21世纪的潜在能源

――自然冷能

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（NaturalCoolEnergy）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有可利用能量。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。自然环境中，存在有数百平方m小范围、寒冬腊月春暖花开、六月份炎暑却天寒地冻的“反季节”现象，当地群众用来作天然冷藏库。我国商、周时代即有冬季储冰夏季取用的冷能利用先例，而且一直延续至今。井水一般冬暖夏凉，合理利用可以代替空调能源。1933年，在法国的实验室，在室温下利用30℃温差推动小型发动机发电，点亮几个小灯泡，首次实证了自然温差作为能源的可能性。60年代，美国阿拉斯加输油管路利用寒冷的气候条件加强散热，防止基土融化下沉，从而保证了管路系统的安全运行。受此启发，研究人员开始对自然冷能进行实用化研究。1986年，经过约10年的试验研究，日本建成了世界上第一座热管换热式、以自然冷能制冷的冷藏库，观测结果表明，库四周季节冻土层终年保持冻结状态，达到了预期效果。我国于1990年建成利用自然冷能致冷的无能耗实验冷藏库，用于农副产品贮存。

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诸存，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量，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

这里说的是指利用自然冷能作为能源降温的冷藏库。如果采取人为措施，冬季强迫土中热量向大气中散发，同时减少逆向传回地下的热量，使土层充分降温冻结就形成冷藏库。夏季高温时，库内温度仍可以保持在0℃附近。这类不用常视机械致冷，具有多种不同方案。一是积

雪法：冬季将雪压缩成泡沫水，存于库内，作为致冷源。二是冻冰法：冬季分层洒水冻冰形成冷库。三是通风制冰法：将冷库分为两大部分，一部分作为货物贮存间，另一部分放置水槽，作为冰（水）室。冬季利用风机强制通风，使槽中的水冻结成冰。天暖时开动风机，使贮存间热空气通过冰室冷却至0℃附近，反复循环，使存储间降温。四是冻土法：在冷库四周的土中插入热管，冬季土中热量通过热管散入大气。热管传热具有单向性，所以一旦气温高于地温，传热过程立即自动停止，热量不会逆向传回地下。以冻土为冷源，只要冻士能连续多年存在，库内温度就得以终年保持在0℃附近。通风制冰冷库已在河北地区推广。实践结果表明，自然冷能制冰法可以节电90％。如果采用热管降温冻结，则不必耗用电力，节电100％。

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

我国北方大部分地区，特别是两北地区，太阳光能丰富，但冬季昼夜温差大，在自然条件下，无法长期保持作物的最佳温度（19℃～33℃）。温室能有效地保持室内温度，因此利用塑料大棚可以增产。

实验表明，我国西北地区，即使在冬季，睛天中午大棚内气温可接近40℃，但晚上大幅度温度下降，仍不能处于理想温度范围。如果利用蓄能体，在温度高时可将部分热吸收并储存起来；当温度下降时，释放出这部分能量，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。

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”。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。

以北京为例，平均每台空调按3千瓦功率计算，假定只有50万户安装了空调，每天开动3小时，则单台日耗电9度，共450万度。若只在七、八月份使用45天，则总共耗电2.03亿度，电费在亿元以上。按每度电耗煤400g计，相当于8.2万吨标准煤，价值1300万无以上。实际上，空调用电大户是宾馆、饭店、商场以及办公楼等，加上电风扇等，约为居民空调用电量的3倍，所耗电相当于一座20万千瓦中型电站的发电功率。武汉、南京、上海、广州地区的夏季民用空调用电都接近60万千瓦，湖北省工厂经常因此停工让电。实践表明，利用地温的集中式热泵调温，可节能30％～70％，如果我国空调全部采用这种方式，就可以消除电网的大部分高峰电力缺口；如果全国70％的采暖、空调、降温能源为自然冷能，每年至少节省亿吨标准煤，可以减少很大一部分能源缺口，温室气体排放及酸雨危害也将相应减少。同时，随空调器的普遍应用，空调病也随之产生。有关资料表明，室内、外空调温差不宜超过5℃，而这正是利用自然冷能很容易做到的。因此，利用自然冷能进行居室的自然调温是未来趋势。

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栅圈，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能力，上述过程在第二天又将重新开始。如此周而复始，连续不断，可以实现“无能耗”苦、咸水谈化。

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。