揉动式节能

火是人类诞生之母，热为人类生存所依。从原始社会到现代社会，时间尺度长达百万年，热能实际上一直是人类需求和实际消费的第一大能源类型。热能作为人类第一能源的状况今后也不大可能改变，因此，研究热能的经济转换和利用，是一个极其重要的课题。

近一百年来，随着多勃罗奥夫斯基电力系统的发明和推广，产生了以社会化电力供应为基础的现代文明。其间，一种值得检讨的技术及其产品也迅速蔓延开了，这就是令人痛快一时的电热技术。今天，电炉、电窑、电干燥器、电烤箱等工业电热设备，电取暖器、电饭煲、电热水器等家用电热装置，已经充斥于社会生产生活的众多热能消费领域。它们以等于或者略小于1的似乎过得去的效率，将高品位的电能转化为低品位的热能供消费。这些大大小小的电老虎，消耗着市售电能总量的50%以上的份额，能源和环境载荷因而至少增加了1÷(0.5+0.5÷4)-1=60%。

今天，能源危机和环境危机的警钟已经一再敲响，能源浪费已经难以为续了。为探讨这一主题并寻求解决之道，热泵技术是一种具有惊人的节能潜力的好技术，但就是因为它太好了，以致于令人难以置信而被搁置得太久。它在理论上和概念上也太深奥了，以致于能够理解的人不多，甚至有许多人还误以为它是属于第二类永动机的技术妄想。它在现实的经济生活中也太超前了，以致于在能源极其廉价的年代里很难找到需求。在历史的、文化的、经济的和配套技术方面的阻碍因素的制约下，热泵技术虽历经百年，却一直未能得到普遍应用。这在大部分实用技术均能得到快速传播和应用的上个世纪中，是一种罕见的特例。其中的教训也很值得探讨和总结。

50年前，苏联工程师设计了一种可以“泵热”的机器，能从冰凉的莫斯科河中“泵取”热量，我相信我当时崇拜的苏联工程师的设计一定正确，但却无法理解其原理。

热力学是在研究热机理论模型的基础上发展起来的，法国工程师卡诺和德国科学家克劳修斯等人为热力学作出了奠基性的贡献。热力学的几大定律，尤其是热力学第二定律及其推论，引起了近现代物理学乃至数学、天文学、生物学和哲学的观念变革。热力学概念及其方法还是并称现代科学三论之一的山农《信息论》的思想源泉。

热泵技术是演绎热力学的准平衡过程理论的结果。作为一种新能源技术，其理论上论证的变热系数指标确实令人难以置信地高。这种指标放到当今的能源危机的大背景下来分析时，所凸现出来的价值特别地鼓舞人心。显然，热泵技术能够大大地缓解当今世界的能源危机和环境危机，并且，人类要想克服能源危机和治理温室气体，也非要借助于热泵技术不可。如前所述，痛快一时的电热技术使能源和环境载荷增加60%以上，如能全部采用热泵技术予以替代，相应减荷率将至少达到1-1÷1.6=37.5%。实际上，除了电炉、电窑可能以化学高温热源替代更合理以外，其余的绝大部分均能以热泵替代。当然，对于那些科学素养较高但又恰恰不懂热力学的人，他们一定会以为节能率达到75%～80%的热泵指标不可思议，会以为是搞错了或者是撒谎。他们更不会知道，经过改进以后，热泵的节能率还可能达到90%，这就更神奇了。

热泵技术的基本概念中，形式逻辑简单但却难于递进理解并且容易产生悖谬的是变热系数和能效比的概念。前者的定义是热泵向高温热源释放的热量与泵热过程的压缩功之比，该比值与高低温热源的温差成反比的性质意味着所泵热量与压缩功并不是等量的，并且可能被放大许多倍，这与功热当量的概念似乎有表面上的矛盾。而能效比则是一项工程指标，通常以电能或电功率为输入测度，以输出热量或热流为效果测度，称两者之比为能效比。该比值是变热系数的实现值，因而也容易产生理解上的困惑。

现有热泵技术的能效比已经能够达到4～5的水平，这相当于以1千瓦的电功率获得4～5千瓦的热功率。“相当”是指实际效果“相当”，这种实际效果产生了类似于有麦克斯韦妖精在操作的神奇。麦克斯韦妖精是一个导致热力学悖论的统计操作命题，这样的妖精因动力学缺陷而不可能存在。热泵循环没有动力学缺陷，它的状态转移过程是可准平衡解释的实际过程，是可运行和可重复的过程。它的效果确实是神奇的，具有出人意料的倍乘效益，这正是热泵技术的优势和魅力之所在。出人意料是因为人们头脑中的观念被电热技术的经验所禁锢而造成的。火车刚发明时被称为铁马，铁马比马跑得快曾经令许多参观者大惊失色，觉得不可思议。当人们理解和习惯了火车以后，就认为它比马快几倍是正常的了。铁马不是马，机制不同因而速度差异大。同理，热泵不是电热丝，机制不同，发热效果因而差若干倍也同样地无需大惊小怪。在热力学概念上，热量和热流是不能等同于热能和热功率的，否则将得出违反能量守恒定律的结论。

当热力工程仅仅需要热量和热流时，它们与电热技术转换的热能和热功率等使用价值。因此，采用能效比为4～5的热泵技术，可以节电75%～80%。考虑到现代电网的热能型消费的比例超过50%和其中约80%可以采用热泵技术替代的事实，则普及热泵技术的电网降荷率将超过30%～32%。这对于缓解能源危机和环境危机显然具有特别巨大的意义。

热泵系统的心脏是压缩机，现有的热泵压缩机技术存在着效率偏低和成本偏高两大技术性瓶颈，这影响了热泵技术的普及。中国的热泵研究和热泵应用起步较晚，目前阶段所用压缩机几乎全都依赖进口。进口压缩机的价格问题更是突出，其效率指标也不理想。