對(duì)一位以實(shí)驗(yàn)室為家的學(xué)者而言，也許科技成果的誕生，比業(yè)內(nèi)的論資排輩要重要得多。當(dāng)看到其科技成果推動(dòng)行業(yè)發(fā)展時(shí)，成就感一定妙不可言。對(duì)此，北京工業(yè)大學(xué)傳熱強(qiáng)化與過(guò)程節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室暨北京市傳熱與能源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任馬重芳教授應(yīng)當(dāng)是深有體會(huì)的。
在北京工業(yè)大學(xué)東門，靠近操場(chǎng)的位置，有一座五層的紅色樓房。操場(chǎng)上傳出的歡聲笑語(yǔ)，并未打擾在樓里的國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中日復(fù)一日辛勤工作的學(xué)者。這座北工大高科技能源樓（簡(jiǎn)稱“能源樓”）集多項(xiàng)先進(jìn)熱能研究成果應(yīng)用于一身，先后開發(fā)了燃料電池、渦流管能量分離技術(shù)、抑霜技術(shù)等十余種先進(jìn)的節(jié)能環(huán)保技術(shù)。馬重芳教授表示，這個(gè)實(shí)驗(yàn)室對(duì)空調(diào)行業(yè)作出的貢獻(xiàn)，更讓他深感作為一名學(xué)者對(duì)行業(yè)和社會(huì)的責(zé)任。
不遺余力推廣熱泵
關(guān)于熱泵使用的合理性，在學(xué)術(shù)界、工程界中已經(jīng)得到了認(rèn)同。但就在幾年前，學(xué)術(shù)界中卻還存在很多分歧。馬重芳教授認(rèn)為,為了推廣熱泵的應(yīng)用，需要從建筑節(jié)能的科學(xué)原理做起。
建筑能源的使用，馬重芳教授一直堅(jiān)持著“溫度對(duì)口，梯級(jí)利用”這一科學(xué)用能的基本原則。具體說(shuō)來(lái)就是，建筑能源的特點(diǎn)是：第一，建筑能耗的大部分都是低品位的能源，即指熱能、冷能，而非機(jī)械能或電能。比如電燈、電梯是高品位能源，供熱、供冷是低品位能源。
第二，建筑能耗范圍非常狹窄。比如冷凍水，在七至十二度，低溫供熱也就是三十多度，這很狹窄的溫度范圍跟自然能源的溫度，也就是跟土壤、地下水、地表水的溫度，甚至空氣的溫度都很接近，這就是“溫度對(duì)口”。因此這決定了在建筑節(jié)能的過(guò)程中應(yīng)該大量使用熱泵，把溫度提升起來(lái)，或者降低下去，以適應(yīng)建筑用能的要求。而能量并非無(wú)中生有，而是從土壤、地下水、地表水、周圍介質(zhì)甚至空氣中提取熱能冷能，再提升一下降低一下使用，所以大大節(jié)能。比如，使用一度電大概得到一度電的熱能，熱泵的使用則可使我們用一度電得到相當(dāng)三度電的熱能。
第三，正因?yàn)榻ㄖ枨蟮臒崮?、冷能與周圍環(huán)境溫度相近，所以完全沒(méi)有必要燒煤、燒氣、燒油，因?yàn)槿紵慕Y(jié)果是幾百度的溫度，然后把幾百度溫度降低到幾十度再來(lái)使用，可以想象能耗非常高，而且會(huì)造成污染。因此，應(yīng)當(dāng)實(shí)現(xiàn)能量的梯級(jí)利用。比如天然氣不要用來(lái)直接供暖，而應(yīng)當(dāng)是先發(fā)電，再去做低品位應(yīng)用，這是建筑節(jié)能的基本原理。
事實(shí)上，“溫度對(duì)口、梯級(jí)利用”8個(gè)字，出自我國(guó)工程熱物理學(xué)科的創(chuàng)始人吳仲華院士。早在上世紀(jì)80年代初，吳仲華院士就敏銳地意識(shí)到能源問(wèn)題不久即將成為我國(guó)和世界各國(guó)發(fā)展的重大制約因素，必須認(rèn)真對(duì)待并及早研究應(yīng)對(duì)措施。
如今，20多年過(guò)去，這8個(gè)字開始成為業(yè)內(nèi)共識(shí)時(shí)，每當(dāng)馬重芳教授引用此觀點(diǎn)來(lái)解釋建筑用能時(shí)，在他身上似乎依然能見到包括吳仲華老師在內(nèi)的我國(guó)優(yōu)秀的前輩學(xué)者對(duì)他治學(xué)的影響。
研發(fā)微型制冷系統(tǒng)
如果說(shuō)體量再大的公共建筑，也有相應(yīng)的空調(diào)系統(tǒng)滿足其制冷和取暖的需求的話，與之相比，個(gè)人便攜式空調(diào)的研究難度則大得多。
馬重芳教授介紹，便攜式空調(diào)是用于使在炎熱環(huán)境中工作的人，尤其是必須身著防護(hù)服而阻礙了身體熱量散發(fā)的工作人員冷卻身體，因?yàn)楦邷貢?huì)引起人缺氧和抗荷耐力降低、注意力分散、記憶力衰退等。“而隨著微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS) 的迅速發(fā)展，許多微細(xì)加工方法得到了發(fā)展和應(yīng)用，使機(jī)械裝置的微型化和輕量化成為可能。微型熱泵正是基于傳統(tǒng)熱泵的工作原理,利用MEMS 微加工技術(shù)生產(chǎn)出熱泵系統(tǒng)的各個(gè)部件,并將這些部件及其傳感器、控制器、電源等集成在一個(gè)微小體積范圍內(nèi)的微型機(jī)械。”
“其實(shí)美國(guó)單兵研究中心以及Aspen公司均研制出了能夠提供300W制冷量的微型壓縮機(jī)，但他們所研制的微型壓縮機(jī)主要用于軍事目的,并不公開他們壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)和原理。因此我國(guó)必須走自主研發(fā)的道路。”
然而，要自主研發(fā)，卻不得不面對(duì)幾個(gè)技術(shù)難點(diǎn)，這就是馬重芳、吳玉庭、鐘曉輝等聯(lián)合署名撰寫的論文《微型制冷系統(tǒng)在便攜式空調(diào)中的應(yīng)用》中提到的：(1)微型壓縮機(jī)的制造技術(shù)。微型壓縮機(jī)是關(guān)鍵部件，同時(shí)又是運(yùn)動(dòng)部件，它的性能是否可靠直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行。微型壓縮機(jī)的研制涉及缸體型線、轉(zhuǎn)子、閥片、機(jī)械密封等多個(gè)部件的設(shè)計(jì)制造技術(shù)。由于壓縮機(jī)比較小，這些部件也相應(yīng)微型化,這給設(shè)計(jì)制造提出了更高的要求。如何避免制冷劑泄漏也是需要進(jìn)一步解決的技術(shù)難題。(2)蒸發(fā)器冷凝器的設(shè)計(jì)。在整個(gè)蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)中，蒸發(fā)器和冷凝器是系統(tǒng)重量減輕和體積減小的關(guān)鍵因素，如何提高蒸發(fā)器冷凝器的換熱系數(shù)，減小這兩個(gè)器件的體積和重量對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的縮小是關(guān)鍵。(3)尋求更高能量密度的供電電池或是用微型內(nèi)燃機(jī)代替電機(jī)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，這樣就能很大程度減輕動(dòng)力源的重量。
最終，經(jīng)過(guò)近5年的研制，第一代微型制冷系統(tǒng)———工大微冷-Ⅰ型于2005年底在北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院熱科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室誕生。這一微型制冷系統(tǒng)壓縮機(jī)采用旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)，第一代壓縮機(jī)采用鑄鐵制造，重量為700g。微冷-Ⅰ型采用12V高能鋰離子聚合物電池作為動(dòng)力源,水路循環(huán)是由微型電動(dòng)水泵驅(qū)動(dòng)。微型制冷系統(tǒng)重量為2. 8kg,幾何尺寸為270mm ×260mm ×120mm。而第二代壓縮機(jī)采用鋁合金制造，鋁合金材質(zhì)的壓縮機(jī)在重量上更加輕巧，已經(jīng)低至400余克。更深入的研發(fā)工作正在迅速的開展，以期早日實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的應(yīng)用。
催生空調(diào)清洗產(chǎn)業(yè)
馬重芳教授的學(xué)科背景是傳熱學(xué)，但他卻在空調(diào)行業(yè)中取得了豐碩的成果。尤其值得一提的是，他的努力，直接促使了一項(xiàng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的頒布以及一個(gè)新興行業(yè)的誕生。
那是2003年5月23日的下午，馬重芳教授帶領(lǐng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的相關(guān)人員，去了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化研究中心，就制定“空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)清洗規(guī)范”國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題的具體事宜進(jìn)行了商談，并立即起草了制定標(biāo)準(zhǔn)的申請(qǐng)文件。那一年，由于“SARS”的肆虐，這一標(biāo)準(zhǔn)的制定有著非同尋常的涵義。
僅僅過(guò)了3天，即5月26日，制定“空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)清洗規(guī)范”國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的申請(qǐng)就得到了國(guó)家有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)部門的批準(zhǔn)，要求在抗擊非典的嚴(yán)峻形勢(shì)下，盡快在一個(gè)月內(nèi)完成該標(biāo)準(zhǔn)的制定。經(jīng)過(guò)緊張的夜以繼日的工作，在參照美國(guó)、日本、澳大利亞、新加坡、瑞典等國(guó)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及文件的基礎(chǔ)上，馬重芳教授和吳玉庭、趙躍進(jìn)等研究人員與其他單位合作，在6月中旬就完成了該標(biāo)準(zhǔn)的初稿。6月30日，此項(xiàng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)以GB19120－2003編號(hào)正式頒布。
在完成標(biāo)準(zhǔn)的制定之后，馬重芳教授又和李守福等同事研制了空調(diào)清洗專用的檢測(cè)與清洗專用機(jī)器人，并成功地投入了生產(chǎn)，其制造成本和價(jià)格均遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于進(jìn)口產(chǎn)品，而性能和質(zhì)量卻毫不遜色。2004年，衛(wèi)生部對(duì)國(guó)內(nèi)空調(diào)產(chǎn)品的衛(wèi)生狀況做了調(diào)查，發(fā)現(xiàn)合格者只占6.2%，而嚴(yán)重污染者竟達(dá)47%之多。這種狀況充分說(shuō)明了制定空調(diào)系統(tǒng)清洗國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的必要性和迫切性。馬重芳教授表示，如果不是抓緊Sars在2003年流行的時(shí)機(jī)，推動(dòng)了這一國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的迅速制定，這項(xiàng)重要的工作可能還會(huì)被拖延很長(zhǎng)的時(shí)間。實(shí)際上，由于北京奧運(yùn)會(huì)和上海世博會(huì)的舉辦，此項(xiàng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)開始強(qiáng)制性地執(zhí)行，并逐漸形成了一個(gè)新興的產(chǎn)業(yè)部門，其潛在的市場(chǎng)價(jià)值數(shù)以十億元計(jì)，其社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益都十分可觀。
除了空調(diào)清洗行業(yè)之外，研發(fā)物理方法消滅冷卻塔中的軍團(tuán)菌以及發(fā)明空調(diào)除垢裝置，都是馬重芳教授及其團(tuán)隊(duì)對(duì)空調(diào)行業(yè)的貢獻(xiàn)。根據(jù)德國(guó)斯圖加特大學(xué)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，全球每年因結(jié)垢而造成的損失高達(dá)400億美元。馬教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)研發(fā)了三代技術(shù)產(chǎn)品，在長(zhǎng)達(dá)八年的工作過(guò)程中，已有兩名博士和十名碩士深入地開展研究工作，并獲得了學(xué)位。這種產(chǎn)品已在美國(guó)取得了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。而針對(duì)空調(diào)及生活熱水系統(tǒng)中由于不良使用產(chǎn)生的各種問(wèn)題，尤其是軍團(tuán)菌等病毒的產(chǎn)生，馬重芳教授、陳永昌與中科院院士曾毅先生和李澤琳教授長(zhǎng)期合作，開發(fā)出了切實(shí)有效的物理滅菌裝置，為改善空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行，保障公眾衛(wèi)生開拓了新的技術(shù)途徑。
推動(dòng)單螺桿制冷壓縮機(jī)的革命
目前，最令馬重芳教授感到興奮的是靜立在能源樓里面的單螺桿壓縮機(jī)。
眾所周知，壓縮機(jī)是熱泵和空調(diào)系統(tǒng)的心臟。作為國(guó)際獎(jiǎng)的評(píng)審專家，馬重芳教授先后在2005年主審了渦旋式制冷壓縮機(jī)，2006年主審了雙螺桿制冷壓縮機(jī)，由西安交通大學(xué)完成的這兩項(xiàng)工作均獲國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。由于壓縮機(jī)技術(shù)難度大，應(yīng)用范圍廣，近年來(lái)，年進(jìn)口額已超過(guò)22億美元（其中制冷壓縮機(jī)和氣體壓縮機(jī)大體各占一半左右），并逐年增加。而單螺桿壓縮機(jī)和雙螺桿壓縮機(jī)相比較，前者比后者擁有更高的能效比、更長(zhǎng)的壽命以及更低的噪音和振動(dòng)。然而，目前世界上只有少數(shù)兩三家企業(yè)能制造出單螺桿制冷壓縮機(jī)。但馬重芳教授統(tǒng)領(lǐng)的科研團(tuán)隊(duì)在單螺桿壓縮機(jī)的研制方面已經(jīng)取得了重要進(jìn)展，并已達(dá)到了小批量生產(chǎn)的規(guī)模。37 Kw和90 Kw的制冷壓縮機(jī)已試制了近30臺(tái)。為了滿足特殊的需求，驅(qū)動(dòng)功率1.4Kw,轉(zhuǎn)速8000rpm，質(zhì)量不足10Kg，螺桿直徑42mm的微型制冷壓縮機(jī)已經(jīng)研制成功。就國(guó)際文獻(xiàn)的報(bào)導(dǎo)，這是迄今為止世界上最小的單螺桿制冷壓縮機(jī)。它的研制成功，可以說(shuō)明馬教授研發(fā)團(tuán)隊(duì)對(duì)單螺桿技術(shù)的把握已經(jīng)比較成熟。此外，氨制冷單螺桿壓縮機(jī)也已試制成功。目前，這種制冷壓縮機(jī)的商業(yè)化生產(chǎn)只有一家美國(guó)公司。壓縮機(jī)是核心高科技，對(duì)中國(guó)制冷空調(diào)和熱泵產(chǎn)業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要。由于單螺桿壓縮機(jī)性能遠(yuǎn)超普遍應(yīng)用的雙螺桿壓縮機(jī)，一場(chǎng)“以單帶雙”的技術(shù)革命，似乎已經(jīng)指日可待。與此同時(shí)，在國(guó)家計(jì)劃的支持下，單螺桿膨脹機(jī)的開發(fā)已在加緊進(jìn)行。兩種不同型號(hào)的樣機(jī)已投入制造。目前這種單螺桿動(dòng)力膨脹機(jī)還沒(méi)有任何一家國(guó)內(nèi)外的公司制造出來(lái)，一旦研制成功，將為節(jié)能減排作出新的貢獻(xiàn)。
然而，在成果面前，馬重芳教授卻顯得異常謙虛：“我們只是空調(diào)產(chǎn)業(yè)的新兵，還要多多向同行學(xué)習(xí)。”他一直強(qiáng)調(diào)的是，自己并非是大學(xué)空調(diào)專業(yè)的畢業(yè)生，只是以開拓的精神，努力把各種先進(jìn)的技術(shù)用于這個(gè)產(chǎn)業(yè)，以推動(dòng)中國(guó)制造業(yè)的發(fā)展。
在兢兢業(yè)業(yè)進(jìn)行科研工作的同時(shí)，他把科學(xué)工作者的責(zé)任置于至高無(wú)上的地位，科學(xué)界、學(xué)術(shù)界存在的弄虛作假和誤導(dǎo)民眾的行為，受到了他的抨擊。他說(shuō)：“科技工作者得到了政府和人民高度的重視和尊敬，是人民養(yǎng)活了我們，我們對(duì)社會(huì)是富有責(zé)任的。”
在兢兢業(yè)業(yè)進(jìn)行科研工作的同時(shí)，他把科學(xué)工作者的責(zé)任置于至高無(wú)上的地位，科學(xué)界、學(xué)術(shù)界存在的弄虛作假和誤導(dǎo)民眾的行為，受到了他的抨擊。他說(shuō)：“科技工作者得到了政府和人民高度的重視和尊敬，是人民養(yǎng)活了我們，我們對(duì)社會(huì)是富有責(zé)任的。”
馬重芳教授簡(jiǎn)介：
馬重芳教授，男，漢族，1940年生，寧波市人，教授，博士生導(dǎo)師,北京工業(yè)大學(xué)教育部傳熱強(qiáng)化與過(guò)程節(jié)能重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任，北京市傳熱與能源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任，中國(guó)工程熱物理學(xué)會(huì)傳熱傳質(zhì)分會(huì)主任。
1964年畢業(yè)于中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，1967年中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所研究生畢業(yè)。1981年至1984年師從國(guó)際著名強(qiáng)化傳熱權(quán)威Bergles教授從事強(qiáng)化傳熱基礎(chǔ)研究。先后在美國(guó)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)，楊百翰大學(xué)擔(dān)任訪問(wèn)學(xué)者、教授；在波蘭華沙工業(yè)大學(xué)、俄國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所、日本九州大學(xué)、上智大學(xué)擔(dān)任客座教授，總計(jì)在海外工作長(zhǎng)達(dá)六年之久，先后在二十余所國(guó)外大學(xué)做學(xué)術(shù)報(bào)告。
主要研究方向包括強(qiáng)化傳熱及其在空調(diào)制冷中的應(yīng)用、沸騰傳熱與射流沖擊傳熱、電子系統(tǒng)冷卻技術(shù)、內(nèi)燃機(jī)傳熱、節(jié)能技術(shù)、燃料電池與蓄電池內(nèi)部熱過(guò)程的研究、抗垢技術(shù)、納米應(yīng)用技術(shù)、建筑節(jié)能、熱泵技術(shù)、中央空調(diào)清洗等。獲“973”項(xiàng)目、“863”項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、北京市自然科學(xué)基金項(xiàng)目、國(guó)家部委、北京市科委及國(guó)家多項(xiàng)重點(diǎn)項(xiàng)目。從2007年起擔(dān)任科技部國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）領(lǐng)域?qū)＜易稍兘M成員，已出版專著四種，譯著十種，發(fā)表英文學(xué)術(shù)論文134篇，其中被SCI錄用的有45篇。在中文學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表論文200余篇，現(xiàn)擔(dān)任Journal of Enhanced Heat Transfe(強(qiáng)化傳熱)；International Journal of Low Carbon Technologies；Frontiers of Energy and Power Engineering in Chins英文期刊編委。擁有專利22項(xiàng)（美國(guó)1項(xiàng)，中國(guó)21項(xiàng)）。1995年在著名的《傳熱學(xué)進(jìn)展》（英文）中撰寫了“單相射流沖擊傳熱”一章，成為中國(guó)大陸唯一在該權(quán)威著作中撰文的傳熱學(xué)工作者。2002在《2002中國(guó)科學(xué)院高技術(shù)發(fā)展報(bào)告》撰寫了《中國(guó)能源消費(fèi)的環(huán)境效應(yīng)評(píng)述》。2003年參加編寫了《綠色奧運(yùn)建筑評(píng)估體系》。多次在國(guó)際會(huì)議上做主旨報(bào)告。
備注：《地源熱泵》雜志專稿，謝絕轉(zhuǎn)載，轉(zhuǎn)載必究！
Email: direjia@126.com（投稿），direjia@163.com（合作）,
直線電話：18515158288（同微信）
