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   來源： 科技日報  

  據(jù)英國《新科學家》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(shù)十億美元來進行處理，更讓人類目前嚴陣以待的全球氣候變暖問題“雪上加霜”。現(xiàn)在，科學家們提出了一個宏偉的計劃——創(chuàng)建城市熱網(wǎng)來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。從電廠發(fā)電到給水壺燒水、使用鍋爐給房間供暖到為汽車提供動力，我們的能源系統(tǒng)中有超過50%以上的能量以廢熱的形式散落在我們周圍。

   重新抓捕這些廢熱不僅會讓我們的錢包鼓起來，而且，也會讓一些有破壞性的效應得以逆轉——從我們的城鎮(zhèn)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(tǒng)，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

   廢熱是個大問題。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，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顧問戴維•麥基表示：“我們常常會提到廢熱的數(shù)量，但是，沒有提到質量。我們所說的‘廢熱’中，很大一部分實際上并非那么熱，大約60%的廢熱的溫度低于230攝氏度。盡管聽起來很熱，但這一溫度并不足以啟動渦輪機來發(fā)電。”

   科學家們提出的替代方案是，將這些熱直接移到需要它的地方。這正是科學家們創(chuàng)建“同時發(fā)熱發(fā)電廠（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)電廠會捕獲所有或者部分廢熱并通過一個管道網(wǎng)絡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)絡來加熱供水系統(tǒng)以便加熱中央供暖系統(tǒng)。

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

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

  地源熱泵難以擴展規(guī)模

  碰巧，有一項新技術能用虹吸管從不冷不熱的廢熱中汲取能量，其實，人們使用這段技術已經(jīng)有一段時間了。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程而從地面提取廢熱開始，地源熱泵就一直在幫助住戶節(jié)省能源。

  這一系統(tǒng)利用了一個事實，那就是，地面是熱的不良導體。在氣候溫和的地區(qū)，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(wěn)定的溫度，在冬天為房子供暖。

   其工作原理非常簡單。一個管道網(wǎng)絡在房子內和埋藏在地下的線圈之間制造出一個環(huán)路，管道中流動著的是水和液體制冷劑組成的混合液。混合液體在通過埋藏于地下的管道流動時，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，會被“喂進”一臺壓縮機內，導致氣體的熱度大大增加。接著，人們就可以通過一個熱交換器來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下。另外，它也很便宜。在英國，最好的系統(tǒng)能將熱賬單減少30%，因為與傳統(tǒng)用氣或電加熱方法相比，壓縮氣體來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過程，它能讓你的房間在夏天涼爽宜人。如果地面足夠冷，管道中的液體只會吸收建筑物內部的熱而不會吸收地面的熱。唯一的成本是讓液體通過管道循環(huán)。英國奧雅納工程顧問公司倫敦地區(qū)的合伙人斯蒂芬•希爾表示：“人們可以用它來做一個免費的冷卻源。”

   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，2010年，英國熱泵市場的市場額已經(jīng)增加到約5000萬英鎊，而且，大多數(shù)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(guī)模時，會表現(xiàn)得更好。希爾說，例如，西班牙馬德里的帕希菲科地鐵車站就使用一個地源熱泵來提供所有的加熱和降溫。

   但還是存在問題，人們目前只能讓這些系統(tǒng)大到現(xiàn)有程度，再大下去可能就會碰釘子了。而且，不可能在城市的每個建筑物下埋地源熱泵。首先，安裝地源熱泵需要將每個現(xiàn)有建筑的地基掀起。即使對新建建筑來說，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，才能安裝足夠長的管道來使熱交換能夠滿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(tǒng)到下水道系統(tǒng)，不一而足。接著，人們可以使用一個管道系統(tǒng)和熱交換系統(tǒng)，將其遞送到任何需要它的地方，從而形成一個城市熱網(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公司攜手合作，為管道設計出了一個襯墊，其功能就像地源熱泵系統(tǒng)內埋藏的線圈，其會使用發(fā)動機和制動器產生的熱以及來自于周圍地面的熱來加熱制冷劑，隨后再通過壓縮。因為這會將管道運輸來的大量能量轉送到制冷劑，所以，這一過程也可以為管道降溫。

   這個襯墊被放入奧地利顏巴赫一段新建高速公路的54米長的隧道中，為隧道上方的市政建筑提供的熱量多得足以讓現(xiàn)有鍋爐“下崗”。目前，工作人員仍然在對其進行優(yōu)化，但在它“出生”后的第一個冬天，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）正考慮在其幾個新管道內安放這種襯墊，以實現(xiàn)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——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從廢水熱中抓取一些能量。第一個使用不冷不熱的下水道污水用于大規(guī)模給城市供暖的城市是挪威首都奧斯陸。奧斯陸通過使用污水源熱泵，每小時從24000立方米污水中提取的熱量，可供100萬戶家庭和建筑使用。這一系統(tǒng)可能是世界上最大的原生污水、雨水、雪水熱泵系統(tǒng)，其能效比（COP）達到2.8，產生的熱水溫度能達到90攝氏度。熱泵作為一種清潔、節(jié)能技術，將奧斯陸區(qū)域供熱系統(tǒng)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)認識到這個潛在的全球金礦。據(jù)媒體報道，加拿大溫哥華從2010年起，就開始使用污水來給奧運村供暖，這些污水為奧運村地區(qū)提供了其所需的熱和熱水的70%。溫哥華市相關項目開發(fā)經(jīng)理克里斯•貝博表示，廢水供熱系統(tǒng)就像是地熱系統(tǒng)一樣，很多地熱系統(tǒng)是利用源于地下的熱能進行熱交換，而廢水供熱系統(tǒng)是利用城市廢水中的余熱進行熱交換。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(tǒng)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(xù)生物能源的城市，這類城市歐洲很普遍，全方位建立起廢水供熱循環(huán)系統(tǒng)受益地區(qū)會更廣泛。目前，溫哥華正打算對該熱網(wǎng)絡進行擴展，接入其他熱源，包括由本地的同時發(fā)熱發(fā)電廠提供的廢熱等。

  的確，熱網(wǎng)越大，它汲取廢熱的對象就越廣泛：同時發(fā)熱發(fā)電廠、地鐵隧道、下水道甚至數(shù)據(jù)中心。2008年4月，IBM首先在瑞士的蘇黎世城，依靠GIB-Services AG技術，把數(shù)據(jù)中心的廢熱與公共游泳池聯(lián)系起來，使得它們之間實現(xiàn)了能量交換。然后，又在蘇黎世的Uitikon鎮(zhèn)，通過同樣的技術建立了一個熱量交換中心，將電腦產生的廢熱透過熱交換器送到隔壁的小區(qū)游泳池。這個小鎮(zhèn)只要負擔一部分建設成本，便能夠獲得免費的熱水。這樣的結果實現(xiàn)了雙贏：小鎮(zhèn)省下了加熱水池的費用，而GIB-Services數(shù)據(jù)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卓有成效。僅在Uitikon小鎮(zhèn)，這一裝置每年可以消化掉2800兆瓦時的工業(yè)廢熱，可以提供給80個家庭一年的供暖與熱水使用；這種廢熱的處理，使得數(shù)據(jù)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(jié)省下來。

   很多城市也開始實驗熱泵的降溫潛力。芬蘭首都赫爾辛基使用廢熱來讓吸熱式冰箱運行。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：當液體流過熱區(qū)時，里面的制冷劑會吸收熱。推而廣之，人們就可以使用這個機制，從建筑物那兒吸收熱，并將其傾倒進提純過的廢水中，從而給整個地區(qū)降溫。

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

   這個能源革新是否會“遍地開花”？我們拭目以待。安裝必須的基礎設施將需要極大的金錢投入和政治意愿。英國能源和氣候變化部最近公布的一份報告抱怨稱，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(qū)，但目前只有17.2萬戶家庭連上了熱網(wǎng)。

   熱泵的高昂成本也意味著，在有些國家，即使熱泵使用的能源比鍋爐使用的能源少，但熱泵產生的能源仍然要貴一些。美國加州理工學院的物理學家杰夫•斯奈德表示：“主要的問題就是能源的成本問題。”溫哥華就是一個例子。因為溫哥華的頁巖氣儲量豐富，溫哥華的下水道廢熱比天然氣產生的熱昂貴10%。但是，與波動起伏的能源市場不同，地源熱泵的市場基本上會一直保持穩(wěn)定。斯奈德表示：“隨著能源成本的不斷增加，人們從熱泵那兒獲取的就會越多。”

   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，如果我們沒有回收利用這些廢熱的話，它并不會平白無故地消失。最新研究表明，這些熱會在城市聚集并輻射進大氣中，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(xiàn)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，生熱產生的二氧化碳占據(jù)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，它們有望產生一種有效的循環(huán)。希爾說：“熱泵會讓碳更高效，因為熱泵正使用低碳的電力來取代氣體。”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”，從這種意義上來講，這確實可以稱得上是一次新的能源革命。

  好風憑借力，助渦輪發(fā)電

  廢熱就是金錢，但如何最大程度地利用這些廢熱一直困擾著我們。比如，電廠排放出的廢熱太溫吞了，無法回收來發(fā)電。我們只是簡單地通過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，這一想法或許可行。這些塔能利用對流——隨著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，推動地面的渦輪來發(fā)電。

  這些龐大的工程只有一個問題：煙囪不能太高。當美國普渡大學機械工程學教授兼電子地板項目學術顧問埃克哈德•格洛爾對幾個項目進行評估時發(fā)現(xiàn)，即使只是為了獲得一個典型的燃煤電廠產生的能量中一小部分，就需要一個850米高的煙囪，比目前世界上最高的建筑物還要高。他說：“資本成本實在是太過龐大。”

   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——龍卷風的機器，該機器就能將所有廢熱通過管道傳遞到對流層且仍通過向心力保持在那。這個想法吸引了很多人的注意，但感興趣者寥寥無幾。
 
  然而最近，這一想法有了很多跟隨者。在線付款解決方案的全球領導者PayPal的創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官皮特•泰爾名下的泰爾基金會給米曹德提供了35萬美元讓他制造模型。米曹德表示，他將為一個實用的50米高的煙囪，制造一個15公里、能夠產生200兆瓦（百萬瓦特）的龍卷風。米曹德表示：“這種煙囪或許有潛力產生我們所需的所有能源。”

  這一理念的各種改進版本已在各地使用。中國建造了巨大的煙囪來利用內蒙古沙漠的太陽熱發(fā)電；西班牙和美國亞利桑那州也正在建造相關的模型。澳洲能源公司“環(huán)境任務”公司打算在美國亞利桑那州興建一個約800米高的太陽能煙囪式發(fā)電站，巨塔內裝有32個渦輪發(fā)電機，預期可為20萬戶供電。

   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能煙囪式發(fā)電站，發(fā)電容量高達200兆瓦，超過了擬建的由80臺風輪機組成的裝機容量為130兆瓦的最大風力發(fā)電廠，足以滿足大約20萬個家庭的用電需求。電站有一個直徑7公里的太陽能集熱棚，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。