生活物理：21世紀的潛在能源

　　21世紀的潛在能源

　　——自然冷能

　　燃燒法消耗了大量的礦物資源，而且帶來(lái)環(huán)境污染、溫室氣體排放等一系列問(wèn)題，有沒(méi)有更經(jīng)濟、更科學(xué)的辦法，使人們酷暑時(shí)節降溫、嚴寒季節增溫呢？答案是肯定的，利用自然溫差可以達到這個(gè)目的，這就是“自然冷能”及其應用問(wèn)題。

　　何謂“自然冷能”

　　自然冷能（NaturalCoolEnergy）的科學(xué)定義是：“常溫環(huán)境中，自然存在的低溫差低溫熱能”，簡(jiǎn)稱(chēng)“冷能”。實(shí)際上冷熱感覺(jué)都是相對的，無(wú)論氣溫高低，溫差的存在就意味著(zhù)有可利用能量。由于大自然維持環(huán)境溫度的能力為無(wú)限大，而溫差又無(wú)處不在，所以該能量的數量也為無(wú)限大，是一種潛在的巨量低品位能源。我國大部處于大陸性氣候區，氣溫的晝夜變化與季節變化都很大，比起低平原海洋氣候區，自然冷能潛力要大得多，利用成本相對較低，與風(fēng)能、太陽(yáng)能一樣具有經(jīng)濟價(jià)值，利用過(guò)程也不會(huì )產(chǎn)生環(huán)境污染。自然環(huán)境中，存在有數百平方m小范圍、寒冬臘月春暖花開(kāi)、六月份炎暑卻天寒地凍的“反季節”現象，當地群眾用來(lái)作天然冷藏庫。我國商、周時(shí)代即有冬季儲冰夏季取用的冷能利用先例，而且一直延續至今。井水一般冬暖夏涼，合理利用可以代替空調能源。

　　1933年，在法國的實(shí)驗室，在室溫下利用30℃溫差推動(dòng)小型發(fā)動(dòng)機發(fā)電，點(diǎn)亮幾個(gè)小燈泡，首次實(shí)證了自然溫差作為能源的可能性。60年代，美國阿拉斯加輸油管路利用寒冷的氣候條件加強散熱，防止基土融化下沉，從而保證了管路系統的安全運行。受此啟發(fā)，研究人員開(kāi)始對自然冷能進(jìn)行實(shí)用化研究。1986年，經(jīng)過(guò)約10年的試驗研究，日本建成了世界上第一座熱管換熱式、以自然冷能制冷的冷藏庫，觀(guān)測結果表明，庫四周季節凍土層終年保持凍結狀態(tài)，達到了預期效果。我國于1990年建成利用自然冷能致冷的無(wú)能耗實(shí)驗冷藏庫，用于農副產(chǎn)品貯存。

　　自然冷能開(kāi)發(fā)利用的關(guān)鍵

　　——傳熱與蓄能

　　自然溫差一般較小，聚集自然冷能十分困難，也就談不上開(kāi)展利用。熱管的出現，才使得低品位熱能的傳遞與聚集成為現實(shí)。

　　熱管是一種高效傳熱元件，最早的專(zhuān)利出現于1942年，但一直未引起人們注意。直至1962年，由于人造衛星的向陽(yáng)面與背陰面溫差過(guò)大，容易導致設備故障，有人提出熱管均溫方案，使衛星表面溫差縮小到了14℃左右，太陽(yáng)光電池陣的向陽(yáng)面溫度也由49℃降到了7.5℃。1967年，它的超強傳熱能力和可靠性得到普遍認可，從此迅速在各領(lǐng)域得到應用。

　　熱管為收集自然冷能提供了高效傳熱條件，只有將聚集的能量妥善諸存，才能加以利用。所以，如何高效、廉價(jià)地蓄能，成為利用自然冷能的關(guān)鍵。

　　熱泵、溫差電致冷與熱管

　　熱量一般只能由高溫體自動(dòng)地移向低溫體，如果使熱量從低溫體移向高溫體，就得額外耗費能源（如常見(jiàn)的空調設備）。根據水泵把水從低水位處揚向高水位的特點(diǎn)，這種從低溫物體吸熱，并把熱量移向高溫物體的機械，被形象地叫做“熱泵”。一般情況下，熱泵所得熱能的數量大于自身能耗，所以是一種節能設備，在同時(shí)致熱和致冷（例如同時(shí)利用冰箱和供生活熱水）時(shí)，能夠得到雙重節能效果，但必須依賴(lài)外加能源才能運轉。

　　熱管是一種單向傳熱元件，與熱泵不同，它只能從高溫端向低溫端傳遞熱量，不需要額外耗費能源就能運行。熱泵經(jīng)常與熱管的高效傳熱性能結合，以求得最大節能效果。例如冬季利用熱管促進(jìn)土層降溫，到夏季利用地-氣溫差得到有效能量。在季節變化過(guò)程中，熱管與大自然形成了熱泵系統，而驅使土中熱能向大氣流動(dòng)的動(dòng)力來(lái)自大自然。

　　“無(wú)能耗”冷藏

　　這里說(shuō)的是指利用自然冷能作為能源降溫的冷藏庫。如果采取人為措施，冬季強迫土中熱量向大氣中散發(fā)，同時(shí)減少逆向傳回地下的熱量，使土層充分降溫凍結就形成冷藏庫。夏季高溫時(shí)，庫內溫度仍可以保持在0℃附近。這類(lèi)不用常視機械致冷，具有多種不同方案。一是積雪法：冬季將雪壓縮成泡沫水，存于庫內，作為致冷源。二是凍冰法：冬季分層灑水凍冰形成冷庫。三是通風(fēng)制冰法：將冷庫分為兩大部分，一部分作為貨物貯存間，另一部分放置水槽，作為冰（水）室。冬季利用風(fēng)機強制通風(fēng)，使槽中的水凍結成冰。天暖時(shí)開(kāi)動(dòng)風(fēng)機，使貯存間熱空氣通過(guò)冰室冷卻至0℃附近，反復循環(huán)，使存儲間降溫。四是凍土法：在冷庫四周的土中插入熱管，冬季土中熱量通過(guò)熱管散入大氣。熱管傳熱具有單向性，所以一旦氣溫高于地溫，傳熱過(guò)程立即自動(dòng)停止，熱量不會(huì )逆向傳回地下。以?xún)鐾翞槔湓�，只要凍士能連續多年存在，庫內溫度就得以終年保持在0℃附近。通風(fēng)制冰冷庫已在河北地區推廣。實(shí)踐結果表明，自然冷能制冰法可以節電90％。如果采用熱管降溫凍結，則不必耗用電力，節電100％。

　　熱管可以在很小的溫差下進(jìn)行大熱量傳遞，而且熱管工作并不限于冬季，只要庫內溫度高于外界環(huán)境，溫差再小，它也能立即恢復工作，將熱量傳出，使庫內降溫，所以致冷效率高。該過(guò)程不用動(dòng)力，全部自動(dòng)進(jìn)行，幾乎無(wú)須管理，因此投資、能耗與運行費用均小，節能效果與經(jīng)濟效益最高。

　　塑料大棚調溫

　　我國北方大部分地區，特別是兩北地區，太陽(yáng)光能豐富，但冬季晝夜溫差大，在自然條件下，無(wú)法長(cháng)期保持作物的最佳溫度（19℃～33℃）。溫室能有效地保持室內溫度，因此利用塑料大棚可以增產(chǎn)。

　　實(shí)驗表明，我國西北地區，即使在冬季，睛天中午大棚內氣溫可接近40℃，但晚上大幅度溫度下降，仍不能處于理想溫度范圍。如果利用蓄能體，在溫度高時(shí)可將部分熱吸收并儲存起來(lái)；當溫度下降時(shí)，釋放出這部分能量，防止溫度過(guò)低。能量的一吸一放就構成一個(gè)日調節的自然冷能利用周期。

　　自然冷能空調

　　與塑料大棚調溫同樣原理，利用自然冷能可以實(shí)現房屋的“無(wú)能耗空調”。與普通空調設施投資相當，但運轉時(shí)只需要消耗一些通風(fēng)用電，所以耗電功率可以下降到1／30以下，能夠大幅度節能。

　　以北京為例，平均每臺空調按3千瓦功率計算，假定只有50萬(wàn)戶(hù)安裝了空調，每天開(kāi)動(dòng)3小時(shí)，則單臺日耗電9度，共450萬(wàn)度。若只在七、八月份使用45天，則總共耗電2.03億度，電費在億元以上。按每度電耗煤400g計，相當于8.2萬(wàn)噸標準煤，價(jià)值1300萬(wàn)無(wú)以上。實(shí)際上，空調用電大戶(hù)是賓館、飯店、商場(chǎng)以及辦公樓等，加上電風(fēng)扇等，約為居民空調用電量的3倍，所耗電相當于一座20萬(wàn)千瓦中型電站的發(fā)電功率。武漢、南京、上海、廣州地區的夏季民用空調用電都接近60萬(wàn)千瓦，湖北省工廠(chǎng)經(jīng)常因此停工讓電。實(shí)踐表明，利用地溫的集中式熱泵調溫，可節能30％～70％，如果我國空調全部采用這種方式，就可以消除電網(wǎng)的大部分高峰電力缺口；如果全國70％的采暖、空調、降溫能源為自然冷能，每年至少節省億噸標準煤，可以減少很大一部分能源缺口，溫室氣體排放及酸雨危害也將相應減少。同時(shí)，隨空調器的普遍應用，空調病也隨之產(chǎn)生。有關(guān)資料表明，室內、外空調溫差不宜超過(guò)5℃，而這正是利用自然冷能很容易做到的。因此，利用自然冷能進(jìn)行居室的自然調溫是未來(lái)趨勢。

　　牧區發(fā)生雪災時(shí)，能源供應困難，經(jīng)常導致牲畜損失，人員凍傷。由于天氣不好，在最需要能源時(shí)。太陽(yáng)能裝置反而用不上。建立自然冷能增溫式住房和柵圈，提高災期御寒能力、往往是惟一選擇。

　　“無(wú)能耗”苦、咸水淡化

　　苦、咸水礦化度高，難以利用。但只要太陽(yáng)能豐富。白晝氣溫高，晚間氣溫低，就可以利用自然冷能進(jìn)行苦、咸水淡化。例如，沙漠地帶往往有豐富的苦、咸水，在沙丘中修建類(lèi)似上述無(wú)能耗冷藏庫的大型冷凝器，以沙作蓄能物質(zhì)，夜間低溫期蓄存冷能，白天利用太陽(yáng)的輻射熱及高氣溫使苦、咸水蒸發(fā)，將水蒸氣引入冷凝器中，就能得到蒸餾水。隨水蒸氣凝結放熱，冷凝器周?chē)�的沙也不斷升溫，出水率逐漸減少，直到停止生成蒸餾水。夜間氣溫降低后，熱管開(kāi)始工作，重新又將冷凝器周?chē)�沙中熱量傳出散往大氣。于是冷凝器重新又具備冷凝水蒸能力，上述過(guò)程在第二天又將重新開(kāi)始。如此周而復始，連續不斷，可以實(shí)現“無(wú)能耗”苦、咸水談化。

　　南沙群島運水代價(jià)極高，達到“噸水噸油”程度，淡水不足帶來(lái)極大困難。類(lèi)似上述方法，利用太陽(yáng)光熱、氣溫與海水間的溫差，可以實(shí)現“無(wú)能耗”海水淡化。