“納米級”暖氣片!這位清華博士後的發明“亮了”

走進張偉工作室,一眼看到的不僅有牆邊展台上堆著的證書和獎杯,還有獎杯下方橫臥在地上的一只大南瓜。南瓜長達半米,飽滿結實,張偉指著南瓜介紹道,這是北京某空軍基地的小戰士自己親自播種、收獲後送來的禮物,以答謝他們不久前在該基地住房鋪設的“納米級”超薄暖氣片。“那天室溫只有5℃,我們的産品裝好之後進行測試,幾分鍾就達到了二十幾攝氏度。”

迅速制熱、超薄、引得人驚歎連連……這神奇的“納米級”暖氣片究竟是什麽?張偉拿出了兩塊地磚,一塊是大理石紋樣,一塊是木板紋樣,將通電導線接頭插入地板側面的小孔,地磚表面很快便微微發熱,到某個人體舒適溫度後便不再升溫,而這一過程中板材的另一側幾乎沒有溫度變化。這種地磚的自升溫功能依賴于內嵌其中的關鍵功能材料,是附著于一層柔性高分子襯底上的新型複合材料,名爲MOSH半導體制熱材料(Metal-Oxide-Semiconductor-Heating)。

MOSH材料的特殊構成,能夠使其在通電狀態下釋放出具有最佳熱效應的遠紅外輻射熱,將電能高效率轉化爲熱能。這層關鍵的薄膜厚度僅有幾十至幾百納米,在真空環境中以磁控濺射的方式制備而成。

張偉是清華大學能源與動力工程系博士後,合作導師是祝寶山研究員,主要研究方向爲新能源集成開發與應用、表界面工程及微納加工制造。

“我家在南方,家裏冬季取暖主要靠燒炭,但是會産生有害氣體,空調又無法有效提升室內溫度。”南方冬季室內采暖的問題成爲張偉一直以來的心結。他在實驗室開展新能源材料的制備過程中,偶然發現金屬氧化物半導體材料不僅可以作爲載流子的收集層,也具備比較高的電熱轉換性能。

經過進一步摻雜和參數優化,張偉將這種材料的成分和膜層進行了叠代,發明了一種性能更爲強大、電熱轉換效率更高的半導體複合材料,采用特殊的集成技術,將其植入于普通建築材料中,獲得了性能優異的一體化電熱材料。

在電子系博士生王浩強的幫助下,張偉團隊又將人工智能控制系統嵌入到整個采暖體系,實現了真正意義上的“按需供熱”。用戶進入到室內空間,自動觸發采暖系統的啓動和運行,用戶離開後自動降至節能模式。同時,當用戶進入臥室休息時,系統又可以准確識別用戶的睡眠狀態,將臥室調整爲最佳睡眠溫度,而其他房間也將自動降至節能模式。通過實驗室樣板房的測試,可實現30%以上的節能。

張偉團隊以MOSH技術爲基礎,經過反複打磨,最終成功開發出一套新型智慧供熱系統,以嵌入了半導體制熱材料的一體化新型采暖地磚爲載體,結合人工智能控制系統,實現了智能調控室溫、“按需供暖”的全新建築供暖模式。

傳統地暖將導水管深埋于地下,與地面之間隔有各種填充材料和散熱器件,不僅安裝費時費力,排障維修也較爲困難。新型采暖地磚內部集合了MOSH芯片以及其他功能層,但外觀與常見的木地板、大理石地板、瓷磚等裝飾材料沒有明顯差別,僅在側面留有連接電路所需的接孔,可謂“麻雀雖小,五髒俱全”,使裝飾與供暖合爲一體。

“這種地磚拿出來就是成品化的建材,只需要幾個小時就可以完成一個房間的供暖系統鋪設。”張偉說,今年10月他們爲空軍某基地鋪設安裝了這一系統,“客戶感到很驚奇,原以爲要等待很多天的施工,居然一會兒就裝好了!”

傳統的供暖系統主要依靠熱水在住宅小區內部管網循環,很容易出現“近熱遠冷”和“上熱下冷”的現象。爲滿足較低溫度住戶的室內溫度需求標准,熱力站往往會超量供暖,以抵消輸送途中的熱量損耗,但也會帶來較高溫度的住戶室內熱能過供與浪費。

爲著手解決這一難題,近期的供暖季,北京市在近60萬平方米供熱面積內試點推廣人工智能熱網控制系統。根據室溫、戶外天氣情況等因素,調節每個單元樓口處供熱管網的閥門壓力、流量,使之達到各區域熱量分配平衡,實現以家庭爲單位的個性化“按需供熱”。

張偉的這套智能供熱系統技術在此基礎上更上一層樓,通過傳感器獲取人在室內的活動狀態,對每個房間內鋪設的地磚功率進行動態調控,做到真正意義上的“按需控溫”。當智能系統感知室內無人時,便切換至低溫運行;當人進入室內,系統則調節發熱,並開始識別人的不同活動模式,提供相匹配的最佳室溫,大大提高了用戶的舒適程度。

智能供熱系統技術實現了熱源和空氣的零距離接觸,免于長途輸送的能量耗散,使熱量無阻礙、無損耗地輸送到室內空間,將日常運行費用降至低于傳統供暖系統的50%(以北京地區冬季采暖費用爲標准)。

這一系統還獲得了2019年中國創新創業大賽北京總決賽冠軍、2020年清華校友三創大賽全球總決賽人居環境天使組第一名。作爲中關村前沿科技成果代表,這套智能供熱系統出現在2020年中國國際服務貿易交易會上,張偉團隊在會上進行了新産品新技術的發布。

國家發展與改革委員會等10部委于2017年12月聯合發文推動清潔采暖。國家能源局電力司今年開展調研,進一步促進電取暖在適宜地區的推廣應用,努力發揮電取暖便捷、智能、綠色、低碳等優勢。

MOSH技術芯片主導的智能供熱系統技術首次真正實現了“按需供熱”的理念,若進行大規模推廣使用,將産生大幅度節能減排效益。

中國工程院院士魏敦山也充分肯定了MOSH智能供熱系統技術,他表示,大力發展綠色建築,對轉變城鄉發展建設模式和建築業發展的方式、提高資源能源使用的效率、提高城市環境的質量、推進生態城市宜居建設,最大程度上實現了人與自然和諧共生,具有重要的意義。據悉,MOSH技術芯片主導的智能供熱系統技術已到實測階段。

“目前,我們正開始著手推進智能供熱系統的生産布局、設計和産業化,預計于2021年6月正式投産。”對于張偉來說,産學研緊密合作之路才剛剛開始……

    文字

    徐亦鸣   


    片設計

    李娜


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