21世紀(jì)的能源革命

茍仲武

摘 要：本文不研究能源的獲取，呼吁重視調(diào)整、改變、改進(jìn)長期形成的能源利用理念、利用方式，實現(xiàn)各種能源的高效率利用、循環(huán)利用、系統(tǒng)利用、階梯利用、全面利用，讓“能量動起來、熱機(jī)冷下來、排放變資源”！希望通過應(yīng)用觀念創(chuàng)新、應(yīng)用理論創(chuàng)新、應(yīng)用技術(shù)創(chuàng)新、多學(xué)科技術(shù)交叉應(yīng)用創(chuàng)新，帶來能源應(yīng)用的變革，進(jìn)而推動一次新的能源革命的展開。

關(guān)鍵詞：能源危機(jī)；能源革命；用能模式；熱泵技術(shù)；階梯利用；熱電聯(lián)供

今天能源危機(jī)、環(huán)境危機(jī)已經(jīng)迫在眉睫，人類亟需一場能源革命。創(chuàng)造是從無到有，創(chuàng)新是從有到用。人類現(xiàn)在對地球資源已經(jīng)基本上了解清楚，容易獲得的資源已經(jīng)開發(fā)殆盡，從創(chuàng)造、發(fā)現(xiàn)的角度，已經(jīng)開始研究、開發(fā)頁巖氣、可燃冰了，能不能回頭看看，還有什么可以創(chuàng)新的地方？我們有沒有忽略什么東西？如果沒有太多機(jī)會創(chuàng)造，我們就要更加認(rèn)真看看還能不能創(chuàng)新。

本文不研究能源的獲取，著重從已有能源的利用方式、利用效率等方面進(jìn)行探討，希望能通過創(chuàng)新，在同樣滿足人類目前生產(chǎn)、生活熱量、動力需求的情況下，大幅度減少能源的直接消耗，通過模式改變、效率提高，讓已有的、少量的可再生能源、清潔能源資源能逐步滿足全社會目前甚至未來發(fā)展的能源需求，從而用新的方式找到解決能源危機(jī)、環(huán)境污染等一系列問題的出路，來一場新的、偉大的能源革命。

1 改進(jìn)能源應(yīng)用方式

人類千百年來養(yǎng)成一個慣性思維：需要熱量，就習(xí)慣用傳統(tǒng)的煤、氣、油、電等能源轉(zhuǎn)換成熱能來利用。人們熟知的能量守恒定律，讓我們許多人忽略了使用一種叫“熱泵”技術(shù)的熱能搬運(yùn)“杠桿”作用。即消耗一份能量，帶動其它介質(zhì)中已有熱量的再利用，目標(biāo)得到同樣熱能，但新消耗的高品位能源、石化燃料大大減少，用非直接轉(zhuǎn)換利用的方式、“讓能量動起來”的方式，實現(xiàn)大幅度節(jié)能減排。

1.1 狹義的熱量流動應(yīng)用

能實現(xiàn)熱量流動的裝置就是各種形式的熱泵。熱泵技術(shù)有很多種，空調(diào)、制冷系統(tǒng)采用的是一種壓縮式熱泵系統(tǒng)，空調(diào)可以高效率地將室內(nèi)外的熱量來回搬運(yùn)，夏天，把房間里的熱量搬到室外；冬天把室外的熱量搬到室內(nèi)，能效比普遍在3倍以上，換句話說，比直接消耗能源物質(zhì)獲得熱量的方法，節(jié)約能源三分之二以上。

人們使用空調(diào)、冰箱已超百年，這些年逐步推廣開的水源熱泵、地源熱泵，也都是該原理的典型應(yīng)用。遺憾的是，雖然能效比高，節(jié)能效果明顯，但這些應(yīng)用場合的設(shè)計溫度太低，以輸出溫?zé)崴疄橹?，主要用于空調(diào)、制冷、采暖、生活洗浴等，沒有更高的工業(yè)利用價值，未能涉及工業(yè)領(lǐng)域的高耗能環(huán)節(jié)，難以產(chǎn)生更好的節(jié)能減排社會效益。

其實熱泵技術(shù)本身從來沒有“說過”自己不能超過100℃。這二、三十的溫差會成為物理學(xué)上的一個瓶頸嗎？難道只能用在幾十?dāng)z氏度上？答案當(dāng)然是否定的！經(jīng)過我們的研究實踐，證明現(xiàn)有的熱泵系統(tǒng)輸出可以很容易地達(dá)到100℃以上，并且長時間高效率運(yùn)行，完全可以介入大多數(shù)工業(yè)領(lǐng)域的高耗能環(huán)節(jié)，實現(xiàn)能源消耗關(guān)鍵環(huán)節(jié)的大比例節(jié)能。例如蒸汽鍋爐，以前熱泵技術(shù)只能在水加熱70℃以下時起作用，涉及的工作范圍太小，所節(jié)約的熱能最大只能占到全熱的3%～8%，從系統(tǒng)復(fù)雜性、成本增加量等綜合考慮，沒有實用價值。當(dāng)熱泵介入“水-汽”沸騰高耗能環(huán)節(jié)，且保持較高能效比時，才是熱泵技術(shù)得以獲得在鍋爐領(lǐng)域應(yīng)用突破的基礎(chǔ)。

熱泵有太多種類，從某種意義說，凡是帶有熱量的物質(zhì)移動，如果關(guān)注的是物質(zhì)本身，那就是“水泵”、“氣泵”；但如果設(shè)法讓移動的物質(zhì)盡可能多的攜帶熱量，以熱量為關(guān)注對象，熱量的移動為主要目的的話，那就是熱泵了。驅(qū)動熱泵工作的能量來源包括電能、熱能、勢能等。以目前的各種成熟的技術(shù)來說，只要你的需求不要太高，比如超過200℃，現(xiàn)有的設(shè)備、技術(shù)、工藝完全可以組合出你要的系統(tǒng)，通過熱泵方式滿足用熱需求，實現(xiàn)大幅度節(jié)能的目的。

如果我們的鍋爐能從現(xiàn)在努力追求100%的效率，變成“起步”就是200%～300%的效率或更高，節(jié)能50%以上，若我們家家戶戶的廚具節(jié)能60%以上，發(fā)熱量就會成倍減少，廚房、車間就會變得涼爽。

進(jìn)一步推廣開來，將熱泵技術(shù)在能源綜合利用的場合充分利用，實現(xiàn)將空氣中的、污水里的、土壤里的、回收其他排放熱源得到的熱量搬到生產(chǎn)、生活設(shè)備中循環(huán)利用，實現(xiàn)企業(yè)內(nèi)冷熱作業(yè)面的熱能調(diào)度，從原來需要熱量就消耗能源物質(zhì)轉(zhuǎn)換獲得，變?yōu)閺钠渌h(huán)節(jié)高效率回收、搬運(yùn)獲得，系統(tǒng)新增的能量消耗、環(huán)境熱排放僅是原有直接能耗模式的幾分之一、幾十分之一，大大提高了能源的利用效率。

應(yīng)該讓全社會重視“讓能量動起來”，甚至有必要從小學(xué)、中學(xué)教育開始，讓學(xué)生在了解能量守恒定律的同時，就了解能量獲取的方式不是只有消耗能源物質(zhì)一對一換取的一種方式，還有更高效率獲取能量的手段！

1.2 廣義的熱量流動應(yīng)用

本文提出的所謂廣義的熱量流動應(yīng)用，是指將上述的熱泵技術(shù)實現(xiàn)時間、空間上的開放式應(yīng)用。有點像古時候的冬天冰塊蓄冷、夏天用儲存的冰塊吸熱降溫；現(xiàn)有的錯峰用電蓄冷、蓄熱；天然氣液化運(yùn)輸后的液態(tài)天然氣所含“冷量”再利用等等。把熱泵技術(shù)的熱媒、冷媒傳輸不要再局限于小系統(tǒng)，實現(xiàn)大系統(tǒng)、跨場景、跨地區(qū)、跨時段應(yīng)用。

比如，我們常用的空調(diào)，是冷媒在壓縮機(jī)的抽吸作用下，在蒸發(fā)器里降壓、吸熱蒸發(fā)；攜帶汽化熱的物質(zhì)，被壓縮機(jī)增壓，溫度隨壓力增加自然升高，并隨著管路移動到另一個位置進(jìn)入冷凝器后，遇到相對較低的溫度條件，就會冷凝、放熱，釋放大量熱量。

如果基于這個道理，我們利用熱泵技術(shù)制作一種新的空氣源熱泵鍋爐，它能把環(huán)境空氣的熱量高效率搬運(yùn)到水里，實現(xiàn)輸出熱水、蒸汽。這種新的“鍋爐”根據(jù)逆卡諾循環(huán)理論，其效率在100%以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于現(xiàn)有的電加熱鍋爐。那些失去熱量的環(huán)境空氣溫度降低。如果能實現(xiàn)部分空氣的熱量進(jìn)一步被“搬走”，溫度大幅度降低，空氣就會變成液體，它的凝結(jié)熱也將一并被搬運(yùn)到水中，都隨著熱水、蒸汽輸出使用；而某種意義上就可以得到“免費(fèi)”的液態(tài)空氣這個“副產(chǎn)品”。進(jìn)一步，將這種約-200℃的含有“冷量”的物質(zhì)，通過車輛、管路運(yùn)輸?shù)叫枰獎恿Φ膱龊希屗ㄟ^熱交換器、氣化器吸收免費(fèi)的、環(huán)境空氣熱或其他廢熱，實現(xiàn)沸騰、汽化、氣化膨脹成為高壓氣體，該氣體可以推動發(fā)動機(jī)、氣缸活塞運(yùn)動，實現(xiàn)將低溫的、免費(fèi)的環(huán)境熱量轉(zhuǎn)化為人們需要的動力，滿足新的需求。能量在甲地從空氣中進(jìn)入鍋爐的水里、把水變成蒸汽進(jìn)入生產(chǎn)生活環(huán)節(jié)，最后散發(fā)到環(huán)境中；失去熱量的液態(tài)空氣經(jīng)空間移動到達(dá)乙地，在乙地由于它自身極低的溫度，則又可以吸收、撬動當(dāng)?shù)乜諝?、土壤、環(huán)境水源已有的“低溫”熱量轉(zhuǎn)化為高壓空氣的勢能，通過熱機(jī)部分轉(zhuǎn)化為輸出動力，泄壓后的空氣排放回環(huán)境。最后在大環(huán)境下、大氣層內(nèi)實現(xiàn)熱平衡。上述過程中一次電力能源消耗，實現(xiàn)、啟動了環(huán)境物質(zhì)中所含的熱量流動，進(jìn)而分別滿足了甲地蒸汽、乙地動力的兩個需求，用能量流動的方式，替代了原來需要在甲乙兩地分別消耗能源物質(zhì)的能耗模式。

英國高瞻公司利用“垃圾電”制作“液態(tài)空氣”，實現(xiàn)儲熱、儲冷，利用時間、空間差，再次實現(xiàn)儲能發(fā)電、高壓空氣動力輸出等系統(tǒng)應(yīng)用。

狹義的熱泵應(yīng)用是通過實現(xiàn)小范圍的、實時的熱量流動滿足不同環(huán)節(jié)的熱能、動力需求；廣義的熱泵應(yīng)用是通過實現(xiàn)大范圍的、異步的、跨時空能量載體的搬移、流動，分別滿足不同場合、不同時間的熱能、動力需求。類似的應(yīng)用早有先例，只是沒有系統(tǒng)的、全面的得到推廣應(yīng)用來發(fā)揮出更大的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

2 發(fā)展能源基礎(chǔ)理論

目前中國電力能源的約70%靠火電提供，但是火力發(fā)電的工作原理還是基于100多年前誕生的郎肯循環(huán)，幾乎沒有發(fā)展改進(jìn)！現(xiàn)代的汽車雖然外觀、構(gòu)造、舒適度、信息化裝置已經(jīng)千變?nèi)f化，但是用人們獲得動力的主要理論卡諾循環(huán)理論設(shè)計的內(nèi)燃機(jī)的工作原理、能源供應(yīng)模式則幾乎沒有變化。

產(chǎn)業(yè)的革命，首先是理論的革命，只有理論的革命性發(fā)展，才會帶來產(chǎn)業(yè)的革命性變革。本文將從基本的郎肯循環(huán)和卡諾循環(huán)入手，探討一下如何結(jié)合這兩大理論誕生后100多年來人們?nèi)〉玫募夹g(shù)進(jìn)步，進(jìn)行一次認(rèn)識創(chuàng)新和理論創(chuàng)新。

2.1 改進(jìn)熱電基本理論

朗肯循環(huán)（英語：Rankine Cycle）也被稱為蘭金循環(huán)，是一種將熱能轉(zhuǎn)化為功的熱力學(xué)循環(huán)。郎肯循環(huán)從外界吸收熱量，將其閉環(huán)的工質(zhì)（通常使用水）加熱，實現(xiàn)熱能轉(zhuǎn)化做功。朗肯循環(huán)理論雖然誕生于19世紀(jì)中期，但即便到了今天，郎肯循環(huán)仍產(chǎn)生世界上90%的電力，包括幾乎所有的太陽能熱能、生物質(zhì)能、煤炭與核能的電站。

“郎肯循環(huán)”誕生的年代研究熱力學(xué)的技術(shù)條件、流體力學(xué)理論、材料和控制理論和現(xiàn)在差距很大，難免存在一些缺陷和不足，必然存在歷史局限性。主要的問題是輸出效率低、熱量浪費(fèi)巨大。系統(tǒng)能效理論值上限約50%，而且隨著效率的提高，系統(tǒng)成本、安全風(fēng)險、實施難度均大幅度增加。通過對朗肯循環(huán)特點分析可以得知，造成其效率低下的主要環(huán)節(jié)就在于冷凝放熱部分。因此，想要大幅度提高郎肯循環(huán)的效率，只有兩個出路：1.盡可能減少冷凝放熱；2.回收再利用冷凝熱。常用的回收再利用冷凝熱的方法主要是設(shè)法利用冷凝廢熱輸出溫水、熱水、低壓蒸汽，但綜合利用的效率也受環(huán)境基礎(chǔ)條件和季節(jié)變化等諸多因素影響和限制，而且無法提高熱-電、熱-功轉(zhuǎn)換效率，不能輸出高品位的能源產(chǎn)品。

盡可能減少冷凝放熱，就意味著應(yīng)該盡可能直接利用做功后的乏汽。實現(xiàn)蒸汽直接再利用通常能想到的就是對蒸汽進(jìn)行機(jī)械再壓縮，但由于工作過程中需要消耗機(jī)械能，通過直觀的能量守恒定律分析費(fèi)效比較低，實際應(yīng)用中均沒有采用這種技術(shù)來實現(xiàn)蒸汽再循環(huán)利用，久而久之人們形成的普遍認(rèn)識就是“不可能、不經(jīng)濟(jì)、不合理的”，不再考慮這個問題了。隨著技術(shù)進(jìn)步，現(xiàn)代已經(jīng)有許多技術(shù)可以采用更科學(xué)、合理、高效的方式來解決冷凝熱再利用的問題，有可能實現(xiàn)對郎肯循環(huán)的改進(jìn)和發(fā)展。

一個對高低溫、高低壓變化非常敏感的蒸汽動力循環(huán)系統(tǒng)，應(yīng)該充分考慮流管面積、空間、流速、壓力、溫度、動壓、靜壓等混合因素，充分利用這些因素之間的關(guān)系，實現(xiàn)高效率的熱動力循環(huán)。原來因為工藝復(fù)雜、成本高昂、材料難以保障而不敢想、不能做的事情，現(xiàn)在有可能、有條件考慮實施了！比如，首先提高鍋爐的壓力輸出，利用新增的蒸汽壓差先驅(qū)動蒸汽機(jī)械再壓縮裝置，對部分乏汽實現(xiàn)直接增壓，與初步做功后的中壓乏汽混合，供給原有中低壓蒸汽發(fā)電機(jī)組去工作；同時利用流體熱力學(xué)理論改進(jìn)傳統(tǒng)凝汽器結(jié)構(gòu)，將蒸汽乏汽一分為二，利用渦流技術(shù)和流管變化使得其中一部分增壓、升溫、冷凝成水；一部分減壓、降溫、吸熱、供直接壓縮再利用。讓不需凝結(jié)直接利用的再壓縮乏汽帶走冷凝熱，最大限度減少冷凝熱的散失，提高熱量的利用率。

改進(jìn)后新的循環(huán)，首先應(yīng)利用非機(jī)械動力的方式實現(xiàn)對完成做功后的乏蒸汽進(jìn)行再利用，其次充分設(shè)法直接回收再利用未能直接利用的乏汽凝結(jié)釋放的冷凝熱，讓未能通過汽輪機(jī)一次轉(zhuǎn)化為功的熱量有機(jī)會參與下一次做功循環(huán)，經(jīng)過多次轉(zhuǎn)化做功，在理論上實現(xiàn)蒸汽動力循環(huán)整體熱效率的大幅度提高。

2.2 正確認(rèn)識熱機(jī)理論

卡諾循環(huán)是1824年N.L.S.卡諾在對熱機(jī)的最大可能效率問題作理論研究時提出的。卡諾定理闡明了熱機(jī)效率的限制，指出了提高熱機(jī)效率的方向，可以簡要理解為提高高溫溫度、降低低溫溫度、減少其它機(jī)械摩擦和熱損耗。老師在給學(xué)生傳授有關(guān)卡諾定理知識的時候，常常忘不了額外補(bǔ)充幾句，比如：“實際上、低溫?zé)嵩礈囟萒2降低很難實現(xiàn)，人們大都考慮如何提高高溫?zé)嵩礈囟萒1來提高效率”、“顯然，高溫?zé)嵩礈囟萒1越高，過程效率越高”、“卡諾循環(huán)決定了熱機(jī)的最高理想最大效率，任何系統(tǒng)的效率都不可能超過這一結(jié)果”，等等。這幾句話表面上看好像沒有問題，但是再仔細(xì)推敲一下，還是有點問題，需要回到原點，重新認(rèn)識一下卡諾循環(huán)。

首先，現(xiàn)在的熱泵技術(shù)（逆卡諾循環(huán)）已經(jīng)很成熟，T2的降低不僅很容易，而且還是一個高效率獲取熱量的過程；回收熱量的過程也不一定需要消耗機(jī)械功；回收獲取的熱量可以用于維持T1，也可以用于其他系統(tǒng)、場合。整體的熱功轉(zhuǎn)換效率、熱能利用率可以大幅度提高。

其次，從卡諾循環(huán)的公式可以看出，想要提高熱效率，除了增大處于分子位置的高溫?zé)嵩碩1，還可以通過降低處于分母位置的低溫?zé)嵩碩2。而且顯然，對于熱量總量有限、高低熱源溫度絕對值差值不大的情況下，減小分母可以迅速提高效率！實際是工作溫段越低，熱機(jī)越容易獲得高效。因此，我們應(yīng)該設(shè)法采用讓“熱機(jī)冷下來”的思路，提高低能量消耗、低能量密度的熱機(jī)效率。

再次，即便采用增加高溫?zé)嵩碩1的方式提高效率，大量的熱量高密度聚集，必然抬高低溫?zé)嵩?，或者說低溫?zé)嵩创_實難以維持、降低。應(yīng)該可以利用低溫?zé)嵩丛O(shè)法啟動第二個、第三個卡諾循環(huán)，利用多個熱機(jī)做功過程組合改善提高全系統(tǒng)熱效率。這也可以解釋為什么會有渦輪噴氣發(fā)動機(jī)噴水加力、柴油乳化加水、渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)等技術(shù)應(yīng)用。事實上應(yīng)用還不徹底，飛機(jī)、火箭、內(nèi)燃機(jī)還在噴火、排熱，應(yīng)該讓浪費(fèi)的、大量的熱充分的、多次的、盡可能的轉(zhuǎn)化為功，只有讓“熱機(jī)冷下來”才能大幅度提高動力設(shè)備的能源利用率。

2014年底英國空天飛機(jī)發(fā)動機(jī)研究工作取得較大進(jìn)展，從中央電視臺13頻道2014年12月17日相關(guān)新聞消息中看到的發(fā)動機(jī)工作動畫和同時公布的三種燃料成分，已經(jīng)明確說明液氮是除了液氫、液氧之外的第三種“燃料”介質(zhì)成分，明確說明空天飛機(jī)發(fā)動機(jī)用它確保發(fā)動機(jī)內(nèi)部工作在較低溫度，同時發(fā)動機(jī)仍然保持較高效率。

我們提出一個用液態(tài)空氣作為“工質(zhì)”的擴(kuò)展卡諾循環(huán)應(yīng)用的思路。利用超低溫的液態(tài)空氣“撬動”常溫?zé)崃孔鳛槟茉?。液態(tài)空氣汽化開始，就從環(huán)境空氣、水、土壤中吸熱獲取能量變成勢能，形成高壓、常溫的氣體，然后適時、適量的進(jìn)入現(xiàn)有內(nèi)燃機(jī)的氣缸等膨脹做功環(huán)節(jié)，模擬實現(xiàn)原來靠燃燒釋放熱量、介質(zhì)吸熱膨脹得到的同等壓力場景，后續(xù)輸出動力的過程則完全一樣?？ㄖZ循環(huán)的T1/T2大幅度降低。汽車由攜帶能源利用免費(fèi)空氣，改變?yōu)閿y帶空氣利用免費(fèi)能源。

我們做了一個使用液氮、干冰吸收環(huán)境熱的“蒸氣機(jī)”實驗，由原來酒精燈燒開水，產(chǎn)生的水蒸氣推動活塞運(yùn)動，改為空氣熱量“燒開”液氮、氣化干冰，產(chǎn)生的高壓氮氣或二氧化碳?xì)怏w推動活塞運(yùn)動。蒸汽機(jī)從使用水作為工作介質(zhì)，工作在100℃以上的“高溫”溫段，變?yōu)槭褂玫蜏匾簯B(tài)或固態(tài)氣體為工作介質(zhì)，吸收環(huán)境熱能工作在低溫到常溫這一溫段。

對卡諾循環(huán)的再認(rèn)識，實現(xiàn)“讓熱機(jī)冷下來”，沒有改變基礎(chǔ)理論，因此幾乎不需要改變現(xiàn)有的各種發(fā)動機(jī)的主要結(jié)構(gòu)，各種使用傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的車輛、輪船、機(jī)械，甚至飛機(jī)、火箭等特殊設(shè)備，稍加改動就可以實現(xiàn)不燒油、不用電，不消耗或者少消耗能源物質(zhì)，部分或全部利用環(huán)境熱能，幾乎可以實現(xiàn)全物理過程、無化學(xué)反應(yīng)，做到真正“零排放”動力、綠色動力。

3 創(chuàng)新能源應(yīng)用模式

前面提到的“讓能量動起來”、“讓熱機(jī)冷下來”觀點，把能源的直接利用改變?yōu)榇偈棺匀唤缫延械臒崃?、能量形成一個流動利用鏈，一次、一個環(huán)節(jié)的能源消耗，依次滿足多個場景、環(huán)節(jié)的熱量、動力的能源需求，實現(xiàn)能源物質(zhì)的高效率利用。除此之外，通過對能源、能量、熱量具體利用過程的微觀分析，本文再提出以下幾點具體建議和思路，以期進(jìn)一步提高能源利用的綜合社會效益、經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益。

3.1 階梯高效利用

用通俗的理論來理解能源利用的過程，不外乎熱量產(chǎn)生和傳遞給攜帶熱量的高溫工作介質(zhì)，以及最終在利用過程中高溫工作介質(zhì)再把熱量傳遞給低溫環(huán)境。再簡單理解就是一個對某種工質(zhì)加熱升溫、內(nèi)能增加過程和一個工質(zhì)攜帶的熱量、內(nèi)能利用過程。其中升溫這個內(nèi)能變化過程有機(jī)會輸出機(jī)械能發(fā)電。電能是目前最方便、最干凈、最高效、最優(yōu)質(zhì)的高品位能源供應(yīng)方式，因此，如果能在每次消耗能源的過程中，優(yōu)先以電能的方式利用能源，然后再用常規(guī)、低水平的簡單熱量利用，那么就能大大提高能源的使用效率！

近年來，人們已經(jīng)逐步認(rèn)識到原始、粗糙的能源利用方式是有缺陷的。比如設(shè)計發(fā)電站，就只考慮利用燃料消耗可以輸出機(jī)械能的過程，而把大量“余熱”作為必然產(chǎn)生的廢熱用巨大的散熱塔散掉，最多也就冬季供暖部分利用；設(shè)計供熱站，就忽略燃料消耗可以輸出機(jī)械能發(fā)電的過程，而只簡單利用最終產(chǎn)生的熱量。雖然已經(jīng)在有些場合使用所謂“熱電聯(lián)供”、“冷熱電聯(lián)供”的系統(tǒng)能源利用解決方案，遺憾的是這種階梯高效利用能源的方案應(yīng)用并不普及，遠(yuǎn)非主流，主要消耗能源的火電廠、工業(yè)生產(chǎn)、居民供暖均是傳統(tǒng)的簡單、直接方式。即便采用“N聯(lián)供”，使用的設(shè)備也是不經(jīng)濟(jì)、不適合長期使用的內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等，燃料也多是昂貴的高品位燃料。

科學(xué)的能源階梯高效利用的模式，以鍋爐為例，首先設(shè)計鍋爐產(chǎn)生盡可能高壓高溫的蒸汽，并通過內(nèi)置小型汽輪機(jī)，首先發(fā)電輸出，發(fā)電以后的乏汽再用于蒸汽輸出或用于加熱循環(huán)水。輸出的機(jī)械能、發(fā)出的電能，即便不入公網(wǎng)，也可以驅(qū)動水源、地源、空氣源熱泵給鍋爐補(bǔ)熱或回收煙氣熱量，使得燃料燃燒綜合熱效率達(dá)到甚至遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過100%。

3.2 冷熱綜合利用

長期以來大多數(shù)工程技術(shù)人員幾乎不去動腦子實現(xiàn)熱量的綜合利用。曾經(jīng)和一個國內(nèi)最知名的空調(diào)生產(chǎn)廠總工交流，他們的商用空調(diào)事業(yè)部做制冷工程的時候設(shè)計大型冷卻系統(tǒng)對冷卻過程產(chǎn)生的熱水散熱降溫；他們的另一個熱泵熱水器事業(yè)部門則只琢磨從空氣、土壤、地下水、污水資源中換熱獲取可供利用的熱量，兩個部門不跨部門、跨界交流！問他們能不能把空調(diào)熱水的熱量轉(zhuǎn)移到熱水器里面變成熱水輸出，他們說：能！為什么不做？回答僅僅是：沒想到！

這樣的應(yīng)用太普遍了。食品廠生產(chǎn)食品要用高溫把產(chǎn)品做熟，又需要馬上冷藏降溫去包裝，結(jié)果是一個車間用鍋爐耗能加熱，另一個車間大功率制冷并在室外采用大型冷卻塔散熱。類似情況在制藥廠、牛奶廠、飲料廠等各行各業(yè)比比皆是。今天市面上能買到的冷熱型飲水機(jī)，無一例外都是加熱單獨耗電，制冷同時散熱！

實際上很少有產(chǎn)品能把加工過程消耗的能量儲存在產(chǎn)品中帶走利用，高溫往往是工藝條件，高耗能大都意味著有大比例節(jié)能的基礎(chǔ)條件。應(yīng)該對傳統(tǒng)工業(yè)產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)過程進(jìn)行梳理，實現(xiàn)過程的能量、熱量綜合調(diào)度、系統(tǒng)循環(huán)利用，企業(yè)通過能源高效利用實現(xiàn)大幅度的節(jié)能、減排、增效！

3.3 排放資源化利用

即使到了今天，工業(yè)領(lǐng)域和人們?nèi)粘Ｉ钪卸及雅欧哦趸籍?dāng)成一件理所當(dāng)然的事，如化工廠、水泥廠、酒廠、火電廠等均是排放二氧化碳的集中“大戶”。進(jìn)行環(huán)境評價的時候，排放物里面如果沒有特殊化合物，如硫化物、氮氧化物、粉塵即達(dá)到清潔排放的標(biāo)準(zhǔn)，排放物含有二氧化碳、水蒸氣、熱量其實都是局部環(huán)境空氣的增量和干擾，也將影響局部環(huán)境指標(biāo)，本應(yīng)同樣得到處理。

本文作者在對人們熟悉的工業(yè)廢氣、污染排放過程進(jìn)行研究后又意外、再次認(rèn)識到：煤炭的燃燒過程是一個簡單的化學(xué)反應(yīng)過程，在生成近4倍重量二氧化碳的同時，釋放燃燒熱。排放的二氧化碳其實是比燃燒過程釋放的燃燒熱更有價值的資源，目前市場二氧化碳批發(fā)價每噸高達(dá)500～800元，淘寶零售價更達(dá)到每噸1萬元?；瘜W(xué)產(chǎn)物的價值比釋放的熱能價值高2～3倍，人們長期以來都是抓了燃燒熱這個“芝麻”，扔了燃燒化學(xué)產(chǎn)物這個“西瓜”。

形成這個結(jié)果也有其歷史原因，倒退幾十年，煙氣中二氧化碳幾乎無法回收，回收了也沒有什么用途，人類當(dāng)時也沒有減少碳排放的環(huán)境保護(hù)壓力。但是今天則完全不同了，回收煙氣二氧化碳的技術(shù)已經(jīng)成熟，回收成本低廉，回收的二氧化碳用途廣泛。人們也已經(jīng)認(rèn)識到碳排放對環(huán)境的危害，到了應(yīng)該徹底處理碳排放、必須處理碳排放問題、可以從根本上解決碳排放問題的時候了。

通過對我們?nèi)祟惼毡槭褂玫娜济?、燃油、燃?xì)膺^程以及其他化工、冶煉、水泥、釀造等工業(yè)生產(chǎn)過程進(jìn)行改革，讓每一臺鍋爐、每臺設(shè)備、每個系統(tǒng)像化工廠的反應(yīng)設(shè)備那樣工作，既利用燃燒反應(yīng)釋放的熱量，還要利用化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的化學(xué)產(chǎn)物，把化石資源的價值“吃光榨凈”，在減少環(huán)境污染物排放的同時，實現(xiàn)效益的大幅度增加，實現(xiàn)低碳、減排、增效的有機(jī)統(tǒng)一。

3.4 冷量系統(tǒng)利用

近年來隨著深冷技術(shù)的推廣引用，人們越來越多接觸超低溫的液氮、液氧、干冰、LNG等液態(tài)、固態(tài)氣體。這些超低溫、低溫氣體經(jīng)過儲存、運(yùn)輸后，使用前均需要氣化。液態(tài)LNG沸點大約為-160℃～174℃、液氮沸點是-196℃，二氧化碳在-50℃～70℃發(fā)生沸騰、氣化、升華狀態(tài)的變化，它們吸收空氣源、水源、地?zé)嵩?、廢熱源等的熱量氣化，氣化后體積可以膨脹到600～1000倍左右。利用超低溫液態(tài)氣體吸收環(huán)境熱能后膨脹得到的高壓氣體推動膨脹機(jī)做功，膨脹機(jī)帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電，有效利用了液態(tài)氣體的“冷量”，實現(xiàn)將環(huán)境常溫的熱量轉(zhuǎn)化為了電能，過程還可以實現(xiàn)多次“制冷”，利用冷凍法實現(xiàn)海水淡化或污水處理。

隨著“讓能量動起來”的能源利用模式不斷推廣，這種“丟失”熱量的液態(tài)、固態(tài)氣體會越來越常見，或成為撬動環(huán)境熱能驅(qū)動汽車、輪船的工作介質(zhì)，大量使用。利用冷源吸熱的能力“冷量”的過程有很多和使用能源物質(zhì)不同的特性，下面列舉幾個主要方面：

由于是利用吸熱能力“冷量”造成的熱量流動實現(xiàn)機(jī)械能、電能輸出，能量、熱量的來源往往取之于環(huán)境，這不僅僅是免費(fèi)的，而且是取之不盡用之不竭，一旦在能量轉(zhuǎn)化過程中部分能量變成電能、機(jī)械能輸出，則很容易追加免費(fèi)熱量供應(yīng)，繼續(xù)去滿足“冷量”吸熱的需求，多次撬動的熱量流動的總量將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于“冷量”。

以往利用熱量的過程，總是設(shè)法防止寶貴的熱量在過程中散失，而利用“冷量”撬動環(huán)境熱量轉(zhuǎn)化的時候，幾乎每個環(huán)節(jié)都能從環(huán)境中獲取熱量、補(bǔ)充熱量，源源不斷！

由于整個工作過程工作在低溫、超低溫到常溫這一段落，根據(jù)熱機(jī)理論，由于高溫?zé)嵩春偷蜏責(zé)嵩礈囟榷冀咏^對零度，特別是低溫溫度很低，雖然溫差并不大，但熱機(jī)對熱量的利用效率很高。

用好“冷量”，可以帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益！僅僅大連港，每年進(jìn)口600萬噸LNG到港均需要氣化進(jìn)入CNG管網(wǎng)，這些液態(tài)氣體能吸收的熱量達(dá)到約2.4萬億千卡，如果實現(xiàn)30%的發(fā)電效率，則可以發(fā)電9億度，同時還可以淡化超過2400萬噸海水。利用“冷量”的時候，由于熱量來自于環(huán)境，沒有成本，因此，這些電能和淡水完全是“白撿的”！僅9億度電就相當(dāng)于節(jié)約27萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤，減少碳排放百萬噸。

4 能源應(yīng)用技術(shù)創(chuàng)新

隨著能源應(yīng)用變革的深入展開，必然要求一些傳統(tǒng)的能源應(yīng)用產(chǎn)品發(fā)生一些改進(jìn)、變化，從而進(jìn)一步提高能源利用過程的綜合效率。需要改變的環(huán)節(jié)很多，不能一一列舉，本文只提出兩個示例、思路供大家交流、思考。

4.1 要重視換能模式改變

當(dāng)我們從直接消耗能源變成促進(jìn)能源“流動”獲取方式，傳統(tǒng)的供熱、供冷方式也必須進(jìn)行調(diào)整，從而降低“熱泵”的能源消耗，進(jìn)一步提高利用效率。最典型的理論就是“低溫制熱、高溫制冷”。在空調(diào)領(lǐng)域近幾年有專家提出這個概念。但在設(shè)計應(yīng)用方面還沒有得到足夠的重視和應(yīng)用。未來能源應(yīng)用模式有了重大改變后，要想確保實現(xiàn)較高的能源利用率，必須盡可能落實、實施這一概念。

低溫制熱：在采用傳統(tǒng)模式消耗能源物質(zhì)獲取熱量的方式下，目標(biāo)溫度的高低和熱量的來源成本無關(guān)。當(dāng)熱源溫度高時，可以減少熱媒流動、減少換熱體面積，減少少量的成本。但采用熱泵方式獲取環(huán)境熱量、工業(yè)余熱廢熱輸出熱量時，熱泵的效率和熱源溫度、輸出溫度的差值有很大關(guān)系，會引起能源效率的成倍增大或減小。以供暖為例，同樣保持室溫18℃，采用75℃熱水供暖和采用45℃熱水供暖，熱泵能效可能會從3倍左右，提高到6倍！類似，高溫制冷：同樣保持室溫25℃的情況下，采用18℃冷源制冷和8℃冷源輸出制冷，其熱泵系統(tǒng)能效分別約是5～8倍和3～4倍。

4.2 重視熱量回收再利用

現(xiàn)在人們都比較重視如何獲得熱量，較少分析熱量散失，特別是一些傳統(tǒng)行業(yè)。比如醫(yī)藥、食品等行業(yè)，更多精力關(guān)注如何改進(jìn)鍋爐，不重視廢熱排放回收利用。實際工作中，只要需要大量熱能消耗的過程幾乎都存在大量熱能排放的過程，而以前人們常常熟視無睹。比如，建筑節(jié)能普遍關(guān)注如何改進(jìn)、補(bǔ)充建筑物的能耗，很少關(guān)注回收建筑物新風(fēng)系統(tǒng)、污水系統(tǒng)的熱量浪費(fèi)。

現(xiàn)在建筑保溫方法很多，保溫效果也很好了，再加上建筑接受的太陽能、建筑物內(nèi)活動的人發(fā)出的熱、照明電器的發(fā)熱量等，累計下來也是不小的數(shù)目，為什么還需要每平米數(shù)十瓦的供暖能耗呢？主要是通過通風(fēng)、排污帶走了大量的熱。采用熱泵系統(tǒng)，在建筑物的能量排放出口“守株待兔”，以較小的溫差、很高的效率回收利用能量、熱量，是未來建筑節(jié)能的主要手段之一。

4.3 要重視終端設(shè)備改進(jìn)

現(xiàn)在使用的熱交換器，幾十年沒有大的發(fā)展變化，習(xí)慣于冷熱媒直接熱傳導(dǎo)交換，很少考慮利用其它領(lǐng)域的技術(shù)。現(xiàn)在，情況已經(jīng)有所改善，比如利用熱管進(jìn)行冷熱交換的中介，其導(dǎo)熱性能比最好的金屬銅要高近千倍！還有，對冷熱源進(jìn)行調(diào)整準(zhǔn)備。如對空氣增壓就可以讓空氣源換熱器的換熱起點升高；對空氣減壓則可以降低散熱器冷源溫度起點。這種新型散熱器、蒸發(fā)器則可以改變溫差，改善換熱效果，甚至因為具有防止結(jié)霜的能力而大幅度改善系統(tǒng)綜合性能。

4.4 要重視系統(tǒng)設(shè)備改進(jìn)

大量的工業(yè)系統(tǒng)冷量、熱量利用都是獨立設(shè)計，對單一系統(tǒng)無用的資源普遍采用直接排放的方式，應(yīng)該系統(tǒng)考慮。例如CNG液化過程產(chǎn)生大量熱；LNG汽化過程產(chǎn)生大量“冷量”，熱泵鍋爐可以輸出液態(tài)空氣和干冰，熱電聯(lián)供鍋爐先發(fā)電后供熱等等?，F(xiàn)在有些企業(yè)已經(jīng)開始關(guān)注，并系統(tǒng)研究系統(tǒng)跨時間、空間實現(xiàn)資源調(diào)配調(diào)度，綜合利用。

傳統(tǒng)的能源利用觀念和節(jié)能、減排技術(shù)手段無法實現(xiàn)高耗能環(huán)節(jié)的大比例節(jié)能降耗。社會能耗水平隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展只能不斷增加。本文提出的這些觀點和思路，未來幾年將直接影響幾乎所有使用能源的環(huán)節(jié)、設(shè)施、設(shè)備，引起廣泛的社會變革。通過能源消耗量的成倍下降，將大大減少社會的能源需求，同時由于能源消耗的直接減少，產(chǎn)生的連鎖反應(yīng)也會帶來更多間接環(huán)節(jié)的能耗降低、環(huán)境改善。

事實上要想實現(xiàn)人類能源資源的成倍增加幾乎不可能，采用技術(shù)創(chuàng)新將社會能耗降低三分之一、三分之二甚至更多則完全可能！只要設(shè)法讓能量動起來、讓熱機(jī)冷下來，能量守恒定律和太陽能的供應(yīng)就能保證人類有了用不完的能源，地球也就沒有日益變暖的危險了。

本文后記：筆者2015年8月參加一個中國能源科學(xué)家論壇，聽了多位中國頂級能源科學(xué)家、院士的發(fā)言后，更加感到能源領(lǐng)域需要理念革命?？茖W(xué)家都是追求新的能源，追求增加能源輸出。只有一個科學(xué)家表示對熱泵、對能源高效利用的一點認(rèn)識，跨界應(yīng)用幾乎空白。他們在自己的領(lǐng)域確實頂尖，但是讓社會能源供應(yīng)翻番幾乎是不可能完成的任務(wù)！只有類似熱泵應(yīng)用的技術(shù)才能讓能源需求成倍減少！他們的發(fā)言也提出需要能源革命，但沒有具體的手段、方法、思路，只有憂慮！

會議期間我進(jìn)行免費(fèi)贈書，當(dāng)時看到一個專家，指著書的封面上“熱機(jī)冷下來”這句話給另一個專家看，一邊說著什么還一邊搖頭；還有一個專家朋友會議期間翻看了我的書，特別找到我、提醒我要注意學(xué)術(shù)的正確性。我問他熱泵，他說知道；我說能效比幾倍，你感覺怎樣？他說這就是別人不看你的書的原因，你提高百分之幾還有人看，提高幾倍，就沒人看，沒人信，不可能了！

這幾年來，經(jīng)常遇到的這種情況更讓人覺得悲哀和著急。能源領(lǐng)域亟需大力普及新思路、新理念、新知識、跨界新技術(shù)，并得到社會各界足夠重視和更加廣泛應(yīng)用。