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谢新佑:水汽能应纳入清洁能源体系

日期:2018-07-26 来源:中国能源网 阅读次数:187

化石能源还能使用多长时间?千年还是一万年?许多人认为目前化石能源由于开发体系成熟,还会持续在未来占据主流能源的地位。这种学术氛围在美国显得尤为强烈。

但美式思维并不是全球共识。中国等国家挑起能源重担,共同致力于减少碳排放、发展消洁能源、为自己的子孙留下绿水青山。大量非化石能源的市场规模也迅速扩大。无论是新增市场,还是累计应用量,在水电、风电、光伏发电、太阳能热利用等多个可再生能源应用领城,非化石能源已经迅速崛起,各类生物质能应用、核电和地热能热利用也保持较高的增速。

越来越成熟的互联网技术、人工智能技术和物联网的规模化发展,各种新能源技术跨界耦合,智能储能、能源互联网以及多资源供热、供电、供气的新型技术纷纷涌现,将从根本上解决化石能短缺、环境污染等问题。

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谢新佑(左三)在东尤集团研讨会上发言

清华大学化学系退休老教授谢新佑有个习惯,在做液体实验时,绝不允许自己和学生将一滴溶液滴到实验器皿之外,哪怕是那滴溶液仅仅是水而已。如果血气方刚的学生不屑于理会这样的“小问题”,通常会遭到他一反常态地怒斥。这位睿智、豁达、和善可亲的老者不仅仅是担心治学严谨的校风会在细微处消失,更重要的是事关安全。谢新佑说:“别人永远不知道,滴在地上的液体是什么,万一是强酸呢?”这种严谨的作风被谢新佑带到了生活中,他笑称自己在家做饭倒酱油时,也能够一滴不漏,堪比“熟能生巧”中的卖油翁。

治学上一丝不苟的谢新佑,从来不会轻易地相信不经科学论证的理论。但三年前,谢新佑接触到“水汽能”这种能源,激起了这位化工系专家的兴趣;也正是这次偶然的了解,让这位与水、热打了一辈子交道的老教授,决心出来奔走,希望能够让这种利国利民的清洁能源造福所有人。

清洁能源水汽能

所谓水汽能就是储存在空气中的水蒸气在形态转变过程中所得到的能源。

地球表面的水体与各类大气下地面(如土壤、森林、草地、建筑等)及各类含水物体中蕴含了大量的液态水,液态水在各类物质的表面无时不刻地发生汽化,也就是从液态转变为气态。在其转变过程中,液态水吸收环境的热量(即汽化潜热)后变为气态的水蒸气进入到空气中,因而空气中的水蒸气本身含有了大量的热量。就其本质而言,其所吸收的所有热量均来自于太阳所赋予地球的热量,所以,这部分能量也是太阳能的一部分。

空气体量相对于人类而言是无限大的,所以在空气中的水蒸气含有的热量也是无限的。这部分热量一直都存储在空气中的水蒸气内,当水蒸气遇冷凝结时又会释放出来,在这个过程中,水会呈现气态、液态共存的现象,而热量就是在这个转变过程中得到了释放。由于水蒸气的形成是自发进行的,热量是自动进入到水蒸气内的,所以这部分能源是无偿且无限的。

由于这部分能源是储存在空气中的水蒸气内、由水蒸气与液态水转变过程中得到,故命名为水汽能。

谢新佑表示,目前国际上和国内对这部分热量研究极少,而如果能将这部分热量利用起来则可以为人类供应无限的能源。现在可以利用一种水汽能吸收器,人为创造出比空气湿球温度低的环境,在水汽能吸收器内空气遇冷凝结,释放出水汽能,进而将水汽能加以利用。

对水汽能的开发利用不需要投入过多设备、对环境无影响、没有任何污染及排放物,并且由于水汽能是存储在空气当中,可谓取之不尽用之不竭。

如果能将水汽能这种新型的可再生能源的热量利用起来,可以为人类供应无限的清洁生态能源。现在可以利用一种水汽能吸收器,人为创造出比空气湿球温度低或者高的人工温度环境,在水汽能吸收器内空气遇冷凝结或者遇热汽化,释放出水汽能,进而将水汽能加以利用。

谢新佑说:“通过水汽能热泵后的水汽温度被降低形成液态水,进入外界环境;液态水在外部环境再次被无限大体积的相对高的温度的空气加热,从而温度升高,该部分液体形式的水滴又重新汽化补充空气中的水汽能。这样由于水的蒸发和冷凝是无时不刻地在自发进行,因此对利用了的水汽能的补充也是随时随地自发进行的,这就是水汽能的循环再生过程。可以看出水汽能是完全不需要考虑枯竭的问题。因此,水汽能完全是一种新型的可再生能源。”

神奇的水汽能热泵

谢新佑说:“在理想状况并不考虑其它能源消耗的情况下,1公斤10度的水蒸气凝结成1公斤液体,可释放593千卡的热量,相当于85克标准煤所包含的热值。其低温情况的潜热比高温情况的潜热还要大:1公斤100度的水蒸气变成100度的水只能获得540千卡热量,而1公斤0度的水蒸气变成0度的水就可以放出596千卡。因此,大气层空气里面的水蒸气是一个规模巨大的能源储存库。”

然而常规形态下的水汽能的热量处于低频点,需要经过水汽能热泵进行状态转化才能够加以利用。谢新佑认为水汽能热泵可以从空中吸取热量,又能够吸取水。在水汽能热泵塔中,底部进空气,顶部进行喷冷。经过填料,把气体分散,通过顶部雾化喷冷水,达到两种传质主体之间的接触面积增大的效果,因此传质和传热的效率就很高。随后水分转入防冻剂中,通过防冻剂把水气液化放出热能,同时又把空气里面的水汽以水滴的形式收集起来。”

这对解决南方冬季供暖不足提供了很好的参考。据了解,近年来,我国南方地区多次经历“凛冬”。2018年初,强冷空气急剧南下,江苏、湖北、湖南等南方地区出现大雪、冰冻等极端天气。可以说这几年来,每当岁末年初时,我国南方地区的广大民众都在湿冷难熬的寒冬中度过。为避免重走北方供暖带来雾霾等破坏环境的老路,曾有专家建议,南方冬季采取供暖,然而如何供暖则一直在探讨之中。

参考的选项有很多,比如煤改气、煤改电等方式,但最终都因为会触及环保问题、影响生态红线而迟迟不能推进。有鉴于此,通过水汽能这种清洁能源进行制冷、供热,应用水汽能热泵这种成熟的能源转换技术不失为一项很好的选择。谢新佑说,供暖应鼓励地方政府与社会力量合作,利用新的科技、环保能源,发展循环经济能源作为补充。

更何况水汽能热泵在实现制冷、供热的前提下,将空气中的水置换出来,因此在生产淡水方面,水汽能热泵也能实现。谢新佑认为,在温度为36℃、相对湿度是20%的条件下,冷凝1立方米的空气到6度能够获得5.3克水。一每分钟输气量为400立方米的水汽能热泵,每天可生产超过3053公斤的冷凝水。而在温度为40度,相对湿度20%的沙漠进行冷却制水,水汽能热泵每天就可以得到4.15吨淡水。

谢新佑说:“对于南方而言,不缺水。但是对于干旱地区,水就意味着生命。另外海军出海执行任务,每个人只能携带25公斤的淡水,如果用完就得返航。如果能通过水汽能热泵造淡水,那么他们执行任务的时间就可以长,特别是比较大型一点的军舰,包括航母、驱逐舰等等。

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东尤集团与安仁县政府签订《共同推进安仁县创建国家级节约型国家机构示范单位战略合作协议》

中国制造

这一项被谢新佑赞为能源革命的水汽能热泵技术来自于湖南东尤水汽能节能有限公司,其董事长黄国和也因该技术被联合国“全球人居环境绿色技术范例奖”。

谢新佑表示,自己专攻热力学、水蒸气的理论研究工作,在应用型的学科领域还需要多加学习。抱着审慎的态度,谢新佑对于东尤水汽能的水汽能热泵进行了大量计算,从温度、湿度以及设备运行效率状态等多方面进行综合考量,验证了水汽能热泵的可行性,并得出理论总结。

谢新佑评价说,黄国和这种勇往直前的企业家精神十分令人佩服,要知道科学可以在实验室里面反复进行,即使失败也可以重头再来,而新兴技术一旦走市场化路线,对于企业家而言则面临着巨大的经济风险和荣誉风险。“如果没有敢于担当、敢于创新的精神,他就可以在原来的基础上能够赚钱就可以了,小富即安嘛。他能突破这样的观念已经很了不起。”

据了解黄国和是学财会出身,但最终投身理工科专业。涉及到物理模型、数学模型的搭建和计算,并不是黄国和的长项,可以说还差得很远,但黄国和虚心好学的精神让谢新佑颇为感动。谢新佑说:“他让我想起了爱迪生,这个发明大家没有上过大学,许多发明并不是从数学开始的。恩格斯说过,不能应用数学的科学,不能算作真正的科学。但对于很多应用型的科学,还是需要实践才能出真知。”

黄国和是一个敢想敢做的人,在发现水汽能的巨大应用潜力之后,便迅速组建科研团队,投入设计研发。他甚至大胆地提出要在适合人类活动的温度区域内,用5摄氏度-10摄氏度的温差冷凝液化空气中的“水汽”,吸收水蒸气液化过程中所释放出的热量,随后液态水再次吸收太阳能热量蒸发成气态进入到空气中,如此循环往复,设计出取之不尽用之不竭的清洁再生能源。

在科研小组的努力下,项目得到进一步优化,通过水的汽液相变,设计出了水汽能热泵,转换和利用水汽能。来自清华大学、湖南大学和中南大学相关领域的专家也给予了鼎力支持。专家攻关,分析得到水汽输运太阳能能量的原理,并带领团队突破了低温下小温差高效获取热能技术、空气破碎技术、抗冻液浓缩技术等多个“水汽能热泵”的核心技术。

完成的“水汽能热泵”系统主要通过温差换热技术,在冬季可使气态“水”变成液态水而释放热能,水汽能收集系统则吸收这部分热量作为“水汽能热泵”主机的热源,水汽能热泵主机将这部分热量品位提升从而为建筑物内供热;夏季让液态水变成气态“水”而吸收热能,“水汽能热泵”系统吸收了建筑物内部热量后通过水汽能收集器排放热量为建筑物内制冷。

2012年,东尤水汽能利用“水汽能热泵”技术,成功在湖南省冷水江市政府行政办公大楼进行了中央空调技术改造,制热出水温度达到了50摄氏度。冷水江市政府行政办公大楼水汽能热泵中央空调稳定运行至今,记录对比数据显示,比常规分体式空调节能45%以上。

无债、无责、有收益的水汽能改造工程

节能效果显著,在实际中已经应用到机场、医院、学校的这项技术是否投入不菲呢?答案似乎出乎所有人意料之外。

一般政府、企业等需要集中供热、供暖的单位都有中央空调。从诞生到现在,东尤水汽能已经能够在建筑原有的中央空调的基础上进行改造,便可以实现水汽能热泵的嵌入。

据东尤水汽能的官方介绍,在政府合作的项目中,东尤水汽能甚至不需要政府出钱改造,所有的设备安装、运营费用均由设计单位和施工单位解决,不会增加政府的额外负担,运营后政府还能获得收益。这种被东尤称之为“高速公路模式”的经营方法最终会通过日常消费能源的收益来冲抵建设成本。即用能单位每年夏天的空调费、冬天的采暖费以支持改造支出,通过20年乃至30年的运营,逐步偿还。

黄国和说:“很多人不理解这种模式,认为制冷、供热竟然不需要烧锅炉,又不需要消耗化石能源,还能挣钱,听起来就匪夷所思。所以需要有一些单位起到吃螃蟹的作用。只要有一个单位开始应用,经得住实践的考验、得出数据之后大家就会信服。”

湖南冷水江市政府2012年开始使用就尝试这种新技术,现在运行效果好,此后政府、企业等用能单位越来越多。2018年6月10日,在2018湖南(郴州)节能减排和新能源产业博览会期间,东尤水汽能被邀请参加湖南省公共机构节能技术推广暨项目对接会,并成功与安仁县政府签订了《共同推进安仁县创建国家级节约型公共机构示范单位战略合作协议》,以提高安仁县公共机构能源利用效率,践行绿色可持续发展之路。

实际上和大多数需要“三供一业”改造的政府部门一样,郴州市也面临着节能减排、生态引导的硬性要求。也正是考虑到东尤水汽能的优势,郴州市政府将东尤水汽能纳入到了节能减排采购目录中。加之有长沙、邵阳、新邵等地的成功案例,不少企事业单位的办公大楼也已经应用,因此郴州市政府最终与东尤水汽能签订合作协议。

“改造以后能获得多大的节能效果?节约多少资金?制冷制热能力如何?通过一系列的数据监测就会一目了然。”黄国和说,“更重要的是,改造工程不需要用能单位举债。贷款的事情是施工单位、设计单位的事,所以政府在经济上不承担任何责任。因此这套方案,可以说是政企合作双赢的。”

(谢新佑教授于1959年考入清华大学。清华大学毕业后,留校任教,至退休。曾任清华大学核能研究院科研所党总支副书记、化工系党委副书记、清华大学党委委员。)

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