對一位以實驗室為家的學(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行業(yè)發(fā)展時，成就感一定妙不可言。對此，北京工業(yè)大學(xué)傳熱強(qiáng)化與過程節(jié)能教育部重點實驗室暨北京市傳熱與能源利用重點實驗室主任馬重芳教授應(yīng)當(dāng)是深有體會的。
在北京工業(yè)大學(xué)東門，靠近操場的位置，有一座五層的紅色樓房。操場上傳出的歡聲笑語，并未打擾在樓里的國家重點實驗室中日復(fù)一日辛勤工作的學(xué)者。這座北工大高科技能源樓（簡稱“能源樓”）集多項先進(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，這個實驗室對空調(diào)行業(yè)作出的貢獻(xiàn)，更讓他深感作為一名學(xué)者對行業(yè)和社會的責(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，馬重芳教授一直堅持著“溫度對口，梯級利用”這一科學(xué)用能的基本原則。具體說來就是，建筑能源的特點是：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“溫度對口”。因此這決定了在建筑節(jié)能的過程中應(yīng)該大量使用熱泵，把溫度提升起來，或者降低下去，以適應(yīng)建筑用能的要求。而能量并非無中生有，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，正因為建筑所需求的熱能、冷能與周圍環(huán)境溫度相近，所以完全沒有必要燒煤、燒氣、燒油，因為燃燒的結(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使用，可以想象能耗非常高，而且會造成污染。因此，應(yīng)當(dāng)實現(xiàn)能量的梯級利用。比如天然氣不要用來直接供暖，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。
事實上，“溫度對口、梯級利用”8個字，出自我國工程熱物理學(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到能源問題不久即將成為我國和世界各國發(fā)展的重大制約因素，必須認(rèn)真對待并及早研究應(yīng)對措施。
如今，20多年過去，這8個字開始成為業(yè)內(nèi)共識時，每當(dāng)馬重芳教授引用此觀點來解釋建筑用能時，在他身上似乎依然能見到包括吳仲華老師在內(nèi)的我國優(yōu)秀的前輩學(xué)者對他治學(xué)的影響。
研發(fā)微型制冷系統(tǒng)
如果說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，因為高溫會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)的各個部件,并將這些部件及其傳感器、控制器、電源等集成在一個微小體積范圍內(nèi)的微型機(jī)械。”
“其實美國單兵研究中心以及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)，卻不得不面對幾個技術(shù)難點，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，同時又是運動部件，它的性能是否可靠直接關(guān)系到整個系統(tǒng)的長時間運行。微型壓縮機(jī)的研制涉及缸體型線、轉(zhuǎn)子、閥片、機(jī)械密封等多個部件的設(shè)計制造技術(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。在整個蒸汽壓縮制冷系統(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)，減小這兩個器件的體積和重量對于整個系統(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)動壓縮機(jī)運轉(zhuǎn)，這樣就能很大程度減輕動力源的重量。
最終，經(jīng)過近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)重點實驗室誕生。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力源,水路循環(huán)是由微型電動水泵驅(qū)動。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，直接促使了一項國家標(biāo)準(zhǔn)的頒布以及一個新興行業(yè)的誕生。
那是2003年5月23日的下午，馬重芳教授帶領(lǐng)重點實驗室的相關(guān)人員，去了國家標(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”國家標(biāo)準(zhǔn)問題的具體事宜進(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”國家標(biāo)準(zhǔn)的申請就得到了國家有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)部門的批準(zhǔn)，要求在抗擊非典的嚴(yán)峻形勢下，盡快在一個月內(nèi)完成該標(biāo)準(zhǔn)的制定。經(jīng)過緊張的夜以繼日的工作，在參照美國、日本、澳大利亞、新加坡、瑞典等國相關(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，此項國家標(biāo)準(zhǔn)以GB19120－2003編號正式頒布。
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)生部對國內(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。這種狀況充分說明了制定空調(diào)系統(tǒng)清洗國家標(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年流行的時機(jī)，推動了這一國家標(biāo)準(zhǔn)的迅速制定，這項重要的工作可能還會被拖延很長的時間。實際上，由于北京奧運會和上海世博會的舉辦，此項國家標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)開始強(qiáng)制性地執(zhí)行，并逐漸形成了一個新興的產(chǎn)業(yè)部門，其潛在的市場價值數(shù)以十億元計，其社會和經(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)隊對空調(diào)行業(yè)的貢獻(xiàn)。根據(jù)德國斯圖加特大學(xué)的統(tǒng)計數(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)隊研發(fā)了三代技術(shù)產(chǎn)品，在長達(dá)八年的工作過程中，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)品已在美國取得了實驗驗證。而針對空調(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期合作，開發(fā)出了切實有效的物理滅菌裝置，為改善空調(diào)系統(tǒng)的運行，保障公眾衛(wèi)生開拓了新的技術(shù)途徑。
推動單螺桿制冷壓縮機(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。作為國際獎的評審專家，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)完成的這兩項工作均獲國家科技進(jìn)步二等獎。由于壓縮機(jī)技術(shù)難度大，應(yīng)用范圍廣，近年來，年進(jìn)口額已超過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、更長的壽命以及更低的噪音和振動。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。為了滿足特殊的需求，驅(qū)動功率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。就國際文獻(xiàn)的報導(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，可以說明馬教授研發(fā)團(tuán)隊對單螺桿技術(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)只有一家美國公司。壓縮機(jī)是核心高科技，對中國制冷空調(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“以單帶雙”的技術(shù)革命，似乎已經(jīng)指日可待。與此同時，在國家計劃的支持下，單螺桿膨脹機(jī)的開發(fā)已在加緊進(jìn)行。兩種不同型號的樣機(jī)已投入制造。目前這種單螺桿動力膨脹機(jī)還沒有任何一家國內(nèi)外的公司制造出來，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)用于這個產(chǎn)業(yè)，以推動中國制造業(yè)的發(fā)展。
在兢兢業(yè)業(yè)進(jìn)行科研工作的同時，他把科學(xué)工作者的責(zé)任置于至高無上的地位，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：“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，我們對社會是富有責(zé)任的。”
在兢兢業(yè)業(yè)進(jìn)行科研工作的同時，他把科學(xué)工作者的責(zé)任置于至高無上的地位，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：“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，我們對社會是富有責(zé)任的。”
馬重芳教授簡介：
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)化與過程節(jié)能重點實驗室主任，北京市傳熱與能源利用重點實驗室主任，中國工程熱物理學(xué)會傳熱傳質(zhì)分會主任。
1964年畢業(yè)于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，1967年中國科學(xué)院力學(xué)研究所研究生畢業(yè)。1981年至1984年師從國際著名強(qiáng)化傳熱權(quán)威Bergles教授從事強(qiáng)化傳熱基礎(chǔ)研究。先后在美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué)，楊百翰大學(xué)擔(dān)任訪問學(xué)者、教授；在波蘭華沙工業(yè)大學(xué)、俄國科學(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，總計在海外工作長達(dá)六年之久，先后在二十余所國外大學(xué)做學(xué)術(shù)報告。
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”項目、“863”項目、國家自然科學(xué)基金項目、北京市自然科學(xué)基金項目、國家部委、北京市科委及國家多項重點項目。從2007年起擔(dān)任科技部國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（973計劃）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（美國1項，中國21項）。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中國科學(xué)院高技術(shù)發(fā)展報告》撰寫了《中國能源消費的環(huán)境效應(yīng)評述》。2003年參加編寫了《綠色奧運建筑評估體系》。多次在國際會議上做主旨報告。
備注：《地源熱泵》雜志專稿，謝絕轉(zhuǎn)載，轉(zhuǎn)載必究！
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