1、二十一世紀的能源革命仲武摘要：本文提出一個新的觀點，呼吁重視調整、改變、改進長期形成的能源利用方式，實現各種能源的高效率利用、循環利用，讓“能量動起來、熱機冷下來”，希望通過多學科技術交叉應用創新，帶來能源應用的變革，進而推動一次新的能源革命的展開。 今天能源危機、環境危機已經迫在眉睫，人類亟需一場能源革命。但是革命是什么？革命從哪里開始？靠什么革命？能稱之為革命的，應該是大動作，是讓能源產業、能源結構、能源效率發生巨大變化的東西。創造是從無到有，創新是從有到用。人類現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殆盡，從創造、發現的角度，已經開始研究、開發頁巖氣、可燃冰了，能不能回頭

2、看看，還有什么可以創新的地方？我們有沒有忽略什么東西？如果沒有機會創造，我們也要看看還能不能創新。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的用能需求，從而用新的方式找到解決能源危機、環境污染、地球溫室效應等一系列問題的出路，來一場新的能源革命。一、 改變能源應用方式人類千百年來養成一個慣性思維：需要熱量，就習慣用傳統的煤、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

3、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，實現大幅度節能減排。1、 狹義的熱泵應用熱泵技術有很多種，空調、制冷系統采用的是一種壓縮式熱泵系統，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，節能效果明顯，但這些應用場合的設計溫度太低

4、，以輸出溫熱水為主，主要用于空調、制冷、采暖、生活洗浴等，沒有更高的工業利用價值，未能涉及工業領域的高耗能環節，難以產生更好的節能減排社會效益。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？難道只能用在幾十度上？答案當然是否定的！經過我們的研究實踐，證明現有的熱泵系統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工業領域的高耗能環節，實現能源消耗關鍵環節的大比例節能。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，所節約的熱能最大只能占到全熱的3%8%，從系統復雜性、成本增加量等綜合考慮，沒有

5、實用價值。當熱泵介入“水-汽”沸騰高耗能環節，且保持較高能效比時，才是熱泵技術得以獲得應用上的突破的基礎。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也包括電能、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，現有的設備、技術、工藝完全可以組合出你要的系統，通過熱泵方式滿足用熱需求，實現大幅度節能的目的。如果我們的鍋爐能從現在努力追求100%的效率，變成起步就是200%300%的效率或

6、更高，節能50%以上，若我們家家戶戶的廚具節能60%以上，發熱量就會成倍減少，廚房、車間就會變得涼爽。采用熱泵蒸發方法處理污水、淡化海水，一噸污水耗電僅數十度，還能生產純水。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、生活設備中循環利用，實現企業內冷熱作業面的熱能調度，從原來需要熱量就消耗能源物質轉換獲得，變為從其他環節高效率回收、搬運獲得，系統新增的能量消耗、環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”，甚至有必要從中學教育開始，讓學生在了解

7、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！2、 廣義的熱泵應用本文提出的所謂廣義的熱泵應用，是指將上述的熱泵技術實現時間、空間上的開放式應用。有點像古時候的冬天冰塊蓄冷、夏天吸熱降溫；現有的錯峰用電蓄冷、蓄熱；天然氣液化運輸后的液態天熱氣所含“冷量”再利用等等。把熱泵技術的熱媒、冷媒傳輸不要在局限于小系統，實現大系統、跨場景、跨地區、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，在蒸發器里降壓、吸熱蒸發；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

8、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鍋爐，它能把環境空氣的熱高效率搬運到水里，實現輸出熱水、蒸汽。這種新的“鍋爐”根據逆卡諾循環理論，其效率在100%以上，遠遠大于現有的電加熱鍋爐。那些失去熱量的環境空氣溫度降低。如果能實現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、管路運輸到需要動力的場合，讓它通過熱交換器、氣化器吸收免費的、環境空氣熱或其他廢熱，實現

9、沸騰、汽化、氣化膨脹成為高壓氣體，該氣體可以推動發動機、氣缸活塞運動，實現將低溫的、免費的環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水里、變成蒸汽進入生產生活環節，最后散發到環境中；失去熱量的液態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、撬動當地已有的“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境。最后在大環境下、大氣層內實現熱平衡。上述過程中一次電力能源消耗，實現、啟動了空氣所含的熱量流動，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

10、高瞻公司利用“垃圾電”制作“液態空氣”，實現儲熱、儲冷，利用時間、空間差，再次實現儲能發電、高壓空氣動力輸出等系統應用。狹義的熱泵應用是通過實現小范圍的、實時的能量流動滿足不同環節的熱能、動力需求；廣義的熱泵應用是通過實現大范圍的、異步的能量載體的搬移、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，只是沒有系統的、全面的得到推廣應用，發揮出更大的社會效益和經濟效益。二、 發展能源應用理論目前中國電力能源的約70%靠火電提供，但是火力發電的工作原理還是基于100多年前誕生的郎肯循環，幾乎沒有發展！人們獲得動力的主要理論是卡諾循環?，F代的汽車雖然外觀、構造、舒適度、信息化裝

11、置已經千變萬化，但是用卡諾循環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。產業的革命，首先是理論的革命，只有理論的革命性發展，才會帶來產業的革命性變革。本文將從基本的郎肯循環和卡諾循環入手，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，進行一次認識創新和理論創新。1、 改進發展郎肯循環朗肯循環（英語：Rankine Cycle）也被稱為蘭金循環，是一種將熱能轉化為功的熱力學循環。郎肯循環從外界吸收熱量，將其閉環的工質（通常使用水）加熱，實現熱能轉化做功。朗肯循環理論雖然誕生于19世紀中期，但即便到了今天，郎肯循環仍產生世界上90的電力，包括幾乎所有的太陽能熱能、生

12、物質能、煤炭與核能的電站。郎肯循環是支持蒸汽機的基本熱力學原理。因為郎肯循環誕生的年代也有必然的歷史局限性，那個時代研究熱力學的機械條件、流體力學理論和現在差距很大，難免存在一些缺陷和不足。主要的問題是輸出效率低、熱量浪費巨大。系統能效理論值上限約50%，而且隨著效率的提高，系統成本、安全風險、實施難度均大幅度增加。現在為了改善能源利用率，常用的低成本的方法就是設法利用好冷凝熱，利用冷凝廢熱輸出溫水、熱水、低壓蒸汽，但無法提高熱電、熱功轉換效率。通過對朗肯循環特點分析可以得知，造成其效率低下的主要環節就在于冷凝放熱部分。因此，想要大幅度提高郎肯循環的效率，只有兩個出路：1、盡可能減少冷凝放熱；

13、2、回收再利用冷凝熱。減少冷凝，就意味著應該盡可能直接利用做功后的乏汽。實現蒸汽直接再利用通常能想到的就是機械再壓縮，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蒸汽再循環利用。隨著技術進步，現代已經有許多技術可以滿足上述需求，實現對郎肯循環的改進和發展。利用流體力學中的文丘里管原理和科恩達效應，可以實現高壓流體、氣體帶動低壓流體運動，并最后混合。以現在工業氣動設備領域用于節省壓縮空氣的“空氣放大器”裝置為例，如果入口被吸入的氣體是低溫、低壓蒸汽，驅動氣流是高溫、高壓過熱蒸汽，在高溫蒸汽從環形噴口噴出時，會膨脹、降溫、降壓，同時與低溫

14、、低壓蒸汽混合，達到熱量、動量平衡，最終氣流是中溫、中壓混合蒸汽，從出口排出。高壓、高溫蒸汽的獲得只需要熱量就可以實現，實現了沒有消耗機械功或電能就達到乏汽增壓、增溫再利用的目的。有資料報道國內有單位做了這樣的應用，產品名稱叫“射流凝汽器”，這種裝置確實利用水射流、霧化吸熱的效果，直接吸收乏汽的熱量并實現冷凝。該技術不足之處是沒有利用射流的動能，而且蒸汽凝結熱量巨大，靠循環冷凝水自身吸熱總量有限，單獨使用不能解決熱量回收利用的問題。因此沒有大量推廣應用，其節能減排效果也沒有得到行業的重視。但和其他方式組合使用、合理使用才能發揮其特殊的功能作用，輔助實現蒸汽乏汽的直接利用，減少蒸汽冷凝量和冷凝散

15、熱。一個對高低溫、高低壓變化非常敏感的蒸汽動力循環系統，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，實現高效率的熱動力循環。比如，利用流體熱力學理論可以通過改進傳統凝汽器結構，將蒸汽乏汽一分為二，一部分冷凝，一部分采用其他技術實現直接利用；讓不需凝結直接利用的那部分乏汽帶走冷凝熱，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，首先應利用非機械動力的方式實現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，經過多次轉化做功，在理

16、論上實現蒸汽動力循環整體熱效率的大幅度提高。2、 重新認識卡諾循環卡諾循環是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。卡諾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，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”、“卡諾循環決定了熱機的最高理想最大效率，任何系統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

17、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。首先，現在的熱泵技術（逆卡諾循環）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、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

18、”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，利用多個熱機做功過程組合改善提高全系統熱效率。這也可以解釋為什么會有渦輪噴氣發動機噴水加力、柴油乳化加水、渦輪風扇發動機等技術應用。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動機研究工作取得較大進展，從中央電視臺13頻道2014年

19、12月17日相關新聞消息中看到的發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動機用它確保發動機內部工作在較低溫度，同時發動機仍然保持較高效率。我們提出一個用液態空氣作為“工質”的擴展卡諾循環應用的思路。利用超低溫的液態空氣“撬動”常溫熱量作為能源。液態空氣汽化開始，就從環境空氣、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、適量的進入現有內燃機的氣缸等膨脹做功環節，模擬實現原來靠燃燒釋放熱量、介質吸熱膨脹得到的同等壓力場景，后續輸出動力的過程則完全一樣。卡諾循環的T1T2大幅度降低。汽車由攜帶能源利用

20、免費空氣，改變為攜帶空氣利用免費能源。這是一個使用液氮吸收環境熱的實驗，由原來酒精燈燒水，水蒸氣推動活塞運動，改為空氣熱量“燒開”液氮，產生的高壓氮氣推動活塞運動。目前我們已經完成利用高壓氣體改造現有的汽油機、柴油機的應用實驗。三、 創新能源應用實踐隨著能源應用變革的深入展開，必然要求一些傳統的能源應用產品發生一些改進、變化，從而進一步提高能源利用過程的綜合效率。需要改變的環節很多，不能一一列舉，本文只提出兩個示例、思路供大家交流、思考。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。

21、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！高溫制冷：同樣保持室溫25的情

22、況下，采用18冷源制冷和8冷源輸出制冷，其熱泵系統能效分別約是58倍和34倍。 2、 重視熱量回收再利用現在人們都比較重視如何獲得熱量，較少分析熱量散失，特別是一些傳統行業。比如醫藥、食品等行業，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、污水系統的熱量浪費?，F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出的熱、照明電器的發熱量等，累計下來也是不小的數目，為什么還需要每平米數十瓦的供暖

23、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，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，是未來建筑節能的主要手段之一。3、 要重視終端設備改進現在使用的熱交換器，幾十年沒有發展變化，都是習慣于冷熱媒直接熱傳導交換，沒有考慮利用其它領域的技術，對冷熱源進行調整準備。比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。4、 要重視系統設備改進大量的工業系統冷量、熱量利用都是獨立設計，對單一系統無用的資源普遍采用直接排放的方式，應該系統考慮。例如CNG液化過程產生大量熱；LNG汽化過程產生大量“冷量”，現在有些企業已經開始關注，并系統研究系統跨時間、空間實現資源調配調度，綜合利用。傳統的能源利用觀念和節能