石墨烯電暖器、碳納米管電地暖、空氣源熱泵……
這些黑科技帶來冬日里的別樣溫暖
立冬節(jié)氣后，氣溫不斷走低，各式各樣的取暖設(shè)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(xiàn)了一些科技感很強(qiáng)的“取暖神器”，如石墨烯電暖器、空氣源熱泵等。它們逐漸從實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入尋常百姓家，不僅可以幫助我們抵御嚴(yán)寒，而且更加低碳環(huán)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”，而一臺(tái)電暖器對于沒有全面集中供暖的南方來說，絕對是冬季必需品。
前幾年，石墨烯對老百姓而言，還是實(shí)驗(yàn)室里的“高冷”名詞，如今石墨烯材料已經(jīng)被應(yīng)用在取暖器中，并且成為市場新寵。
資料顯示，素有材料界“黑金”美譽(yù)的石墨烯，是目前已知最薄、強(qiáng)度最大、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能最好的新型納米材料。天津大學(xué)化工學(xué)院教授張生在接受科技日報(bào)記者采訪時(shí)介紹道，無缺陷的單層石墨烯的導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)5300瓦/米·度（導(dǎo)熱系數(shù)的單位），是目前導(dǎo)熱系數(shù)最高的碳材料。
除此之外，石墨烯電熱轉(zhuǎn)化效率極高，在通電后它可以將99%的電能轉(zhuǎn)化為熱能，且耗電量較低。由于其良好的導(dǎo)電導(dǎo)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(tǒng)供暖系統(tǒng)相比，石墨烯在發(fā)熱時(shí)，還能夠釋放直徑為8至14微米的遠(yuǎn)紅外線，將熱量輸送到各個(gè)房間。這種遠(yuǎn)紅外線對人體無害，而且會(huì)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，由于石墨烯材料比較薄，因此可以被制成貼在地板上的發(fā)熱膜，實(shí)現(xiàn)空間內(nèi)自然均勻升溫。此外，還可以將它制成目前流行的踢腳線取暖器，這種取暖器不僅“顏值”高，而且便于在狹小的空間內(nèi)移動(dòng)，也不會(huì)占用很大的空間。
碳納米管電地暖： 能將99.8%的電能轉(zhuǎn)化為熱能
如今，我國北方不少城市已經(jīng)完成了從暖氣片到地暖的設(shè)備升級(jí)。但是在沒有全部實(shí)現(xiàn)集中供暖的南方地區(qū)，安裝電地暖便成了“怕冷一族”的選擇。
但目前市面上由發(fā)熱電纜、碳晶（石墨粉/短切碳纖維）等制成的電地暖，多數(shù)存在能耗高、安全性差、功率衰減嚴(yán)重等問題，后期的維護(hù)及使用費(fèi)更讓很多人望而卻步。不過，如今隨著碳納米管技術(shù)被應(yīng)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(jié)構(gòu)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(gòu)成的管狀結(jié)構(gòu)。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卷繞而形成的空心管，根據(jù)管壁層數(shù)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(xué)化學(xué)學(xué)院研究員牛志強(qiáng)介紹道，正是由于這種結(jié)構(gòu)特征，碳納米管在硬度、韌性、穩(wěn)定性等方面均展現(xiàn)出優(yōu)異的性能。
資料顯示，碳納米管1991年被首次發(fā)現(xiàn)，它具有優(yōu)異的增強(qiáng)增韌特性，在與高分子材料復(fù)合后具有極高的穩(wěn)定性，同時(shí)它又具有優(yōu)異的電學(xué)性能，輔以獨(dú)特的封裝技術(shù)及電極連接方式，可以大大提升電地暖的穩(wěn)定性、安全性。
通常，電地暖生產(chǎn)廠家會(huì)將碳納米管漿料涂在導(dǎo)電材料上，使碳納米管搭接形成面狀導(dǎo)電膜結(jié)構(gòu)，同時(shí)在碳納米管導(dǎo)電膜的兩側(cè)覆以金屬電極從而形成碳納米管面熱源。通電后，碳納米管將以遠(yuǎn)紅外線形式釋放能量，形成均勻發(fā)熱的面狀發(fā)熱體，從而產(chǎn)生大量的熱，并以遠(yuǎn)紅外線的方式向外釋放。
在這一過程中，碳納米管的電熱轉(zhuǎn)換效率高達(dá)99.8%，其遠(yuǎn)紅外線轉(zhuǎn)換效率可達(dá)83%。除此之外，由于碳納米管電地暖是利用遠(yuǎn)紅外線來制熱的，而遠(yuǎn)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(dòng)的近地面范圍，從而達(dá)到高效節(jié)能的效果。
空氣源熱泵： 工作時(shí)無明火、無廢氣排放
過去很長一段時(shí)間，在我國農(nóng)村地區(qū)，普遍采用燒煤取暖的方式。不過，由于所用燃燒物沒有經(jīng)過清潔處理，再加上低空排放，給環(huán)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(huán)境，我國北方許多農(nóng)村正在積極推廣煤改清潔供暖。
“在煤改清潔能源的過程中，空氣源熱泵采暖備受關(guān)注。”天津大學(xué)建筑設(shè)計(jì)規(guī)劃研究總院建筑工程師馮衛(wèi)星在接受科技日報(bào)記者采訪時(shí)介紹道，空氣源熱泵由壓縮機(jī)、膨脹閥、蒸發(fā)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(qū)動(dòng)（通過壓縮吸收空氣中的熱量來制熱），就能夠滿足農(nóng)村地區(qū)的各種取暖需求。
由于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(jié)能效果大約是普通電暖設(shè)備的3倍。和傳統(tǒng)燃煤、燃?xì)忮仩t等采暖方式相比，空氣源熱泵可以節(jié)省30%左右的能源。
“除此之外，空氣源熱泵還是一種安全、環(huán)保的采暖設(shè)備。”馮衛(wèi)星說，它在工作時(shí)無明火，無廢氣排放，不僅大大降低了火災(zāi)、爆炸、中毒等事故發(fā)生的可能性，還減少了污染物的排放、改善了空氣質(zhì)量。
同時(shí)，空氣源熱泵的運(yùn)行也非常穩(wěn)定，完全不用擔(dān)心它會(huì)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(yùn)行。目前，新一代超低溫空氣源熱泵已經(jīng)可以適應(yīng)零下25攝氏度的低溫環(huán)境。
PTC陶瓷暖風(fēng)機(jī)： 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(huán)境，讓人們洗澡時(shí)都恨不得把“小太陽”貼在身上。近年來出現(xiàn)的PTC陶瓷（正溫度系數(shù)陶瓷）發(fā)熱技術(shù)，就實(shí)現(xiàn)了大家把“小太陽”隨身攜帶的愿望。
“PTC泛指正溫度系數(shù)很大的半導(dǎo)體材料或元器件。”相關(guān)專家表示，它能夠根據(jù)本體溫度的高低調(diào)節(jié)電阻大小，從而可以讓溫度恒定在設(shè)定值。當(dāng)在中小功率模式下運(yùn)行時(shí)，PTC具有恒溫發(fā)熱、無明火、熱轉(zhuǎn)換率高、受電源電壓影響極小、自然壽命長等傳統(tǒng)發(fā)熱元件無法比擬的優(yōu)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(huán)境下燒結(jié)而成。它的電阻在常溫下很小，但是當(dāng)溫度升至某一特定數(shù)值，其電阻會(huì)突然增大千倍甚至百萬倍；隨著溫度下降，電阻又會(huì)恢復(fù)原狀。
用PTC陶瓷制成的便攜式暖風(fēng)機(jī)體型迷你，只有一臺(tái)小電扇大小，其利用內(nèi)置風(fēng)機(jī)吹動(dòng)空氣流經(jīng)PTC陶瓷發(fā)熱體實(shí)現(xiàn)供暖，送風(fēng)柔和、升溫速度快，具有自動(dòng)恒溫功能。同時(shí)，由于PTC陶瓷發(fā)熱體具有防水功能，因此適合在浴室使用。
除此之外，其內(nèi)部裝有限溫器，當(dāng)風(fēng)機(jī)的風(fēng)口被堵塞時(shí)，可自行斷電。同時(shí)，這種暖風(fēng)機(jī)還具有電子式防傾倒保護(hù)功能，可以在傾倒時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)斷電保護(hù)。（記者 陳曦）
來源：科技日報(bào)
責(zé)任編輯：李賽男
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