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)環(huán)境與能源工程學(xué)院教授、環(huán)境能源研究所所長(zhǎng)馬重芳應(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，有一座紅色的小樓。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。這座北工大傳熱與節(jié)能綜合示范樓（簡(jiǎn)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(dǎo)管技術(shù)等十余種先進(jìn)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(shí)驗(yàn)室對(duì)空調(diào)行業(yè)作出的貢獻(xiàn)，才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)界中卻還存在嚴(yán)重的分歧。用馬重芳的話來說，就是“我和別的學(xué)者為此吵了好幾年。”當(dāng)然，所謂的“吵”指的僅是學(xué)術(shù)的爭(zhēng)論，學(xué)者間仍然互相尊敬。
建筑能源的使用，馬重芳一直堅(jiān)持一個(gè)原則：溫度對(duì)口，梯級(jí)利用。具體說來就是，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、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?yàn)榻ㄖ枨蟮臒崮?、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?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使用，可以想象能耗非常高，而且會(huì)造成污染。因此，更重要還是梯級(jí)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(shí)上，“溫度對(duì)口、梯級(jí)利用”8個(gè)字，出自馬重芳的老師，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，吳仲華就敏銳地意識(shí)到能源問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)馬重芳引用老師的觀點(diǎn)來解釋建筑用能，在他身上似乎依然能見吳仲華老師對(duì)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(gè)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(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,不會(huì)向市場(chǎng)出售，而且也不公開他們壓縮機(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)，該制冷系統(tǒng)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。
催生空調(diào)清洗產(chǎn)業(yè)
馬重芳的學(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，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(shí)上，早在幾年前，馬重芳就在實(shí)驗(yàn)室承擔(dān)數(shù)萬(wàn)平方米空調(diào)工程任務(wù)時(shí)，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(jī)，5月21日，馬重芳主動(dòng)給國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化研究中心打了電話，希望能夠盡快制定一部“空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)清洗規(guī)范”國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)此，他早做好了準(zhǔn)備：“中國(guó)空調(diào)系統(tǒng)的清洗、消毒和技術(shù)改造不僅對(duì)抗擊SARS具有重要意義，同時(shí)會(huì)造福于我國(guó)人民的身體健康，同時(shí)推動(dòng)空調(diào)事業(yè)的發(fā)展。而我們已經(jīng)研究了好幾個(gè)國(guó)家的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。”
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(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(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(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。
數(shù)據(jù)顯示，目前中國(guó)家用空調(diào)器的擁有量已達(dá)到3億多臺(tái)。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(wàn)元，其中蘊(yùn)含的市場(chǎng)潛力高達(dá)上千萬(wàn)元之巨。北京奧運(yùn)會(huì)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(duì)奧運(yùn)比賽場(chǎng)館、非競(jìng)賽場(chǎng)館、奧運(yùn)簽約酒店等233家涉奧場(chǎng)所的集中空調(diào)清洗工作進(jìn)行了部署，要求所有涉奧場(chǎng)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(yàn)收合格，粘貼合格標(biāo)志，以保證奧運(yùn)會(huì)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(tuán)菌以及發(fā)明空調(diào)除垢裝置，都是馬重芳及其團(tuán)隊(duì)對(duì)空調(diào)行業(yè)的貢獻(xiàn)。
締造單螺桿壓縮機(jī)
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(jī)。
眾所周知，壓縮機(jī)是熱泵的心臟。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。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(jī)，且型號(hào)很固定。但馬重芳統(tǒng)領(lǐng)的實(shí)驗(yàn)室，卻發(fā)動(dòng)了單螺桿壓縮機(jī)的革命。
在馬重芳看來，雖然國(guó)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(jī)的制造，卻掌握在外國(guó)人手中。所以，市場(chǎng)利潤(rùn)就被國(guó)外企業(yè)所控制。
馬重芳及其實(shí)驗(yàn)室成員卻有信心與國(guó)外技術(shù)相抗衡。出自該實(shí)驗(yàn)室的微型單螺桿壓縮機(jī)，最大直徑僅為42毫米，重量?jī)H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(jī)還可做成單螺桿膨脹機(jī)，應(yīng)用于余熱發(fā)電。接下來，如何通過國(guó)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(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力”，科學(xué)家的付出與收獲，則是對(duì)此最好的見證。
個(gè)人簡(jiǎn)介：
馬重芳，男，漢族，1940年生，籍貫浙江省寧波市，研究領(lǐng)域?yàn)閭鳠醾髻|(zhì)學(xué)，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(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)力學(xué)系畢業(yè)，隨即入中科院力學(xué)所讀研究生，1967年畢業(yè)后留所任研究實(shí)習(xí)員，助理研究員。1981年10月至1984年4月在美國(guó)依阿華州立大學(xué)做訪問學(xué)者，以后十余年間，先后在日本九州大學(xué)，上智大學(xué)，俄國(guó)科學(xué)院熱物理研究所，波蘭華沙工業(yè)大學(xué)，美國(guó)楊百翰大學(xué)和卡內(nèi)奇－梅隆大學(xué)等知名學(xué)府任訪問教授和訪問學(xué)者，合計(jì)逾五年之久。
1985年至今，在北京工業(yè)大學(xué)任職，1990年任教授，曾任熱能工程系副主任，現(xiàn)任校學(xué)術(shù)委員會(huì)副主任，環(huán)境與能源工程學(xué)院院長(zhǎng)。
自1984年以來，作為申請(qǐng)人已獲得八項(xiàng)國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助，并承擔(dān)了“國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“質(zhì)子交換膜燃料電池關(guān)鍵熱物理問題”的首席科學(xué)家。同時(shí)，還承擔(dān)了多項(xiàng)“973”項(xiàng)目，國(guó)家“十五”攻關(guān)項(xiàng)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(guó)家教委及人事部授予“有突出貢獻(xiàn)的留學(xué)歸國(guó)人員獎(jiǎng)狀”。
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