基于场效应的能源规律与发展策略

2023-08-03于齐东

上海节能 2023年7期

于齐东

天津大学环境科学与工程学院

0 引言

能源是人类生存与社会发展的基本动力，同时，也是每个时代学者们研究的热点与焦点。从广义而言，能源是满足人类需求且含有能量的载体统称，它可以为有形物质，例如：阳光、风、潮汐、各类水源、海藻、洋流与海浪、土壤、秸秆与生物垃圾、高压气流、空气以及各类燃料；也可以是无形的场，例如：电场会对内部电荷产生电场力并使之定向移动形成电流，而电流又会做功产生热、力、光等效应，此类现象是场能的反映。随着“十四五”规划与“双碳”目标的提出，能源的可持续与清洁利用是未来发展的方向，特别是强化太阳能光伏技术［1-2］与地源热泵［3-4］、空气源热泵［5-6］以及水环热泵［7-8］联合使用来解决建筑高能耗问题。为了更有效开发与利用各类资源以及架构更合理的能源发展框架，笔者提出以下急需解决的问题：第一，确定能源的属性来构建动态结构模型；第二，解析运动特征来揭示能源的内部驱动机理与外部效应对人类社会的影响；第三，归纳运动规律为能源政策制定提供科学依据。

1 能源

如果人类能够完全掌控一个系统，那么其属性、结构、运动空间与特征、驱动力、能量传递与转换等环节必须被充分认知，这提供了研究能源及其运动规律的途径与线索。

1.1 属性与结构

1）静态与动态属性

依据电磁学理论［9］，有形物体与无形场都属于物质并具有能。在静态，物质的能表现为势（能的积聚状态），例如，电学中的电势；在动态，它则为对外做功或热交换（能的释放状态），例如：高温高压气体会通过做功来释放热能。针对释放途径，笔者认为：能量源于载体的外在功能与内部作用方式，例如，通过光热［10］与光电［11］等外在效应，太阳会释放辐射能来实现能量转换；基于原子核裂变与内部链式反应［12］，铀、钍、钚等元素将释放巨大的核能，因此，在某种程度上，人类对能量释放机理的认知与应用将反映一个时代的科技水平，这说明：作为释放载体，能源具有静态属性，其特征表现为对生产力、环境与经济的推动作用。

另一方面，随着社会发展与应用深化，新能源会在使用过程中显露弊端，依据文献［13-16］，这些问题使人类对能源及其可持续性产生了新的需求：在知识层面，它们表现为探索新的释放机理来拓展资源应用范围，例如，相对论［17］与纳米思想使核能［18］与新型材料［19］得到广泛应用；在技术层面，它们表现为可再生能源利用与多学科交叉融合来实现新的技术增长点，例如，热泵［20-21］、氢能［22-23］与生物质能［24-25］技术；在政策层面，它们表现为资源利用的可持续性与环境污染控制，例如，科学发展观、煤改气电以及“双碳”目标。因此，人类对能源的认识与利用在不断进步，这也证明，能源还具有动态属性，而问题与需求是其发展的动力。

2）动态体系结构

基于属性分析，人类使用资源的目的是获取其能量，因此，释放机理与途径的认知成为能源利用与开发的前提，通常，它们来自理论与学术假说。新学说提出后，人类会设计相关装置检验释放机理对资源的实际效果，并以此研发新设备来实现能量转换与利用，同时，依据新资源的能效与社会驱动作用，人类会制定相关政策来鼓励其发展。基于此，能源及其运动源于理论，验于实践，效于社会并以此为逻辑关系呈现层状结构，其属性与结构模型如图1所示。

图1 能源的动态结构图

1.2 运动特征

1）边界层假设

在上述模型中，所有组成部分处于一个有边界层［26］特征的广义空间中，笔者提出此假设的理由如下：首先，从蒸汽时代至今，人类对能源的需求与使用始终处于动态过程，而受知识储备与技术手段影响，资源开发的种类与利用效率又存在较大差异并导致不同时代的划分，例如，热能应用的蒸汽时代、核能应用的原子时代以及新能源时代等；另一方面，在流动过程，受不同作用力影响，流体的流速会出现显著变化并导致层流与紊流边界层划分，而边界层的变化对流体运动状态与传热传质特征［27］会产生显著影响，基于此，无论能源还是流体，它们都处于运动中并采用特定的评价指标来描述运动过程与作用效果。其次，在新世纪，基于学科交叉思想，新资源与复合型系统解决了先前的技术瓶颈并形成了新的经济增长点；同时，既有资源利用效率也得到了快速提升，特别是建筑节能技术［28］，这种发展的质变与边界层转换对流动的影响相似并可以进行类比。最后，社会发展与能源结构会存在适应到不适应的变化过程，而人类也不断地调整它们之间的矛盾来促进社会和谐发展，这与Reynolds［29］提出的惯性力与黏滞力的作用关系相似。

2）特征描述

基于上述假设，能源的发展是一种广义的流体运动，其运动特征可归纳为：

第一，能源运动具有空间与时间属性，空间是指它的应用范围；时间则揭示运动的不同发展阶段。

第二，人类的需求是运动的驱动力，而资源能效与可持续性是评价的核心指标。

第三，政策与结构框架是人类对资源应用效果的主观反映，它对运动的整体进程具有指导与约束性。

1.3 约束空间

1）因素分析

基于运动的主观驱动性，结合运动空间与能量属性，笔者对能源运动进行深度解析。驱动力、能效与空间是描述运动的基本要素，而能源运动又会使它们呈现新特征。

驱动力：人的需求是驱动力并具有主观性，而知识水平又决定其作用效果；通过“热能→原子能→纳米能源”的衍变过程，驱动力具有动态属性并呈上升趋势。

能效：作为受控体，能源运动是做功过程并产生能效。在客观层面，能效是新能源应用对生产力的促进作用；在主观层面，它则是基于可持续性与环境效益，人类构建的能源框架与发展策略对社会产生的综合效益。基于此，能效是资源运动的累积，而人的主观性会影响其作用效果与发展方向。

空间：运动会形成具有特定属性空间，新能源为空间内核；通过内核运动，空间会不断拓展作用范围并吸收运动功来提升自身能态，案例证明：发现原子核链式反应→制造原子弹→利用核能发电，因此，运动空间具有容纳能量属性与拓展能力。随着可持续性与环境变化，既有能源与社会发展会出现矛盾并引发新运动，案例证明：化石燃料会导致温室效应与大气污染,而核污染对环境影响更严重，这说明，能源的应用存在界限与空间能量饱和性，当超出此界限后，空间会对运动形成阻滞并对社会发展产生负效应，因此，通过技术与观念转变，新能源会取代传统能源成为新动力，能源运动也会形成突破并由低能空间跃迁至高能空间，能源发展引起的时代变迁已证明此结论。

2）空间定义

基于上述讨论，笔者定义“约束空间”来描述不同时期的能源运动，它利用“动态能量圈”来反映运动产生的能效，在这里，“约束”揭示空间的能量饱和属性；“动态”描述运动使空间具有延展性；“能量圈”表明：在一个稳定时期，新资源及其发展策略对社会产生的驱动能势，其作用就像电场中不同位置的电动势，不同时期能源运动过程与对应的约束空间如图2所示。

图2 约束空间与场效应原理图

1.4 场效应

1）形成条件

通过分析图2，笔者提出“能源运动对社会发展具有场效应”的新观点。“场”属于无形的抽象物质但具有力与能双重属性，其形成条件包括以下方面：

场源与激发：纵观发展史，人对能源的需求是运动起源并形成不同的发展时代；在不同时代，运动过程都有主导能源，它是这个时期运动的内核；随着人类认知深化与转换装置研发，主导能源会不断拓展其应用范围并以此为核心形成约束空间，因此，人的需求既是运动场源又是激发条件。

属性与释放：利用途径与转换装置的改进会不断增加能源运动速度及其对生产力与社会发展的推动作用。案例分析：相比热利用，光伏技术［11］会提升太阳能对生产力的推动作用，因此，运动过程具有力属性与加速效果。另一方面，在不同时期，新能源［18-19］使用都会对生产力与人类社会产生能效，这里的能效是指社会发展的综合效益（包括生产力、经济、环境以及国家政策），因此，运动过程具有能属性并能进行释放，其作用就像电荷定向运动会形成电流，电流对外可产生热、力、光等能量效应。

分布与能势：由前文使用的核能案例，在不同发展阶段，同种能源会产生不同的能效（能源的横向比较）；基于热能、原子能及纳米能源的应用比较，在不同时期，不同种类能源会产生不同能效（能源的纵向比较），因此，运动过程会形成“能势”分布并以此来描述不同阶段（或时期）运动对社会发展的推动力，其作用就像不同位置电势会产生不同的电场力。

基于此，能源运动具备形成场效应的客观条件，因此，笔者应用“场”的作用机理来解析能源运动过程及其能效。

2）作用机理

基于上述分析，笔者将人的需求设为“原点”（场源），以“运动过程”为横轴，以约束空间对社会发展产生的“能势”为纵轴来描述运动过程形成的场效应，其作用机理如图2 所示。为了充分认识能源运动，按发展过程，笔者对场效应运行机理进行以下解析：

运行与阻滞：通过分析太阳能［10-11］与核能［12］的应用文献，运动被激发后，它会处于快速发展阶段并不断扩展约束空间作用范围与驱动能效。随着应用深化与认知增长，能源使用过程的负效应会不断显现，依据前文提供的大量文献，它们包括：化石能源燃烧产生的环境污染、核发电存在的泄漏风险以及太阳能转换效率，这些问题已充分证明，某种能源发展到一定阶段，其运动空间会形成阻滞，这种制约通常来自储备、转换效率以及外界影响。

循环与跃迁：长期的制约会形成危机，而危机引发的能源问题是维持运动的内因，同时，人类也会在解决问题过程中产生新的认识，如图1 所示，“煤改气电”是以政策调整来控制煤炭燃烧产生的污染，实质上，问题与政策之间会形成循环，依据热力学原理［30］，循环是做功的过程，其能效是缓冲约束空间对化石能源的阻滞与负效应；学科交叉是解决问题的另一种途径，通过多学互补与融合形成新的技术增长点来提升现有资源的利用效率，其循环产生的能效是延伸既有能源的约束空间；机理探究来开发新能源是解决问题的根本方法，因为它会形成新的能源内核来实现约束空间的突破与跃迁，文中引用的文献已充分证明，通观微观层面的认知，核能与纳米材料产生的能效要远高于宏观层面化石能源燃烧释放的热能。

场能释放：问题与需求会导致新能源不断涌现，这不代表旧能源被弃用，实质上是一个包容与共同发展的过程，新能源会突破旧能源形成的约束空间并实现运动空间突破并使场能不断增加，因此，新旧能源的交替反映了场能的释放过程，其产生的结果就是主导能源时代的变迁，是化石能源到新能源的过渡过程。

1.5 运动规律

综上所述，笔者归纳能源运动的总体规律如下：第一，能源是一个广义的评价系统，它具有静态与动态双重属性并在一定程度上能够反映人类社会的发展水平；第二，能源结构是由理论知识、应用技术与政策策略构成动态框架，它的运动处于有边界层特征与能量属性的“约束空间”中并遵循“问题→认知→技术→政策→新问题”形成的动态循环；第三，能源运动具有场效应，人的需求是场源与驱动力，运动产生的能源交替是场能释放的反映与社会进步特征。此规律告诉我们，在新世纪，探求能量释放机理、开发新型能源系统以及进一步发展能量回收技术对人类社会发展具有关键作用。

2 发展

2.1 新趋势

进入新世纪后，随着人类对能源的无止境开发与过度使用，酸雨蔓延［31-32］、大气臭氧层耗损［33］、温室效应［34-35］、城市热岛效应［36-37］等全球性的危机与灾害频繁发生，特别是大气中PM2.5［38-39］对人体健康产生严重威胁，这些现象表明：过度使用化石能源已对人与人类社会产生明显负效应，这也证明能源发展存在约束空间。基于此，各国政要与研究者都将本国未来的能源发展框架与实施模式作为重要课题，同时，他们也都在探求经济发展与维持生态平衡的合理契合点，在这方面，我国提出的“科学发展观”与“双碳”目标是典型代表。依据近期世界能源储备与消费结构图(见图3)，笔者发现各国能源发展策略出现了一些新变化。

图3 世界能源消费结构与储备图

首先，在消费结构中，虽然煤炭、石油与天然气等化石能源仍是主要的能源消费品，但其消费比重已呈明显下降趋势，特别是欧美发达国家；水能、核能以及可再生能源的消费量占据一定比重并呈上升趋势，因此，“清洁能源”对人类社会稳定与可持续发展的重要性已成为各国的共识。其次，在各国能源消费结构中，“清洁能源”存在较大差异并出现可再生能源利用率偏低现象，其原因：国情与自然条件制约；资源积聚与转化还存在技术瓶颈并导致转换效率偏低；设备投资较高等问题。最后，化石能源枯竭已成事实，而太阳能资源却具有无限潜力，大力发展可再生能源技术、提高能源利用效率与节约化石能源是未来各国发展的重要途径，特别是处于高速发展中的我国。

2.2 政策调整

我国属于发展中国家，同时，为了适应高速的经济发展与全面建设小康的迫切要求，也成了能源消耗大国。面对日益严重的环境与能源问题，每届政府都提出“低碳、节能与环保”作为经济建设必须坚持的发展理念，同时也将“节能减排”作为各项工作的审核指标。为了进一步构建低碳社区，同时，控制PM2.5对大气环境的污染，国务院颁布了《国务院关于印发大气污染防治行动计划的通知》（国发〔2013〕37 号），此后，国家发展改革委也组织编制了《低碳社区试点建设指南》（发改办气候〔2015〕362 号）并提倡实施“煤改电与煤改气”政策来缓解雾霾天气，结合工程案例，笔者对其产生的效果进行以下总结：第一，依据薛亦峰［40］与程晗［41］等报道，在实施“煤改电”工程后，北京及周边地区的PM2.5、PM10、SO2、NO2、NOx以及VOC 等大气污染物浓度出现了显著下降；相比“煤改气”，“煤改电”政策更适合我国北方农村。第二，依据于齐东［42-50］与张翔［51］等报告，在实施电力削峰填谷优惠政策后，热泵系统冬季运费呈显著下降趋势，因此，“煤改电”政策对热泵供暖技术推广具有较大推动作用，特别是水环热泵与空气源热泵供暖。基于此，热泵系统研发与高效应用将成为完善我国能源结构与解决当前环境问题的另一条重要技术途径。

2.3 能源与发展关系

基于国内外政策的调整，笔者归纳能源与发展具有以下关系：首先，发展是能源的主观反映，因此，两者具有对应性，即合理的能源结构会促进人类社会和谐发展与生态文明建设，反之亦然，应注意，这种对应性具有延时效应，这也是人类未能及时认清不合理发展方式会产生恶果的主要原因；其次，依据运动规律，世界能源发展的整体思路是向低碳与高能效进行过渡，其核心在于如何突破化石能源形成的约束空间，如何寻求新的能源替代品，这将涉及思想创新、理论创新、技术创新与制度创新；最后，作为重要的选择，进一步开发可再生能源与提升它们的转换效率对人类社会未来发展具有关键作用。