为什么要将环境热能视为可再生能源

  环境热能是真正意义上来自于环境的能源,其被采集利用后,尺度无限大的环境温度会自然恢复。从这个角度讲,环境热能属于可再生能源。国家应重视环境热能的开发与利用,使其为节能减排和环境保护做出更大的贡献哈尔滨工业大学热能工程系 孙德兴 张承虎 王海燕 庄兆意自然界任何物体中均含有热能，而蕴藏在环境水、空气及土壤中的环境热能，其理论的能源储量是无限大并且是可再生的清洁能源。开发环境热能有助于实现节能减排和环境保护，国家应当予以重视。

 

  环境热能的“真实身份”。

 

  “环境热能”是指蕴藏在环境水、空气和土壤中的热能。

 

  热力学中提到，自然界任何物体中均含有热能。只有当物体的温度降为零下 273 摄氏度时，其中的分子才不再热运动，热能才为零。当然，这种情况在地球上是不存在的。问题是人们在生产与生活中所需要的热能，其载热体必须要有一定的温度，例如人们需要 40 多度的水来洗澡，需要 70 多度的水来通过暖气采暖，需要一、两千度的高温介质来炼钢。而环境水与空气的温度通常都在零下 20 到 30 摄氏度之间，是不能直接用的热能。

 

  然而，这毕竟是热能，而且人们也有办法把它利用起来。办法就是采用热泵技术。

 

  在用热泵供热时，人们付出的是驱动热泵运转所需的电能，而获得的则是该电能转化而来的热能加上从环境中攫取的热能。一般而言，耗费一份驱动热泵运转的电能，可从环境水中吸取三份热能，从而使供出去的热能为四份。例如某大楼冬季某时刻利用热泵供热量为 400 千瓦，而热泵耗电则只需 100 千瓦。这就是热泵供热可节能的基本原理。计入水泵、风机等系统中其它设备的耗电，保守预计，将这个比例估算为 1∶3 是不过分的。

 

  目前学术界正在广泛使用“地源热泵”的概念。实际上这个概念往往是指“土壤源”与“浅表地下水源”这两种。然而有些同类的“源”，例如城市污水源，工业废水源等，也把它们说成是“地源”就显得词不达意。所以不如将热泵的分类回归到原来的“空气源热泵”、“土壤源热泵”

 

  和“水源热泵”目录上面来，这不仅仅是词义清晰的问题，更主要的是从开发技术角度来看，这三个种类各自都有其与众不同的特点。

 

  各类环境热能的显著特点首先需要提及能够被热泵应用的冷、热源载体需要具备的三个条件：一是有足够大的体量，能够源源不断地提供冷或（和）热；二是位置离建筑物不远，能够就地取用，太远了，经济上不可行；三是温度适宜，适合热泵方便取热（和）取冷的要求。

 

  热泵的三种“源”包括“空气源”、“土壤源”和“水源”。

 

  空气作为冷、热源完全满足上述三个条件中的前两个条件。作冷源时，也基本满足第三个条件。中国夏天虽然天气很热，但普遍应用的窗式空调就是在用室外空气做冷源。在做热源时，空气源热泵的能源利用效率不算高。所谓能源利用效率是指所获取的热量与所消耗的电能之比。这个数据一般仅能达到 2 点多，达不到 3。考虑到发电的效率仅为百分之三十，这个问题就显现出来了。这也是为节能而推广空气源热泵遇到的最大问题。这个问题在中国的北方尤为突出，一是冬季气温太低，热泵效率很低。二是换热面结霜，频繁的除霜使效率更为降低。第 2 页 共 3 页土壤作为冷、热源满足上述提及的第二个条件，但对第一个和第三个条件来讲，则都存在一些问题。

 

  首先是体量问题。虽然看起来好像地下有无尽的体量，但实际上有些地质结构决定了适合填埋管道的土体很有限，遇到岩石结构就无法埋入管道。对高层建筑来讲，为满足足够的土体量，并且保证埋管深度在合理的范围内，就需要很大的布管面积，但高层建筑周围却往往找不到这么大的地方布管。为了达到所需的土体量还必须付出较大的投资，土壤源热泵系统的造价通常要比水源热泵高出一到两倍。

 

  其次是温度问题。一般浅层土壤的温度与当地全年的平均气温相当，属于冬暖夏凉，正好可为地面建筑冬季供热，夏季供冷。只要有足够大的体量，温度是适宜的。但问题在于存在一个所谓冬夏热不平衡的问题。在我国中原地区，地面建筑在整个冬季所需要获取的热量与在整个夏季所需要排出的房间废热在数量上往往差不多。人们在地下设置一块土壤并埋管后，夏天把热量存进去，冬天再把差不多等量的热量取出来，在整个一年中这块土壤只起一个存储作用，所需土壤的体量能满足存储要求就可以了。这是很理想的状况。但在寒冷的北方与炎热的南方，情况就不这么理想了。例如在寒冷的北方，冬季所取的总热量要远远大于夏季所能回送的热量。虽然所设土体的周围土壤可以通过四边的导热向土体补充一些，但这个量是很小的，远远不够。造成土体的温度连年下降，供热效果逐年变差，甚至几年后土壤源热泵就不能工作了。在炎热的南方，则会出现土壤的温度连年上升，空调效果逐年变差，几年后空调失效的情况。

 

  但这并不是一个很难解决的问题。办法是“地面补偿”。例如在北方，可在地面上设置风机盘管。夏季从空气中取热，通过已有的循环管路将热量送到地下，以备冬季土体热量的不足。夏季时间很长，这个补热的过程完全可以很从容地进行，风机盘管所附带的风机、水泵都可以选用很小压头的，附加能耗仅需增加百分之几。在南方，则可以用同样的方法在冬季为地下补冷。若附近有地面水，用地面水为地下补冷更加方便。

 

  水源热泵的水源经过近些年的研究已经开发出很多品种，诸如江、河、湖、海等地面水，浅表地下水，城市污水，各种工业废水，电厂的冷却水等。

 

  水源热泵一般能源利用效率较高，数据统计至少在 4 以上，好的机组甚至可以达到 6，这是它明显优于空气源热泵之处。

 

  使用水源遇到的普遍问题是从水源中长时间安全、连续地取、排热问题。这个问题来自于所谓“开式换热”。所用之水经取、排热后就立即被排走了，所来之水永远都是来自某种环境中的新水。通常换热设备对水质都是有要求的。传统空调系统中的水循环都是“闭式”的，水质都是经过处理达到要求的。而水源热泵所用之水往往都达不到水质要求。特别是城市污水，其恶劣的水质足以在很短时间内将传统的换热设备堵死。

 

  因此，使用环境热源中的水源，其关键技术在于如何解决堵塞、污染与腐蚀的问题。

 

  环境热能应被视为可再生能源环境热能是真正意义上来自于环境的能源，其被采集利用后，尺度无限大的环境温度会自然恢复。从这个角度讲，环境热能属于可再生能源。

 

  采集环境热能需用热泵，而热泵要用电来驱动，因此有人会产生疑惑：将被动的环境热能视为能源是否恰当。的确，环境热能与太阳能、风能不同，它不是一次能源，不是原始动力，但它确实是为建筑物供应大量热能的来源，因此，不管它是否是原始能源，都肯定应将它视为一种能源。可将驱动热泵的电能视为辅助，这和利用太阳能、风能时需要少量电能来辅助是一样的。

 

  人大常委会 2005 年 2 月 28 日通过的可再生能源法（第一章，第二条）将可再生能源定义为风能、太阳能、水能、生物质能、地热能、海洋能等非化石能源，其中未包含“环境热能”。

 

  实际上，环境热能的理论储量可视为无穷大，其可开采量也绝不亚于可再生能源法中所列的任何一种非化石能源。所以，应将其列入可再生能源法，以促进其开发与进一步发展。

 

  利用热泵技术，开发环境热能，省去了燃煤、燃气、燃油等锅炉房系统，无需燃烧过程，避免了排烟、排污等污染。作为清洁的可再生能源，国家应重视环境热能的开发与利用，使其为节能减排和环境保护做出更突出的贡献。