火是人類誕生之母，熱為人類生存所依。從原始社會(huì)到現(xiàn)代社會(huì)，時(shí)間尺度長(zhǎng)達(dá)百萬年，熱能實(shí)際上一直是人類需求和實(shí)際消費(fèi)的第一大能源類型。熱能作為人類第一能源的狀況今后也不大可能改變，因此，研究熱能的經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)換和利用，是一個(gè)極其重要的課題。

近一百年來，隨著多勃羅奧夫斯基電力系統(tǒng)的發(fā)明和推廣，產(chǎn)生了以社會(huì)化電力供應(yīng)為基礎(chǔ)的現(xiàn)代文明。其間，一種值得檢討的技術(shù)及其產(chǎn)品也迅速蔓延開了，這就是令人痛快一時(shí)的電熱技術(shù)。今天，電爐、電窯、電干燥器、電烤箱等工業(yè)電熱設(shè)備，電取暖器、電飯煲、電熱水器等家用電熱裝置，已經(jīng)充斥于社會(huì)生產(chǎn)生活的眾多熱能消費(fèi)領(lǐng)域。它們以等于或者略小于1的似乎過得去的效率，將高品位的電能轉(zhuǎn)化為低品位的熱能供消費(fèi)。這些大大小小的電老虎，消耗著市售電能總量的50%以上的份額，能源和環(huán)境載荷因而至少增加了1÷(0.5+0.5÷4)-1=60%。

今天，能源危機(jī)和環(huán)境危機(jī)的警鐘已經(jīng)一再敲響，能源浪費(fèi)已經(jīng)難以為續(xù)了。為探討這一主題并尋求解決之道，熱泵技術(shù)是一種具有驚人的節(jié)能潛力的好技術(shù)，但就是因?yàn)樗昧耍灾掠诹钊穗y以置信而被擱置得太久。它在理論上和概念上也太深?yuàn)W了，以致于能夠理解的人不多，甚至有許多人還誤以為它是屬于第二類永動(dòng)機(jī)的技術(shù)妄想。它在現(xiàn)實(shí)的經(jīng)濟(jì)生活中也太超前了，以致于在能源極其廉價(jià)的年代里很難找到需求。在歷史的、文化的、經(jīng)濟(jì)的和配套技術(shù)方面的阻礙因素的制約下，熱泵技術(shù)雖歷經(jīng)百年，卻一直未能得到普遍應(yīng)用。這在大部分實(shí)用技術(shù)均能得到快速傳播和應(yīng)用的上個(gè)世紀(jì)中，是一種罕見的特例。其中的教訓(xùn)也很值得探討和總結(jié)。

50年前，蘇聯(lián)工程師設(shè)計(jì)了一種可以“泵熱”的機(jī)器，能從冰涼的莫斯科河中“泵取”熱量，我相信我當(dāng)時(shí)崇拜的蘇聯(lián)工程師的設(shè)計(jì)一定正確，但卻無法理解其原理。

熱力學(xué)是在研究熱機(jī)理論模型的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，法國(guó)工程師卡諾和德國(guó)科學(xué)家克勞修斯等人為熱力學(xué)作出了奠基性的貢獻(xiàn)。熱力學(xué)的幾大定律，尤其是熱力學(xué)第二定律及其推論，引起了近現(xiàn)代物理學(xué)乃至數(shù)學(xué)、天文學(xué)、生物學(xué)和哲學(xué)的觀念變革。熱力學(xué)概念及其方法還是并稱現(xiàn)代科學(xué)三論之一的山農(nóng)《信息論》的思想源泉。

熱泵技術(shù)是演繹熱力學(xué)的準(zhǔn)平衡過程理論的結(jié)果。作為一種新能源技術(shù)，其理論上論證的變熱系數(shù)指標(biāo)確實(shí)令人難以置信地高。這種指標(biāo)放到當(dāng)今的能源危機(jī)的大背景下來分析時(shí)，所凸現(xiàn)出來的價(jià)值特別地鼓舞人心。顯然，熱泵技術(shù)能夠大大地緩解當(dāng)今世界的能源危機(jī)和環(huán)境危機(jī)，并且，人類要想克服能源危機(jī)和治理溫室氣體，也非要借助于熱泵技術(shù)不可。如前所述，痛快一時(shí)的電熱技術(shù)使能源和環(huán)境載荷增加60%以上，如能全部采用熱泵技術(shù)予以替代，相應(yīng)減荷率將至少達(dá)到1-1÷1.6=37.5%。實(shí)際上，除了電爐、電窯可能以化學(xué)高溫?zé)嵩刺娲侠硪酝猓溆嗟慕^大部分均能以熱泵替代。當(dāng)然，對(duì)于那些科學(xué)素養(yǎng)較高但又恰恰不懂熱力學(xué)的人，他們一定會(huì)以為節(jié)能率達(dá)到75%～80%的熱泵指標(biāo)不可思議，會(huì)以為是搞錯(cuò)了或者是撒謊。他們更不會(huì)知道，經(jīng)過改進(jìn)以后，熱泵的節(jié)能率還可能達(dá)到90%，這就更神奇了。

熱泵技術(shù)的基本概念中，形式邏輯簡(jiǎn)單但卻難于遞進(jìn)理解并且容易產(chǎn)生悖謬的是變熱系數(shù)和能效比的概念。前者的定義是熱泵向高溫?zé)嵩瘁尫诺臒崃颗c泵熱過程的壓縮功之比，該比值與高低溫?zé)嵩吹臏夭畛煞幢鹊男再|(zhì)意味著所泵熱量與壓縮功并不是等量的，并且可能被放大許多倍，這與功熱當(dāng)量的概念似乎有表面上的矛盾。而能效比則是一項(xiàng)工程指標(biāo)，通常以電能或電功率為輸入測(cè)度，以輸出熱量或熱流為效果測(cè)度，稱兩者之比為能效比。該比值是變熱系數(shù)的實(shí)現(xiàn)值，因而也容易產(chǎn)生理解上的困惑。

現(xiàn)有熱泵技術(shù)的能效比已經(jīng)能夠達(dá)到4～5的水平，這相當(dāng)于以1千瓦的電功率獲得4～5千瓦的熱功率。“相當(dāng)”是指實(shí)際效果“相當(dāng)”，這種實(shí)際效果產(chǎn)生了類似于有麥克斯韋妖精在操作的神奇。麥克斯韋妖精是一個(gè)導(dǎo)致熱力學(xué)悖論的統(tǒng)計(jì)操作命題，這樣的妖精因動(dòng)力學(xué)缺陷而不可能存在。熱泵循環(huán)沒有動(dòng)力學(xué)缺陷，它的狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程是可準(zhǔn)平衡解釋的實(shí)際過程，是可運(yùn)行和可重復(fù)的過程。它的效果確實(shí)是神奇的，具有出人意料的倍乘效益，這正是熱泵技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和魅力之所在。出人意料是因?yàn)槿藗冾^腦中的觀念被電熱技術(shù)的經(jīng)驗(yàn)所禁錮而造成的。火車剛發(fā)明時(shí)被稱為鐵馬，鐵馬比馬跑得快曾經(jīng)令許多參觀者大驚失色，覺得不可思議。當(dāng)人們理解和習(xí)慣了火車以后，就認(rèn)為它比馬快幾倍是正常的了。鐵馬不是馬，機(jī)制不同因而速度差異大。同理，熱泵不是電熱絲，機(jī)制不同，發(fā)熱效果因而差若干倍也同樣地?zé)o需大驚小怪。在熱力學(xué)概念上，熱量和熱流是不能等同于熱能和熱功率的，否則將得出違反能量守恒定律的結(jié)論。

當(dāng)熱力工程僅僅需要熱量和熱流時(shí)，它們與電熱技術(shù)轉(zhuǎn)換的熱能和熱功率等使用價(jià)值。因此，采用能效比為4～5的熱泵技術(shù)，可以節(jié)電75%～80%。考慮到現(xiàn)代電網(wǎng)的熱能型消費(fèi)的比例超過50%和其中約80%可以采用熱泵技術(shù)替代的事實(shí)，則普及熱泵技術(shù)的電網(wǎng)降荷率將超過30%～32%。這對(duì)于緩解能源危機(jī)和環(huán)境危機(jī)顯然具有特別巨大的意義。

熱泵系統(tǒng)的心臟是壓縮機(jī)，現(xiàn)有的熱泵壓縮機(jī)技術(shù)存在著效率偏低和成本偏高兩大技術(shù)性瓶頸，這影響了熱泵技術(shù)的普及。中國(guó)的熱泵研究和熱泵應(yīng)用起步較晚，目前階段所用壓縮機(jī)幾乎全都依賴進(jìn)口。進(jìn)口壓縮機(jī)的價(jià)格問題更是突出，其效率指標(biāo)也不理想。