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未来能源十步走 人类将摆脱对石油的依赖据7月号《大众科学》(注：中文版《科技新时代》)报道，石油价格一路上扬，“石油危机”成为目前最流行的词汇，很多人甚至产生了石油还够用多久的疑问？石油总有一天会耗尽，这毫无争议，但这并不意味着世界末日来临。以石油消耗大户美国为例，美国科学界从石油危机中看到的不是绝望，而是能源的复兴，他们认为，美国到了严肃地考虑从石油转换到清洁、可再生的能源的时候了，而美国已经具备了相关的技术，只要再进一步开发，美国将彻底摆脱对进口石油的依赖。一 利用风能地球上的化石能源(石油)终究是有限的，为了人类的持续性发展，必须找到其他可替代能源，而风能就是一个很好的选择。在美国科罗拉多州的博尔德南部的高原上的平旷地带，矗立着四排实验性涡轮机，这些机器在冰雪覆盖的洛矶山脉的映衬下更显得巍为壮观，150英尺的叶片在微风的吹拂下缓慢地旋转着。美国能源部可再生能源实验室的主工程师萨迪·布特菲尔德说：“如果你要选择一个商业涡轮机发电农场，你决不会看中这个地方。但这里却是一个完美的风能实验场地。因为在这里我们可以获得风速为每小时100英里的风能条件。我们通过在这种条件下的实验能很快地知道哪种设计应该淘汰。”1991年，一份政府有关风能的概论作出了如下结论：堪萨斯州、北达科他州和德克萨斯三州有着丰富的风力能源，仅这三个州的风能就可足够满足整个美国的能源需求。今天看来，这项报告不免有些估计过低了。在过去的20年中，风能的价格已经下降了85%，这在很大程度上归功于不断提升的涡轮机效率。政府还制定很多条令来鼓励民众购买利用风力所产生的电能，可以想见在不久的未来使用风力电能必成大势所趋。二 取消电网现有的输电系统是从能源中心通过电线向用户送电。这样做有很大一个缺点，那就是输电过程中会损失很多电能。所以更好的供电系统是“分布式发电”。可以在住处和工作地点附近利用风能和太阳能发电，做到自给自足。例如，可以利用地热系统给建筑物供暖和降温，利用屋顶上的太阳能电池提供电力，多余的电能还可以输送到当地的供电系统中，以零售价卖掉，这样还能获取一部分收益。这些措施简便易行，远好于建设发电厂和进口国外的能源。有人估计，一个这样的小型发电厂所需要的太阳能发电设备的造价可在四年内回收回来。既然有这么多的优点，何乐而不为呢？三 混合燃料汽车美国陆军宣布将开发一种使用新型混合燃料的“悍马”(Humvee)战车，它预示着混合燃料汽车的时代已经来临。混合燃料汽车通过内燃和电驱动，提高能源利用效率。今天混合型汽车已不再仅仅是陈列室中供人参观的样品，它已完全步入了实用阶段。这将大大削减汽油的使用量，汽车排放的尾气也将随之大幅减少。被称为插入式混合型电动车可以夜间在自家的车库中充电，夜间电费低廉，这样就节省了一项不小的开支。加州大学伯克利可再生能源实验室主任丹尼尔·卡门说：“如果在一夜间，美国的汽车全部被这种混合型汽车所取代，石油的消耗量将会下降70-90%，美国进口石油的时代将彻底结束，在未来多年中，美国的石油将完全可以自给自足。”四 制造质量更好的乙醇今年，美国汽车制造商将生产100万辆灵活燃料车，乙醇加油站的数量将增加三分之一，达到大约1000家。现在美国所生产的绝大多数乙醇是由玉米粒发酵而来，这个过程要消耗相当数量的化石燃料。丹尼尔·卡门将这种由基于玉米的乙醇看做是一种过渡型燃料，他说：“要想使用乙醇替代石油，防止全球进一步变暖，我们需要进行一次从玉米乙醇到纤维乙醇的大规模革新运动，纤维乙醇的原料可以有多种选择，柳枝稷、木片以及像玉米芯和玉米杆这样的农业废料都可以用做生产纤维乙醇的原料。现在用于制造乙醇的酶的造价很高，不过这个问题并不难解决。”白蚁后肠中的微生物可以将植物纤维素转化成碳水化合物，美国能源部联合基因组研究所主任艾迪·卢宾说：“我们正在测定那些微生物DNA序列，将来可以通过生物工程制造出新的机体来分泌这些酶。”这样我们就可以利用虫子的体液来驱动我们的汽车前进，摆脱了对化石能源的过度依赖。五 利用太阳能明年初，在洛杉矶东北部的一个沙漠农场中将会出现数十个巨大的凹镜。每个凹镜的直径为37英尺，这些凹镜通过电子控制可以自动跟踪太阳，将阳光反射到一个热量收集器上，热量收集器利用这些浓缩的阳光将氢加热到1，300华氏度，通过斯特林发动机驱动发电机发电。当世界上最大的太阳能农场完工后，在摩加伏沙漠4，500英亩的范围内将会布满大约2万个这样的凹镜收集太阳能，利用这些能量产生的电能将可以向287，000个家庭供电。每小时到达地球上的这些太阳能可以满足全世界一整年的电力需求。我们很久以来就已经知道如何利用太阳能来为加热空间和水，但将阳光转化为电能却存在很大困难。斯特林太阳能凹镜可以将30%的太阳能转化为电能，这是世界上将太阳能转化为电能效率最高的一种技术。科学家希望通过技术改进可以使这个转化率提高至50%。其他的能量企业家还有更为远大的设想。美国航空航天局的科学家一直以来梦想有一天能在太空中利用太阳能发电，然后通过微波将能量将能量输送到各个家庭。随着科学的不断进步，终有一天这个设想一定可以变为现实。六 制造氢能源氢能源的潜力巨大，但将其他物质转化为氢并不件容易的事。自然界中不存在纯氢燃料，今天最制造氢最便宜的方式是通过石油或天然气获得，但这并不能避免产生二氧化碳。氢燃料电池的效率是内燃机的二倍多。在冰岛，丰富的可再生能源使氢经济的产生成为可能。在美国，未来的某天可以利用多余的风能来生产氢燃料。研究人员还可以利用基因工程来制造出有生物来直接将太阳转化为氢。七 利用海浪能发电美国的海岸线的海洋蕴含着巨大的能量，其中大约有八分之一可以开发利用，同时还不会污染环境。这些可利用能源总量相当于我们现在所有的水力发电厂发电的能量总和。在可利用能源这个竞技场中，欧洲一直走在世界的前列。今年夏天，在葡萄牙，工作人员正在安装一种海岸波浪能转化器。这种蛇状的钢管一半浸于水中，一般露出水面，一直向远海方向延伸了3英里。至2008年这种装置将可以为大约15，000个家庭供电。波浪能的优点是它的能量密度是风能的10至40倍。目前潮汐涡轮机技术发展迅猛，这无疑为波浪能的利用铺平了道路。今年夏天，在纽约东河的水下的六个涡轮机在河流潮汐流的驱动下将开始投入发电。缓慢旋转的推进器第一年将会产生525，000千瓦时的能量。为期18个月的试验表明，布设足够多的涡轮机将可以为8，000户家庭供电。虽然它现在的发电能力有限，但它毕竟代表着未来的能源的一种发展方向，这是件激动人心的事情。这将是世界首个产能潮汐涡轮机农场，这种样机将可以为我们提供稳定的无污染能源。维吉尼亚的海洋学家乔治·哈格曼说：“我们可以称它为月亮能，风时有时无，但从现在开始至未来的1000年，月亮和潮汐会始终存在。”八 向地下要能源美国地热能协会执行理事卡尔·格威尔说：“在德克萨斯州西部废弃的油井中冒上来的热水中含有5，000兆瓦的地热能。现在因为没有加以利用，这些能量正在被白白浪费掉，现在我们对这种能量使用的能力远超过了我们对这种技术的实际使用。”地热能可以被用来发电或给建筑物供热。夏威夷、阿拉斯加以及西部各州都分布有丰富的地热能。可以利用温度为160华氏度水温的地热水库发电。一些公司正在开发德克萨斯州、阿肯色州、佐治亚州和西维吉尼亚州的低温热泉，一旦开发成功，将可以使美国地热发电能力在未来4至5年的时间翻一番。九 开发垃圾燃气自旧石器时代，我们就一直在燃烧生物物质，当时人们利用燃烧木头来给山洞供暖，烧烤大型动物的肉。今天绝大多数的生物质能量仍来源于木材，但现在我们要做的是怎样利用这些农业废料和草本植物来发电。这些物质与化石燃料一样，燃烧时会产生二氧化碳。但生物质燃烧时释放的二氧化碳何以通过其生长时吸收二氧化碳获得平衡。在所有的新技术中，气化或许是最具潜力的一种。气化系统在低氧环境中通过极度高热将农业废料或任何一种生物质转化为氢和二氧化碳的混合气体，这种气体可以在锅炉中燃烧，或可以替代涡轮机中的天然气，这些气体可以被用来驱动蒸汽涡轮机进行二次性发电，整个过程中产生的多余热量还可以用来给建筑物和整个城镇供热。十 节能从我做起回想上世纪70年代，所谓的节能就是关灯。《家庭能源饮食》一书的作者保罗·舒基尔表示，今天，随着科技的发展，我们节约能源可以充分利用技术优势。现在，美国平均每1美元的经济产出所消耗的能源比30年前减少了47%。令人遗憾的是，由于输送电力的效率有待提高，所以，大量能源在抵达每一个家庭和办公室之前就被浪费了。对此，消费者无能为力，但他们可以从我做起，在自己的家中或办公室里有意识地节约能源。最清洁最廉价的能源就是不用能源。 
能源未来的发展之路 能源是人类活动的物质基础。在某种意义上讲，人类社会的发展离不开优质能源的出现和先进能源技术的使用。在当今世界，能源的发展，能源和环境，是全世界、全人类共同关心的问题，也是我国社会经济发展的重要问题。 “能源”这一术语，过去人们谈论得很少，正是两次石油危机使它成了人们议论的热点。能源是整个世界发展和经济增长的最基本的驱动力，是人类赖以生存的基础。自工业革命以来，能源安全问题就开始出现。在全球经济高速发展的今天，国际能源安全已上升到了国家的高度，各国都制定了以能源供应安全为核心的能源政策。在此后的二十多年里，在稳定能源供应的支持下，世界经济规模取得了较大增长。但是，人类在享受能源带来的经济发展、科技进步等利益的同时，也遇到一系列无法避免的能源安全挑战，能源短缺、资源争夺以及过度使用能源造成的环境污染等问题威胁着人类的生存与发展。 能源种类繁多，而且经过人类不断的开发与研究，更多新型能源已经开始能够满足人类需求。根据不同的划分方式，能源也可分为不同的类型。 按来源分为3类：地球本身蕴藏的能量 通常指与地球内部的热能有关的能源和与原子核反应有关的能源。 ①来自地球外部天体的能源（主要是太阳能）。除直接辐射外，并为风能、水能、生物能和矿物能源等的产生提供基础。人类所需能量的绝大部分都直接或间接地来自太阳。正是各种植物通过光合作用把太阳能转变成化学能在植物体内贮存下来。煤炭、石油、天然气等化石燃料也是由古代埋在地下的动植物经过漫长的地质年代形成的。它们实质上是由古代生物固定下来的太阳能。此外，水能、风能、波浪能、海流能等也都是由太阳能转换来的。 ②地球本身蕴藏的能量。如原子核能、地热能等。 ③地球和其他天体相互作用而产生的能量。如潮汐能。温泉和火山爆发喷出的岩浆就是地热的表现。地球可分为地壳、地幔和地核三层，它是一个大热库。地壳就是地球表面的一层，一般厚度为几公里至70公里不等。地壳下面是地幔，它大部分是熔融状的岩浆，厚度为2900公里。火山爆发一般是这部分岩浆喷出。地球内部为地核，地核中心温度为2000度。可见，地球上的地热资源贮量也很大。 中国目前的能源利用困难主要表现为：能源资源总量比较丰富但人均能源资源拥有量较低；能源资源赋存分布不均衡；能源资源开发难度较大；资源约束突出，能源效率偏低；能源消费以煤为主，环境压力加大；市场体系不完善，应急能力有待加强等。 因此开发新能源是能源发展的必要途径，而在我看来在开发新能源当中，核能应重点开发；理由如下： 一，由人类研究核的发展历程来看，核由难以被人发现的不可再分粒子演变成可以释放巨大能量的核反应堆，这说明每一个阶段的科学家都在埋头于发现核的秘密，从另一个角度看，核能越来越重要了。 二，核能之所以受到科学家的关注，不仅是因为人类的能源缺乏，更重要的是核能本身的巨大能量，如我们看到的太阳就是通过核聚变释放能量的，甚至我们现在利用的化石能源都是来自太阳内部的核聚变！ 三，核能发电不像化石燃料发电那样排放巨量的污染物质到大气中，因此核能发电不会造成空气污染。 四，核能发电不会产生加重地球温室效应的二氧化碳。 五，核能发电所使用的铀燃料，除了发电外，没有其他的用途。 六，核燃料能量密度比起化石燃料高上几百万倍，故核能电厂所使用的燃料体积小，运输与储存都很方便，一座1000百万瓦的核能电厂一年只需30公吨的铀燃料，一航次的飞机就可以完成运送。 七，核能发电的成本中，燃料费用所占的比例较低，核能发电的成本较不易受到国际经济情势影响，故发电成本较其他发电方法为稳定。 基于以上的优点，在当下每一个国家都在大学设立了相关的课题研究核能；在我国，几所著名大学如北大，清华，浙大，中大等大学都设立了和工程与核技术专业；这再一次证明了核能就是能源未来的发展！ 然而，我认为使核能不能成为目前的主要能源的原因主要是： 核能电厂会产生高低阶放射性废料，或者是使用过之核燃料，虽然所占体积不大，但因具有放射线，故必须慎重处理，且需面对相当大的政治困扰。 核能发电厂热效率较低，因而比一般化石燃料电厂排放更多废热到环境裏，故核能电厂的热污染较严重。 核能电厂投资成本太大，电力公司的财务风险较高。 核能电厂较不适宜做尖峰、离峰之随载运转。 兴建核电厂较易引发政治歧见纷争。 核电厂的反应器内有大量的放射性物质，如果在事故中释放到外界环境，会对生态及民众造成伤害。 核能的释放主要通过裂核反应和热核反应（即核反应堆），但是热核反应是要利用裂核反应来实现的，而裂核反应是需要不稳定的重核，不稳定的重核主要是铀-235，这是一种很稀小资源！所以在资源方面也造成了一定的困难。 核技术的难度极高，所以需要尖端的技术人才，这也是一个困难。 总的来说，能源未来的发展之路即使很模糊，但这就像法拉第当年发现电磁感应定律一样，核能的未来将是不可估计的巨大！
对建筑节能的几点看法 论文 随着科学技术的日新月异，能源短缺已不容忽视，节约能源已受到世界性的普遍关注，在我国亦不例外。目前，全世界有近30%的能源消耗在建筑物上，长此以往，将严重影响世界经济的可持续发展。因此，能源问题将成为本世纪的热门话题，我们必须从可持续发展的战略出发，使建筑尽可能少地消耗不可再生资源，降低对外界环境的污染，并为使用者提供健康、舒适、与自然和谐的工作及生活空间。中国建筑能耗基本情况 我国的建筑能耗量约占全国总用能量的1/4，居耗能首位。近年来我国建筑业得到了快速的发展，需要大量的建造和运行使用能源，尤其是建筑的采暖和空调耗能。据统计，1994年全国仅住宅建筑能耗在基本上不供热水的情况下为54×108t标准煤，占当年全社会能源消耗总量27×109t标准煤的6%。目前每年城镇建筑仅采暖一项需要耗能3×108t标准煤，占全国能源消费总量的5%左右，占采暖区全社会能源消费的20%以上，在一些严寒地区，城镇建筑能耗高达当地社会能源消费的50%左右[1]。与此同时，由于建筑供暖燃用大量煤炭等矿物能源，使周围的自然与生态环境不断恶化。在能源的利用过程中，化石类燃料燃烧时排放到大气的污染物中，99%的氮氧化物、99%的CO、91%的SO2、78%的CO2、60%的粉尘和43%的碳化氢是化石类燃料燃烧时产生的，其中煤燃烧产生的占大多数。燃煤产生的大气污染物中SO2占87%、氮氧化物占67%，CO2占71%，烟尘占60%[2]。由于我国是主要以煤而不是以油、气等优质能源作为主要能源消耗的国家，每年由于燃烧矿物燃料向地球大气排放的二氧化碳仅次于美国居世界第二，预计到2020年，中国将取代美国成为世界二氧化碳排放第一大国。因此，中国对于全球气候变暖承担着重大的责任，而作为耗能大户的建筑，其节能也就成为关系国计民生的重大问题。 我国节能工作与发达国家相比起步较晚，能源浪费又十分严重。如我国的建筑采暖耗热量:外墙大体上为气候条件接近的发达国家的4～5倍，屋顶为5～5倍，外窗为5～2倍;门窗透气性为3～6倍;总耗能是3～4倍[4]。如果听任高耗能建筑大行其道，建筑能耗增长的速度将远远超过我国能源生产可能增长的速度，国家的能源生产势必难以长期支撑这种浪费型需求，从而不得不组织大规模的旧房节能改造，将耗费更多的人力、物力。另外，每年新建和改建的几千万栋建筑要消耗掉几十亿吨林木、砖石和矿物材料，造成森林的过度砍伐，材料资源的大量开采，带来土地的破坏，植被的退化，物种的减少和自然环境的恶化。 几种节能途径墙体节能 墙体是建筑外围护结构的主体，其所用材料的保温性能直接影响建筑的耗热量。我国以实心粘土砖为墙体材料，保温性能不能满足设计标准。以外墙为例，JGJ26-1995标准规定，在建筑物形体系数(建筑物与室外大气接触的外表面积与其所包围的体积的比值)小于3时，北京地区传热系数不超过16Ｗ/(m2·Ｋ)，而目前常用的内抹灰砖墙，传热系数都大于上述节能标准数值。因而在节能的前提下，应进一步推广空心砖墙及其复合墙体技术。门窗节能 外门窗是住宅能耗散失的最薄弱部位，其能耗占住宅总能耗的比例较大，其中传热损失为1/3，冷风渗透为1/3，所以在保证日照、采光、通风、观景要求的条件下，尽量减小住宅外门窗洞口的面积，提高外门窗的气密性，减少冷风渗透，提高外门窗本身的保温性能，减少外门窗本身的传热量。其节能措施有: （1）控制住宅窗墙比。住宅窗墙比是指住宅窗户洞口面积与住宅立面单元面积的比值，JGJ26-1995《民用建筑节能设计标准（采暖居住部分）》对不同朝向的住宅窗墙比做了严格的规定，指出“北向、东向和西向、南向的窗墙比分别不应超过20%、30%、35%”。 （2）提高住宅外窗的气密性，减少冷空气渗透。如设置泡沫塑料密封条，使用新型的、密封性能良好的门窗材料。而门窗框与墙间的缝隙可用弹性松软型材料（如毛毡）、弹性密闭型材料（如聚乙烯泡沫材料）、密封膏以及边框设灰口等密封;框与扇的密封可用橡胶、橡塑或泡沫密封条以及高低缝、回风槽等;扇与扇之间的密封可用密封条、高低缝及缝外压条等;扇与玻璃之间的密封可用各种弹性压条等。 （3）改善住宅门窗的保温性能。户门与阳台门应结合防火、防盗要求，在门的空腹内填充聚苯乙烯板或岩棉板，以增加其绝热性能;窗户最好采用钢塑复合窗和塑料窗，这样可避免金属窗产生的冷桥，可设置双玻璃或三玻璃，并积极采用中空玻璃、镀膜玻璃，有条件的住宅可采用低辐射玻璃;缩短窗扇的缝隙长度，采用大窗扇，减少小窗扇，扩大单块玻璃的面积，减少窗芯，合理地减少可开启的窗扇面积，适当增加固定玻璃及固定窗扇的面积。 （4）设置“温度阻尼区”。所谓温度阻尼区就是在室内与室外之间设有一中间层次，这一中间层次象热闸一样可阻止室外冷风的直接渗透，减少外墙、外窗的热耗损。在住宅中，将北阳台的外门、窗全部用密封阳台封闭起来，外门设防风门斗，防止冷风倒灌，楼梯间设计成封闭式的，对屋顶上人孔进行封闭处理等措施均能收到良好的节能效果。屋面节能 在不断改进建筑外墙、外窗的保温性能后，还必须进一步加强屋面保温隔热的研究。屋面节能措施的要点，其一是屋面保温层不宜选用密度较大、导热系数较高的保温材料，以免屋面重量、厚度过大;其二是屋面保温层不宜选用吸水率较大的保温材料以防屋面湿作业时因保温层大量吸水而降低保温效果，如选用吸水率较高的保温材料，屋面上应设置排气孔以排除保温层内不易排出的水分。现在，高效保温材料已经开始应用于屋面，一些建筑的屋面保温，采用膨胀珍珠岩保温芯板保温层代替常规的沥青珍珠岩或水泥珍珠岩做法，就克服了常规作法的诸多缺点。这种保温芯板施工方便、价格低廉、不污染环境;芯板为柔性制品，不仅适用于具有平面的屋面，也可用于带有曲面的屋面，其保温工程更可显示出它的优越性。其主要技术指标，表观密度为110～150kg/m3;导热系数为04～06W/m·K;蓄热系数为90～11m2·K。抗压强度大于2MPa;吸水率小于01%;蒸汽渗透系数为18×10-7g/Pa[5]。这些指标充分体现了膨胀珍珠岩密度较小，导热系数较低，而且吸水率和蒸汽渗透系数也都很低。这是保温性能好的材料所必须具备的。2001年已经在西宁污水处理厂的数百平方米屋面工程中使用，收到了好的技术经济效果。利用太阳能 地球拦截的太阳辐射能相当于目前全球电力消费量的1500倍。而在现有技术、经济条件下可供开发利用的太阳能，只占理论资源量的很小一部分。据美国能源部评估，1990年美国太阳能经济可开发资源量约为22Mtce/年，仅为技术可开发量的6%。所以，太阳能的开发利用有巨大的潜力。太阳能作为一种可再生的洁净能源，是建筑上很具有利用潜力的新能源之一。太阳能在建筑上的利用方式主要有，被动式太阳能采暖、太阳能供热水、主动式太阳能采暖与空调、以及太阳能发电等等。我国太阳能资源丰富，陆地每年接受的太阳辐射能，相当于4×1012tec，2/3国土面积的太阳能总辐射量超过6MJ/m2[6]。如果将太阳能源充分加以利用，不仅有可能节省大量常规能源，而且有可能在某些区域完全利用太阳能采暖。夜间通风 夜间通风方法的原理是在夜间引入室外的冷空气，通过冷空气与作为蓄热材料的建筑维护结构接触换热，冷却建筑材料，达到蓄冷目的。在夏季，为了获得舒适的室内环境，则需要空调供冷系统。而此时，因为夜间的室外空气温度比白天低得多，所以夜间室外冷空气则可以作为一种很好的自然冷源加以利用。严格地说，只要室外空气温度低于室内空气温度，此时的室外冷空气就可视为可利用的自然冷源。
