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這些黑科技帶來冬日裏的別樣溫暖

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來源:科技日報 | 2022-11-22 09:24:42
科技日報 | 2022-11-22 09:24:42
原標題:這些黑科技帶來冬日裏的別樣溫暖
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  立冬節氣後,氣溫不斷走低,各式各樣的取暖設備“粉墨登場”。如今,除了取暖“老三樣”——暖氣、熱水袋和電熱毯外,我們身邊還出現了一些科技感很強的“取暖神器”,如石墨烯電暖器、空氣源熱泵等。它們逐漸從實驗室進入尋常百姓家,不僅可以幫助我們抵禦嚴寒,而且更加低碳環保。

  石墨烯電暖器: 升溫不用等,即開即熱

  有一種冷叫“南方的冬天”,而一台電暖器對於沒有全面集中供暖的南方來説,絕對是冬季必需品。

  前幾年,石墨烯對老百姓而言,還是實驗室裏的“高冷”名詞,如今石墨烯材料已經被應用在取暖器中,並且成為市場新寵。

  資料顯示,素有材料界“黑金”美譽的石墨烯,是目前已知最薄、強度最大、導電導熱性能最好的新型納米材料。天津大學化工學院教授張生在接受科技日報記者採訪時介紹道,無缺陷的單層石墨烯的導熱系數高達5300瓦/米·度(導熱系數的單位),是目前導熱系數最高的碳材料。

  除此之外,石墨烯電熱轉化效率極高,在通電後它可以將99%的電能轉化為熱能,且耗電量較低。由於其良好的導電導熱性能,使得石墨烯電暖器制熱效率非常高,升溫不用等、即開即熱。

  與傳統供暖系統相比,石墨烯在發熱時,還能夠釋放直徑為8至14微米的遠紅外線,將熱量輸送到各個房間。這種遠紅外線對人體無害,而且會像太陽光照射在人體上一樣,讓人感受到溫暖。

  值得一提的是,由於石墨烯材料比較薄,因此可以被製成貼在地板上的發熱膜,實現空間內自然均勻升溫。此外,還可以將它製成目前流行的踢腳線取暖器,這種取暖器不僅“顏值”高,而且便於在狹小的空間內移動,也不會佔用很大的空間。

  碳納米管電地暖: 能將99.8%的電能轉化為熱能

  如今,我國北方不少城市已經完成了從暖氣片到地暖的設備升級。但是在沒有全部實現集中供暖的南方地區,安裝電地暖便成了“怕冷一族”的選擇。

  但目前市面上由發熱電纜、碳晶(石墨粉/短切碳纖維)等製成的電地暖,多數存在能耗高、安全性差、功率衰減嚴重等問題,後期的維護及使用費更讓很多人望而卻步。不過,如今隨著碳納米管技術被應用到電地暖中,南方安裝地暖的難題有望被解決。

  “碳納米管和石墨烯都是碳材料‘大家族’的成員,但與平面結構的石墨烯不同,碳納米管主要是由呈六邊形排列的碳原子構成的管狀結構。在幾何層面上,碳納米管可以被看作是由若干層石墨片沿同一軸線捲繞而形成的空心管,根據管壁層數可將其分為單壁碳納米管、雙壁碳納米管和多壁碳納米管。”南開大學化學學院研究員牛志強介紹道,正是由於這種結構特徵,碳納米管在硬度、韌性、穩定性等方面均展現出優異的性能。

  資料顯示,碳納米管1991年被首次發現,它具有優異的增強增韌特性,在與高分子材料複合後具有極高的穩定性,同時它又具有優異的電學性能,輔以獨特的封裝技術及電極連接方式,可以大大提升電地暖的穩定性、安全性。

  通常,電地暖生産廠家會將碳納米管漿料涂在導電材料上,使碳納米管搭接形成面狀導電膜結構,同時在碳納米管導電膜的兩側覆以金屬電極從而形成碳納米管面熱源。通電後,碳納米管將以遠紅外線形式釋放能量,形成均勻發熱的面狀發熱體,從而産生大量的熱,並以遠紅外線的方式向外釋放。

  在這一過程中,碳納米管的電熱轉換效率高達99.8%,其遠紅外線轉換效率可達83%。除此之外,由於碳納米管電地暖是利用遠紅外線來制熱的,而遠紅外線不加熱空氣,加之其輻射距離有限,故可以將熱量牢牢地“鎖定”在人體活動的近地面範圍,從而達到高效節能的效果。

  空氣源熱泵: 工作時無明火、無廢氣排放

  過去很長一段時間,在我國農村地區,普遍採用燒煤取暖的方式。不過,由於所用燃燒物沒有經過清潔處理,再加上低空排放,給環境帶來了一定污染,也對人們的健康造成了影響。為了改善人居環境,我國北方許多農村正在積極推廣煤改清潔供暖。

  “在煤改清潔能源的過程中,空氣源熱泵採暖備受關注。”天津大學建築設計規劃研究總院建築工程師馮衛星在接受科技日報記者採訪時介紹道,空氣源熱泵由壓縮機、膨脹閥、蒸發器與冷凝器組成,以源源不斷的空氣作為熱量來源,只需要少量電能驅動(通過壓縮吸收空氣中的熱量來制熱),就能夠滿足農村地區的各種取暖需求。

  由於空氣源熱泵是以空氣中的熱能作為主要能源,因此空氣源熱泵的節能效果大約是普通電暖設備的3倍。和傳統燃煤、燃氣鍋爐等採暖方式相比,空氣源熱泵可以節省30%左右的能源。

  “除此之外,空氣源熱泵還是一種安全、環保的採暖設備。”馮衛星説,它在工作時無明火,無廢氣排放,不僅大大降低了火災、爆炸、中毒等事故發生的可能性,還減少了污染物的排放、改善了空氣質量。

  同時,空氣源熱泵的運行也非常穩定,完全不用擔心它會突然“罷工”。與太陽能相比,空氣源熱泵沒有“靠天吃飯”的弊端,無論是陰天還是雪天,都可以正常運行。目前,新一代超低溫空氣源熱泵已經可以適應零下25攝氏度的低溫環境。

  PTC陶瓷暖風機: 小巧便攜,具有防水功能

  南方的冬天雖然氣溫可能沒有北方低,但冷起來也是深入骨髓,特別是濕冷的環境,讓人們洗澡時都恨不得把“小太陽”貼在身上。近年來出現的PTC陶瓷(正溫度系數陶瓷)發熱技術,就實現了大家把“小太陽”隨身攜帶的願望。

  “PTC泛指正溫度系數很大的半導體材料或元器件。”相關專家表示,它能夠根據本體溫度的高低調節電阻大小,從而可以讓溫度恒定在設定值。當在中小功率模式下運行時,PTC具有恒溫發熱、無明火、熱轉換率高、受電源電壓影響極小、自然壽命長等傳統發熱元件無法比擬的優勢。

  PTC陶瓷是一種電子陶瓷,由高純的鈦酸鋇摻入鈮、鉍、銻、鉛、錳、硅等氧化物,在1300至1350攝氏度的環境下燒結而成。它的電阻在常溫下很小,但是當溫度升至某一特定數值,其電阻會突然增大千倍甚至百萬倍;隨著溫度下降,電阻又會恢復原狀。

  用PTC陶瓷製成的便攜式暖風機體型迷你,只有一台小電扇大小,其利用內置風機吹動空氣流經PTC陶瓷發熱體實現供暖,送風柔和、升溫速度快,具有自動恒溫功能。同時,由於PTC陶瓷發熱體具有防水功能,因此適合在浴室使用。

  除此之外,其內部裝有限溫器,當風機的風口被堵塞時,可自行斷電。同時,這種暖風機還具有電子式防傾倒保護功能,可以在傾倒時實現自動斷電保護。

編輯:阮崢 責任編輯:馮思謠
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