自然冷能：潜在的能源，本文主要内容关键词为：能源论文,自然论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
我们生活的自然环境中到处存在着温差：冬夏季节温差，昼夜温差，气地温差，地表与地下温差等。有温差，就有热量传递与交换，就有热能的产生。但这些温差较小，一般难以进行能—功转换，或即使能够转换，但经济上不合算。为了与传统的高温热能有所区别，我们把这种自然存在的低温差低温热能称作“自然冷能”，通常简称“冷能”。由于冷热是相对而言的，平时所说的冷能也好，热能也好，实质都一样，只不过是能位（温差）不同而已。
自然冷能危害不容忽视
尽管自然冷能的能位低，但数量却为无穷大，一旦它们集中释放，可以引发飓风、沙尘暴、暴风雪、高温暴雨和强降温等，破坏力却不小。在平时的小规模释放过程中，也经常给工程建筑物带来损失，典型例子是季节冻土（冬季地表冻结，夏季融化）区与多年冻土（多年连续不融化的冻土）区常见的工程冻害。
冻结过程中，由于土层能量平衡状态被破坏，水分就会向冻结锋面迁移聚集，在土中形成冰层（学名叫“冰透镜体”），大到一定程度时，地面就会隆起，形成冻胀。土是个多相多组分体，结构与性质处处不同导致冻胀不匀，结果原来平整的地面就会变得凹凸不平，一旦融化，冻土就变成一团稀泥，地面重新下沉，形成融沉。水分的迁移能量很大，可以在冻结锋面产生极大压力，实测结果表明，冻胀压力最大可以达到10兆帕（每平方厘米110公斤力）以上，融化后又毫无强度可言，这巨大的反差使路面破坏，房倒屋塌，切断地下缆线或管路，甚至可以拔出建筑物的桩基。在自然环境中，冻胀同样可以使大树连根拔起，导致树木东倒西歪，形成“醉林”，给林业方面带来损失。
工程技术人员不得不采取各种对策消除，结果使工程造价大幅度增加，例如，多年冻土地区的房建比一般地区费用高3～5倍。我国属大陆性气候区，除珠江流域外，都存在有程度不同的冻土问题。在和冻害斗争过程中，人们不由得想到，如此巨大的自然力难道都是消极的，毫无利用价值吗？如果能够加以利用，就可以随时随地信手拈来，既不花什么代价，也不会引发任何环境污染问题，岂不是一举几得的好事。实际上，事情并非如此简单。如上所述，如果以自然冷能作能源，经济代价较高，一般不合算。但退一步，如果仅作为一种能量加以利用，还是大有可为的。
无能耗的自然冷能空调
我们日常生活中所耗用的能源，比例最大的是空调能耗，大约占我国总能耗的20%（超过两亿吨标准煤）。在发达国家的总能耗中，这个比例可以达到70%。空调所追求的温度标准无非是15～30℃范围，这个温度范围一般都在我国自然温度变化范围之内，而且变化幅度相对要小得多，因此完全可能利用自然冷能满足空调需要，达到节能目的。
目前常用的冷暖热泵空调，是通过热泵消耗少量能源，获得大量低位热能。它的输入—输出能耗比，在制热时最大可以达到1:3.2，即耗费1千瓦的电量可以获得3.2千瓦的热量，制冷时，这个比例最大为1:2.8。多出的能量全部来自大自然。由于这种系统必须消耗一定能源，因此在沙漠腹地等能源紧缺地区，仍然难以有效发挥作用。
随技术的不断发展，完全有可能在只利用很少，甚至完全不用能源的前提下开展冷暖空调。这种空调能量的全部，或基本上为自然冷能，因此可以形象地称作“无能耗”空调。理论上，1千克水变化1℃的热量，约等于1立方米空气变化3℃的热量。一般土中含水量在每立方米300千克以上，因此土温变化l℃，相当于净空3.3米，面积为30平方米的一间屋内空气温度变化10℃的热量。
如果外界气温为-5℃，需要将室温维持在13℃以上，室内空气1天循环6次，而地温为18℃时，所需蓄能土的容积约为4立方米。在夏季，如果气温为30℃，为了保证室温不超过23℃，则1.4立方米的土体所提供的冷空气就足够了。当我们利用同一蓄能土体进行冬夏室内空调时，可以控制土温在冬季降到10℃，夏季升至20℃。空调时间按冬季为100天、夏季150天考虑，则需要300立方米蓄能土体，就是说，室内空间与土体的容积比为1:3就可以大致满足需要。
由此得知，冷能利用的实质就是，利用自然环境温度的时间、空间差，聚集并储存能量，达到利用目的。
自然冷能冷库
利用冬季的低气温实现夏季的冷藏，这种冷藏库就被称为“无能耗”冷库。冬季促进地下水分冻结，形成人工冻土，温度高时，土融化吸热。水分的冻结潜热是热容的80倍，因此可以使土体温度长期保持在0℃附近，直到融化完毕，在这个冻土内部建库，就可以储存蔬菜、水果等农副产品。冬季过去，冻土逐步融化，如果下个冬季到来时，冻土未融化光，或刚好融化完毕，该冷库就可以终年运行。在这里，冷库四周的土体就成为天然蓄能体。
这种冷库的原理十分简单，但具体操作上，首先必须保证地热只能在冬季向大气散热，而到了夏季，热量不能逆向传回地下，否则就毫无意义。通常，我们利用热管实现这个目标。
热管是一种能在很小的温差下传递大量热量的元件，它的最大特点是传热具有单向性，最大优点是无须消耗能量进行高效传热。热管的下部埋入土中，上部暴露于大气之中。当气温低于地温时，热量就通过热管散入大气，使地下土体降温；一旦气温等于或高于地温，热管就立即自动停止传热，热量不会重新传回地下，这个过程全部自动进行。结合相应的隔热保温措施，我们就可以建成无能耗冷库。实践表明，一支直径7厘米的这种工程热管，冬季可以在管的四周冻结出直径1.2米的冰（大约为3.5～5立方米）。
热管也能用来维持地下热量平衡。例如开展以降温为主的无能耗空调时，随地下冷量的不断消耗，地温也会随之上升，热管正好可以使地温回降。
自然冷能淡化海水
利用蒸发法淡化苦（咸）水或海水时，例如以太阳能作热源，首先得到的是水蒸汽，只有经过冷凝才能得到淡水。根据热力学定律，提高热源温度，或者降低冷凝器温度，都是增加热机出力的有效途径，因此利用昼夜温差降低冷凝器温度，就可以明显提高出水效率。我国一般地区夏季炎热，单纯依靠昼夜温差，淡水的出水量可能并不令人满意，如果利用冬季的低温进一步降低冷凝器温度，就可以大幅度提高出水率，在淡水十分宝贵的场合，例如海岛，或在沙漠地区开展高效节水农业时，利用冷能在技术上是可行的，经济上往往也是合理的。
一些特殊场合，能量是以低温形式出现的。例如一般液态天然气储存库都是建于地下，在天然气的进出库过程中，总有一部分不可避免地汽化吸热，可以使储存罐内温度降到-162℃，引起罐四周的土冻结。结果如上所述，土中水分迁移聚集，在罐四周形成厚层冰，对罐壁产生巨大压力。大型地下储存罐直径可能达到十米以上，因此这是个非常严重的不安全因素。实质上，聚冰就是能量聚集的过程，为了防止聚冰，就必须及时散发这部分能量，将付出巨大代价。于是有人就利用这部分废冷作为室内滑雪场的能源，既消除了不利因素，又可以产生经济效益。这种滑雪场不受季节影响，在澳大利亚和日本很受欢迎。
冷能发电
赤道附近的海水表面温度接近30℃，而海水500～1000米深处水温大约为4～7℃，利用这个温差，可以推动氨或二氧化硫等特殊工质的透平机发电。理论上说，只要能够获得具有工程意义的11℃温差的能量，就可能成为能源。从1926年法国科学家建立起第一个实验电站开始，世界上已经有多座这种以海水温差为能源的电站建成，美国甚至计划在本世纪初建成一座100万千瓦的这种发电装置。如果把南纬20度到北纬20度间一半的海面用来发电，仅使表面海水温度下降1℃所能获得的能源就为600亿千瓦，相当于目前全世界发电能力之和。
除了发电外，还有诸如利用昼夜温差泵水的装置；利用海水与十米高处大气温差汲水的装置；利用气温的高度温差，在大型立筒中诱发上升气流发电等，形形色色利用自然温差运行的动力装置，都表明随技术的不断发展，自然冷能将成为真正的意义上的能源。实践表明，只要温差达到20℃就能够用来发电，目前的焦点是，如何降低这种电站造价。
自然冷能这个怪物，到处给我们制造麻烦，但它也可以成为人类的朋友。在21世纪的今天，它将是一种新型的绿色能源，尽管很多权威、专家对此不屑一顾，但它的确是个潜在的能源，而且随技术的发展，很快将在经济性上超过太阳能和风能。