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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，精準先進的實況轉播設備的外套內，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項目負責人、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)熱產品及熱力保障應用”方案，他和團隊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動”目標實現的同時，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)，地鐵司機一按按鈕，整列車的座椅都會在3分鐘內熱起來，“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，這間會議室是沒有暖氣的。”采訪時正值嚴冬，而身處室內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隊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，無疑將面臨嚴峻的低溫挑戰(zhàn)。在考察、比對了100余種國內外保障方案，并進行了多次低溫模擬環(huán)境試驗后，愛家科技的“低溫環(huán)境石墨烯智能發(fā)熱產品及熱力保障應用”方案脫穎而出，以其“安全、遠紅外健康輻射、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。

石墨烯是國家重點支持的戰(zhàn)略級新型材料，有電熱轉換性能極好、可直流低電壓驅動等特點。陳利軍介紹，在通電的情況下，碳分子團之間相互摩擦、碰撞產生熱能。新型石墨烯材料的電熱轉換效率達90%以上，通電后將電能高效轉化為熱能，熱能又通過遠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。

嚴寒低溫的鳥巢內，觀禮臺區(qū)域觀眾體感卻能與室內接近。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，內部也布滿了電線。”陳利軍介紹，其實， 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，就能實現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“保護罩”。就這樣，石墨烯智能溫控系統(tǒng)通過熱輻射加熱傳導并用的方式，達到了即使在零下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測試，設備也要以測試數據為依據不斷調適。”陳利軍解釋。

為了達到這個效果，陳利軍和他的團隊可沒少“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級風的觀看環(huán)境。后來又干脆在單位院內購置了兩臺特制的低溫箱，由受試者身上接上30多條線，連著各種傳感器進行試驗。受試者要考慮性別、年齡、體型等特點，力求男、女、胖、瘦均勻分布，試驗過程中收集物表溫度、人體接觸點溫度、人體感知溫度及受試者主觀溫度等指標數據，再進行綜合打分。進入鳥巢閉環(huán)施工保障后，又反復進行真人實地試驗，“制定保障預案時，各種天氣、各個時間點，就連外國友人的著裝方案都考慮在內。”

經過為期2年精益求精的研發(fā)、試驗、調適，60余天的閉環(huán)密集施工，“低溫環(huán)境石墨烯智能發(fā)熱產品及熱力保障應用”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天氣溫僅零下7攝氏度，閉幕式當天氣溫零下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”

因為在北京冬奧會上的“溫暖表現”，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年冬奧會工程建設指揮部辦公室、國家體育場以及北京市科委、中關村管委會等部門發(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、中關村管委會及市經信局、房山區(qū)政府等部門的指導下，曾經“冬奧特供”的石墨烯發(fā)熱技術很快找到了更為廣闊的應用場景。 為國家體育場座椅供暖的技術，率先應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的。冬季氣溫低，因此把手和座椅有時會讓人感覺冰冷。當前，地鐵座椅的加溫措施往往是通過暖氣、熱風實現的，而出于防疫需要車廂內加大通風，加熱用的暖風容易隨空氣流動而流失，難以實現保溫的作用。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，在冬奧供暖技術的基礎上進行再改造，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)， 地鐵司機一按按鈕，整列車的座椅都會在3分鐘內熱起來，“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的技術方案，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換效率，因此不會給電力系統(tǒng)帶來額外的負擔。“這就是石墨烯的神奇與獨到之處。”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，運行期間，當乘客坐下時發(fā)熱供暖，站起來時座椅自動斷電。這樣當地鐵處在非高峰時段，或車廂空載時，就不會做無用功了。”

當然，冬奧科技要走進民間，也要進行更加“親民”的調整。比如，地鐵的座椅不同于鳥巢觀禮臺座椅柔軟的材質，前期試驗中，當團隊技術人員將石墨烯加熱層嵌入玻璃鋼后，出現了座椅鼓包、發(fā)熱不均勻等情況。而有了此前保障冬奧的經驗，幾輪試驗后，愛家科技的團隊很快找到了解決的方案。“中間的加溫層溫度較高，不同材質的熱膨脹系數不同，因此出現鼓包現象。”鼓包其實是氣泡，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)熱技術很快也將應用在新能源汽車上。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線。這是一個新型智能的“黑燈工廠”，整個生產操作流程都由機器人、自動化高科技設備完成，不需要人工操作。

“智慧座椅”即將在北京上線應用的同時，愛家科技的團隊也在對接更北方省份的軌道客運部門，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目的決賽中逆襲奪冠，為中國隊奪得北京冬奧會雪上項目的首金。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。

和夏季奧運會不同，冬奧會運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”“鴻運山水”“唐花飛雪”的中國風韻同時，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“內膽”上。石墨烯作為涂層均勻分布在這套“保暖內衣”的周身，“當姑娘們感覺寒冷時，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，石墨烯在通電時產生熱能，熱能通過遠紅外線以平面方式均勻地輻射出來，讓穿著石墨烯內衣的人由內而外感覺到溫暖。除了禮儀志愿者服裝的保暖“內膽”，愛家科技的團隊還制作了圍巾、馬甲、手套、襪子等一系列石墨烯的加熱產品，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，愛家科技的團隊還將技術更新迭代。“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具匠心、精益求精的奇思巧構下，唐花宋畫的中華韻致，才得以裊娜輕盈地呈現在全世界的面前。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——

“因為巡線工人要佩戴許多裝備、走很遠的路，因此為他們設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。應對不同的場景，需要做有針對性的調整。給石化巡線工人設計的服裝，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證的高科技材料，聯(lián)合石墨烯柔性發(fā)熱技術的運用，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。“因為檢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膽外又額外加了一層羽絨。”陳利軍介紹。

導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)的數百名戶外作業(yè)的醫(yī)務人員穿上了石墨烯技術加持的“液冷服”。“放入冰塊、倒上水，點開開關，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)護人員反饋。陳利軍說，事實上，這款“液冷服”也脫胎于冬奧科技成果，利用石墨烯熱轉換效率高的特點，通過水路循環(huán)達到快速降溫的效果。

石墨烯柔性熱管理技術如一股暖流，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用于增強民生福祉的各個方面，我們還有很多想象的空間。”陳利軍說。

標簽： 低溫環(huán)境 國家體育場 科技成果