能源利用理念变革

摘要:节能减排领域一直被一个问题困扰,就是没有大比例节能技术,现有的节能技术不能用于生产的主要环节和高耗能应用场合,节能减排工作通常是投入大、回报小,在企业、社会上“叫好不叫座”,最多也是节能但不节钱。现在,我们建议转变人们千百年形成的惯性思维,发动一次能源应用理念的变革,进一步开发、利用成熟的热泵技术,实现30%~90%以上的节能率,将热泵技术广泛应用在各行业生产过程的高耗能环节。大比例节能技术用于高耗能生产环节,才能产生明显的经济效益和社会效益!也将带来节能减排领域的一次新突破!

一、技术原理和最新进展

人类千百年来养成一个惯性思维:需要热量,就习惯用传统的煤、气、油、电等能源转换成热能来利用。现在我们提出一个新的概念:需要热能时,首先看看周围的介质中,有哪些现成的资源可以再利用,尽可能通过一种高效率的能量搬运装置-热泵,实现对自然界已有热能的回收、再利用,减少新增能源消耗,既循环利用、又节能减排,当然有助于解决能源危机、有助于解决地球变暖,大大减少温室气体排放,改善环境污染情况。

人们熟知的能量守恒定律,让我们许多人忽略了“热泵”技术的热能搬运 “杠杆”作用。即消耗一份能量,带动其它介质中已有热量的再利用,目标得到同样热能,但新消耗的高品位能源、石化燃料大大减少,实现节能减排。

热泵技术有很多种,空调、制冷系统内部核心机械系统采用的是一种压缩式热泵系统,就是利用机械压缩机强制实现某种媒介物质的物理状态“气--液”转换实现的“热泵”效果,可以高效率“搬运”热量,如空调压缩机,可以高效率将室内外的热量来回搬运,夏天,把房间的热量搬到室外;冬天把室外的热量搬到室内。其实这个原理也可以用于类似的食品加工、烘干、速冻环节,只要将工作区域之外的能量搬运到工作区域,使之处于高温,工作区域之外因热量减少、温度降低,整体没有大量产生新增热量,一定区域之内是能量冷热近乎中和平衡,对大环境基本上不排出热量,显然属于节能、减排。

空调这个设备,人们已经使用超过半个多世纪了!买空调的时候,当然要选择“能效比”高的产品,空调用一份电能消耗,可以把3~4倍以上的热能从室里搬到室外或从室外搬到室里。各种热泵搬运能量方法比能量转换方法,同等能源消耗,目标获得热量的效率高很多,最高可以达到几十倍,也就是得到同样热量的“搬运”设备新消耗能量理论上是原来消耗能源物质的几十分之一,明显节能!

这些年逐步推广开的水源热泵、地源热泵,也都是该原理的典型应用。遗憾的是,虽然能效比高,节能效果明显,但这些应用场合的设计温度太低,以输出温热水为主,主要用于空调、制冷、采暖、生活洗浴等,没有更高的工业利用价值,推广应用有局限性,同样难以产生更好的节能减排社会效益。

这主要由于人们一开始习惯于用热泵制冷,很少涉及高温,好像高温段有个不可逾越的“门槛”,再一次被人类自己的思维限制了自己的发展!现在理论、实践都已经证明,使用目前工业领域成熟的设备、工质,完全可以在保持较高效率的情况下,实现150摄氏度以上高温输出,使得这个大比例节能技术完全可以、马上应用到众多的高耗能领域,实现能量(热量)的回收循环、高效再利用!

二、热泵节能产品应用

目前,在加热的过程中,通常都是消耗燃料燃烧、电能转化新产生热量,不是借用、利用其它系统的热能。而且能量转化利用的效率,最多也就是100%,有些如采用燃煤、燃气的情况,如常见天然气厨具,能源热利用效率也就不到50%。

在多年的工作实践中,常常遇到一些需要大量制热、且温度不是特别高的场合,比如食品加工、物品烘干、衣物熨烫烘干、高温消毒等。这些生产加工的车间和周边环境通常温度很高,改善环境的办法通常是通风、制冷。通风,则将所有产生的能量带到空气中直接浪费掉;如果用空调制冷,则空调系统本身消耗能量的同时,又必然会向大气排放热量。这些能量没有回收利用,造成热排放,也属于能造成地球变暖的因素之一。

例如,餐饮的厨房里面,大量的发热锅灶,产生的热量只有通风排出和散布到厨房空气中,使得厨房整体能耗很大、对环境排热量也很大,厨房内的工作温度也很高!如果采用“热泵”原理制作的蒸、煮、熬、炖、保温、制冷的灶具,可以高效率的从厨房空气、回收余热的热水中吸收热量供“热泵”灶具利用,灶具最后排出的热量又和周围变冷的空气中和,使之温度基本平衡,显然实现了节能、减排的目的。通过理论计算可以知道,这种应用情况下,能量消耗可以下降到原来的三分之一以下,对环境热排放则减少到四分之一或更低,同时实现人类几百年来梦寐以求的“冷厨房”概念,是全世界厨具行业的一次变革!

再例如,锅炉行业是工业领域现有技术的蒸汽锅炉通过电、油、天然气的燃烧能转换为热能。最多等值于燃烧放出的能量或电能提供的能量。能效比基本在85%以上,低于100%;即便将燃料燃烧产生的水汽冷凝,回收其中的汽化热以后,效率也只有105%。用热泵技术作为唯一热量来源设计的锅炉,热泵从其它介质中“搬运来”热能加热锅炉里的水,利用其它介质中的“免费”能量,特别是自然界已经存在于空气、土壤、水系的热量,以及人类生产生活中产生的排风、污水、废水里的热量,还可以是免费获得的温度较低的太阳能热水中的热能等,在输出温水、开水、蒸汽的时候,能效比理论值可以分别达到600%、300%、200%以上,远大于其它锅炉, 实现大比例节能!作为一个常用设备大范围推广应用,可以获得较大的节能、减排、增效的社会效果。

三、热泵热能回收应用

仅以信息产业为例,2011年我国数据中心总耗电量达到700亿千瓦时,占全社会用电量的1.5%,相当于2011年天津市全年用电量。 截止目前我国各类数据中心、云计算中心总量约40多万个,可容纳服务器约800万台。其中经营性数据中心(大型)机房上千个,未来5年,我国对数据中心流量处理能力的需求将增长7-10倍,机房面积再翻一番才能满足需求。

这些数据中心规模稍稍大一点的,耗电都在上万千瓦,大型的数据中心一个就相当于一个火电站的耗电量。遗憾的就是,所有全世界的数据中心,都只考虑如何用“便宜”的方法,把计算机系统消耗电能产生的热从机房里“扔”出去,所以都想建在山顶上、电厂边、海边等利于自然散热、低成本散热的地方,没有人考虑把大量的热回收再利用的问题!

“大象小的时候用一个小木桩拴住,它慢慢长大成一头巨象,主人还是可以用一个小木桩拴住它!”数据中心的能源利用现状,也是几十年前第一个数据中心出现的时候,技术条件限制,“拴住”了我们的思想,让人们形成了同样的惯性思维,是时候必须打破了!

一个1万千瓦的数据中心,热量回收用于采暖,可以供12万平米住宅,所用的技术是成熟使用20年的“水源热泵”技术,仅仅需要思路打开,把原来通往冷却塔的热水,改通往水源热泵机组而已。这层“窗户纸”一旦捅破,全社会仅大型数据中心约合5000万千瓦,它的热能可以满足6亿平方米住宅供暖,每年仅供暖节约标准煤可以达到1800万吨以上!相当于数十个大中型煤矿的产能!类似的变革还会在很多行业里面发生!

推广开来,将热泵技术在能源综合利用的场合充分利用,实现将空气中的、污水里的、土壤里的、回收其它热源里的热量搬到生产、生活设备中循环利用,实现企业里面冷热作业面的热能调度,系统新增消耗的能量是原有能耗的几分之一,同样会大大提高能源的利用效率,减少对环境的综合能源排放!

国外已经利用海水的热能来淡化海水,消耗的电能是常规方法能耗的近十分之一,生产过程还可以输出生活用热水,为海岛和长期海上航行的轮船提供了很大的便利。

当热泵技术在能源挖掘、能源再生利用领域充分开发应用,结合不断发展的低温发电技术、低温动力技术,就能从变暖的地球空气中、水中、地热中、太阳能中获取取之不尽用之不竭的能量了,改变目前的能源日趋紧张的状况,让能量守恒定律保证人类有了用不完的能源和动力!地球也没有日益变暖的危险了。

四、设想不远的将来:

轮船利用海水所含的热能作为动力,海水从船首吸入,从船尾排出,海水所含的热能,部分被热泵型发动机抽取,经过品质提高,用来给轮船提供蒸汽动力、提供淡水、提供生产生活用制冷、制热源,消耗的直接能源物质很少,几乎不消耗燃料!

火力发电厂、核电厂也利用热泵技术,将所有原来浪费的热能高效反复回收利用,经过汽轮机多次转换,几乎实现100%的热电转换效率,发电成本大大降低、对环境热排放几乎为零,用于冷却散热的水资源需求也近乎于零!

节能减排产业远没有到“江郎才尽”的阶段,呼吁大家不要老盯着那些LED、太阳能光伏、风能等投入产出比小、应用规模小、对高耗能工业环节几乎没有帮助的节能减排技术不放了!本文提出的能源应用理念的变革如果能得到重视和推广应用,钢铁厂、食品厂、奶粉厂、水泥厂、洗衣房、制药厂、污水处理厂、化工厂、轮胎厂、造纸厂等等,几乎每一个高耗能生产企业都有条件实现高效率、大幅度的热能回收利用!早已成熟的热泵热回收应用技术如能尽早推广实施,地球温室效应将会迅速改善,社会大幅减少石化燃料消耗,人类能源危机的情况一定会得到彻底改善!

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