“納米級”暖氣片!這位清華博士後的發明“亮了”


●學生記者 徐亦鳴

走進張偉工作室,一眼看到的不僅有牆邊展台上堆着的證書和獎盃,還有獎盃下方橫卧在地上的一隻大南瓜。南瓜長達半米,飽滿結實,張偉指着南瓜介紹道,這是北京某空軍基地的小戰士自己親自播種、收穫後送來的禮物,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,“那天室温只有5℃,我們的產品裝好之後進行測試,幾分鐘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”暖氣片究竟是什麼?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,到某個人體舒適温度後便不再升温,而這一過程中板材的另一側幾乎沒有温度變化。

張偉拿出的“地磚”

這種地磚的自升温功能依賴於內嵌其中的關鍵功能材料,是附着於一層柔性高分子襯底上的新型複合材料,名為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,將電能高效率轉化為熱能。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製備而成。 

附着於柔性襯底之上金屬氧化物半導體複合薄膜

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,主要研究方向為新能源集成開發與應用,表界面工程及微納加工製造。“我家在南方,家裏冬季取暖主要靠燒炭,但是會產生有害氣體,空調又無法有效提升室內温度。”南方冬季室內採暖成為張偉一直以來的心結,在實驗室開展新能源材料的製備過程中,偶然發現金屬氧化物半導體材料不僅僅可以作為載流子的收集層,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,將其成分和膜層進行了迭代,發掘了一種性能更為強大,電熱轉換效率更高的半導體複合材料,採用特殊的集成技術,將其植入於普通建築材料中,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,又將人工智能控制系統嵌入到整個採暖體系,實現了真正意義上的按需供熱,當用户進入到室內空間,自動觸發採暖系統的啓動和運行,用户離開後自動降至節能模式;同時,當用户進入卧室休息時,系統又可以準確識別用户的睡眠狀態,將卧室調整為最佳睡眠温度,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。

張偉在實驗中

他們以MOSH技術為基礎,經過反覆打磨,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採暖地磚為載體,結合AI智能控制系統,實現了智能調控室温、“按需供暖”的全新建築供暖模式。

傳統地暖將導水管深埋於地下,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,排障維修也較為困難。新型採暖地磚內部集合了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“麻雀雖小五臟俱全”,使裝飾與供暖合為一體。

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新型採暖地磚內部結構

“這種地磚拿出來就是成品化的建材,只需要幾個小時不到半天的時間,就可以完成一個房間的供暖系統鋪設。”張偉説,今年十月他們為空軍某基地鋪設安裝了這一系統,“(需求方)他們很驚奇,原以為要等待很多天的施工,居然一會兒就裝好了!”

採暖過程的紅外熱成像圖

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。為滿足較低温度住户的室內温度需求標準,熱力站往往會超量供暖,以抵消輸送途中的熱量損耗,但與此同時也帶來了較高温度住户室內的熱能過供與浪費。

為着手解決這一難題,今年供暖季,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。根據室温、户外天氣情況等因素,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,實現以家庭為單位的個性化“按需供熱”。

而張偉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“按需控温”。當智能系統感知室內無人時,便切換至低温運行;當人進入室內,系統則調節發熱,在數分鐘內將室温提高到設定温度,並可以識別人的不同活動模式,提供相匹配的最佳室温,大大提高了用户的舒適程度。

智能供熱系統技術實現了熱源和空氣的零距離接觸,免於長途輸送的能量耗散,使熱量無阻礙、無損耗地導送於室內空間,相比於傳統供暖方式可節能至少30%以上,日常運行費用也低於傳統供暖系統的50%(以北京地區冬季採暖費用為標準)。

獲得的榮譽

這一系統還獲得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。作為中關村前沿科技成果代表受邀參加2020年中國國際服務貿易交易會,並在會上進行新產品新技術的發佈。

2020年10月29日中共中央《十四五規劃建議》發佈,其中提到,“到2035年基本實現社會主義現代化遠景目標,廣泛形成綠色生產生活方式,碳排放達峯後穩中有降,生態環境根本好轉,美麗中國建設目標基本實現。”

國家發改委等十部委早於2017年12月便聯合發文推動清潔採暖。國家能源局電力司今年開展調研,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,將產生大幅度節能減排效益。中國工程院院士魏敦山也對MOSH智能供熱系統技術進行了肯定,“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,最大程度實現人與自然和諧共生具有重要意義。”

據悉,MOSH技術芯片主導的智能供熱系統技術已到實測階段,除了進行空軍某基地的快速安裝樣板,還在十一月順利完成了北京科技大學天津學院青年教師公寓新型智能化採暖項目。

“目前,我們正開始着手推進智能供熱系統的生產佈局、設計和產業化,預計於2021年6月正式投產。”對於張偉博士來説,產學研緊密合作之路才剛剛開始……

清華新聞網11月26日電

編輯:高原 李華山

審核:呂婷

2020年11月26日 15:59:54  清華新聞網

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