來(lái)源： 科技日報  

  據英國《新科學(xué)家》雜志網(wǎng)站4月15日報道，每年，全球各地因各種原因排放出的廢熱要耗費我們數十億美元來(lái)進(jìn)行處理，更讓人類(lèi)目前嚴陣以待的全球氣候變暖問(wèn)題“雪上加霜”?，F在，科學(xué)家們提出了一個(gè)宏偉的計劃——創(chuàng )建城市熱網(wǎng)來(lái)聚攏這些廢熱并讓其物盡其用。

   像在全球很多地方的地鐵內一樣，倫敦地鐵的隧道深處酷熱異常，人們感覺(jué)猶如在煉獄一般。與其在這些多余的熱量中熱得發(fā)暈，還不如讓它為人們所用。畢竟，我們并不缺廢熱。從電廠(chǎng)發(fā)電到給水壺燒水、使用鍋爐給房間供暖到為汽車(chē)提供動(dòng)力，我們的能源系統中有超過(guò)50%以上的能量以廢熱的形式散落在我們周?chē)?br />
   重新抓捕這些廢熱不僅會(huì )讓我們的錢(qián)包鼓起來(lái)，而且，也會(huì )讓一些有破壞性的效應得以逆轉——從我們的城鎮和城市流出的廢熱正在影響我們的氣候。已經(jīng)有些城市想出了辦法，它們正在組建新的熱網(wǎng)系統，其傳遞熱的方式與城市的電網(wǎng)和水網(wǎng)的工作方式有異曲同工之處。這些熱網(wǎng)能為下一次能源革命指出一條光明之路嗎？

   熱量浪費令人咂舌

   廢熱是個(gè)大問(wèn)題。2008年，美國能源部發(fā)布的一份報告表明，美國工業(yè)每年作為廢熱損失的能源相當于500萬(wàn)美國人一年的能源使用量。其中，發(fā)電是“罪魁禍首”，僅僅發(fā)電工業(yè)排放出的廢熱就足以讓日本每年的能源使用總量相形見(jiàn)絀。其他工業(yè)化國家的情況也好不了多少。

  這份報告也指出，假如我們擁有正確的技術(shù)，就能收回幾乎一半的廢熱，但是，知易行難。英國能源和氣候變化部的首席科學(xué)顧問(wèn)戴維•麥基表示：“我們常常會(huì )提到廢熱的數量，但是，沒(méi)有提到質(zhì)量。我們所說(shuō)的‘廢熱’中，很大一部分實(shí)際上并非那么熱，大約60%的廢熱的溫度低于230攝氏度。盡管聽(tīng)起來(lái)很熱，但這一溫度并不足以啟動(dòng)渦輪機來(lái)發(fā)電。”

   科學(xué)家們提出的替代方案是，將這些熱直接移到需要它的地方。這正是科學(xué)家們創(chuàng )建“同時(shí)發(fā)熱發(fā)電廠(chǎng)（尤指工業(yè)廢熱發(fā)電或發(fā)電余熱利用的）”的初衷。這些發(fā)電廠(chǎng)會(huì )捕獲所有或者部分廢熱并通過(guò)一個(gè)管道網(wǎng)絡(luò )將其作為蒸汽或熱水送往周邊的城市，而城市里的建筑物則利用這一網(wǎng)絡(luò )來(lái)加熱供水系統以便加熱中央供暖系統。

   很多國家正在鼓勵創(chuàng )建“同時(shí)發(fā)熱發(fā)電廠(chǎng)”。例如，在美國，一個(gè)同時(shí)發(fā)電發(fā)熱計劃有望每年節省100億美元。而且，同時(shí)發(fā)熱發(fā)電可以使電廠(chǎng)將其發(fā)電效率從30%提高到90%。

   然而，與我們的家庭、辦公室、路面上行駛的汽車(chē)和火車(chē)排放出的廢熱相比，來(lái)自于發(fā)電廠(chǎng)的廢熱僅僅是滄海一粟。與從發(fā)電廠(chǎng)這樣集中單一的地方捕獲廢熱相比，將不同來(lái)源的廢熱捕獲起來(lái)的難度更大。而且，這些擁有紛繁復雜來(lái)源的廢熱并非那么熱，有點(diǎn)名不副實(shí)。因此，回收這樣的廢熱更需要技巧。

  地源熱泵難以擴展規模

  碰巧，有一項新技術(shù)能用虹吸管從不冷不熱的廢熱中汲取能量，其實(shí)，人們使用這段技術(shù)已經(jīng)有一段時(shí)間了。自從上世紀40年代美國發(fā)明家羅伯特•韋伯認識到，他或許能夠逆轉制冷過(guò)程而從地面提取廢熱開(kāi)始，地源熱泵就一直在幫助住戶(hù)節省能源。

  這一系統利用了一個(gè)事實(shí)，那就是，地面是熱的不良導體。在氣候溫和的地區，不管地表的溫度是多少，在地下幾米的地方，土壤一直保持在大約10攝氏度左右。地源熱泵能利用這一穩定的溫度，在冬天為房子供暖。

   其工作原理非常簡(jiǎn)單。一個(gè)管道網(wǎng)絡(luò )在房子內和埋藏在地下的線(xiàn)圈之間制造出一個(gè)環(huán)路，管道中流動(dòng)著(zhù)的是水和液體制冷劑組成的混合液?；旌弦后w在通過(guò)埋藏于地下的管道流動(dòng)時(shí)，能從10攝氏度的土壤那吸收熱。盡管你可能認為吸收的熱并非我們想象的那么熱，然而，它能使混合液中的制冷劑揮發(fā)成氣體。當這些氣體循環(huán)回到房間時(shí)，會(huì )被“喂進(jìn)”一臺壓縮機內，導致氣體的熱度大大增加。接著(zhù)，人們就可以通過(guò)一個(gè)熱交換器來(lái)用這些熱氣加熱水或空氣管道。

   這一機制非常強大，足以有效地提供熱源，即使在挪威和阿拉斯加那樣的地方也不在話(huà)下。另外，它也很便宜。在英國，最好的系統能將熱賬單減少30%，因為與傳統用氣或電加熱方法相比，壓縮氣體來(lái)加熱房間需要的能源更少。

     但是，它們能做的還不止于此。在地源熱泵上逆轉這個(gè)過(guò)程，它能讓你的房間在夏天涼爽宜人。如果地面足夠冷，管道中的液體只會(huì )吸收建筑物內部的熱而不會(huì )吸收地面的熱。唯一的成本是讓液體通過(guò)管道循環(huán)。英國奧雅納工程顧問(wèn)公司倫敦地區的合伙人斯蒂芬•希爾表示：“人們可以用它來(lái)做一個(gè)免費的冷卻源。”

   超高效的加熱和冷卻潛力或許能解釋為什么熱泵目前廣泛流行。希爾說(shuō)，2010年，英國熱泵市場(chǎng)的市場(chǎng)額已經(jīng)增加到約5000萬(wàn)英鎊，而且，大多數熱泵都安裝在新建住宅和商用建筑內。當這一機制大到一定規模時(shí)，會(huì )表現得更好。希爾說(shuō)，例如，西班牙馬德里的帕希菲科地鐵車(chē)站就使用一個(gè)地源熱泵來(lái)提供所有的加熱和降溫。

   但還是存在問(wèn)題，人們目前只能讓這些系統大到現有程度，再大下去可能就會(huì )碰釘子了。而且，不可能在城市的每個(gè)建筑物下埋地源熱泵。首先，安裝地源熱泵需要將每個(gè)現有建筑的地基掀起。即使對新建建筑來(lái)說(shuō)，這也是必不可少的，就像馬德里地鐵站的情況——人們必須向地下深挖幾百米，才能安裝足夠長(cháng)的管道來(lái)使熱交換能夠滿(mǎn)足整棟辦公建筑或住宅建筑的需要。

   城市熱網(wǎng)一箭雙雕

   因此，另一種替代方法應運而生，這或許也是一種更好的辦法：使用熱泵來(lái)重新捕獲城市廢熱。就像地源熱泵從地面獲取熱一樣；城市廢熱泵能大量收集積聚在城市地下的廢熱，從地鐵系統到下水道系統，不一而足。接著(zhù)，人們可以使用一個(gè)管道系統和熱交換系統，將其遞送到任何需要它的地方，從而形成一個(gè)城市熱網(wǎng)。

   就像乘客們常常抱怨的那樣，廢熱集聚在我們的大城市下的很多管道內。即使在冷天，倫敦地鐵站臺上的溫度都可以高達20攝氏度。為了捕獲這些廢熱，德國旭普林（Züblin）和瑞好（Rehau）公司同奧雅納工程顧問(wèn)公司攜手合作，為管道設計出了一個(gè)襯墊，其功能就像地源熱泵系統內埋藏的線(xiàn)圈，其會(huì )使用發(fā)動(dòng)機和制動(dòng)器產(chǎn)生的熱以及來(lái)自于周?chē)孛娴臒醽?lái)加熱制冷劑，隨后再通過(guò)壓縮。因為這會(huì )將管道運輸來(lái)的大量能量轉送到制冷劑，所以，這一過(guò)程也可以為管道降溫。

   這個(gè)襯墊被放入奧地利顏巴赫一段新建高速公路的54米長(cháng)的隧道中，為隧道上方的市政建筑提供的熱量多得足以讓現有鍋爐“下崗”。目前，工作人員仍然在對其進(jìn)行優(yōu)化，但在它“出生”后的第一個(gè)冬天，就成功地經(jīng)受住了零下15攝氏度的低溫考驗。

   倫敦的交通可能很快會(huì )從中獲益。倫敦目前在建的一項耗資260億美元的鐵路項目（Crossrail工程）正考慮在其幾個(gè)新管道內安放這種襯墊，以實(shí)現一箭雙雕——既給管道降溫，也給位于其上的建筑物提供熱。

   然而，地鐵隧道絕非城市廢熱的唯一來(lái)源。想想你今天早上洗的熱水澡或周末洗的衣服。去年，流入美國下水道的熱大約為3500億千瓦時(shí)——與美國的水力發(fā)電總電量相當。這些能量都排入了污水中，使得污水一直保持在15攝氏度。

   全球有很多地方都在計劃使用熱泵來(lái)從廢水熱中抓取一些能量。第一個(gè)使用不冷不熱的下水道污水用于大規模給城市供暖的城市是挪威首都奧斯陸。奧斯陸通過(guò)使用污水源熱泵，每小時(shí)從24000立方米污水中提取的熱量，可供100萬(wàn)戶(hù)家庭和建筑使用。這一系統可能是世界上最大的原生污水、雨水、雪水熱泵系統，其能效比（COP）達到2.8，產(chǎn)生的熱水溫度能達到90攝氏度。熱泵作為一種清潔、節能技術(shù)，將奧斯陸區域供熱系統中使用可再生能源的比例提升到50%到70%。

   其他國家也已經(jīng)認識到這個(gè)潛在的全球金礦。據媒體報道，加拿大溫哥華從2010年起，就開(kāi)始使用污水來(lái)給奧運村供暖，這些污水為奧運村地區提供了其所需的熱和熱水的70%。溫哥華市相關(guān)項目開(kāi)發(fā)經(jīng)理克里斯•貝博表示，廢水供熱系統就像是地熱系統一樣，很多地熱系統是利用源于地下的熱能進(jìn)行熱交換，而廢水供熱系統是利用城市廢水中的余熱進(jìn)行熱交換。這足以為大廈供暖并提供熱水，陰雨天可采用天然氣作為補充能源。

   貝博承認，系統的新穎之處在于吸引了那些已經(jīng)使用木材或其他生物材料做可持續生物能源的城市，這類(lèi)城市歐洲很普遍，全方位建立起廢水供熱循環(huán)系統受益地區會(huì )更廣泛。目前，溫哥華正打算對該熱網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行擴展，接入其他熱源，包括由本地的同時(shí)發(fā)熱發(fā)電廠(chǎng)提供的廢熱等。

  的確，熱網(wǎng)越大，它汲取廢熱的對象就越廣泛：同時(shí)發(fā)熱發(fā)電廠(chǎng)、地鐵隧道、下水道甚至數據中心。2008年4月，IBM首先在瑞士的蘇黎世城，依靠GIB-Services AG技術(shù)，把數據中心的廢熱與公共游泳池聯(lián)系起來(lái)，使得它們之間實(shí)現了能量交換。然后，又在蘇黎世的Uitikon鎮，通過(guò)同樣的技術(shù)建立了一個(gè)熱量交換中心，將電腦產(chǎn)生的廢熱透過(guò)熱交換器送到隔壁的小區游泳池。這個(gè)小鎮只要負擔一部分建設成本，便能夠獲得免費的熱水。這樣的結果實(shí)現了雙贏(yíng)：小鎮省下了加熱水池的費用，而GIB-Services數據中心則省下了處理廢熱排放的費用。

   IBM公司這種廢熱處理的新技術(shù)卓有成效。僅在Uitikon小鎮，這一裝置每年可以消化掉2800兆瓦時(shí)的工業(yè)廢熱，可以提供給80個(gè)家庭一年的供暖與熱水使用；這種廢熱的處理，使得數據庫的電能有效利用率達到了90%以上，相當于130噸的炭能源被節省下來(lái)。

   很多城市也開(kāi)始實(shí)驗熱泵的降溫潛力。芬蘭首都赫爾辛基使用廢熱來(lái)讓吸熱式冰箱運行。這些設備可以看成是更復雜的熱泵，但它們的基本理念是一樣的：當液體流過(guò)熱區時(shí)，里面的制冷劑會(huì )吸收熱。推而廣之，人們就可以使用這個(gè)機制，從建筑物那兒吸收熱，并將其傾倒進(jìn)提純過(guò)的廢水中，從而給整個(gè)地區降溫。

丹麥、瑞典和芬蘭在使用熱泵技術(shù)處理其城市廢物方面領(lǐng)先全球。尤其是赫爾辛基還因為其大型的加熱和冷卻系統獲獎，該系統的主要標志是長(cháng)達1200公里的地下加熱管道將該城市93%的加熱地區連在了一起。

   這個(gè)能源革新是否會(huì )“遍地開(kāi)花”？我們拭目以待。安裝必須的基礎設施將需要極大的金錢(qián)投入和政治意愿。英國能源和氣候變化部最近公布的一份報告抱怨稱(chēng)，在英國，盡管接近一半的熱負荷位于熱網(wǎng)在經(jīng)濟上可行的地區，但目前只有17.2萬(wàn)戶(hù)家庭連上了熱網(wǎng)。

   熱泵的高昂成本也意味著(zhù)，在有些國家，即使熱泵使用的能源比鍋爐使用的能源少，但熱泵產(chǎn)生的能源仍然要貴一些。美國加州理工學(xué)院的物理學(xué)家杰夫•斯奈德表示：“主要的問(wèn)題就是能源的成本問(wèn)題。”溫哥華就是一個(gè)例子。因為溫哥華的頁(yè)巖氣儲量豐富，溫哥華的下水道廢熱比天然氣產(chǎn)生的熱昂貴10%。但是，與波動(dòng)起伏的能源市場(chǎng)不同，地源熱泵的市場(chǎng)基本上會(huì )一直保持穩定。斯奈德表示：“隨著(zhù)能源成本的不斷增加，人們從熱泵那兒獲取的就會(huì )越多。”

   城市熱網(wǎng)能有效控制氣候變化

   除了經(jīng)濟因素以外，還有另外一個(gè)重要的因素導致我們必須對城市熱網(wǎng)寄予厚望，那就是氣候變化。畢竟，如果我們沒(méi)有回收利用這些廢熱的話(huà)，它并不會(huì )平白無(wú)故地消失。最新研究表明，這些熱會(huì )在城市聚集并輻射進(jìn)大氣中，最終改變大氣中的噴流，將北美和歐亞大陸北部冬天的溫度提高1攝氏度。最新發(fā)現為我們業(yè)已知悉的溫室效應和城市熱島效應提供了佐證。

  在英國，生熱產(chǎn)生的二氧化碳占據了二氧化碳排放總量的三分之一，因此，除了減少能量總量外，城市熱網(wǎng)甚至能削減溫室氣體的排放。確實(shí)，它們有望產(chǎn)生一種有效的循環(huán)。希爾說(shuō)：“熱泵會(huì )讓碳更高效，因為熱泵正使用低碳的電力來(lái)取代氣體。”只要我們能讓發(fā)電變得更加環(huán)保，熱泵將變成碳中性。

  使用城市熱泵在城市范圍的電網(wǎng)中循環(huán)利用我們產(chǎn)生的各種廢熱，有望幫助削減造成氣候變換的“三大元兇”，從這種意義上來(lái)講，這確實(shí)可以稱(chēng)得上是一次新的能源革命。

  好風(fēng)憑借力，助渦輪發(fā)電

  廢熱就是金錢(qián)，但如何最大程度地利用這些廢熱一直困擾著(zhù)我們。比如，電廠(chǎng)排放出的廢熱太溫吞了，無(wú)法回收來(lái)發(fā)電。我們只是簡(jiǎn)單地通過(guò)使用冷卻塔將其排放入大氣中打發(fā)了事。

  可以對這些塔進(jìn)行改造，讓其利用它們排放入大氣中的廢熱發(fā)電嗎？如果塔足夠高的話(huà)，這一想法或許可行。這些塔能利用對流——隨著(zhù)廢熱在煙囪內不斷上升，頂部的冷空氣和底部的暖空氣之間巨大的溫差制造出強大的空氣流，推動(dòng)地面的渦輪來(lái)發(fā)電。

  這些龐大的工程只有一個(gè)問(wèn)題：煙囪不能太高。當美國普渡大學(xué)機械工程學(xué)教授兼電子地板項目學(xué)術(shù)顧問(wèn)?？斯?bull;格洛爾對幾個(gè)項目進(jìn)行評估時(shí)發(fā)現，即使只是為了獲得一個(gè)典型的燃煤電廠(chǎng)產(chǎn)生的能量中一小部分，就需要一個(gè)850米高的煙囪，比目前世界上最高的建筑物還要高。他說(shuō)：“資本成本實(shí)在是太過(guò)龐大。”

   12年前，加拿大安大略的一名工程師路易斯•米曹德提出了一個(gè)更好的想法。他表示，如果他能制造一臺能制造自給自足的渦流——龍卷風(fēng)的機器，該機器就能將所有廢熱通過(guò)管道傳遞到對流層且仍通過(guò)向心力保持在那。這個(gè)想法吸引了很多人的注意，但感興趣者寥寥無(wú)幾。
 
  然而最近，這一想法有了很多跟隨者。在線(xiàn)付款解決方案的全球領(lǐng)導者PayPal的創(chuàng )始人兼首席執行官皮特•泰爾名下的泰爾基金會(huì )給米曹德提供了35萬(wàn)美元讓他制造模型。米曹德表示，他將為一個(gè)實(shí)用的50米高的煙囪，制造一個(gè)15公里、能夠產(chǎn)生200兆瓦（百萬(wàn)瓦特）的龍卷風(fēng)。米曹德表示：“這種煙囪或許有潛力產(chǎn)生我們所需的所有能源。”

  這一理念的各種改進(jìn)版本已在各地使用。中國建造了巨大的煙囪來(lái)利用內蒙古沙漠的太陽(yáng)熱發(fā)電；西班牙和美國亞利桑那州也正在建造相關(guān)的模型。澳洲能源公司“環(huán)境任務(wù)”公司打算在美國亞利桑那州興建一個(gè)約800米高的太陽(yáng)能煙囪式發(fā)電站，巨塔內裝有32個(gè)渦輪發(fā)電機，預期可為20萬(wàn)戶(hù)供電。

   而澳大利亞則打算在新南威爾士州建造一座目前世界上最大的太陽(yáng)能煙囪式發(fā)電站，發(fā)電容量高達200兆瓦，超過(guò)了擬建的由80臺風(fēng)輪機組成的裝機容量為130兆瓦的最大風(fēng)力發(fā)電廠(chǎng)，足以滿(mǎn)足大約20萬(wàn)個(gè)家庭的用電需求。電站有一個(gè)直徑7公里的太陽(yáng)能集熱棚，并建一座1000米高的煙囪，占地將達38平方公里，有望成為澳大利亞乃至全球最高和最大的建筑物。