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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。將通電導線接頭插入地板側面的小孔，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)嵌其中的關鍵功能材料，是附著于一層柔性高分子襯底上的新型復合材料，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(tài)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(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體復合薄膜

張偉是清華大學能源與動力工程系博士后，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(fā)與應用，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，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(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，電熱轉換效率更高的半導體復合材料，采用特殊的集成技術，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。

張偉在實驗中

他們以MOSH技術為基礎，經(jīng)過反復打磨，最終成功開發(fā)出一套新型智慧供熱系統(tǒng)，以嵌入了半導體制熱材料的一體化新型采暖地磚為載體，結合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(tǒng)鋪設。”張偉說，今年十月他們?yōu)榭哲娔郴劁佋O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！”

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)技術在此基礎上更上一層樓，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）。

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。作為中關村前沿科技成果代表受邀參加2020年中國國際服務貿(mào)易交易會，并在會上進行新產(chǎn)品新技術的發(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，美麗中國建設目標基本實現(xiàn)?！?/p>

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)的推廣應用，努力發(fā)揮電取暖便捷、智能、綠色、低碳等優(yōu)勢。

MOSH技術芯片主導的智能供熱系統(tǒng)技術首次真正實現(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)技術進行了肯定，“大力發(fā)展綠色建筑，對轉變城鄉(xiāng)發(fā)展建設模式和建筑業(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，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技術芯片主導的智能供熱系統(tǒng)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、設計和產(chǎn)業(yè)化，預計于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”