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北京日報 | 記者 孫樂琪

鳥巢飛出“暖科技”

(資料圖片)

2022年2月4日，立春節(jié)氣。

伴隨著二十四節(jié)氣倒計時的結(jié)束，“立春”“SPRING”字樣的焰火騰空而起，國家體育場上空一片明艷璀璨、生機(jī)盎然。

春天的焰火照亮了夜空和眼眸，將溫暖和詩意傳遍全世界。而彼時彼刻，身處北京冬奧會開幕式現(xiàn)場的觀眾可能有所不知，是一種新型材料——石墨烯，讓他們在料峭寒夜里的室外，感受到了最接近陽光的溫暖。

不論是在國家體育場觀禮臺的桌椅、地毯上，精準(zhǔn)先進(jìn)的實(shí)況轉(zhuǎn)播設(shè)備的外套內(nèi)，還是禮儀志愿者姑娘們身上輕盈裊娜的“中國山水”中，都有它的身影。正是由于它的存在，這場精彩的冰雪盛會才能如此舒適宜人、暖意融融。

“為了讓冬奧會‘暖’起來，我們一刻也不敢懈怠。”中國航發(fā)石墨烯材料冬奧專項(xiàng)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、北京創(chuàng)新愛尚家科技股份有限公司（以下簡稱“愛家科技”）董事長陳利軍說，為研究制定“低溫環(huán)境石墨烯智能發(fā)熱產(chǎn)品及熱力保障應(yīng)用”方案，他和團(tuán)隊(duì)整整探索了兩年時間。

如今，在北京冬奧會“帶動三億人參與冰雪運(yùn)動”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的同時，他正欣喜地看著用心血澆灌的 冬奧“暖科技”——石墨烯柔性熱管理技術(shù)飛出鳥巢，飛入尋常百姓家。

值得一提的是， 不久后，地鐵15號線的座椅都將“溫暖升級”。15號線地鐵新安裝了智能供暖系統(tǒng)，地鐵司機(jī)一按按鈕，整列車的座椅都會在3分鐘內(nèi)熱起來，“即使是寒冬清晨趕第一班地鐵上班的人，也不會感覺到座椅冰冷。”

“暖科技”助力城市更新

“其實(shí)，這間會議室是沒有暖氣的。”采訪時正值嚴(yán)冬，而身處室內(nèi)卻給人溫暖如春的感覺。說沒有暖氣，令人不可思議。陳利軍指了指墻上幾幅山水、花鳥的掛畫，笑著說，“既安全又暖和還節(jié)能，靠的就是北京冬奧會的科技成果。”

時間追溯到2017年初，北京冬奧會國家體育場保障團(tuán)隊(duì)開始遴選溫暖保障方案。由于鳥巢是半開放場館，舉辦冬奧會的開閉幕式，無疑將面臨嚴(yán)峻的低溫挑戰(zhàn)。在考察、比對了100余種國內(nèi)外保障方案，并進(jìn)行了多次低溫模擬環(huán)境試驗(yàn)后，愛家科技的“低溫環(huán)境石墨烯智能發(fā)熱產(chǎn)品及熱力保障應(yīng)用”方案脫穎而出，以其“安全、遠(yuǎn)紅外健康輻射、綠色節(jié)能、防雨雪、與純棉布料一樣輕薄和舒適”的性能征服了評委。

石墨烯是國家重點(diǎn)支持的戰(zhàn)略級新型材料，有電熱轉(zhuǎn)換性能極好、可直流低電壓驅(qū)動等特點(diǎn)。陳利軍介紹，在通電的情況下，碳分子團(tuán)之間相互摩擦、碰撞產(chǎn)生熱能。新型石墨烯材料的電熱轉(zhuǎn)換效率達(dá)90%以上，通電后將電能高效轉(zhuǎn)化為熱能，熱能又通過遠(yuǎn)紅外線以平面方式均勻地輻射出來，能很好地被人體接受，從而感覺到最接近陽光、由內(nèi)而外的溫暖。

同時，這種材料僅需要24伏特的低壓直流電就能高效驅(qū)動，還可水洗和隨意剪切。“它在遇水后不受影響，在雨雪天氣下也能保持穩(wěn)定的發(fā)熱性能。在為觀禮臺提供溫暖的同時，也有充分的安全保障。”陳利軍說。

嚴(yán)寒低溫的鳥巢內(nèi)，觀禮臺區(qū)域觀眾體感卻能與室內(nèi)接近。這是怎么做到的呢？“雖然看上去只是普通的家具，但它們的表面材料別有玄機(jī)，內(nèi)部也布滿了電線。”陳利軍介紹，其實(shí)， 觀禮臺的桌椅、地毯，嘉賓區(qū)的沙發(fā)都嵌入了擁有60多項(xiàng)國家專利的新型石墨烯柔性發(fā)熱織物材料——“AIHF（艾弗）”。

座椅上的觀眾只需輕觸控制按鍵，就能實(shí)現(xiàn)47攝氏度、37攝氏度、30攝氏度3個發(fā)熱溫度的控制。同時，桌面和地毯也擁有溫暖的“保護(hù)罩”。就這樣，石墨烯智能溫控系統(tǒng)通過熱輻射加熱傳導(dǎo)并用的方式，達(dá)到了即使在零下5攝氏度的室外，依然讓觀禮臺觀眾體感溫暖的效果。

要讓參加開閉幕式的嘉賓坐得舒服可不是件簡單的事兒。“ 要綜合考慮全身的平衡感，不能下半身熱乎了，手和臉還凍著。因此，各個位置的溫度都要反復(fù)測試，設(shè)備也要以測試數(shù)據(jù)為依據(jù)不斷調(diào)適。”陳利軍解釋。

為了達(dá)到這個效果，陳利軍和他的團(tuán)隊(duì)可沒少“折騰”。他們一開始先是在北京順義區(qū)租下了大冷庫，模擬低至零下10攝氏度、4到6級風(fēng)的觀看環(huán)境。后來又干脆在單位院內(nèi)購置了兩臺特制的低溫箱，由受試者身上接上30多條線，連著各種傳感器進(jìn)行試驗(yàn)。受試者要考慮性別、年齡、體型等特點(diǎn)，力求男、女、胖、瘦均勻分布，試驗(yàn)過程中收集物表溫度、人體接觸點(diǎn)溫度、人體感知溫度及受試者主觀溫度等指標(biāo)數(shù)據(jù)，再進(jìn)行綜合打分。進(jìn)入鳥巢閉環(huán)施工保障后，又反復(fù)進(jìn)行真人實(shí)地試驗(yàn)，“制定保障預(yù)案時，各種天氣、各個時間點(diǎn)，就連外國友人的著裝方案都考慮在內(nèi)。”

經(jīng)過為期2年精益求精的研發(fā)、試驗(yàn)、調(diào)適，60余天的閉環(huán)密集施工，“低溫環(huán)境石墨烯智能發(fā)熱產(chǎn)品及熱力保障應(yīng)用”方案不斷完善，終于創(chuàng)造性地解決了低溫環(huán)境下大型場館的溫暖保障這一世界性難題。在北京冬奧會開幕式當(dāng)天氣溫僅零下7攝氏度，閉幕式當(dāng)天氣溫零下2攝氏度的情況下，觀禮臺的觀眾們絲毫不覺嚴(yán)寒，仍能感受到融融暖意。

“我們希望這樣簡約、節(jié)能的供暖方案能夠走出鳥巢，在更多的場景下派上用場。”陳利軍舉例， 在北京房山區(qū)一個老舊小區(qū)的改造過程中，就創(chuàng)新性地使用了石墨烯材料制成的發(fā)熱墻板。既節(jié)省了重新鋪設(shè)管道帶來的較高的一次性投入成本，又解決了居民冬天暖氣不夠熱的困擾。

陳利軍希望“鳥巢”方案能夠更廣泛地“飛入尋常百姓家”，助力北京乃至全國各地的城市更新。

地鐵座椅“溫暖升級”

因?yàn)樵诒本┒瑠W會上的“溫暖表現(xiàn)”，愛家科技收到了科技部、北京2022年冬奧會和冬殘奧會組織委員會、北京市2022年冬奧會工程建設(shè)指揮部辦公室、國家體育場以及北京市科委、中關(guān)村管委會等部門發(fā)來的感謝信。這份肯定給陳利軍帶來欣慰與滿足之余，又讓他陷入了更深的思考——如何讓冬奧科技在賽后更好地融入人們的生活，為每一個普通人送去一份暖意？

在北京市科委、中關(guān)村管委會及市經(jīng)信局、房山區(qū)政府等部門的指導(dǎo)下，曾經(jīng)“冬奧特供”的石墨烯發(fā)熱技術(shù)很快找到了更為廣闊的應(yīng)用場景。 為國家體育場座椅供暖的技術(shù)，率先應(yīng)用在了北京地鐵的座椅上——不久后，地鐵15號線的座椅都將“溫暖升級”。

陳利軍介紹，地鐵的座椅通常是玻璃鋼材質(zhì)的。冬季氣溫低，因此把手和座椅有時會讓人感覺冰冷。當(dāng)前，地鐵座椅的加溫措施往往是通過暖氣、熱風(fēng)實(shí)現(xiàn)的，而出于防疫需要車廂內(nèi)加大通風(fēng)，加熱用的暖風(fēng)容易隨空氣流動而流失，難以實(shí)現(xiàn)保溫的作用。為了解決這個問題，愛家科技聯(lián)合北京中車長客二七軌道裝備有限公司，在冬奧供暖技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行再改造，開發(fā)出了“智慧地鐵座椅”。

怎么個“智慧”法兒呢？陳利軍說，15號線地鐵新安裝了智能供暖系統(tǒng)， 地鐵司機(jī)一按按鈕，整列車的座椅都會在3分鐘內(nèi)熱起來，“即使是寒冬清晨趕第一班地鐵上班的人，也不會感覺到座椅冰冷。”

“節(jié)儉辦奧”“綠色辦奧”是北京冬奧會、冬殘奧會籌辦的重要理念。北京冬奧會、冬殘奧會期間，國家體育場觀禮臺嘉賓區(qū)200多個終端位置都按照相應(yīng)的技術(shù)方案，嵌入了石墨烯發(fā)熱材料，桌子、椅子、沙發(fā)、地毯等加起來總共耗電僅為每小時28.5千瓦。“這是什么概念？一臺電暖氣的功率約為每小時2千瓦，我們僅用了整個鳥巢電力負(fù)荷的0.02%、10多臺電暖氣的功率就解決了該區(qū)域1000多平方米的供暖問題。”陳利軍解釋，這是由于石墨烯材料具有極高的電熱轉(zhuǎn)換效率，因此不會給電力系統(tǒng)帶來額外的負(fù)擔(dān)。“這就是石墨烯的神奇與獨(dú)到之處。”說到這兒，陳利軍臉上流露出自豪的神情。

這樣的理念也延續(xù)到了冬奧科技成果落地過程中，低能耗是這個智慧系統(tǒng)的一大特色。“我們在地鐵座椅正中安裝了傳感器，運(yùn)行期間，當(dāng)乘客坐下時發(fā)熱供暖，站起來時座椅自動斷電。這樣當(dāng)?shù)罔F處在非高峰時段，或車廂空載時，就不會做無用功了。”

當(dāng)然，冬奧科技要走進(jìn)民間，也要進(jìn)行更加“親民”的調(diào)整。比如，地鐵的座椅不同于鳥巢觀禮臺座椅柔軟的材質(zhì)，前期試驗(yàn)中，當(dāng)團(tuán)隊(duì)技術(shù)人員將石墨烯加熱層嵌入玻璃鋼后，出現(xiàn)了座椅鼓包、發(fā)熱不均勻等情況。而有了此前保障冬奧的經(jīng)驗(yàn)，幾輪試驗(yàn)后，愛家科技的團(tuán)隊(duì)很快找到了解決的方案。“中間的加溫層溫度較高，不同材質(zhì)的熱膨脹系數(shù)不同，因此出現(xiàn)鼓包現(xiàn)象。”鼓包其實(shí)是氣泡，在給玻璃鋼材料“抽真空”的同時，提前做好排氣孔，難題就迎刃而解了。

除此之外，陳利軍透露， 保障冬奧的石墨烯發(fā)熱技術(shù)很快也將應(yīng)用在新能源汽車上。愛家科技已與北京某知名車企敲定合作，將其4個主力車型的熱管理系統(tǒng)使用石墨烯發(fā)熱技術(shù)支持。“傳統(tǒng)座椅供熱的金屬絲是繡花一樣繡上去的，不僅耗電量較高，且預(yù)熱較慢。石墨烯供熱首先省電，能減輕新能源汽車用電壓力；其次沒有預(yù)熱動作，熱得快。除了節(jié)能環(huán)保外，作為一種碳系材料，還可減少金屬材料在交互過程中產(chǎn)生的有害電磁輻射，更加健康。”

“4款新能源汽車中的一個車型預(yù)計今年4月就要下線了。”陳利軍說，為了滿足車企的交付要求，接下來，愛家科技將在房山區(qū)投入一條全自動化的生產(chǎn)線。這是一個新型智能的“黑燈工廠”，整個生產(chǎn)操作流程都由機(jī)器人、自動化高科技設(shè)備完成，不需要人工操作。

“智慧座椅”即將在北京上線應(yīng)用的同時，愛家科技的團(tuán)隊(duì)也在對接更北方省份的軌道客運(yùn)部門，希望北京冬奧的科技成果溫暖更需要的地方。

將“溫暖”穿在身上

2022年2月8日，谷愛凌憑借完美一跳在自由式滑雪女子大跳臺項(xiàng)目的決賽中逆襲奪冠，為中國隊(duì)奪得北京冬奧會雪上項(xiàng)目的首金。在隨后的頒花儀式上，身著“瑞雪祥云”頒獎禮服的禮儀志愿者款款而來，谷愛凌、“金墩墩”“瑞雪祥云”，共同組成了北京冬奧會振奮人心又賞心悅目的美好一幕。

和夏季奧運(yùn)會不同，冬奧會運(yùn)動場館的溫度最低甚至可接近零下30攝氏度，禮儀志愿者在輕盈、端莊地展示“瑞雪祥云”“鴻運(yùn)山水”“唐花飛雪”的中國風(fēng)韻同時，能不能保持溫暖、舒適呢？

“北京冬奧會舉辦期間，張家口賽區(qū)室外溫度低于零下20攝氏度。雖然禮儀服飾看起來非常輕薄，但是我們一點(diǎn)兒也不覺得冷，在室外站半個小時完全沒有問題。”一位禮儀志愿者在接受媒體采訪時表示。

這是怎么做到的呢？ 奧秘就在禮儀服裝的“內(nèi)膽”上。石墨烯作為涂層均勻分布在這套“保暖內(nèi)衣”的周身，“當(dāng)姑娘們感覺寒冷時，通過隱藏按鈕打開加熱功能，可在30秒內(nèi)將溫度升高到人體的舒適溫度。”

陳利軍介紹，石墨烯在通電時產(chǎn)生熱能，熱能通過遠(yuǎn)紅外線以平面方式均勻地輻射出來，讓穿著石墨烯內(nèi)衣的人由內(nèi)而外感覺到溫暖。除了禮儀志愿者服裝的保暖“內(nèi)膽”，愛家科技的團(tuán)隊(duì)還制作了圍巾、馬甲、手套、襪子等一系列石墨烯的加熱產(chǎn)品，滿足各場館、各工種的不同需求。“這些裝備即使在零下40攝氏度的情況下，也能幫助工作人員迅速回溫。”

除此之外，為解決穿戴的舒適性問題，愛家科技的團(tuán)隊(duì)還將技術(shù)更新迭代。“我們的第一代材料不太透氣，穿在身上排汗困難，容易造成低溫灼傷。針對穿戴類材料的特殊屬性，我們又開發(fā)了二代石墨烯柔性熱管理材料，其質(zhì)感接近棉布，柔軟、透氣又抑菌。”陳利軍說。

正是在科技工作者獨(dú)具匠心、精益求精的奇思巧構(gòu)下，唐花宋畫的中華韻致，才得以裊娜輕盈地呈現(xiàn)在全世界的面前。而在賽后，這一“溫暖冬奧”的秘密武器則作為低溫環(huán)境特種加熱服裝服飾，為更多需要它的人送去了溫暖——

“因?yàn)檠簿€工人要佩戴許多裝備、走很遠(yuǎn)的路，因此為他們設(shè)計保暖服首先不能太厚重，基于石化管道特殊的作業(yè)環(huán)境，還要求衣服里不能有任何靜電，并防爆。”冬奧科技成果的落地，并不是簡單“平移”即可。應(yīng)對不同的場景，需要做有針對性的調(diào)整。給石化巡線工人設(shè)計的服裝，就以絕對安全為首要目的，采用了防靜電、防油污和具有防爆認(rèn)證的高科技材料，聯(lián)合石墨烯柔性發(fā)熱技術(shù)的運(yùn)用，打出了一套漂亮的“組合拳”。

在房山區(qū)，500名值守在北京與河北交界檢查站的一線干警也配備了“定制款”的石墨烯服裝。“因?yàn)闄z查站的民警通常要長時間值守在寒冷的室外，保暖成了服裝最重要的功能，為此我們在石墨烯的內(nèi)膽外又額外加了一層羽絨。”陳利軍介紹。

導(dǎo)熱性極佳的石墨烯材料不僅能用于保暖，還可用來降溫。去年夏天，朝陽區(qū)、房山區(qū)的數(shù)百名戶外作業(yè)的醫(yī)務(wù)人員穿上了石墨烯技術(shù)加持的“液冷服”。“放入冰塊、倒上水，點(diǎn)開開關(guān)，一次能持續(xù)制冷超過2小時。即使戶外溫度超過35攝氏度，也不會感覺暑熱難耐。”燕山醫(yī)院一名醫(yī)護(hù)人員反饋。陳利軍說，事實(shí)上，這款“液冷服”也脫胎于冬奧科技成果，利用石墨烯熱轉(zhuǎn)換效率高的特點(diǎn)，通過水路循環(huán)達(dá)到快速降溫的效果。

石墨烯柔性熱管理技術(shù)如一股暖流，從“雪飛燕”“雪游龍”“雪如意”的冰雪上流淌而出，汩汩流向需要它的地方。

而它的落地應(yīng)用，也只是冬奧科技賽后利用的一個縮影。北京冬奧會的科技成果，從北京起步，走向全國、走向世界。“我們才剛剛出發(fā)。如何讓冬奧科技更廣泛地應(yīng)用于增強(qiáng)民生福祉的各個方面，我們還有很多想象的空間。”陳利軍說。

標(biāo)簽： 低溫環(huán)境 國家體育場 科技成果