茍仲武

摘 要：本文不研究能源的獲取，呼吁重視調整、改變、改進長期形成的能源利用理念、利用方式，實現(xiàn)各種能源的高效率利用、循環(huán)利用、系統(tǒng)利用、階梯利用、全面利用，讓“能量動起來、熱機冷下來、排放變資源”！希望通過應用觀念創(chuàng)新、應用理論創(chuàng)新、應用技術創(chuàng)新、多學科技術交叉應用創(chuàng)新，帶來能源應用的變革，進而推動一次新的能源革命的展開。

關鍵詞：能源危機；能源革命；用能模式；熱泵技術；階梯利用；熱電聯(lián)供

今天能源危機、環(huán)境危機已經迫在眉睫，人類亟需一場能源革命。創(chuàng)造是從無到有，創(chuàng)新是從有到用。人類現(xiàn)在對地球資源已經基本上了解清楚，容易獲得的資源已經開發(fā)殆盡，從創(chuàng)造、發(fā)現(xiàn)的角度，已經開始研究、開發(fā)頁巖氣、可燃冰了，能不能回頭看看，還有什么可以創(chuàng)新的地方？我們有沒有忽略什么東西？如果沒有太多機會創(chuàng)造，我們就要更加認真看看還能不能創(chuàng)新。

本文不研究能源的獲取，著重從已有能源的利用方式、利用效率等方面進行探討，希望能通過創(chuàng)新，在同樣滿足人類目前生產、生活熱量、動力需求的情況下，大幅度減少能源的直接消耗，通過模式改變、效率提高，讓已有的、少量的可再生能源、清潔能源資源能逐步滿足全社會目前甚至未來發(fā)展的能源需求，從而用新的方式找到解決能源危機、環(huán)境污染等一系列問題的出路，來一場新的、偉大的能源革命。

1 改進能源應用方式

人類千百年來養(yǎng)成一個慣性思維：需要熱量，就習慣用傳統(tǒng)的煤、氣、油、電等能源轉換成熱能來利用。人們熟知的能量守恒定律，讓我們許多人忽略了使用一種叫“熱泵”技術的熱能搬運“杠桿”作用。即消耗一份能量，帶動其它介質中已有熱量的再利用，目標得到同樣熱能，但新消耗的高品位能源、石化燃料大大減少，用非直接轉換利用的方式、“讓能量動起來”的方式，實現(xiàn)大幅度節(jié)能減排。

1.1 狹義的熱量流動應用

能實現(xiàn)熱量流動的裝置就是各種形式的熱泵。熱泵技術有很多種，空調、制冷系統(tǒng)采用的是一種壓縮式熱泵系統(tǒng)，空調可以高效率地將室內外的熱量來回搬運，夏天，把房間里的熱量搬到室外；冬天把室外的熱量搬到室內，能效比普遍在3倍以上，換句話說，比直接消耗能源物質獲得熱量的方法，節(jié)約能源三分之二以上。

人們使用空調、冰箱已超百年，這些年逐步推廣開的水源熱泵、地源熱泵，也都是該原理的典型應用。遺憾的是，雖然能效比高，節(jié)能效果明顯，但這些應用場合的設計溫度太低，以輸出溫熱水為主，主要用于空調、制冷、采暖、生活洗浴等，沒有更高的工業(yè)利用價值，未能涉及工業(yè)領域的高耗能環(huán)節(jié)，難以產生更好的節(jié)能減排社會效益。

其實熱泵技術本身從來沒有“說過”自己不能超過100℃。這二、三十的溫差會成為物理學上的一個瓶頸嗎？難道只能用在幾十攝氏度上？答案當然是否定的！經過我們的研究實踐，證明現(xiàn)有的熱泵系統(tǒng)輸出可以很容易地達到100℃以上，并且長時間高效率運行，完全可以介入大多數(shù)工業(yè)領域的高耗能環(huán)節(jié)，實現(xiàn)能源消耗關鍵環(huán)節(jié)的大比例節(jié)能。例如蒸汽鍋爐，以前熱泵技術只能在水加熱70℃以下時起作用，涉及的工作范圍太小，所節(jié)約的熱能最大只能占到全熱的3%～8%，從系統(tǒng)復雜性、成本增加量等綜合考慮，沒有實用價值。當熱泵介入“水-汽”沸騰高耗能環(huán)節(jié)，且保持較高能效比時，才是熱泵技術得以獲得在鍋爐領域應用突破的基礎。

熱泵有太多種類，從某種意義說，凡是帶有熱量的物質移動，如果關注的是物質本身，那就是“水泵”、“氣泵”；但如果設法讓移動的物質盡可能多的攜帶熱量，以熱量為關注對象，熱量的移動為主要目的的話，那就是熱泵了。驅動熱泵工作的能量來源包括電能、熱能、勢能等。以目前的各種成熟的技術來說，只要你的需求不要太高，比如超過200℃，現(xiàn)有的設備、技術、工藝完全可以組合出你要的系統(tǒng)，通過熱泵方式滿足用熱需求，實現(xiàn)大幅度節(jié)能的目的。

如果我們的鍋爐能從現(xiàn)在努力追求100%的效率，變成“起步”就是200%～300%的效率或更高，節(jié)能50%以上，若我們家家戶戶的廚具節(jié)能60%以上，發(fā)熱量就會成倍減少，廚房、車間就會變得涼爽。

進一步推廣開來，將熱泵技術在能源綜合利用的場合充分利用，實現(xiàn)將空氣中的、污水里的、土壤里的、回收其他排放熱源得到的熱量搬到生產、生活設備中循環(huán)利用，實現(xiàn)企業(yè)內冷熱作業(yè)面的熱能調度，從原來需要熱量就消耗能源物質轉換獲得，變?yōu)閺钠渌h(huán)節(jié)高效率回收、搬運獲得，系統(tǒng)新增的能量消耗、環(huán)境熱排放僅是原有直接能耗模式的幾分之一、幾十分之一，大大提高了能源的利用效率。

應該讓全社會重視“讓能量動起來”，甚至有必要從小學、中學教育開始，讓學生在了解能量守恒定律的同時，就了解能量獲取的方式不是只有消耗能源物質一對一換取的一種方式，還有更高效率獲取能量的手段！

1.2 廣義的熱量流動應用

本文提出的所謂廣義的熱量流動應用，是指將上述的熱泵技術實現(xiàn)時間、空間上的開放式應用。有點像古時候的冬天冰塊蓄冷、夏天用儲存的冰塊吸熱降溫；現(xiàn)有的錯峰用電蓄冷、蓄熱；天然氣液化運輸后的液態(tài)天然氣所含“冷量”再利用等等。把熱泵技術的熱媒、冷媒傳輸不要再局限于小系統(tǒng)，實現(xiàn)大系統(tǒng)、跨場景、跨地區(qū)、跨時段應用。

比如，我們常用的空調，是冷媒在壓縮機的抽吸作用下，在蒸發(fā)器里降壓、吸熱蒸發(fā)；攜帶汽化熱的物質，被壓縮機增壓，溫度隨壓力增加自然升高，并隨著管路移動到另一個位置進入冷凝器后，遇到相對較低的溫度條件，就會冷凝、放熱，釋放大量熱量。

如果基于這個道理，我們利用熱泵技術制作一種新的空氣源熱泵鍋爐，它能把環(huán)境空氣的熱量高效率搬運到水里，實現(xiàn)輸出熱水、蒸汽。這種新的“鍋爐”根據(jù)逆卡諾循環(huán)理論，其效率在100%以上，遠遠大于現(xiàn)有的電加熱鍋爐。那些失去熱量的環(huán)境空氣溫度降低。如果能實現(xiàn)部分空氣的熱量進一步被“搬走”，溫度大幅度降低，空氣就會變成液體，它的凝結熱也將一并被搬運到水中，都隨著熱水、蒸汽輸出使用；而某種意義上就可以得到“免費”的液態(tài)空氣這個“副產品”。進一步，將這種約-200℃的含有“冷量”的物質，通過車輛、管路運輸?shù)叫枰獎恿Φ膱龊希屗ㄟ^熱交換器、氣化器吸收免費的、環(huán)境空氣熱或其他廢熱，實現(xiàn)沸騰、汽化、氣化膨脹成為高壓氣體，該氣體可以推動發(fā)動機、氣缸活塞運動，實現(xiàn)將低溫的、免費的環(huán)境熱量轉化為人們需要的動力，滿足新的需求。能量在甲地從空氣中進入鍋爐的水里、把水變成蒸汽進入生產生活環(huán)節(jié)，最后散發(fā)到環(huán)境中；失去熱量的液態(tài)空氣經空間移動到達乙地，在乙地由于它自身極低的溫度，則又可以吸收、撬動當?shù)乜諝狻⑼寥?、環(huán)境水源已有的“低溫”熱量轉化為高壓空氣的勢能，通過熱機部分轉化為輸出動力，泄壓后的空氣排放回環(huán)境。最后在大環(huán)境下、大氣層內實現(xiàn)熱平衡。上述過程中一次電力能源消耗，實現(xiàn)、啟動了環(huán)境物質中所含的熱量流動，進而分別滿足了甲地蒸汽、乙地動力的兩個需求，用能量流動的方式，替代了原來需要在甲乙兩地分別消耗能源物質的能耗模式。

英國高瞻公司利用“垃圾電”制作“液態(tài)空氣”，實現(xiàn)儲熱、儲冷，利用時間、空間差，再次實現(xiàn)儲能發(fā)電、高壓空氣動力輸出等系統(tǒng)應用。

狹義的熱泵應用是通過實現(xiàn)小范圍的、實時的熱量流動滿足不同環(huán)節(jié)的熱能、動力需求；廣義的熱泵應用是通過實現(xiàn)大范圍的、異步的、跨時空能量載體的搬移、流動，分別滿足不同場合、不同時間的熱能、動力需求。類似的應用早有先例，只是沒有系統(tǒng)的、全面的得到推廣應用來發(fā)揮出更大的社會效益和經濟效益。

2 發(fā)展能源基礎理論

目前中國電力能源的約70%靠火電提供，但是火力發(fā)電的工作原理還是基于100多年前誕生的郎肯循環(huán)，幾乎沒有發(fā)展改進！現(xiàn)代的汽車雖然外觀、構造、舒適度、信息化裝置已經千變萬化，但是用人們獲得動力的主要理論卡諾循環(huán)理論設計的內燃機的工作原理、能源供應模式則幾乎沒有變化。

產業(yè)的革命，首先是理論的革命，只有理論的革命性發(fā)展，才會帶來產業(yè)的革命性變革。本文將從基本的郎肯循環(huán)和卡諾循環(huán)入手，探討一下如何結合這兩大理論誕生后100多年來人們取得的技術進步，進行一次認識創(chuàng)新和理論創(chuàng)新。

2.1 改進熱電基本理論

朗肯循環(huán)（英語：Rankine Cycle）也被稱為蘭金循環(huán)，是一種將熱能轉化為功的熱力學循環(huán)。郎肯循環(huán)從外界吸收熱量，將其閉環(huán)的工質（通常使用水）加熱，實現(xiàn)熱能轉化做功。朗肯循環(huán)理論雖然誕生于19世紀中期，但即便到了今天，郎肯循環(huán)仍產生世界上90%的電力，包括幾乎所有的太陽能熱能、生物質能、煤炭與核能的電站。

“郎肯循環(huán)”誕生的年代研究熱力學的技術條件、流體力學理論、材料和控制理論和現(xiàn)在差距很大，難免存在一些缺陷和不足，必然存在歷史局限性。主要的問題是輸出效率低、熱量浪費巨大。系統(tǒng)能效理論值上限約50%，而且隨著效率的提高，系統(tǒng)成本、安全風險、實施難度均大幅度增加。通過對朗肯循環(huán)特點分析可以得知，造成其效率低下的主要環(huán)節(jié)就在于冷凝放熱部分。因此，想要大幅度提高郎肯循環(huán)的效率，只有兩個出路：1.盡可能減少冷凝放熱；2.回收再利用冷凝熱。常用的回收再利用冷凝熱的方法主要是設法利用冷凝廢熱輸出溫水、熱水、低壓蒸汽，但綜合利用的效率也受環(huán)境基礎條件和季節(jié)變化等諸多因素影響和限制，而且無法提高熱-電、熱-功轉換效率，不能輸出高品位的能源產品。

盡可能減少冷凝放熱，就意味著應該盡可能直接利用做功后的乏汽。實現(xiàn)蒸汽直接再利用通常能想到的就是對蒸汽進行機械再壓縮，但由于工作過程中需要消耗機械能，通過直觀的能量守恒定律分析費效比較低，實際應用中均沒有采用這種技術來實現(xiàn)蒸汽再循環(huán)利用，久而久之人們形成的普遍認識就是“不可能、不經濟、不合理的”，不再考慮這個問題了。隨著技術進步，現(xiàn)代已經有許多技術可以采用更科學、合理、高效的方式來解決冷凝熱再利用的問題，有可能實現(xiàn)對郎肯循環(huán)的改進和發(fā)展。

一個對高低溫、高低壓變化非常敏感的蒸汽動力循環(huán)系統(tǒng)，應該充分考慮流管面積、空間、流速、壓力、溫度、動壓、靜壓等混合因素，充分利用這些因素之間的關系，實現(xiàn)高效率的熱動力循環(huán)。原來因為工藝復雜、成本高昂、材料難以保障而不敢想、不能做的事情，現(xiàn)在有可能、有條件考慮實施了！比如，首先提高鍋爐的壓力輸出，利用新增的蒸汽壓差先驅動蒸汽機械再壓縮裝置，對部分乏汽實現(xiàn)直接增壓，與初步做功后的中壓乏汽混合，供給原有中低壓蒸汽發(fā)電機組去工作；同時利用流體熱力學理論改進傳統(tǒng)凝汽器結構，將蒸汽乏汽一分為二，利用渦流技術和流管變化使得其中一部分增壓、升溫、冷凝成水；一部分減壓、降溫、吸熱、供直接壓縮再利用。讓不需凝結直接利用的再壓縮乏汽帶走冷凝熱，最大限度減少冷凝熱的散失，提高熱量的利用率。

改進后新的循環(huán)，首先應利用非機械動力的方式實現(xiàn)對完成做功后的乏蒸汽進行再利用，其次充分設法直接回收再利用未能直接利用的乏汽凝結釋放的冷凝熱，讓未能通過汽輪機一次轉化為功的熱量有機會參與下一次做功循環(huán)，經過多次轉化做功，在理論上實現(xiàn)蒸汽動力循環(huán)整體熱效率的大幅度提高。

2.2 正確認識熱機理論

卡諾循環(huán)是1824年N.L.S.卡諾在對熱機的最大可能效率問題作理論研究時提出的?？ㄖZ定理闡明了熱機效率的限制，指出了提高熱機效率的方向，可以簡要理解為提高高溫溫度、降低低溫溫度、減少其它機械摩擦和熱損耗。老師在給學生傳授有關卡諾定理知識的時候，常常忘不了額外補充幾句，比如：“實際上、低溫熱源溫度T2降低很難實現(xiàn)，人們大都考慮如何提高高溫熱源溫度T1來提高效率”、“顯然，高溫熱源溫度T1越高，過程效率越高”、“卡諾循環(huán)決定了熱機的最高理想最大效率，任何系統(tǒng)的效率都不可能超過這一結果”，等等。這幾句話表面上看好像沒有問題，但是再仔細推敲一下，還是有點問題，需要回到原點，重新認識一下卡諾循環(huán)。

首先，現(xiàn)在的熱泵技術（逆卡諾循環(huán)）已經很成熟，T2的降低不僅很容易，而且還是一個高效率獲取熱量的過程；回收熱量的過程也不一定需要消耗機械功；回收獲取的熱量可以用于維持T1，也可以用于其他系統(tǒng)、場合。整體的熱功轉換效率、熱能利用率可以大幅度提高。

其次，從卡諾循環(huán)的公式可以看出，想要提高熱效率，除了增大處于分子位置的高溫熱源T1，還可以通過降低處于分母位置的低溫熱源T2。而且顯然，對于熱量總量有限、高低熱源溫度絕對值差值不大的情況下，減小分母可以迅速提高效率！實際是工作溫段越低，熱機越容易獲得高效。因此，我們應該設法采用讓“熱機冷下來”的思路，提高低能量消耗、低能量密度的熱機效率。

再次，即便采用增加高溫熱源T1的方式提高效率，大量的熱量高密度聚集，必然抬高低溫熱源，或者說低溫熱源確實難以維持、降低。應該可以利用低溫熱源設法啟動第二個、第三個卡諾循環(huán)，利用多個熱機做功過程組合改善提高全系統(tǒng)熱效率。這也可以解釋為什么會有渦輪噴氣發(fā)動機噴水加力、柴油乳化加水、渦輪風扇發(fā)動機等技術應用。事實上應用還不徹底，飛機、火箭、內燃機還在噴火、排熱，應該讓浪費的、大量的熱充分的、多次的、盡可能的轉化為功，只有讓“熱機冷下來”才能大幅度提高動力設備的能源利用率。

2014年底英國空天飛機發(fā)動機研究工作取得較大進展，從中央電視臺13頻道2014年12月17日相關新聞消息中看到的發(fā)動機工作動畫和同時公布的三種燃料成分，已經明確說明液氮是除了液氫、液氧之外的第三種“燃料”介質成分，明確說明空天飛機發(fā)動機用它確保發(fā)動機內部工作在較低溫度，同時發(fā)動機仍然保持較高效率。

我們提出一個用液態(tài)空氣作為“工質”的擴展卡諾循環(huán)應用的思路。利用超低溫的液態(tài)空氣“撬動”常溫熱量作為能源。液態(tài)空氣汽化開始，就從環(huán)境空氣、水、土壤中吸熱獲取能量變成勢能，形成高壓、常溫的氣體，然后適時、適量的進入現(xiàn)有內燃機的氣缸等膨脹做功環(huán)節(jié)，模擬實現(xiàn)原來靠燃燒釋放熱量、介質吸熱膨脹得到的同等壓力場景，后續(xù)輸出動力的過程則完全一樣?？ㄖZ循環(huán)的T1/T2大幅度降低。汽車由攜帶能源利用免費空氣，改變?yōu)閿y帶空氣利用免費能源。

我們做了一個使用液氮、干冰吸收環(huán)境熱的“蒸氣機”實驗，由原來酒精燈燒開水，產生的水蒸氣推動活塞運動，改為空氣熱量“燒開”液氮、氣化干冰，產生的高壓氮氣或二氧化碳氣體推動活塞運動。蒸汽機從使用水作為工作介質，工作在100℃以上的“高溫”溫段，變?yōu)槭褂玫蜏匾簯B(tài)或固態(tài)氣體為工作介質，吸收環(huán)境熱能工作在低溫到常溫這一溫段。

對卡諾循環(huán)的再認識，實現(xiàn)“讓熱機冷下來”，沒有改變基礎理論，因此幾乎不需要改變現(xiàn)有的各種發(fā)動機的主要結構，各種使用傳統(tǒng)內燃機的車輛、輪船、機械，甚至飛機、火箭等特殊設備，稍加改動就可以實現(xiàn)不燒油、不用電，不消耗或者少消耗能源物質，部分或全部利用環(huán)境熱能，幾乎可以實現(xiàn)全物理過程、無化學反應，做到真正“零排放”動力、綠色動力。

3 創(chuàng)新能源應用模式

前面提到的“讓能量動起來”、“讓熱機冷下來”觀點，把能源的直接利用改變?yōu)榇偈棺匀唤缫延械臒崃?、能量形成一個流動利用鏈，一次、一個環(huán)節(jié)的能源消耗，依次滿足多個場景、環(huán)節(jié)的熱量、動力的能源需求，實現(xiàn)能源物質的高效率利用。除此之外，通過對能源、能量、熱量具體利用過程的微觀分析，本文再提出以下幾點具體建議和思路，以期進一步提高能源利用的綜合社會效益、經濟效益、環(huán)境效益。

3.1 階梯高效利用

用通俗的理論來理解能源利用的過程，不外乎熱量產生和傳遞給攜帶熱量的高溫工作介質，以及最終在利用過程中高溫工作介質再把熱量傳遞給低溫環(huán)境。再簡單理解就是一個對某種工質加熱升溫、內能增加過程和一個工質攜帶的熱量、內能利用過程。其中升溫這個內能變化過程有機會輸出機械能發(fā)電。電能是目前最方便、最干凈、最高效、最優(yōu)質的高品位能源供應方式，因此，如果能在每次消耗能源的過程中，優(yōu)先以電能的方式利用能源，然后再用常規(guī)、低水平的簡單熱量利用，那么就能大大提高能源的使用效率！

近年來，人們已經逐步認識到原始、粗糙的能源利用方式是有缺陷的。比如設計發(fā)電站，就只考慮利用燃料消耗可以輸出機械能的過程，而把大量“余熱”作為必然產生的廢熱用巨大的散熱塔散掉，最多也就冬季供暖部分利用；設計供熱站，就忽略燃料消耗可以輸出機械能發(fā)電的過程，而只簡單利用最終產生的熱量。雖然已經在有些場合使用所謂“熱電聯(lián)供”、“冷熱電聯(lián)供”的系統(tǒng)能源利用解決方案，遺憾的是這種階梯高效利用能源的方案應用并不普及，遠非主流，主要消耗能源的火電廠、工業(yè)生產、居民供暖均是傳統(tǒng)的簡單、直接方式。即便采用“N聯(lián)供”，使用的設備也是不經濟、不適合長期使用的內燃機、燃氣輪機等，燃料也多是昂貴的高品位燃料。

科學的能源階梯高效利用的模式，以鍋爐為例，首先設計鍋爐產生盡可能高壓高溫的蒸汽，并通過內置小型汽輪機，首先發(fā)電輸出，發(fā)電以后的乏汽再用于蒸汽輸出或用于加熱循環(huán)水。輸出的機械能、發(fā)出的電能，即便不入公網，也可以驅動水源、地源、空氣源熱泵給鍋爐補熱或回收煙氣熱量，使得燃料燃燒綜合熱效率達到甚至遠遠超過100%。

3.2 冷熱綜合利用

長期以來大多數(shù)工程技術人員幾乎不去動腦子實現(xiàn)熱量的綜合利用。曾經和一個國內最知名的空調生產廠總工交流，他們的商用空調事業(yè)部做制冷工程的時候設計大型冷卻系統(tǒng)對冷卻過程產生的熱水散熱降溫；他們的另一個熱泵熱水器事業(yè)部門則只琢磨從空氣、土壤、地下水、污水資源中換熱獲取可供利用的熱量，兩個部門不跨部門、跨界交流！問他們能不能把空調熱水的熱量轉移到熱水器里面變成熱水輸出，他們說：能！為什么不做？回答僅僅是：沒想到！

這樣的應用太普遍了。食品廠生產食品要用高溫把產品做熟，又需要馬上冷藏降溫去包裝，結果是一個車間用鍋爐耗能加熱，另一個車間大功率制冷并在室外采用大型冷卻塔散熱。類似情況在制藥廠、牛奶廠、飲料廠等各行各業(yè)比比皆是。今天市面上能買到的冷熱型飲水機，無一例外都是加熱單獨耗電，制冷同時散熱！

實際上很少有產品能把加工過程消耗的能量儲存在產品中帶走利用，高溫往往是工藝條件，高耗能大都意味著有大比例節(jié)能的基礎條件。應該對傳統(tǒng)工業(yè)產業(yè)生產過程進行梳理，實現(xiàn)過程的能量、熱量綜合調度、系統(tǒng)循環(huán)利用，企業(yè)通過能源高效利用實現(xiàn)大幅度的節(jié)能、減排、增效！

3.3 排放資源化利用

即使到了今天，工業(yè)領域和人們日常生活中都把排放二氧化碳當成一件理所當然的事，如化工廠、水泥廠、酒廠、火電廠等均是排放二氧化碳的集中“大戶”。進行環(huán)境評價的時候，排放物里面如果沒有特殊化合物，如硫化物、氮氧化物、粉塵即達到清潔排放的標準，排放物含有二氧化碳、水蒸氣、熱量其實都是局部環(huán)境空氣的增量和干擾，也將影響局部環(huán)境指標，本應同樣得到處理。

本文作者在對人們熟悉的工業(yè)廢氣、污染排放過程進行研究后又意外、再次認識到：煤炭的燃燒過程是一個簡單的化學反應過程，在生成近4倍重量二氧化碳的同時，釋放燃燒熱。排放的二氧化碳其實是比燃燒過程釋放的燃燒熱更有價值的資源，目前市場二氧化碳批發(fā)價每噸高達500～800元，淘寶零售價更達到每噸1萬元。化學產物的價值比釋放的熱能價值高2～3倍，人們長期以來都是抓了燃燒熱這個“芝麻”，扔了燃燒化學產物這個“西瓜”。

形成這個結果也有其歷史原因，倒退幾十年，煙氣中二氧化碳幾乎無法回收，回收了也沒有什么用途，人類當時也沒有減少碳排放的環(huán)境保護壓力。但是今天則完全不同了，回收煙氣二氧化碳的技術已經成熟，回收成本低廉，回收的二氧化碳用途廣泛。人們也已經認識到碳排放對環(huán)境的危害，到了應該徹底處理碳排放、必須處理碳排放問題、可以從根本上解決碳排放問題的時候了。

通過對我們人類普遍使用的燃煤、燃油、燃氣過程以及其他化工、冶煉、水泥、釀造等工業(yè)生產過程進行改革，讓每一臺鍋爐、每臺設備、每個系統(tǒng)像化工廠的反應設備那樣工作，既利用燃燒反應釋放的熱量，還要利用化學反應產生的化學產物，把化石資源的價值“吃光榨凈”，在減少環(huán)境污染物排放的同時，實現(xiàn)效益的大幅度增加，實現(xiàn)低碳、減排、增效的有機統(tǒng)一。

3.4 冷量系統(tǒng)利用

近年來隨著深冷技術的推廣引用，人們越來越多接觸超低溫的液氮、液氧、干冰、LNG等液態(tài)、固態(tài)氣體。這些超低溫、低溫氣體經過儲存、運輸后，使用前均需要氣化。液態(tài)LNG沸點大約為-160℃～174℃、液氮沸點是-196℃，二氧化碳在-50℃～70℃發(fā)生沸騰、氣化、升華狀態(tài)的變化，它們吸收空氣源、水源、地熱源、廢熱源等的熱量氣化，氣化后體積可以膨脹到600～1000倍左右。利用超低溫液態(tài)氣體吸收環(huán)境熱能后膨脹得到的高壓氣體推動膨脹機做功，膨脹機帶動發(fā)電機發(fā)電，有效利用了液態(tài)氣體的“冷量”，實現(xiàn)將環(huán)境常溫的熱量轉化為了電能，過程還可以實現(xiàn)多次“制冷”，利用冷凍法實現(xiàn)海水淡化或污水處理。

隨著“讓能量動起來”的能源利用模式不斷推廣，這種“丟失”熱量的液態(tài)、固態(tài)氣體會越來越常見，或成為撬動環(huán)境熱能驅動汽車、輪船的工作介質，大量使用。利用冷源吸熱的能力“冷量”的過程有很多和使用能源物質不同的特性，下面列舉幾個主要方面：

由于是利用吸熱能力“冷量”造成的熱量流動實現(xiàn)機械能、電能輸出，能量、熱量的來源往往取之于環(huán)境，這不僅僅是免費的，而且是取之不盡用之不竭，一旦在能量轉化過程中部分能量變成電能、機械能輸出，則很容易追加免費熱量供應，繼續(xù)去滿足“冷量”吸熱的需求，多次撬動的熱量流動的總量將遠遠大于“冷量”。

以往利用熱量的過程，總是設法防止寶貴的熱量在過程中散失，而利用“冷量”撬動環(huán)境熱量轉化的時候，幾乎每個環(huán)節(jié)都能從環(huán)境中獲取熱量、補充熱量，源源不斷！

由于整個工作過程工作在低溫、超低溫到常溫這一段落，根據(jù)熱機理論，由于高溫熱源和低溫熱源溫度都接近絕對零度，特別是低溫溫度很低，雖然溫差并不大，但熱機對熱量的利用效率很高。

用好“冷量”，可以帶來巨大的經濟效益和社會效益！僅僅大連港，每年進口600萬噸LNG到港均需要氣化進入CNG管網，這些液態(tài)氣體能吸收的熱量達到約2.4萬億千卡，如果實現(xiàn)30%的發(fā)電效率，則可以發(fā)電9億度，同時還可以淡化超過2400萬噸海水。利用“冷量”的時候，由于熱量來自于環(huán)境，沒有成本，因此，這些電能和淡水完全是“白撿的”！僅9億度電就相當于節(jié)約27萬噸標準煤，減少碳排放百萬噸。

4 能源應用技術創(chuàng)新

隨著能源應用變革的深入展開，必然要求一些傳統(tǒng)的能源應用產品發(fā)生一些改進、變化，從而進一步提高能源利用過程的綜合效率。需要改變的環(huán)節(jié)很多，不能一一列舉，本文只提出兩個示例、思路供大家交流、思考。

4.1 要重視換能模式改變

當我們從直接消耗能源變成促進能源“流動”獲取方式，傳統(tǒng)的供熱、供冷方式也必須進行調整，從而降低“熱泵”的能源消耗，進一步提高利用效率。最典型的理論就是“低溫制熱、高溫制冷”。在空調領域近幾年有專家提出這個概念。但在設計應用方面還沒有得到足夠的重視和應用。未來能源應用模式有了重大改變后，要想確保實現(xiàn)較高的能源利用率，必須盡可能落實、實施這一概念。

低溫制熱：在采用傳統(tǒng)模式消耗能源物質獲取熱量的方式下，目標溫度的高低和熱量的來源成本無關。當熱源溫度高時，可以減少熱媒流動、減少換熱體面積，減少少量的成本。但采用熱泵方式獲取環(huán)境熱量、工業(yè)余熱廢熱輸出熱量時，熱泵的效率和熱源溫度、輸出溫度的差值有很大關系，會引起能源效率的成倍增大或減小。以供暖為例，同樣保持室溫18℃，采用75℃熱水供暖和采用45℃熱水供暖，熱泵能效可能會從3倍左右，提高到6倍！類似，高溫制冷：同樣保持室溫25℃的情況下，采用18℃冷源制冷和8℃冷源輸出制冷，其熱泵系統(tǒng)能效分別約是5～8倍和3～4倍。

4.2 重視熱量回收再利用

現(xiàn)在人們都比較重視如何獲得熱量，較少分析熱量散失，特別是一些傳統(tǒng)行業(yè)。比如醫(yī)藥、食品等行業(yè)，更多精力關注如何改進鍋爐，不重視廢熱排放回收利用。實際工作中，只要需要大量熱能消耗的過程幾乎都存在大量熱能排放的過程，而以前人們常常熟視無睹。比如，建筑節(jié)能普遍關注如何改進、補充建筑物的能耗，很少關注回收建筑物新風系統(tǒng)、污水系統(tǒng)的熱量浪費。

現(xiàn)在建筑保溫方法很多，保溫效果也很好了，再加上建筑接受的太陽能、建筑物內活動的人發(fā)出的熱、照明電器的發(fā)熱量等，累計下來也是不小的數(shù)目，為什么還需要每平米數(shù)十瓦的供暖能耗呢？主要是通過通風、排污帶走了大量的熱。采用熱泵系統(tǒng)，在建筑物的能量排放出口“守株待兔”，以較小的溫差、很高的效率回收利用能量、熱量，是未來建筑節(jié)能的主要手段之一。

4.3 要重視終端設備改進

現(xiàn)在使用的熱交換器，幾十年沒有大的發(fā)展變化，習慣于冷熱媒直接熱傳導交換，很少考慮利用其它領域的技術?，F(xiàn)在，情況已經有所改善，比如利用熱管進行冷熱交換的中介，其導熱性能比最好的金屬銅要高近千倍！還有，對冷熱源進行調整準備。如對空氣增壓就可以讓空氣源換熱器的換熱起點升高；對空氣減壓則可以降低散熱器冷源溫度起點。這種新型散熱器、蒸發(fā)器則可以改變溫差，改善換熱效果，甚至因為具有防止結霜的能力而大幅度改善系統(tǒng)綜合性能。

4.4 要重視系統(tǒng)設備改進

大量的工業(yè)系統(tǒng)冷量、熱量利用都是獨立設計，對單一系統(tǒng)無用的資源普遍采用直接排放的方式，應該系統(tǒng)考慮。例如CNG液化過程產生大量熱；LNG汽化過程產生大量“冷量”，熱泵鍋爐可以輸出液態(tài)空氣和干冰，熱電聯(lián)供鍋爐先發(fā)電后供熱等等。現(xiàn)在有些企業(yè)已經開始關注，并系統(tǒng)研究系統(tǒng)跨時間、空間實現(xiàn)資源調配調度，綜合利用。

傳統(tǒng)的能源利用觀念和節(jié)能、減排技術手段無法實現(xiàn)高耗能環(huán)節(jié)的大比例節(jié)能降耗。社會能耗水平隨著經濟社會的發(fā)展只能不斷增加。本文提出的這些觀點和思路，未來幾年將直接影響幾乎所有使用能源的環(huán)節(jié)、設施、設備，引起廣泛的社會變革。通過能源消耗量的成倍下降，將大大減少社會的能源需求，同時由于能源消耗的直接減少，產生的連鎖反應也會帶來更多間接環(huán)節(jié)的能耗降低、環(huán)境改善。

事實上要想實現(xiàn)人類能源資源的成倍增加幾乎不可能，采用技術創(chuàng)新將社會能耗降低三分之一、三分之二甚至更多則完全可能！只要設法讓能量動起來、讓熱機冷下來，能量守恒定律和太陽能的供應就能保證人類有了用不完的能源，地球也就沒有日益變暖的危險了。

本文后記：筆者2015年8月參加一個中國能源科學家論壇，聽了多位中國頂級能源科學家、院士的發(fā)言后，更加感到能源領域需要理念革命?？茖W家都是追求新的能源，追求增加能源輸出。只有一個科學家表示對熱泵、對能源高效利用的一點認識，跨界應用幾乎空白。他們在自己的領域確實頂尖，但是讓社會能源供應翻番幾乎是不可能完成的任務！只有類似熱泵應用的技術才能讓能源需求成倍減少！他們的發(fā)言也提出需要能源革命，但沒有具體的手段、方法、思路，只有憂慮！

會議期間我進行免費贈書，當時看到一個專家，指著書的封面上“熱機冷下來”這句話給另一個專家看，一邊說著什么還一邊搖頭；還有一個專家朋友會議期間翻看了我的書，特別找到我、提醒我要注意學術的正確性。我問他熱泵，他說知道；我說能效比幾倍，你感覺怎樣？他說這就是別人不看你的書的原因，你提高百分之幾還有人看，提高幾倍，就沒人看，沒人信，不可能了！

這幾年來，經常遇到的這種情況更讓人覺得悲哀和著急。能源領域亟需大力普及新思路、新理念、新知識、跨界新技術，并得到社會各界足夠重視和更加廣泛應用。