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“纳米级”暖气片!这位清华博士后的发明“亮了”

走进张伟工作室,一眼看到的不仅有墙边展台上堆着的证书和奖杯,还有奖杯下方横卧在地上的一只大南瓜。南瓜长达半米,饱满结实,张伟指着南瓜介绍道,这是北京某空军基地的小战士自己亲自播种、收获后送来的礼物,以答谢他们不久前在该基地住房铺设的“纳米级”超薄暖气片。“那天室温只有5℃,我们的产品装好之后进行测试,几分钟就达到了二十几摄氏度。”

迅速制热、超薄、引得人惊叹连连……这神奇的“纳米级”暖气片究竟是什么?张伟拿出了两块地砖,一块是大理石纹样,一块是木板纹样,将通电导线接头插入地板侧面的小孔,地砖表面很快便微微发热,到某个人体舒适温度后便不再升温,而这一过程中板材的另一侧几乎没有温度变化。这种地砖的自升温功能依赖于内嵌其中的关键功能材料,是附着于一层柔性高分子衬底上的新型复合材料,名为MOSH半导体制热材料(Metal-Oxide-Semiconductor-Heating)。

MOSH材料的特殊构成,能够使其在通电状态下释放出具有最佳热效应的远红外辐射热,将电能高效率转化为热能。这层关键的薄膜厚度仅有几十至几百纳米,在真空环境中以磁控溅射的方式制备而成。

张伟是亚博体彩买球,亚博网站合作西甲买球,亚博体彩摩洛哥买球首选能源与动力工程系博士后,合作导师是祝宝山研究员,主要研究方向为新能源集成开发与应用、表界面工程及微纳加工制造。

“我家在南方,家里冬季取暖主要靠烧炭,但是会产生有害气体,空调又无法有效提升室内温度。”南方冬季室内采暖的问题成为张伟一直以来的心结。他在实验室开展新能源材料的制备过程中,偶然发现金属氧化物半导体材料不仅可以作为载流子的收集层,也具备比较高的电热转换性能。

经过进一步掺杂和参数优化,张伟将这种材料的成分和膜层进行了迭代,发明了一种性能更为强大、电热转换效率更高的半导体复合材料,采用特殊的集成技术,将其植入于普通建筑材料中,获得了性能优异的一体化电热材料。

在电子系博士生王浩强的帮助下,张伟团队又将人工智能控制系统嵌入到整个采暖体系,实现了真正意义上的“按需供热”。用户进入到室内空间,自动触发采暖系统的启动和运行,用户离开后自动降至节能模式。同时,当用户进入卧室休息时,系统又可以准确识别用户的睡眠状态,将卧室调整为最佳睡眠温度,而其他房间也将自动降至节能模式。通过实验室样板房的测试,可实现30%以上的节能。

张伟团队以MOSH技术为基础,经过反复打磨,最终成功开发出一套新型智慧供热系统,以嵌入了半导体制热材料的一体化新型采暖地砖为载体,结合人工智能控制系统,实现了智能调控室温、“按需供暖”的全新建筑供暖模式。

传统地暖将导水管深埋于地下,与地面之间隔有各种填充材料和散热器件,不仅安装费时费力,排障维修也较为困难。新型采暖地砖内部集合了MOSH芯片以及其他功能层,但外观与常见的木地板、大理石地板、瓷砖等装饰材料没有明显差别,仅在侧面留有连接电路所需的接孔,可谓“麻雀虽小,五脏俱全”,使装饰与供暖合为一体。

“这种地砖拿出来就是成品化的建材,只需要几个小时就可以完成一个房间的供暖系统铺设。”张伟说,今年10月他们为空军某基地铺设安装了这一系统,“客户感到很惊奇,原以为要等待很多天的施工,居然一会儿就装好了!”

传统的供暖系统主要依靠热水在住宅小区内部管网循环,很容易出现“近热远冷”和“上热下冷”的现象。为满足较低温度住户的室内温度需求标准,热力站往往会超量供暖,以抵消输送途中的热量损耗,但也会带来较高温度的住户室内热能过供与浪费。

为着手解决这一难题,近期的供暖季,北京市在近60万平方米供热面积内试点推广人工智能热网控制系统。根据室温、户外天气情况等因素,调节每个单元楼口处供热管网的阀门压力、流量,使之达到各区域热量分配平衡,实现以家庭为单位的个性化“按需供热”。

张伟的这套智能供热系统技术在此基础上更上一层楼,通过传感器获取人在室内的活动状态,对每个房间内铺设的地砖功率进行动态调控,做到真正意义上的“按需控温”。当智能系统感知室内无人时,便切换至低温运行;当人进入室内,系统则调节发热,并开始识别人的不同活动模式,提供相匹配的最佳室温,大大提高了用户的舒适程度。

智能供热系统技术实现了热源和空气的零距离接触,免于长途输送的能量耗散,使热量无阻碍、无损耗地输送到室内空间,将日常运行费用降至低于传统供暖系统的50%(以北京地区冬季采暖费用为标准)。

这一系统还获得了2019年中国创新创业大赛北京总决赛冠军、2020年清华校友三创大赛全球总决赛人居环境天使组第一名。作为中关村前沿科技成果代表,这套智能供热系统出现在2020年中国国际服务贸易交易会上,张伟团队在会上进行了新产品新技术的发布。

国家发展与改革委员会等10部委于2017年12月联合发文推动清洁采暖。国家能源局电力司今年开展调研,进一步促进电取暖在适宜地区的推广应用,努力发挥电取暖便捷、智能、绿色、低碳等优势。

MOSH技术芯片主导的智能供热系统技术首次真正实现了“按需供热”的理念,若进行大规模推广使用,将产生大幅度节能减排效益。

中国工程院院士魏敦山也充分肯定了MOSH智能供热系统技术,他表示,大力发展绿色建筑,对转变城乡发展建设模式和建筑业发展的方式、提高资源能源使用的效率、提高城市环境的质量、推进生态城市宜居建设,最大程度上实现了人与自然和谐共生,具有重要的意义。据悉,MOSH技术芯片主导的智能供热系统技术已到实测阶段。

“目前,我们正开始着手推进智能供热系统的生产布局、设计和产业化,预计于2021年6月正式投产。”对于张伟来说,产学研紧密合作之路才刚刚开始……

    文字

    徐亦鸣   


    片设计

    李娜


    编审

    刘蔚如   周襄楠   张歌明 


    栏目统筹

    周襄楠   贺茂藤


    编辑

    李若梦