21世纪的潜在能源

张津生　孙成权　傅蓉　高峰

自然温差是一种能源  

　　地球上到处存在着温差，如冬夏季节温差，昼夜温差，土地与大气温差，物体的阴面与阳面温差，房屋的内外温差等。有温差，就有热量传递与交换，这就产生了热能。基于这种认识，人们常常通过燃烧煤炭、石油等方式，提高热源温度获得能量，并将自然环境作为冷凝器(冷源或热汇)，使“热机”运行。热源温度永远高于自然环境温度，二者温差越大，意味着能量越大，所以提高热源温度与降低冷凝器温度，都能获得有效能量。热能的温度越高，越容易被利用，而低温热能难以利用，经常被放弃。  

    燃烧法消耗了大量的矿物资源，而且带来环境污染、温室气体排放等一系列问题。有没有更经济、更科学的办法，使人们酷暑时节降温、严寒季节增温呢? 答案是肯定的，利用自然温差可以达到这个目的，这就是“自然冷能”及其应用问题。  

　　
何谓“自然冷能”  

　　自然冷能(Natural Cool Energy)的科学定义是：“常温环境中，自然存在的低温差低温热能”，简称“冷能”。实际上冷热感觉都是相对的，无论气温高低，温差的存在就意味着能量。由于大自然维持环境温度的能力为无限大，而温差又无处不在，所以该能量的数量也为无限大，是一种潜在的巨量低品位能源。我国大部处于大陆性气候区，气温的昼夜变化与季节变化都很大，比起低平原海洋气候区，自然冷能潜力要大得多，利用成本相对较低，与风能、太阳能一样具有经济价值，利用过程也不会产生环境污染。  

　　
　　自然冷能开发利用的关键　——传热与蓄能  

　　自然温差一般较小，聚集自然冷能十分困难，也就谈不上开展利用。热管的出现，才使得低品位热能的传递与聚集成为现实。  

    热管是一种高效传热元件，最早的专利出现于1942年，但一直未引起人们注意。直至1962年，由于人造卫星的向阳面与背阴面温差过大，容易导致设备故障，有人提出热管均温方案，使卫星表面温差缩小到了14℃左右，太阳光电池阵的向阳面温度也由49℃降到了7.5℃。1967年，它的超强传热能力和可靠性得到普遍认可，从此迅速在各领域得到应用。  

    热管为收集自然冷能提供了高效传热条件，只有将聚集的能量妥善储存，才能加以利用。所以，如何高效、廉价地蓄能，成为利用自然冷能的关键。  

　　
热泵、温差电致冷与热管  

    热量一般只能由高温体自动地移向低温体，如果使热量从低温体移向高温体，就得额外耗费能源(如常见的空调设备)。根据水泵把水从低水位处扬向高水位的特点，这种从低温物体吸热，并把热量移向高温物体的机械，被形象地叫做“热泵”。一般情况下，热泵所得热能的数量大于自身能耗，所以是一种节能设备，在同时致热和致冷(例如同时利用冰箱和供生活热水)时，能够得到双重节能效果，但必须依赖外加能源才能运转。  

    热管是一种单向传热元件，与热泵不同，它只能从高温端向低温端传递热能，不需要额外耗费能源就能运行。热泵经常与热管的高效传热性能结合，以求得最大节能效果。  

    例如冬季利用热管促进土层降温，到夏季利用地—气温差得到有效能量。在季节变化过程中，热管与大自然形成了热泵系统，而驱使土中热能向大气流动的动力来自大自然。  

　　
“无能耗”冷藏  

    热管可以在很小的温差下进行大热量传递，而且热管工作并不限于冬季，只要库内温度高于外界环境，温差再小，它也能立即恢复工作，将热量传出，使库内降温，所以致冷效率高。该过程不用动力，全部自动进行，几乎无须管理，因此投资、能耗与运行费用均小，节能效果与经济效益最高。　　塑料大棚调温  

　　北方大部地区，特别是西北地区，太阳光能丰富。例如，甘肃省河西走廊地区(简称“河西地区”)太阳能光合生产能力在3700公斤/亩左右。17℃～33℃是一般作物生长的最佳气温，日平均气温11℃～17℃是基本要求，而且夜间不可低于7℃，气温在4℃以下作物不再生长。在自然条件下，无法长期保证作物的最佳气温，所以太阳光能资源再丰富，作物也无法充分利用，这就是所谓的“光温不足”。因此河西地区的太阳光能利用率还不到三分之一，光合潜力只发挥了7％～13％。温室能够有效提高内部温度，因此利用塑料大棚可以增产。  

    实践表明，河西地区即使在冬季，晴天中午塑料大棚棚内气温也可升至接近40℃，夜间温度又大幅度下降，始终不能处于理想的温度范围。中午要通风散热，形成光温资源的浪费。如果利用蓄能体将这部分热量吸收并储存，不但可以限制温度升幅，气温下降时，释放出这部分能量，又可以防止温度过低。能量的一吸一放，就构成一个日调节的自然冷能利用周期。如果夏季利用太阳光热升高地温，冬季寒冷时再放出所蓄积的能量，可以使塑料大棚内部增温，提高光能利用率。阳光充足时，单纯依靠日调节就可以增产，甚至实现棚内周年连续生产，提高土地利用率。该调温过程自动进行，几乎无需管理。根据兰州地区果蔬栽培方面资料，若增加这种蓄能调温设施，控制果品的成熟期，可以反季节种植高产值作物，经济效益十分可观。  


自然冷能空调  

    与塑料大棚调温同样原理，利用自然冷能可以实现房屋的“无能耗空调”。这与普通空调设施投资相当，但运转时只需要消耗一些通风用电，所以耗电功率可以下降到1/30以下，能够大幅度节能。  

    牧区发生雪灾时，能源供应困难，经常导致牲畜损失，人员冻伤。由于天气不好，在最需要能源时，太阳能装置反而用不上。建立自然冷能增温式住房和棚圈，提高灾期御寒能力，往往是惟一选择。  


“无能耗”苦、咸水淡化  

　　苦、咸水矿化度高，难以利用。但只要太阳能丰富，白昼气温高，晚间气温低，就可以利用自然冷能进行苦、咸水淡化。例如，沙漠地带往往有丰富的苦、咸水，在沙丘中修建类似上述无能耗冷藏库的大型冷凝器，以沙作蓄能物质，夜间低温期蓄存冷能，白天利用太阳的辐射热及高气温使苦、咸水蒸发，将水蒸气引入冷凝器中，就能得到蒸馏水。随水蒸气凝结放热，冷凝器周围的沙也不断升温，出水率逐渐减少，直到停止生成蒸馏水。夜间气温降低后，热管开始工作，重新又将冷凝器周围沙中热量传出散往大气。于是冷凝器重新又具备冷凝水蒸汽能力，类似上述方法，利用太阳光热、气温与海水间的温差，可以实现“无能耗”海水淡化。  

    南沙群岛运水代价极高，达到“吨水吨油”程度，淡水不足带来极大困难。类似上述方法，利用太阳光热、气温与海水间的温差，可以实现“无能耗”海水淡化。  


汽车尾气, 余热利用  

    汽车发动机排出尾汽温度一般较高(300℃～700℃以上)，实验表明，在发动机排气尾管上加装专用热管换热器，加热空气后直接送往车内，可以充分满足冬季取暖要求。加装这种换热器无须改变发动机结构。它的制作较为复杂，设计上也与普通换热器有所区别，但仍然不超过常规机加工设备范围，可以在专业汽车制造厂生产，也能在汽车改装厂或普通小型工厂进行配套生产。