关于地底能量的那些事

科普中国-科学原理一点通 2017-12-06

　　许多人以为，所谓地热能就是指剧烈的火山喷发、沸腾的温泉等，其实不是这样的，在更多情况下，地热能表现为“温和”的地表浅层低温状态。地球内部的温度高达7000℃，而在100英里左右的深度处，温度会降至900℃左右。热能透过地下水的流动和熔岩涌至离地面1～5千米的地壳。高温的熔岩将附近的地下水加热，这些加热了的水最终会渗出地面。

　　你知道岩浆湖吗？

　　在夏威夷就有这样一个岩浆湖，它位于基拉韦厄火山口里，它是当今地球上仅存的两个岩浆湖之一（另一个在非洲东部的尼拉贡戈火山口）。夜晚，从火山口上空向下看，不仅能感受到炽热灼人的烈焰，还可以看到湖中的熔岩像翻滚的糖浆一般，偶尔还有火红的岩浆似喷泉一样冲破湖面射向空中。岩浆湖里的岩浆温度可达近千摄氏度，尽管它直接暴露在空气中，却能持续不灭、不凝。这是什么原因呢？原来是岩浆湖的下面有着强烈的热源在不断输送，岩浆湖就像是地球内部巨大热能的一个出口。

　　实际上，地球上数以百计的活火山，以及数不胜数的沸泉、温泉等，也都是规模不同的地球内部热能的宣泄口。甚至地热还以我们不易察觉到的方式，悄悄地通过热传递的方式，散发出来。这好比我们身体里的热量会通过皮肤散发出来一样，抑或像冬天室内温热的暖气会从门窗缝隙溜出去一样。

　　熔岩翻滚的岩浆湖

　　听说过地源热泵空调吗？

　　在酷热的炎夏，从水井里打出的水，沁人心脾；在雪花飘飘的寒冬，井水冒着丝丝热气，用手探入使人感受到一阵温暖。这是因为浅层地表就像是一个天然的“恒温箱”，这一切都是地热作用的结果。如果夏天能利用起来制冷，冬天能利用起来制暖，那不就起到冬暖夏凉的空调效果了吗？人类的科学家们已研发出“地源热泵”空调，利用的正是地表浅层地热能，此举不但能节约能源，还具有几乎没有污染、可持续利用等优点。

　　这种地源热泵空调的工作原理和电冰箱一样，通过制冷剂在蒸发器、压缩机、冷凝器等部件中沸腾和凝结的循环，将低温物体的热量传递到高温物体中去。只不过电冰箱是单向传热的，地源热泵则可双向输热。

　　地源热泵主要由三部分组成：一是地下换热系统，就是把井打到地层的储水层，冬天把地下水抽出来，经过加热供给居民住宅作暖气使用，这是“地下供热的模式”。夏天，空调器散发的热量把水加热，通过管道回灌到地下储水层储存起来，这样可避免空调散发的热量散布到空气里提高地面温度，这是“地面的空调模式”。二是水源的热泵机组，也就是抽取地下水和热水回灌地下的泵机与管道系统。三是“暖气管道”和“家用空调器”系统。地源热泵组成的空调比一般空调运转更稳定，并且从土壤到热泵之间的换热效率高，热量损失也小。预计到2030年美国地源热泵提供的热能相当于6800万吨石油。但是，目前地源热泵的安装对技术的要求较高，维护工作相对困难，还必须要解决好热水回灌污染地下水等一系列问题。