對一位以實驗室為家的學者而言，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)大學環(huán)境與能源工程學院教授、環(huán)境能源研究所所長馬重芳應(yīng)當是深有體會的。
在北京工業(yè)大學東門，靠近操場的位置，有一座紅色的小樓。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一日辛勤工作的學者。這座北工大傳熱與節(jié)能綜合示范樓（簡稱“能源樓”）集最新熱能研究成果應(yīng)用于一身，武裝了地源熱泵技術(shù)、蓄熱式電采暖技術(shù)、光導管技術(shù)等十余種先進的節(jié)能環(huán)保技術(shù)。但在馬重芳眼中，這些都不算什么。他統(tǒng)領(lǐng)的實驗室對空調(diào)行業(yè)作出的貢獻，才讓他深感作為一名學者對行業(yè)和社會的責任。
不遺余力推廣熱泵
關(guān)于熱泵使用的合理性，在學術(shù)界、工程界中已經(jīng)得到了認同。但就在幾年前，學術(shù)界中卻還存在嚴重的分歧。用馬重芳的話來說，就是“我和別的學者為此吵了好幾年。”當然，所謂的“吵”指的僅是學術(shù)的爭論，學者間仍然互相尊敬。
建筑能源的使用，馬重芳一直堅持一個原則：溫度對口，梯級利用。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，而非機械能、做功，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，在十一二度，低溫供熱也就是十五六度，這很狹窄的溫度范圍跟自然能源的溫度，也就是跟土壤的溫度，跟地下水的溫度、地表水的溫度，甚至空氣的溫度都很接近，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，適應(yīng)要求。而能量并非無中生有，而是從土壤、從地下水、地表水，從周圍介質(zhì)甚至空氣提取了熱能冷能，再提升一下降低一下使用，所以大大節(jié)能。比如，燒一度電大概得到一度電的熱冷，但是用熱泵，那就是用一度電得到三度電的熱能。
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，更重要還是梯級利用。比如天然氣不要用來直接供暖，或者發(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，出自馬重芳的老師，工程熱物理學科的創(chuàng)始人吳仲華院士。早在上世紀80年代初，吳仲華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，每當馬重芳引用老師的觀點來解釋建筑用能，在他身上似乎依然能見吳仲華老師對他治學的影響。
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。“而隨著微電子機械系統(tǒng)(MEMS) 的迅速發(fā)展，許多微細加工方法得到了發(fā)展和應(yīng)用，使機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，但他們所研制的微型壓縮機主要用于軍事目的,不會向市場出售，而且也不公開他們壓縮機的結(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)微型壓縮機的制造技術(shù)。微型壓縮機是關(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。微型壓縮機的研制涉及缸體型線、轉(zhuǎn)子、閥片、機械密封等多個部件的設(shè)計制造技術(shù)。由于壓縮機比較小，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)燃機代替電機驅(qū)動壓縮機運轉(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)大學環(huán)境與能源工程學院熱科學重點實驗室誕生。這一微型制冷系統(tǒng)壓縮機采用旋轉(zhuǎn)式壓縮機，該制冷系統(tǒng)壓縮機采用鑄鐵制造，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。而第二代壓縮機采用鋁合金制造，鋁合金材質(zhì)的壓縮機在重量上更加輕巧。
催生空調(diào)清洗產(chǎn)業(yè)
馬重芳的學科背景是傳熱學，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準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，馬重芳帶領(lǐng)重點實驗室的相關(guān)人員，去了國家標準化研究中心，就制定“空調(diào)通風系統(tǒng)清洗規(guī)范”國家標準問題的具體事宜進行了商談，并立即起草了制定標準的申請文件。那一年，由于SARS的肆虐，具有著非同尋常的涵義。5月正是疫情的高峰，大概人們最渴望的，是呆在家里。
事實上，早在幾年前，馬重芳就在實驗室承擔數(shù)萬平方米空調(diào)工程任務(wù)時，注意到中央空調(diào)的管道里可能有死耗子和死蝙蝠，容易造成傳染病的滋生。借著SARS的危機，5月21日，馬重芳主動給國家標準化研究中心打了電話，希望能夠盡快制定一部“空調(diào)通風系統(tǒng)清洗規(guī)范”國家標準。對此，他早做好了準備：“中國空調(diào)系統(tǒng)的清洗、消毒和技術(shù)改造不僅對抗擊SARS具有重要意義，同時會造福于我國人民的身體健康，同時推動空調(diào)事業(yè)的發(fā)展。而我們已經(jīng)研究了好幾個國家的技術(shù)標準。”
僅僅過了3天，即5月26日，制定“空調(diào)通風系統(tǒng)清洗規(guī)范”國家標準的申請就得到了國家有關(guān)領(lǐng)導部門的批準，要求在抗擊非典的嚴峻形勢下，盡快完成該標準的制定。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)標準及文件的基礎(chǔ)上，馬重芳及相關(guān)研究人員與其他單位合作，在6月中旬就完成了該標準的初稿。6月30日，此項國家標準以GB19120－2003編號正式頒布。
數(shù)據(jù)顯示，目前中國家用空調(diào)器的擁有量已達到3億多臺。需要清洗的空調(diào)占其中的60％一70％，空調(diào)清洗每年產(chǎn)值有三、四百萬元，其中蘊含的市場潛力高達上千萬元之巨。北京奧運會更成為空調(diào)清洗行業(yè)的一大利好。去年11月，北京市“2008環(huán)境建設(shè)指揮部辦公室”對奧運比賽場館、非競賽場館、奧運簽約酒店等233家涉奧場所的集中空調(diào)清洗工作進行了部署，要求所有涉奧場所在今年5月底前完成集中空調(diào)的清洗工作，必須做到100％規(guī)范清洗，100％由衛(wèi)生部門驗收合格，粘貼合格標志，以保證奧運會的空氣衛(wèi)生安全。
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菌以及發(fā)明空調(diào)除垢裝置，都是馬重芳及其團隊對空調(diào)行業(yè)的貢獻。
締造單螺桿壓縮機
目前，最令馬重芳感到自豪的則是靜立在能源樓里面的單螺桿壓縮機。
眾所周知，壓縮機是熱泵的心臟。而單螺桿壓縮機和雙螺桿壓縮機相比較，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。然而，目前世界上只有一兩家企業(yè)能制造出單螺桿壓縮機，且型號很固定。但馬重芳統(tǒng)領(lǐng)的實驗室，卻發(fā)動了單螺桿壓縮機的革命。
在馬重芳看來，雖然國內(nèi)的空調(diào)企業(yè)眾多，但大多為組裝型企業(yè)。最核心的技術(shù)——壓縮機的制造，卻掌握在外國人手中。所以，市場利潤就被國外企業(yè)所控制。
馬重芳及其實驗室成員卻有信心與國外技術(shù)相抗衡。出自該實驗室的微型單螺桿壓縮機，最大直徑僅為42毫米，重量僅為400克左右。而令他感到前景更為廣闊的則是單螺桿壓縮機還可做成單螺桿膨脹機，應(yīng)用于余熱發(fā)電。接下來，如何通過國際交流合作，使自主創(chuàng)新的成果產(chǎn)業(yè)化，則是馬重芳看重的。
“科學技術(shù)是第一生產(chǎn)力”，科學家的付出與收獲，則是對此最好的見證。
個人簡介：
馬重芳，男，漢族，1940年生，籍貫浙江省寧波市，研究領(lǐng)域為傳熱傳質(zhì)學，可再生能源與環(huán)境能源技術(shù)，燃料電池與微電子系統(tǒng)的熱流體問題，建筑節(jié)能，室內(nèi)空氣質(zhì)量與可持續(xù)建筑物。
1964年中國科學技術(shù)大學力學系畢業(yè)，隨即入中科院力學所讀研究生，1967年畢業(yè)后留所任研究實習員，助理研究員。1981年10月至1984年4月在美國依阿華州立大學做訪問學者，以后十余年間，先后在日本九州大學，上智大學，俄國科學院熱物理研究所，波蘭華沙工業(yè)大學，美國楊百翰大學和卡內(nèi)奇－梅隆大學等知名學府任訪問教授和訪問學者，合計逾五年之久。
1985年至今，在北京工業(yè)大學任職，1990年任教授，曾任熱能工程系副主任，現(xiàn)任校學術(shù)委員會副主任，環(huán)境與能源工程學院院長。
自1984年以來，作為申請人已獲得八項國家自然科學基金項目資助，并承擔了“國家自然科學基金重點項目“質(zhì)子交換膜燃料電池關(guān)鍵熱物理問題”的首席科學家。同時，還承擔了多項“973”項目，國家“十五”攻關(guān)項目的科研任務(wù)。已發(fā)表論文140余篇，其中用英文發(fā)表的70余篇。
1991年被國家教委及人事部授予“有突出貢獻的留學歸國人員獎狀”。
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