成了病房，只依靠顶部的换气扇来通风换气，因此被人们称为“天井病房”。

密闭、拥挤的环境，让非典病毒在这个空间里迅速传播。但除了急诊留观病房外，楼内的其他科室、病房也不同程度出现了感染。明明各病房之间不存在人员的交叉和接触，为什么还会出现病毒传播？危重的病情，谜一般的传播路径，让人们谈“非”色变。

当时，中国制冷学会迅速成立了抗击非典肺炎空调系统专家小组，江亿任组长。摸清病毒的传播途径，是阻断传染病链条的重要环节，人民医院封闭后，江亿和团队临危受命，成为“逆行者”。

“我们这个小组的专家，都是从事通风、空调、空气相关研究的。我们去人民医院的目的，就是要在这个典型场景下，研究非典病毒到底是怎样通过空气传播的。”江亿回忆道。

实地走过一间间病房后，江亿注意到了一个细节——在“天井病房”旁边，是两间相对的骨科门诊室：一间窗户面向“天井”的诊室中，大夫均不幸被感染；而另一间诊室的窗户向外开，大夫无一感染。“天井”周边也都是开窗的建筑，尽管同样可能接收到“天井病房”的排风，却也未出现感染病例。

于是，江亿团队在人民医院开展了气流实验，模拟各区域病毒相对浓度的分布，反演出了病毒通过空气传播的路径。“天井”的空气流通是非典病毒在楼内传播的重要因素，不同位置的空间对“天井病房”排出的空气稀释倍数相差很大，这就导致感染状况的巨大差别。

阻断病毒在空气中的传播，通常有两种途径：一是过滤，即采用戴口罩、安装空气过滤装置等方式，可以有效降低传播概率；二是稀释，通俗地说便是通风换气，这种方式更易操作、更加常见。

“就像把一滴墨水滴入水里，我们要搞清楚的是，究竟需要多大量的水才能将墨水冲淡。”江亿说，墨水就像是环境中的活病毒，究竟要引入多少清洁的空气才能使得病毒浓度降低至没有传染能力，这一指标需要通过反复的实验验证。江亿团队计算医院内各种环境的空气流场，最终测算出了安全阈值，证实当病毒稀释倍数达万倍以上时，造成感染的可能性很低。

相关数据和结论，在当时的广州也得到了验证。

时值初夏，气温逐渐升高，“开空调会导致非典病毒传播”的流言四起。面对未知的病毒，市民也产生了担忧，家中、写字楼的空调到底能否使用？空调里是否需要撒上消毒剂？大型公共建筑在疫情之下究竟要如何通风、运行？

江亿带着团队一栋一栋写字楼跑，进行现场评估，明确了新风系统的稀释作用以及空调系统内部的过滤、消毒装置，都能对防止病毒传播起到关键作用，率先为应对非典通风空调系统的安全运行找到了答案。“因为前期已经有了大量的科研数据，我们确信，只要达到一系列要求，保证空气稀释浓度达到标准，就不会发生传染。”另一方面，为了缓解民众的焦虑情绪，北京市科协、北京制冷学会专门开通了几部热线电话，江亿与学生一起24小时轮流值班，面向社会解答相关疑问。

抗击“非典”积累下的宝贵数据，在2020年初再次发挥了巨大作用。

新冠疫情暴发后，江亿再次联络全国各地的专家，牵头组建起中国制冷学会抗击新冠肺炎专家小组。在方舱医院的建设中，怎样更好地防止医护人员感染，成为重要课题。

新冠病毒感染者住进病房，面对封闭空间内存在的确定传染源，怎样让医护人员尽可能少地接触到病毒？病房里的哪些位置更安全？专家小组针对相关问题提供了研究参数，通过气流的科学运行，为武汉方舱医院参与救治的医护人员筑起了“空气屏障”。

打造“零碳”建筑

在工业革命短短200多年历史中，人类使用了地球积累百万年的化石能源，这样的发展当然是不可持续的。大气污染、气候变化等问题越来越受到人们的重视，我国已经宣布要在2060年实现“碳中和”的发展目标，改变能源结构、解决碳排放问题，逐渐成为全社会关注的热点。

建筑能耗大约占到全球能耗的三分之一，如何让建筑更加节能，怎样推动我国能源结构向低碳化甚至“零碳”转型，成为了江亿的科研重心，“感觉我们暖通领域，逐渐从配角一点点成了主角。”

在江亿看来，未来，由风电、光电、水电、核电和生物质能构成的零碳能源系统将是发展的必然趋势。越早建成新的零碳能源系统，越能在发展中占据主动权。但能源结构的转型，意味着能源传输链条需要相应地做出变化，以电为例，火电需要由大型发电厂集中发电后统一分配供给，如果转换为风电、光电，就需要建设分布式的新型电力系统，并解决电网的调蓄问题。

江亿开始了考察，他将视野首先投向广阔的农村，“我这个人，离不开村子。”以高分卫星遥感影像为基础，利用深度学习模型，江亿团队提取全国城镇和农村的建筑区发现，农村建筑往往建有大面积的屋顶，几乎每家每户的屋顶都能安装发电能力20千瓦以上的光伏发电设备。通常来说，一户人家每年用电不会超过2000度，但如果安装光伏发电设备，每户每年发电量可达2.5万度，是其家用电量的10倍以上，余电接入电网，便可化零为整。如果这个思路能够推广至全国，预计年发电能力将达到2.95万亿度。这个数据，超过了今年1至4月我国全社会用电量的总和。

于是，江亿提出了“光储直柔”的电力运行新思路，就是将建筑的光伏发电、储能、直流配电和柔性用能有机融合，实现建筑与电网之间的友好互动。

2019年，江亿团队与当地企业合作，在山西芮城庄上村建起了农村“光储直柔”村级直流微网试点。在庄上村的农户屋顶及村内的零散空地安装太阳能光伏板，其产生的电能除农户自用外，还能供村内的公共建筑、街道照明、农业生产设备使用，余电则成为可销售的能源，经变压器接入现有电网。这样一来，农村家庭不仅无需再支出电费，每年还能通过售电获取七八千元的收入，补贴家用。

“有了这项技术，就把农村烧煤、烧油、烧柴火的需求统统赶走了。”江亿希望通过“自发自用、余电上网”的发展思路，彻底改变农村的能源系统，一个村便是一个小型“发电厂”。同时，秸秆、枝条、稻草的归宿也不再是炉灶里的燃料，而是通过光伏设备产生的电能加工成生物质能源产品，不仅能提升综合能源效率，还可为农民提供新的经济收入渠道，助力乡村振兴。

让建筑从单纯的能源消费者转变成能源产消者，是江亿的愿景。这个问题当然不只存在于农村，城市中的公共建筑更是一个个“用电大户”。在美国考察时，江亿发现，他们的建筑大多采用全封闭模式，室内环境与室外完全隔绝，仅是用于换气的通风系统每平方米的耗电量，就远远超过了国内建筑每平方米综合用电量，“这样的建筑是不健康的、高浪费的，人生活在其中也是不舒适的。”

要实现“零碳”目标，坚持绿色的建筑运行模式是重中之重。而“光储直柔”技术，是在建筑节能的前提下，主动地配合、适应新型电力系统的建设和实现的新技术。用好建筑外表面的光伏空间，内部发展储电装置调节风电、光电的波动，调动建筑物内部用电装置的灵活性、可调节性，就能大幅减少火电的应用，从而降低二氧化碳的排放。

近日，江亿作为我国建筑节能、暖通空调制冷、人工环境等领域发展的重要引领者之一，在由北京市委宣传部、市科协等部门组织开展的遴选活动中，荣获2022年北京“最美科技工作者”称号。谈起获奖的感受，他淡然地说：“我只希望安安静静地用好宝贵的时间，再为国家发展做点事，再给老百姓解决几个实际问题。这是科研工作者的责任，也是我的最大心愿。”