地球的“熱”情

吳璋翔 李先庭

地球內部隱藏的寶藏

地熱能的兩個來源

地熱能主要有兩個來源，一是地球最初形成時留下的熱量，二是地球內部放射性元素衰變產生的熱量。

這種內部能量通過地殼巖石的熱傳導，以大約44太瓦（1太瓦=1012瓦特）的速率緩慢向外傳遞。深度每增加100米，全球平均溫度就會增加約3攝氏度。不同地區因地質環境不同，地熱能梯度（溫度變化）也不同。

地熱能應用的限制

人類很早就開始利用地熱能，例如利用溫泉沐浴，利用地下熱水取暖、建造農作物溫室等。

有些科學家認為，地熱能是能夠取代化石燃料發電的、最有前途的低碳能源。那么，我們能不能像科幻電影中那樣，直接深入地心獲取地熱能呢？答案是否定的，因為現實中的情況比較復雜——地殼的平均厚度約為30千米，要深入地心獲取能源，技術難度非常大。

地熱能發電也能制冷

人類可以利用地熱能產生電能，即通過地熱制取高溫熱流體后，將其送至電廠產生電能。第一座地熱發電站建于20世紀初，位于意大利的拉德瑞羅（Larderello）火山區。目前，世界已有數百個地熱發電廠。在一些地熱活躍的地區，例如冰島，地熱能甚至可以為整個城市提供電力和暖氣。

我國的地熱資源分布廣，高、中、低溫地熱資源全都有。例如，20世紀70年代，我國在西藏自治區建成了羊八井地熱電站。

此外，地熱還能夠制冷。聽起來熱與冷是兩個完全對立的概念，二者之間是如何實現轉化的呢？

蒸氣壓縮式制冷系統是和空調、冰箱一樣的、利用電能產生冷的設備

什么是制冷

制冷是使自然界的某物體或某空間達到低于周圍環境的溫度，并使之維持這個溫度。人類依靠制冷從自然環境開創了人工環境。當然，隨著人工環境需求的增多，也要付出能源和環保的代價。因此，應充分利用自然環境，以減少能源需求，并創造更優質的人工環境。

實現制冷的兩種途徑

實現制冷有兩種途徑：一是利用天然冷源，二是利用人造冷源。公元前1000年，人類就有計劃地存貯和應用天然冰，用于食品貯存和環境降溫；1890年前后，空氣調節獲得初步發展，出現了工業空調和舒適性空調，創造出人類所需的溫濕環境。

通常，我們接觸到的制冷技術屬于普通制冷范圍，主要采用液體汽化制冷法（或者叫蒸發冷卻），其原理在日常生活中也很常見，例如游泳上岸后會覺得冷、酒精涂抹在皮膚表面會感到涼等，都是蒸發冷卻的緣故。

欲制冷 先發電

地熱能制冷的第一種途徑是利用地熱產生電能，再進行制冷：將地熱能發出的電能輸給蒸氣壓縮式制冷系統。大家可以把蒸氣壓縮式制冷系統看成和空調、冰箱一樣的、利用電能產生冷的設備。通過這個系統可以制取低溫冷凍水（例如7～12攝氏度），再將冷凍水送入用戶。

高溫熱水 也能制冷

地熱能制冷的另一種途徑是通過地熱能制取高溫熱水，直接通入一種叫作吸收式制冷系統中。該系統以熱能為主要驅動力制取冷凍水。

吸收式制冷系統最大的特點是，幾乎不消耗電能，可以通過例如地熱水、工業余熱、太陽能等熱源制取的熱水來驅動系統運行。該系統的能效與地熱溫度有關，一般1份熱量約能制取0.3～0.5份冷量。

利用淺層地熱能 直接制冷

前兩種形式主要是通過采集深層高溫地熱能，產生電能或高溫熱水進行制冷，而淺層地熱能也是我們可以利用的一種冷量。

通過地下熱能交換器，地熱制冷系統可以將熱量從建筑物內部或其他熱源中吸走，然后將熱量傳遞到地下，利用地下相對較低的溫度來實現制冷。研究表明，華北地區2米以下土壤溫度在15～18攝氏度，這為我們提供了一種很好的冷量來源。

利用淺層地熱直接制冷系統原理

我們可以在地下鋪設地埋管換熱器，將溫度較高的水通入地下降溫，從而獲取低溫水為用戶提供冷量。此外，夏季運行空調系統時，室外機會產生大量熱（實際上，是將室內提取的熱量排至空氣中），我們可將這部分熱量排入地下，從而提高空調系統的運行效率。

在未來，或許科學家能開發出一種新型的鉆探設備，可以抵達地球的深處，讓巨大的地熱能為地球提供無盡的能源！

（責任編輯 / 高琳? 美術編輯 / 周游）