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“納米級”暖氣片!這位清華博士后的發(fā)明“亮了”

來源:清華大學   學生記者 徐亦鳴   2020-11-27
導(dǎo)讀:走進張偉工作室,一眼看到的不僅有墻邊展臺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(jié)實,張偉指著南瓜介紹道,這是北京某空軍基地的小戰(zhàn)士自己親自播種、收獲后送來的禮物,以答謝他們不久前在該基地住房鋪設(shè)的“納米級”超薄暖氣片,“那天室溫只有5℃,我們的產(chǎn)品裝好之后進行測試,幾分鐘就達到了二十幾攝氏度。”

迅速制熱、超薄、引得人驚嘆連連……這神奇的“納米級”暖氣片究竟是什么?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(dǎo)線接頭插入地板側(cè)面的小孔,地磚表面很快便微微發(fā)熱,到某個人體舒適溫度后便不再升溫,而這一過程中板材的另一側(cè)幾乎沒有溫度變化。

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張偉拿出的“地磚”

這種地磚的自升溫功能依賴于內(nèi)嵌其中的關(guān)鍵功能材料,是附著于一層柔性高分子襯底上的新型復(fù)合材料,名為MOSH半導(dǎo)體制熱材料(Metal-Oxide-Semiconductor-Heating)。MOSH材料的特殊構(gòu)成,能夠使其在通電狀態(tài)下釋放出具有最佳熱效應(yīng)的遠紅外輻射熱,將電能高效率轉(zhuǎn)化為熱能。這層關(guān)鍵的薄膜厚度僅有幾十至幾百納米,在真空環(huán)境中以磁控濺射的方式制備而成。

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附著于柔性襯底之上金屬氧化物半導(dǎo)體復(fù)合薄膜

張偉是清華大學能源與動力工程系博士后,合作導(dǎo)師是祝寶山研究員,主要研究方向為新能源集成開發(fā)與應(yīng)用,表界面工程及微納加工制造?!拔壹以谀戏?,家里冬季取暖主要靠燒炭,但是會產(chǎn)生有害氣體,空調(diào)又無法有效提升室內(nèi)溫度?!蹦戏蕉臼覂?nèi)采暖成為張偉一直以來的心結(jié),在實驗室開展新能源材料的制備過程中,偶然發(fā)現(xiàn)金屬氧化物半導(dǎo)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(zhuǎn)換性能,經(jīng)過進一步摻雜和參數(shù)優(yōu)化,將其成分和膜層進行了迭代,發(fā)掘了一種性能更為強大,電熱轉(zhuǎn)換效率更高的半導(dǎo)體復(fù)合材料,采用特殊的集成技術(shù),將其植入于普通建筑材料中,獲得了性能優(yōu)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(tǒng)嵌入到整個采暖體系,實現(xiàn)了真正意義上的按需供熱,當用戶進入到室內(nèi)空間,自動觸發(fā)采暖系統(tǒng)的啟動和運行,用戶離開后自動降至節(jié)能模式;同時,當用戶進入臥室休息時,系統(tǒng)又可以準確識別用戶的睡眠狀態(tài),將臥室調(diào)整為最佳睡眠溫度,而其他房間也將自動降至節(jié)能模式。通過實驗室樣板房的測試,可實現(xiàn)30%以上的節(jié)能。

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張偉在實驗中

他們以MOSH技術(shù)為基礎(chǔ),經(jīng)過反復(fù)打磨,最終成功開發(fā)出一套新型智慧供熱系統(tǒng),以嵌入了半導(dǎo)體制熱材料的一體化新型采暖地磚為載體,結(jié)合AI智能控制系統(tǒng),實現(xiàn)了智能調(diào)控室溫、“按需供暖”的全新建筑供暖模式。

傳統(tǒng)地暖將導(dǎo)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,排障維修也較為困難。新型采暖地磚內(nèi)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(cè)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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新型采暖地磚內(nèi)部結(jié)構(gòu)

“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(tǒng)鋪設(shè)?!睆垈フf,今年十月他們?yōu)榭哲娔郴劁佋O(shè)安裝了這一系統(tǒng),“(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!”

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采暖過程的紅外熱成像圖

傳統(tǒng)的供暖系統(tǒng)主要依靠熱水在住宅小區(qū)內(nèi)部管網(wǎng)循環(huán),很容易出現(xiàn)“近熱遠冷”和“上熱下冷”的現(xiàn)象。為滿足較低溫度住戶的室內(nèi)溫度需求標準,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溫度住戶室內(nèi)的熱能過供與浪費。

為著手解決這一難題,今年供暖季,北京市在近60萬平方米供熱面積內(nèi)試點推廣人工智能熱網(wǎng)控制系統(tǒng)。根據(jù)室溫、戶外天氣情況等因素,調(diào)節(jié)每個單元樓口處供熱管網(wǎng)的閥門壓力、流量,使之達到各區(qū)域熱量分配平衡,實現(xiàn)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(tǒng)技術(shù)在此基礎(chǔ)上更上一層樓,通過傳感器獲取人在室內(nèi)的活動狀態(tài),對每個房間內(nèi)鋪設(shè)的地磚功率進行動態(tài)調(diào)控,做到真正意義上的“按需控溫”。當智能系統(tǒng)感知室內(nèi)無人時,便切換至低溫運行;當人進入室內(nèi),系統(tǒng)則調(diào)節(jié)發(fā)熱,在數(shù)分鐘內(nèi)將室溫提高到設(shè)定溫度,并可以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(tǒng)技術(shù)實現(xiàn)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、無損耗地導(dǎo)送于室內(nèi)空間,相比于傳統(tǒng)供暖方式可節(jié)能至少30%以上,日常運行費用也低于傳統(tǒng)供暖系統(tǒng)的50%(以北京地區(qū)冬季采暖費用為標準)。

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獲得的榮譽

這一系統(tǒng)還獲得2019年中國創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽北京總決賽冠軍、2020年清華校友三創(chuàng)大賽全球總決賽人居環(huán)境天使組第一名。作為中關(guān)村前沿科技成果代表受邀參加2020年中國國際服務(wù)貿(mào)易交易會,并在會上進行新產(chǎn)品新技術(shù)的發(fā)布。

2020年10月29日中共中央《十四五規(guī)劃建議》發(fā)布,其中提到,“到2035年基本實現(xiàn)社會主義現(xiàn)代化遠景目標,廣泛形成綠色生產(chǎn)生活方式,碳排放達峰后穩(wěn)中有降,生態(tài)環(huán)境根本好轉(zhuǎn),美麗中國建設(shè)目標基本實現(xiàn)。”

國家發(fā)改委等十部委早于2017年12月便聯(lián)合發(fā)文推動清潔采暖。國家能源局電力司今年開展調(diào)研,促進電取暖在適宜地區(qū)的推廣應(yīng)用,努力發(fā)揮電取暖便捷、智能、綠色、低碳等優(yōu)勢。

MOSH技術(shù)芯片主導(dǎo)的智能供熱系統(tǒng)技術(shù)首次真正實現(xiàn)了“按需供熱”的理念,若進行大規(guī)模推廣使用,將產(chǎn)生大幅度節(jié)能減排效益。中國工程院院士魏敦山也對MOSH智能供熱系統(tǒng)技術(shù)進行了肯定,“大力發(fā)展綠色建筑,對轉(zhuǎn)變城鄉(xiāng)發(fā)展建設(shè)模式和建筑業(yè)發(fā)展的方式、提高資源能源使用的效率,提高城市環(huán)境的質(zhì)量,推進生態(tài)城市宜居建設(shè),最大程度實現(xiàn)人與自然和諧共生具有重要意義?!?/p>

據(jù)悉,MOSH技術(shù)芯片主導(dǎo)的智能供熱系統(tǒng)技術(shù)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?qū)W院青年教師公寓新型智能化采暖項目。

“目前,我們正開始著手推進智能供熱系統(tǒng)的生產(chǎn)布局、設(shè)計和產(chǎn)業(yè)化,預(yù)計于2021年6月正式投產(chǎn)?!睂τ趶垈ゲ┦縼碚f,產(chǎn)學研緊密合作之路才剛剛開始……

參考資料

[1]清華大學,“納米級”暖氣片!這位清華博士后的發(fā)明“亮了”



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