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(huì)自然恢復(fù)。從這個(gè)角度講,環(huán)境熱能屬于可再生能源。國(guó)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(chǔ)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(guó)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(shí)，其中的分子才不再熱運(yùn)動(dòng)，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?cè)谏a(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(shí)，人們付出的是驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(shí)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(jì)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(jì)，將這個(gè)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(gè)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(gè)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(gè)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(gè)條件中的前兩個(gè)條件。作冷源時(shí)，也基本滿足第三個(gè)條件。中國(guó)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(shí)，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(gè)數(shù)據(jù)一般僅能達(dá)到 2 點(diǎn)多，達(dá)不到 3?？紤]到發(fā)電的效率僅為百分之三十，這個(gè)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(gè)問題在中國(guó)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(yè) 共 3 頁(yè)土壤作為冷、熱源滿足上述提及的第二個(gè)條件，但對(duì)第一個(gè)和第三個(gè)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(duì)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(jià)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(gè)所謂冬夏熱不平衡的問題。在我國(guó)中原地區(qū)，地面建筑在整個(gè)冬季所需要獲取的熱量與在整個(gè)夏季所需要排出的房間廢熱在數(shù)量上往往差不多。人們?cè)诘叵略O(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(gè)一年中這塊土壤只起一個(gè)存儲(chǔ)作用，所需土壤的體量能滿足存儲(chǔ)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(gè)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(huì)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(gè)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(shí)間很長(zhǎng)，這個(gè)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(jì)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(zhǎng)時(shí)間安全、連續(xù)地取、排熱問題。這個(gè)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(duì)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(shí)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(huì)自然恢復(fù)。從這個(gè)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(dòng)，因此有人會(huì)產(chǎn)生疑惑：將被動(dòng)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(yáng)能、風(fēng)能不同，它不是一次能源，不是原始動(dòng)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?？蓪Ⅱ?qū)動(dòng)熱泵的電能視為輔助，這和利用太陽(yáng)能、風(fēng)能時(shí)需要少量電能來輔助是一樣的。

 

  人大常委會(huì) 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(yáng)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(chǔ)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(guó)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)。