環(huán)境熱能是真正意義上來自于環(huán)境的能源,其被采集利用后,尺度無限大的環(huán)境溫度會自然恢復(fù)。從這個角度講,環(huán)境熱能屬于可再生能源。國家應(yīng)重視環(huán)境熱能的開發(fā)與利用,使其為節(jié)能減排和環(huán)境保護(hù)做出更大的貢獻(xiàn)哈爾濱工業(yè)大學(xué)熱能工程系 孫德興 張承虎 王海燕 莊兆意自然界任何物體中均含有熱能，而蘊(yùn)藏在環(huán)境水、空氣及土壤中的環(huán)境熱能，其理論的能源儲量是無限大并且是可再生的清潔能源。開發(fā)環(huán)境熱能有助于實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排和環(huán)境保護(hù)，國家應(yīng)當(dāng)予以重視。

 

  環(huán)境熱能的“真實(shí)身份”。

 

  “環(huán)境熱能”是指蘊(yùn)藏在環(huán)境水、空氣和土壤中的熱能。

 

  熱力學(xué)中提到，自然界任何物體中均含有熱能。只有當(dāng)物體的溫度降為零下 273 攝氏度時，其中的分子才不再熱運(yùn)動，熱能才為零。當(dāng)然，這種情況在地球上是不存在的。問題是人們在生產(chǎn)與生活中所需要的熱能，其載熱體必須要有一定的溫度，例如人們需要 40 多度的水來洗澡，需要 70 多度的水來通過暖氣采暖，需要一、兩千度的高溫介質(zhì)來煉鋼。而環(huán)境水與空氣的溫度通常都在零下 20 到 30 攝氏度之間，是不能直接用的熱能。

 

  然而，這畢竟是熱能，而且人們也有辦法把它利用起來。辦法就是采用熱泵技術(shù)。

 

  在用熱泵供熱時，人們付出的是驅(qū)動熱泵運(yùn)轉(zhuǎn)所需的電能，而獲得的則是該電能轉(zhuǎn)化而來的熱能加上從環(huán)境中攫取的熱能。一般而言，耗費(fèi)一份驅(qū)動熱泵運(yùn)轉(zhuǎn)的電能，可從環(huán)境水中吸取三份熱能，從而使供出去的熱能為四份。例如某大樓冬季某時刻利用熱泵供熱量為 400 千瓦，而熱泵耗電則只需 100 千瓦。這就是熱泵供熱可節(jié)能的基本原理。計入水泵、風(fēng)機(jī)等系統(tǒng)中其它設(shè)備的耗電，保守預(yù)計，將這個比例估算為 1∶3 是不過分的。

 

  目前學(xué)術(shù)界正在廣泛使用“地源熱泵”的概念。實(shí)際上這個概念往往是指“土壤源”與“淺表地下水源”這兩種。然而有些同類的“源”，例如城市污水源，工業(yè)廢水源等，也把它們說成是“地源”就顯得詞不達(dá)意。所以不如將熱泵的分類回歸到原來的“空氣源熱泵”、“土壤源熱泵”

 

  和“水源熱泵”目錄上面來，這不僅僅是詞義清晰的問題，更主要的是從開發(fā)技術(shù)角度來看，這三個種類各自都有其與眾不同的特點(diǎn)。

 

  各類環(huán)境熱能的顯著特點(diǎn)首先需要提及能夠被熱泵應(yīng)用的冷、熱源載體需要具備的三個條件：一是有足夠大的體量，能夠源源不斷地提供冷或（和）熱；二是位置離建筑物不遠(yuǎn)，能夠就地取用，太遠(yuǎn)了，經(jīng)濟(jì)上不可行；三是溫度適宜，適合熱泵方便取熱（和）取冷的要求。

 

  熱泵的三種“源”包括“空氣源”、“土壤源”和“水源”。

 

  空氣作為冷、熱源完全滿足上述三個條件中的前兩個條件。作冷源時，也基本滿足第三個條件。中國夏天雖然天氣很熱，但普遍應(yīng)用的窗式空調(diào)就是在用室外空氣做冷源。在做熱源時，空氣源熱泵的能源利用效率不算高。所謂能源利用效率是指所獲取的熱量與所消耗的電能之比。這個數(shù)據(jù)一般僅能達(dá)到 2 點(diǎn)多，達(dá)不到 3。考慮到發(fā)電的效率僅為百分之三十，這個問題就顯現(xiàn)出來了。這也是為節(jié)能而推廣空氣源熱泵遇到的最大問題。這個問題在中國的北方尤為突出，一是冬季氣溫太低，熱泵效率很低。二是換熱面結(jié)霜，頻繁的除霜使效率更為降低。第 2 頁 共 3 頁土壤作為冷、熱源滿足上述提及的第二個條件，但對第一個和第三個條件來講，則都存在一些問題。

 

  首先是體量問題。雖然看起來好像地下有無盡的體量，但實(shí)際上有些地質(zhì)結(jié)構(gòu)決定了適合填埋管道的土體很有限，遇到巖石結(jié)構(gòu)就無法埋入管道。對高層建筑來講，為滿足足夠的土體量，并且保證埋管深度在合理的范圍內(nèi)，就需要很大的布管面積，但高層建筑周圍卻往往找不到這么大的地方布管。為了達(dá)到所需的土體量還必須付出較大的投資，土壤源熱泵系統(tǒng)的造價通常要比水源熱泵高出一到兩倍。

 

  其次是溫度問題。一般淺層土壤的溫度與當(dāng)?shù)厝甑钠骄鶜鉁叵喈?dāng)，屬于冬暖夏涼，正好可為地面建筑冬季供熱，夏季供冷。只要有足夠大的體量，溫度是適宜的。但問題在于存在一個所謂冬夏熱不平衡的問題。在我國中原地區(qū)，地面建筑在整個冬季所需要獲取的熱量與在整個夏季所需要排出的房間廢熱在數(shù)量上往往差不多。人們在地下設(shè)置一塊土壤并埋管后，夏天把熱量存進(jìn)去，冬天再把差不多等量的熱量取出來，在整個一年中這塊土壤只起一個存儲作用，所需土壤的體量能滿足存儲要求就可以了。這是很理想的狀況。但在寒冷的北方與炎熱的南方，情況就不這么理想了。例如在寒冷的北方，冬季所取的總熱量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于夏季所能回送的熱量。雖然所設(shè)土體的周圍土壤可以通過四邊的導(dǎo)熱向土體補(bǔ)充一些，但這個量是很小的，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。造成土體的溫度連年下降，供熱效果逐年變差，甚至幾年后土壤源熱泵就不能工作了。在炎熱的南方，則會出現(xiàn)土壤的溫度連年上升，空調(diào)效果逐年變差，幾年后空調(diào)失效的情況。

 

  但這并不是一個很難解決的問題。辦法是“地面補(bǔ)償”。例如在北方，可在地面上設(shè)置風(fēng)機(jī)盤管。夏季從空氣中取熱，通過已有的循環(huán)管路將熱量送到地下，以備冬季土體熱量的不足。夏季時間很長，這個補(bǔ)熱的過程完全可以很從容地進(jìn)行，風(fēng)機(jī)盤管所附帶的風(fēng)機(jī)、水泵都可以選用很小壓頭的，附加能耗僅需增加百分之幾。在南方，則可以用同樣的方法在冬季為地下補(bǔ)冷。若附近有地面水，用地面水為地下補(bǔ)冷更加方便。

 

  水源熱泵的水源經(jīng)過近些年的研究已經(jīng)開發(fā)出很多品種，諸如江、河、湖、海等地面水，淺表地下水，城市污水，各種工業(yè)廢水，電廠的冷卻水等。

 

  水源熱泵一般能源利用效率較高，數(shù)據(jù)統(tǒng)計至少在 4 以上，好的機(jī)組甚至可以達(dá)到 6，這是它明顯優(yōu)于空氣源熱泵之處。

 

  使用水源遇到的普遍問題是從水源中長時間安全、連續(xù)地取、排熱問題。這個問題來自于所謂“開式換熱”。所用之水經(jīng)取、排熱后就立即被排走了，所來之水永遠(yuǎn)都是來自某種環(huán)境中的新水。通常換熱設(shè)備對水質(zhì)都是有要求的。傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)中的水循環(huán)都是“閉式”的，水質(zhì)都是經(jīng)過處理達(dá)到要求的。而水源熱泵所用之水往往都達(dá)不到水質(zhì)要求。特別是城市污水，其惡劣的水質(zhì)足以在很短時間內(nèi)將傳統(tǒng)的換熱設(shè)備堵死。

 

  因此，使用環(huán)境熱源中的水源，其關(guān)鍵技術(shù)在于如何解決堵塞、污染與腐蝕的問題。

 

  環(huán)境熱能應(yīng)被視為可再生能源環(huán)境熱能是真正意義上來自于環(huán)境的能源，其被采集利用后，尺度無限大的環(huán)境溫度會自然恢復(fù)。從這個角度講，環(huán)境熱能屬于可再生能源。

 

  采集環(huán)境熱能需用熱泵，而熱泵要用電來驅(qū)動，因此有人會產(chǎn)生疑惑：將被動的環(huán)境熱能視為能源是否恰當(dāng)。的確，環(huán)境熱能與太陽能、風(fēng)能不同，它不是一次能源，不是原始動力，但它確實(shí)是為建筑物供應(yīng)大量熱能的來源，因此，不管它是否是原始能源，都肯定應(yīng)將它視為一種能源。可將驅(qū)動熱泵的電能視為輔助，這和利用太陽能、風(fēng)能時需要少量電能來輔助是一樣的。

 

  人大常委會 2005 年 2 月 28 日通過的可再生能源法（第一章，第二條）將可再生能源定義為風(fēng)能、太陽能、水能、生物質(zhì)能、地?zé)崮?/a>、海洋能等非化石能源，其中未包含“環(huán)境熱能”。

 

  實(shí)際上，環(huán)境熱能的理論儲量可視為無窮大，其可開采量也絕不亞于可再生能源法中所列的任何一種非化石能源。所以，應(yīng)將其列入可再生能源法，以促進(jìn)其開發(fā)與進(jìn)一步發(fā)展。

 

  利用熱泵技術(shù)，開發(fā)環(huán)境熱能，省去了燃煤、燃?xì)狻⑷加偷儒仩t房系統(tǒng)，無需燃燒過程，避免了排煙、排污等污染。作為清潔的可再生能源，國家應(yīng)重視環(huán)境熱能的開發(fā)與利用，使其為節(jié)能減排和環(huán)境保護(hù)做出更突出的貢獻(xiàn)。