謝新佑：水汽能應(yīng)納入清潔能源體系

張飛龍

清華大學(xué)化學(xué)系退休老教授謝新佑有個習(xí)慣，那就是在做液體實驗時，絕不允許自己或?qū)W生將一滴溶液滴到實驗器皿之外，哪怕是那滴溶液僅僅是水都不行。如果血氣方剛的學(xué)生不屑于理會這樣的“小問題”，通常會遭到他一反常態(tài)地怒斥。這位睿智、豁達、和善可親的老者不僅僅擔心治學(xué)嚴謹?shù)男ｏL(fēng)會在細微處消失，更重要的是這些細節(jié)事關(guān)安全。謝新佑說：“別人永遠不知道，滴在地上的液體是什么，萬一是強酸呢？”這種嚴謹?shù)淖黠L(fēng)被謝新佑帶到了生活中，他笑稱自己在家做飯倒醬油時，也能夠一滴不漏，堪比“熟能生巧”的賣油翁。

治學(xué)上一絲不茍的謝新佑，從來不會輕易地相信不經(jīng)科學(xué)論證的理論。但三年前， “水汽能”這種能源設(shè)計，激起了這位化工系專家的興趣。也正是這次偶然的了解，讓這位與水、熱打了一輩子交道的老教授，決心出來奔走，希望能夠讓這種利國利民的清潔能源造福所有人。

清潔能源水汽能

所謂水汽能是指儲存在空氣中的水蒸氣在形態(tài)轉(zhuǎn)變過程中所得到的能源。

地球表面的水體與各類大氣下墊面（如土壤、森林、草地、建筑等）及各類含水物體中蘊含了大量的液態(tài)水，液態(tài)水在各類物質(zhì)的表面不停地發(fā)生汽化，也就是從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)。在其轉(zhuǎn)變過程中，液態(tài)水吸收環(huán)境的熱量（即汽化潛熱）后變?yōu)闅鈶B(tài)的水蒸氣進入到空氣中，因而空氣中的水蒸氣本身含有大量的熱量。就其本質(zhì)而言，其所吸收的所有熱量均來自于太陽所賦予地球的熱量，所以，這部分能量也是太陽能的一部分。

空氣體量相對于人類而言是無限大的，所以在空氣中的水蒸氣含有的熱量也是無限的。這部分熱量一直都存儲在空氣中的水蒸氣內(nèi)，當水蒸氣遇冷凝結(jié)時又會釋放出來，在這個過程中，水會呈現(xiàn)氣態(tài)、液態(tài)共存的現(xiàn)象，而熱量就是在這個轉(zhuǎn)變過程中得到了釋放。由于水蒸氣的形成是自發(fā)進行的，熱量是自動進入到水蒸氣內(nèi)的，所以這部分能源是無償且無限的。

由于這部分能源儲存在空氣中的水蒸氣內(nèi)，且在水蒸氣與液態(tài)水的轉(zhuǎn)變過程中得到，故命名為水汽能。

謝新佑表示，目前國內(nèi)外對這部分熱量研究極少，而如果能將這部分熱量利用起來則可以為人類供應(yīng)無限的能源?，F(xiàn)在可以利用一種水汽能吸收器，人為創(chuàng)造出相對低溫的環(huán)境，在水汽能吸收器內(nèi)空氣遇冷凝結(jié)，釋放出水汽能，進而將水汽能加以利用。

謝新佑說：“通過水汽能熱泵后的水蒸氣溫度被降低，形成液態(tài)水，進入外界環(huán)境；液態(tài)水在外部環(huán)境再次被無限大體積的相對高溫的空氣加熱，從而自身溫度升高，該部分液體形式的水滴又重新汽化補充空氣中的水汽能。這樣由于水的蒸發(fā)和冷凝在隨時自發(fā)進行，因此對水汽能的補充也是隨時隨地自發(fā)進行的，這就是水汽能的循環(huán)再生過程?？梢钥闯鏊艿睦猛耆恍枰紤]枯竭的問題。因此，水汽能完全是一種新型的可再生能源?！?/p>

神奇的水汽能熱泵

謝新佑說：“在理想狀況并不考慮其它能源消耗的情況下，1公斤10攝氏度的水蒸氣凝結(jié)成1公斤液體，可釋放593千卡的熱量，相當于85克標準煤所包含的熱值。其低溫情況的潛熱比高溫情況的潛熱還要大：1公斤100攝氏度的水蒸氣變成100攝氏度的水只能獲得540千卡熱量，而1公斤0攝氏度的水蒸氣變成0攝氏度的水就可以放出596千卡。因此，大氣層空氣里面的水蒸氣是一個規(guī)模巨大的能源儲存庫?！?/p>

然而常規(guī)形態(tài)下水汽能的熱量處于低頻點，需要經(jīng)過水汽能熱泵進行狀態(tài)轉(zhuǎn)化才能夠加以利用。謝新佑認為水汽能熱泵可以從空中吸取熱量，又能夠吸取水。在水汽能熱泵塔中，底部進空氣，頂部進行噴冷。經(jīng)過填料，把氣體分散，通過頂部霧化噴冷水，達到兩種傳質(zhì)主體之間的接觸面積增大的效果，因此傳質(zhì)和傳熱的效率就很高。隨后水分轉(zhuǎn)入防凍劑中，通過防凍劑把水氣液化放出熱能，同時又把空氣里面的水氣以水滴的形式收集起來。

這對解決南方冬季供暖問題提供了很好的參考方案。據(jù)了解，近年來，我國南方地區(qū)多次經(jīng)歷“凜冬”。2018年初，強冷空氣急劇南下，江蘇、湖北、湖南等南方地區(qū)出現(xiàn)大雪、冰凍等極端天氣?？梢哉f這幾年來，每當歲末年初時，我國南方地區(qū)的廣大民眾都在濕冷難熬的寒冬中度過。為避免重走北方供暖帶來霧霾等環(huán)境問題的老路，曾有專家建議，南方冬季采取其他形式供暖，然而如何供暖則一直在探討之中。

可參考的選項有很多，比如煤改氣、煤改電等方式，但最終都因為會觸及環(huán)保問題、影響生態(tài)紅線而遲遲不能推進。有鑒于此，通過水汽能這種清潔能源進行制冷、供熱，應(yīng)用水汽能熱泵這種成熟的能源轉(zhuǎn)換技術(shù)不失為一項很好的選擇。謝新佑說，供暖應(yīng)鼓勵地方政府與社會力量合作，利用新的科技、環(huán)保能源，發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟能源作為補充。

更何況水汽能熱泵在實現(xiàn)制冷、供熱的前提下，將空氣中的水置換出來，因此在生產(chǎn)淡水方面，水汽能熱泵也能實現(xiàn)。謝新佑認為，在溫度為36攝氏度、相對濕度是20%的條件下，冷凝1立方米的空氣到6攝氏度能夠獲得5.3克水。一臺每分鐘輸氣量為400立方米的水汽能熱泵，每天可生產(chǎn)超過3053公斤的冷凝水。而在溫度為40攝氏度，相對濕度20%的沙漠進行冷卻制水，水汽能熱泵每天就可以得到4.15噸淡水。

謝新佑說：“南方不缺水，但是在干旱地區(qū)，水就意味著生命。另外海軍出海執(zhí)行任務(wù)，每個人只能攜帶25公斤的淡水，用完就得返航。如果能通過水汽能熱泵造淡水，那么他們執(zhí)行任務(wù)的時間就可以延長，特別是在比較大型一點的軍艦上，如航母、驅(qū)逐艦等。”

中國創(chuàng)造

這一項被謝新佑贊為能源革命的水汽能熱泵技術(shù)來自于湖南東尤水汽能節(jié)能有限公司，其董事長黃國和也因該技術(shù)被聯(lián)合國授予“全球人居環(huán)境綠色技術(shù)范例獎”。

謝新佑表示，自己專攻熱力學(xué)、水蒸氣的理論研究工作，在應(yīng)用型的學(xué)科領(lǐng)域還需要多加學(xué)習(xí)。抱著審慎的態(tài)度，謝新佑對東尤水汽能的水汽能熱泵進行了大量計算，從溫度、濕度以及設(shè)備運行效率狀態(tài)等多方面進行綜合考量，驗證了水汽能熱泵的可行性，并得出理論總結(jié)。

謝新佑評價說，黃國和這種勇往直前的企業(yè)家精神十分令人佩服，要知道科學(xué)可以在實驗室里面反復(fù)進行，即使失敗也可以重頭再來，而新興技術(shù)一旦走市場化路線，對于企業(yè)家而言則面臨著巨大的經(jīng)濟風(fēng)險和榮譽風(fēng)險?！叭绻麤]有敢于擔當、敢于創(chuàng)新的精神，他完全可以在原來的基礎(chǔ)上賺錢，小富即安嘛。他能突破這種觀念已經(jīng)很了不起。”

據(jù)了解，黃國和學(xué)財貿(mào)出身，但最終投身理工科專業(yè)。物理模型、數(shù)學(xué)模型的搭建和計算，并不是黃國和的長項，可黃國和虛心好學(xué)的精神讓謝新佑頗為感動。謝新佑說：“他讓我想起了愛迪生，同樣是在腳踏實地的實踐中，將發(fā)明應(yīng)用于世?！?/p>

黃國和是一個敢想敢做的人，在發(fā)現(xiàn)水汽能的巨大應(yīng)用潛力之后，便迅速組建科研團隊，投入設(shè)計研發(fā)。他甚至大膽地提出要在適合人類活動的溫度區(qū)域內(nèi)，用 5 攝氏度至10 攝氏度的溫差冷凝液化空氣中的“水汽”，吸收水蒸氣液化過程中所釋放出的熱量，隨后液態(tài)水再次吸收太陽能熱量蒸發(fā)成氣態(tài)進入到空氣中，如此循環(huán)往復(fù)，設(shè)計出取之不盡用之不竭的清潔再生能源。

在科研小組的努力下，項目得到進一步優(yōu)化，通過水的汽液相變，設(shè)計出了水汽能熱泵，轉(zhuǎn)換和利用水汽能。來自清華大學(xué)、湖南大學(xué)和中南大學(xué)相關(guān)領(lǐng)域的專家也給予了鼎力支持。專家通過攻關(guān)，分析得到水汽輸運太陽能能量的原理，并帶領(lǐng)團隊突破了低溫下小溫差高效獲取熱能技術(shù)、空氣破碎技術(shù)、抗凍液濃縮技術(shù)等多個“水汽能熱泵”的核心技術(shù)。

“水汽能熱泵”系統(tǒng)主要通過溫差換熱技術(shù)，在冬季可使氣態(tài)“水”變成液態(tài)水而釋放熱能，水汽能收集系統(tǒng)則吸收這部分熱量作為“水汽能熱泵”主機的熱源，水汽能熱泵主機將這部分熱量品位提升從而為建筑物內(nèi)供熱；夏季讓液態(tài)水變成氣態(tài)“水”而吸收熱能，“水汽能熱泵”系統(tǒng)吸收了建筑物內(nèi)部熱量后通過水汽能收集器排放熱量為建筑物內(nèi)制冷。

2012 年，東尤水汽能利用“水汽能熱泵”技術(shù)，成功在湖南省冷水江市政府行政辦公大樓進行了中央空調(diào)技術(shù)改造，制熱出水溫度達到了50攝氏度。冷水江市政府行政辦公大樓水汽能熱泵中央空調(diào)穩(wěn)定運行至今，記錄對比數(shù)據(jù)顯示，比常規(guī)分體式空調(diào)節(jié)能45%以上。

無債、無責、有收益的水汽能改造工程

節(jié)能效果顯著，在實際中已經(jīng)應(yīng)用到機場、醫(yī)院、學(xué)校的這項技術(shù)是否投入不菲呢？答案出乎所有人意料之外。

一般政府、企業(yè)等需要集中供熱、供暖的單位都有中央空調(diào)。從誕生到現(xiàn)在，東尤水汽能已經(jīng)能夠在建筑原有的中央空調(diào)的基礎(chǔ)上進行改造，以實現(xiàn)水汽能熱泵的嵌入。

據(jù)東尤水汽能的官方介紹，在同政府合作的項目中，東尤水汽能甚至不需要政府出一分錢改造費用，所有的設(shè)備安裝、運營費用均由設(shè)計單位和施工單位解決，不會增加政府的額外債務(wù)，甚至運營開始之后政府還能獲得收益。這種被東尤稱之為“高速公路模式”的經(jīng)營方法最終會通過居民日常消費能源的收益來沖抵建設(shè)成本和償還貸款。即用能單位每年夏天的空調(diào)費、冬天的采暖費以支持改造支出，通過20年乃至30年的運營，逐步償還。

黃國和曾說：“很多人不理解這種模式，認為制冷、供熱竟然不需要燒鍋爐，又不需要消耗化石能源，還能掙錢，聽起來就匪夷所思，所以需要有一些單位起到‘吃螃蟹的作用。只要有一個單位開始應(yīng)用，經(jīng)得住實踐的考驗、得出數(shù)據(jù)之后大家就會信服。”

湖南冷水江市政府已經(jīng)做了“第一個吃螃蟹”的政府，愿意嘗試這種新技術(shù)的政府、企業(yè)等用能單位越來越多。2018年6月10日，在2018湖南（郴州）節(jié)能減排和新能源產(chǎn)業(yè)博覽會期間，東尤水汽能被邀請參加湖南省公共機構(gòu)節(jié)能技術(shù)推廣暨項目對接會，并成功與安仁縣政府簽訂了《共同推進安仁縣創(chuàng)建國家級節(jié)約型公共機構(gòu)示范單位戰(zhàn)略合作協(xié)議》，以提高安仁縣公共機構(gòu)能源利用效率，踐行綠色可持續(xù)發(fā)展之路。

實際上和大多數(shù)需要“三供一改”的政府部門一樣，郴州市也面臨著節(jié)能減排、生態(tài)引導(dǎo)的硬性要求。也正是考慮到東尤水汽能的優(yōu)勢，郴州市政府將東尤水汽能納入到了節(jié)能減排采購目錄中。加之有長沙、邵陽、新邵等地的成功案例，不少企事業(yè)單位的辦公大樓也已經(jīng)應(yīng)用此技術(shù)，因此郴州市政府最終與東尤水汽能簽訂合作協(xié)議。

“改造以后能獲得多大的節(jié)能效果？節(jié)約多少資金？制冷制熱能力如何？通過一系列的數(shù)據(jù)監(jiān)測就會一目了然。”黃國和說，“更重要的是，改造工程不需要用能單位舉債。貸款的事情是施工單位、設(shè)計單位的事，所以政府在經(jīng)濟上不承擔任何責任。因此這套方案，可以說是政企合作雙贏的極致。”