热量去哪儿了？

她挖了一个漂亮干爽的洞穴……并且在洞穴的后面她用木头点燃了一堆火，然后她挂上了一只干的野马皮，将野马皮的尾巴朝下，横穿洞口。

R.Kipling，《独来独往的猫》

在石器时代，当人们通过生火来温暖他们的住所（山洞）时，几乎所有产生的热量都保持在了住所中。然而，除了热量，还产生了不受欢迎的燃烧产物。在通过分开火、烟气和居住空间一千年以后，这种状况改变了，除去了令人难闻的燃烧副产品。但是这极大地降低了供暖系统的效率。烟囱的气体带走了相当大的一部分燃烧产生的热量。从古代开始，花费在住所取暖上的燃料量大大增加了。

在一些北部国家诸如加拿大、俄罗斯、斯堪的纳维亚半岛和较冷年份的不列颠，住所供暖的燃料消费是国家能源供给平衡的主要部分。要知道很重要的一点是几乎所有的住所的供暖都是热能的耗散和的损失。

我们力图避免任何繁复的计算。假设锅炉房和输水管道是理想状态不与外界换热，热流Q∗持续地从锅炉供热至用户群。

烟气的平均温度大约是1100K，参考温度（室外空气）是270K。Q∗的分数部分，流等于（1100-270）/1100＝075Q∗。在热用户群一侧，允许的温度至多为90℃或者363K。这里，流是（363-270）/363＝025Q∗。如果再考虑到燃烧和一些的水力阻力损失，上述的效率显然会降至015～018，这意味着只有六分之一的燃料的可以到达消费者。如果我们用电加热器，则燃料的只有更小的一部分到达我们的房间，大约只有6％。

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图9-9 单位能量的使用和消耗历程，包括建造和运行的时间（Yantovsky，1984）

第一个认识到在供暖上节约燃料有巨大潜力的人是威廉·汤姆森（很久以后，罗的·开尔文）。在1852年，他发表了题为《通过空气对流节约建筑采暖和制冷能耗》的论文。论文中提到了热倍增器。它包括一个空气膨胀器、一个热交换器、一台压缩机和一台热机。当环境空气膨胀至大约70％大气压力时，温度会降低，然后在热交换器中被常温的空气加热，然后再被压缩到常压。空气的温度升高到环境温度以上。即使当室外温度很低时，这也能使得室内变得足够舒适。要注意到燃料不是直接用来加热空气，而是驱动发动机来带动压缩机。温度的升高是由一个膨胀压缩过程产生的，这就避免了巨大的换热温差，与卡诺的避免大的温差换热的建议是一致的。

图9-10 总效率随效率的变化 曲线（Iantovski，1998）

威廉·汤姆森乐观地希望只用当时火炉取暖加热燃料的3％就能加热房间。我们可能疑惑这个数字是多么的接近于前者（低效率的）采暖系统的效率。这个想法给世界带来了巨大的商机，由此诞生了几千万这样的被称为热泵的机器。它们不同于汤姆森的设计，使用了许多其他的工质来代替空气，并且大部分都是由电动机来驱动。许多大型机组是由热机驱动的，有活塞式的也有汽轮机。热泵不能产生很大的温差。温差越大，燃料经济性越差。图9-10是（热泵的）损失示意图。从无用的能量的常温水（低品质热量）通过来自左侧的或多或少的高品质能量的消耗被提升至高的温度。去往右侧的有用的能量是低品质能和消耗的功的总和。我们已经在效率表中比较过，热泵的效率超过了直接加热类型的设备，是电热水器效率的3倍还多。

未来供热工程师的挑战是使供热效率达到电厂那样的水平，那将会是40％而不是现在的不到20％。这将会大大地节约燃料量并提高经济性。