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“纳米级”暖气片!这位清华博士后的发明“亮了”

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  • 发布时间:2020-11-27 10:17
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【概要描述】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。

“纳米级”暖气片!这位清华博士后的发明“亮了”

【概要描述】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。

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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。

张伟拿出的“地砖”

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。 

附着于柔性衬底之上金属氧化物半导体复合薄膜

张伟是清华大学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。”南方冬季室内采暖成为张伟一直以来的心结,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,将其成分和膜层进行了迭代,发掘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,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,当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。

张伟在实验中

他们以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AI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。

新型采暖地砖内部结构

“这种地砖拿出来就是成品化的建材,只需要几个小时不到半天的时间,就可以完成一个房间的供暖系统铺设。”张伟说,今年十月他们为空军某基地铺设安装了这一系统,“(需求方)他们很惊奇,原以为要等待很多天的施工,居然一会儿就装好了!”

采暖过程的红外热成像图

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,但与此同时也带来了较高温度住户室内的热能过供与浪费。

为着手解决这一难题,今年供暖季,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”。

而张伟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,在数分钟内将室温提高到设定温度,并可以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、无损耗地导送于室内空间,相比于传统供暖方式可节能至少30%以上,日常运行费用也低于传统供暖系统的50%(以北京地区冬季采暖费用为标准)。

获得的荣誉

这一系统还获得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受邀参加2020年中国国际服务贸易交易会,并在会上进行新产品新技术的发布。

2020年10月29日中共中央《十四五规划建议》发布,其中提到,“到2035年基本实现社会主义现代化远景目标,广泛形成绿色生产生活方式,碳排放达峰后稳中有降,生态环境根本好转,美丽中国建设目标基本实现。”

国家发改委等十部委早于2017年12月便联合发文推动清洁采暖。国家能源局电力司今年开展调研,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对MOSH智能供热系统技术进行了肯定,“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,最大程度实现人与自然和谐共生具有重要意义。”

据悉,MOSH技术芯片主导的智能供热系统技术已到实测阶段,除了进行空军某基地的快速安装样板,还在十一月顺利完成了北京科技大学天津学院青年教师公寓新型智能化采暖项目。

“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。”对于张伟博士来说,产学研紧密合作之路才刚刚开始……

来源:清华大学
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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