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迅速制熱、超薄、引得人驚嘆連連……這神奇的“納米級(jí)”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(gè)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。

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(yuǎn)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。

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(xué)能源與動(dòng)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?yàn)樾履茉醇砷_發(fā)與應(yīng)用，表界面工程及微納加工制造。“我家在南方，家里冬季取暖主要靠燒炭，但是會(huì)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(shí)驗(yàn)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(jìn)一步摻雜和參數(shù)優(yōu)化，將其成分和膜層進(jìn)行了迭代，發(fā)掘了一種性能更為強(qiáng)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(qiáng)的幫助下，又將人工智能控制系統(tǒng)嵌入到整個(gè)采暖體系，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的按需供熱，當(dāng)用戶進(jìn)入到室內(nèi)空間，自動(dòng)觸發(fā)采暖系統(tǒng)的啟動(dòng)和運(yùn)行，用戶離開后自動(dòng)降至節(jié)能模式；同時(shí)，當(dāng)用戶進(jìn)入臥室休息時(shí)，系統(tǒng)又可以準(zhǔn)確識(shí)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(dòng)降至節(jié)能模式。通過實(shí)驗(yàn)室樣板房的測(cè)試，可實(shí)現(xiàn)30%以上的節(jié)能。

張偉在實(shí)驗(yàn)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(shí)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(fèi)時(shí)費(fèi)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。

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(gè)小時(shí)不到半天的時(shí)間，就可以完成一個(gè)房間的供暖系統(tǒng)鋪設(shè)。”張偉說，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(huì)兒就裝好了！”

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(yuǎn)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(biāo)準(zhǔn)，熱力站往往會(huì)超量供暖，以抵消輸送途中的熱量損耗，但與此同時(shí)也帶來了較高溫度住戶室內(nèi)的熱能過供與浪費(fèi)。

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(diǎn)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(gè)單元樓口處供熱管網(wǎng)的閥門壓力、流量，使之達(dá)到各區(qū)域熱量分配平衡，實(shí)現(xiàn)以家庭為單位的個(gè)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(dòng)狀態(tài)，對(duì)每個(gè)房間內(nèi)鋪設(shè)的地磚功率進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)控，做到真正意義上的“按需控溫”。當(dāng)智能系統(tǒng)感知室內(nèi)無人時(shí)，便切換至低溫運(yùn)行；當(dāng)人進(jìn)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(shí)別人的不同活動(dòng)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(shí)現(xiàn)了熱源和空氣的零距離接觸，免于長(zhǎng)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(yùn)行費(fèi)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(fèi)用為標(biāo)準(zhǔn)）。

獲得的榮譽(yù)

這一系統(tǒng)還獲得2019年中國(guó)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(guó)國(guó)際服務(wù)貿(mào)易交易會(huì)，并在會(huì)上進(jìn)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(shí)現(xiàn)社會(huì)主義現(xiàn)代化遠(yuǎn)景目標(biāo)，廣泛形成綠色生產(chǎn)生活方式，碳排放達(dá)峰后穩(wěn)中有降，生態(tài)環(huán)境根本好轉(zhuǎn)，美麗中國(guó)建設(shè)目標(biāo)基本實(shí)現(xiàn)?！?/p>

國(guó)家發(fā)改委等十部委早于2017年12月便聯(lián)合發(fā)文推動(dòng)清潔采暖。國(guó)家能源局電力司今年開展調(diào)研，促進(jìn)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(shì)。

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(shí)現(xiàn)了“按需供熱”的理念，若進(jìn)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(guó)工程院院士魏敦山也對(duì)MOSH智能供熱系統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行了肯定，“大力發(fā)展綠色建筑，對(duì)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(jìn)生態(tài)城市宜居建設(shè)，最大程度實(shí)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(shí)測(cè)階段，除了進(jìn)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(xué)天津?qū)W院青年教師公寓新型智能化采暖項(xiàng)目。

“目前，我們正開始著手推進(jìn)智能供熱系統(tǒng)的生產(chǎn)布局、設(shè)計(jì)和產(chǎn)業(yè)化，預(yù)計(jì)于2021年6月正式投產(chǎn)?！睂?duì)于張偉博士來說，產(chǎn)學(xué)研緊密合作之路才剛剛開始……

參考資料

[1]清華大學(xué)，“納米級(jí)”暖氣片！這位清華博士后的發(fā)明“亮了”