為什么要將環境熱能視為可再生能源

  環境熱能是真正意義上來自于環境的能源,其被采集利用后,尺度無限大的環境溫度會自然恢復。從這個角度講,環境熱能屬于可再生能源。國家應重視環境熱能的開發與利用,使其為節能減排和環境保護做出更大的貢獻哈爾濱工業大學熱能工程系 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，而蘊藏在環境水、空氣及土壤中的環境熱能，其理論的能源儲量是無限大并且是可再生的清潔能源。開發環境熱能有助于實現節能減排和環境保護，國家應當予以重視。

 

  環境熱能的“真實身份”。

 

  “環境熱能”是指蘊藏在環境水、空氣和土壤中的熱能。

 

  熱力學中提到，自然界任何物體中均含有熱能。只有當物體的溫度降為零下 273 攝氏度時，其中的分子才不再熱運動，熱能才為零。當然，這種情況在地球上是不存在的。問題是人們在生產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、兩千度的高溫介質來煉鋼。而環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。

 

  在用熱泵供熱時，人們付出的是驅動熱泵運轉所需的電能，而獲得的則是該電能轉化而來的熱能加上從環境中攫取的熱能。一般而言，耗費一份驅動熱泵運轉的電能，可從環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能的基本原理。計入水泵、風機等系統中其它設備的耗電，保守預計，將這個比例估算為 1∶3 是不過分的。

 

  目前學術界正在廣泛使用“地源熱泵”的概念。實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，工業廢水源等，也把它們說成是“地源”就顯得詞不達意。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，更主要的是從開發技術角度來看，這三個種類各自都有其與眾不同的特點。

 

  各類環境熱能的顯著特點首先需要提及能夠被熱泵應用的冷、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，能夠就地取用，太遠了，經濟上不可行；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，但普遍應用的窗式空調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。這個數據一般僅能達到 2 點多，達不到 3。考慮到發電的效率僅為百分之三十，這個問題就顯現出來了。這也是為節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，但實際上有些地質結構決定了適合填埋管道的土體很有限，遇到巖石結構就無法埋入管道。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，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。為了達到所需的土體量還必須付出較大的投資，土壤源熱泵系統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地全年的平均氣溫相當，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，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量上往往差不多。人們在地下設置一塊土壤并埋管后，夏天把熱量存進去，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遠大于夏季所能回送的熱量。雖然所設土體的周圍土壤可以通過四邊的導熱向土體補充一些，但這個量是很小的，遠遠不夠。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，則會出現土壤的溫度連年上升，空調效果逐年變差，幾年后空調失效的情況。

 

  但這并不是一個很難解決的問題。辦法是“地面補償”。例如在北方，可在地面上設置風機盤管。夏季從空氣中取熱，通過已有的循環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，這個補熱的過程完全可以很從容地進行，風機盤管所附帶的風機、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冷。若附近有地面水，用地面水為地下補冷更加方便。

 

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

 

  水源熱泵一般能源利用效率較高，數據統計至少在 4 以上，好的機組甚至可以達到 6，這是它明顯優于空氣源熱泵之處。

 

  使用水源遇到的普遍問題是從水源中長時間安全、連續地取、排熱問題。這個問題來自于所謂“開式換熱”。所用之水經取、排熱后就立即被排走了，所來之水永遠都是來自某種環境中的新水。通常換熱設備對水質都是有要求的。傳統空調系統中的水循環都是“閉式”的，水質都是經過處理達到要求的。而水源熱泵所用之水往往都達不到水質要求。特別是城市污水，其惡劣的水質足以在很短時間內將傳統的換熱設備堵死。

 

  因此，使用環境熱源中的水源，其關鍵技術在于如何解決堵塞、污染與腐蝕的問題。

 

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

 

  采集環境熱能需用熱泵，而熱泵要用電來驅動，因此有人會產生疑惑：將被動的環境熱能視為能源是否恰當。的確，環境熱能與太陽能、風能不同，它不是一次能源，不是原始動力，但它確實是為建筑物供應大量熱能的來源，因此，不管它是否是原始能源，都肯定應將它視為一種能源。可將驅動熱泵的電能視為輔助，這和利用太陽能、風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能、太陽能、水能、生物質能、地熱能、海洋能等非化石能源，其中未包含“環境熱能”。

 

  實際上，環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，應將其列入可再生能源法，以促進其開發與進一步發展。

 

  利用熱泵技術，開發環境熱能，省去了燃煤、燃氣、燃油等鍋爐房系統，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，國家應重視環境熱能的開發與利用，使其為節能減排和環境保護做出更突出的貢獻。