正確答案:
——自然冷能
燃燒法消耗了大量的礦物資源,而且帶來環境污染、溫室氣體排放等一系列問題,有沒有更經濟、更科學的辦法,使人們酷暑時節降溫、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目的,這就是「自然冷能」及其應用問題。
何謂「自然冷能」
自然冷能(NaturalCoolEnergy)的科學定義是:「常溫環境中,自然存在的低溫差低溫熱能」,簡稱「冷能」。實際上冷熱感覺都是相對的,無論氣溫高低,溫差的存在就意味著有可利用能量。由於大自然維持環境溫度的能力為無限大,而溫差又無處不在,所以該能量的數量也為無限大,是一種潛在的巨量低品位能源。我國大部處於大陸性氣候區,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,與風能、太陽能一樣具有經濟價值,利用過程也不會產生環境污染。自然環境中,存在有數百平方m小範圍、寒冬臘月春暖花開、六月份炎暑卻天寒地凍的「反季節」現象,當地群眾用來作天然冷藏庫。我國商、周時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,在法國的實驗室,在室溫下利用30℃溫差推動小型發動機發電,點亮幾個小燈泡,首次實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,研究人員開始對自然冷能進行實用化研究。1986年,經過約10年的試驗研究,日本建成了世界上第一座熱管換熱式、以自然冷能製冷的冷藏庫,觀測結果表明,庫四周季節凍土層終年保持凍結狀態,達到了預期效果。我國於1990年建成利用自然冷能致冷的無能耗實驗冷藏庫,用於農副產品貯存。
自然冷能開發利用的關鍵
——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。
熱管是一種高效傳熱元件,最早的專利出現於1942年,但一直未引起人們注意。直至1962年,由於人造衛星的向陽面與背陰面溫差過大,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,太陽光電池陣的向陽面溫度也由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、廉價地蓄能,成為利用自然冷能的關鍵。
熱泵、溫差電致冷與熱管
熱量一般只能由高溫體自動地移向低溫體,如果使熱量從低溫體移向高溫體,就得額外耗費能源(如常見的空調設備)。根據水泵把水從低水位處揚向高水位的特點,這種從低溫物體吸熱,並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於自身能耗,所以是一種節能設備,在同時致熱和致冷(例如同時利用冰箱和供生活熱水)時,能夠得到雙重節能效果,但必須依賴外加能源才能運轉。
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的動力來自大自然。
「無能耗」冷藏
這裡說的是指利用自然冷能作為能源降溫的冷藏庫。如果採取人為措施,冬季強迫土中熱量向大氣中散發,同時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,庫內溫度仍可以保持在0℃附近。這類不用常視機械致冷,具有多種不同方案。一是積
雪法:冬季將雪壓縮成泡沫水,存於庫內,作為致冷源。二是凍冰法:冬季分層灑水凍冰形成冷庫。三是通風製冰法: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。冬季利用風機強制通風,使槽中的水凍結成冰。天暖時開動風機,使貯存間熱空氣通過冰室冷卻至0℃附近,反覆循環,使存儲間降溫。四是凍土法:在冷庫四周的土中插入熱管,冬季土中熱量通過熱管散入大氣。熱管傳熱具有單向性,所以一旦氣溫高於地溫,傳熱過程立即自動停止,熱量不會逆向傳回地下。以凍土為冷源,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。通風製冰冷庫已在河北地區推廣。實踐結果表明,自然冷能製冰法可以節電90%。如果採用熱管降溫凍結,則不必耗用電力,節電100%。
熱管可以在很小的溫差下進行大熱量傳遞,而且熱管工作並不限於冬季,只要庫內溫度高於外界環境,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。該過程不用動力,全部自動進行,幾乎無須管理,因此投資、能耗與運行費用均小,節能效果與經濟效益最高。
塑料大棚調溫
我國北方大部分地區,特別是兩北地區,太陽光能豐富,但冬季晝夜溫差大,在自然條件下,無法長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。
實驗表明,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,仍不能處於理想溫度範圍。如果利用蓄能體,在溫度高時可將部分熱吸收並儲存起來;當溫度下降時,釋放出這部分能量,防止溫度過低。能量的一吸一放就構成一個日調節的自然冷能利用週期。
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現房屋的「無能耗空調」。與普通空調設施投資相當,但運轉時只需要消耗一些通風用電,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,平均每台空調按3千瓦功率計算,假定只有50萬戶安裝了空調,每天開動3小時,則單台日耗電9度,共450萬度。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,相當於8.2萬噸標準煤,價值1300萬無以上。實際上,空調用電大戶是賓館、飯店、商場以及辦公樓等,加上電風扇等,約為居民空調用電量的3倍,所耗電相當於一座20萬千瓦中型電站的發電功率。武漢、南京、上海、廣州地區的夏季民用空調用電都接近60萬千瓦,湖北省工廠經常因此停工讓電。實踐表明,利用地溫的集中式熱泵調溫,可節能30%~70%,如果我國空調全部採用這種方式,就可以消除電網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,隨空調器的普遍應用,空調病也隨之產生。有關資料表明,室內、外空調溫差不宜超過5℃,而這正是利用自然冷能很容易做到的。因此,利用自然冷能進行居室的自然調溫是未來趨勢。
牧區發生雪災時,能源供應困難,經常導致牲畜損失,人員凍傷。由於天氣不好,在最需要能源時。太陽能裝置反而用不上。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。
「無能耗」苦、鹹水淡化
苦、鹹水礦化度高,難以利用。但只要太陽能豐富。白晝氣溫高,晚間氣溫低,就可以利用自然冷能進行苦、鹹水淡化。例如,沙漠地帶往往有豐富的苦、鹹水,在沙丘中修建類似上述無能耗冷藏庫的大型冷凝器,以沙作蓄能物質,夜間低溫期蓄存冷能,白天利用太陽的輻射熱及高氣溫使苦、鹹水蒸發,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,冷凝器周圍的沙也不斷升溫,出水率逐漸減少,直到停止生成蒸餾水。夜間氣溫降低後,熱管開始工作,重新又將冷凝器周圍沙中熱量傳出散往大氣。於是冷凝器重新又具備冷凝水蒸能力,上述過程在第二天又將重新開始。如此週而復始,連續不斷,可以實現「無能耗」苦、鹹水談化。
南沙群島運水代價極高,達到「噸水噸油」程度,淡水不足帶來極大困難。類似上述方法,利用太陽光熱、氣溫與海水間的溫差,可以實現「無能耗」海水淡化。