第39集 令人担忧的电价上涨问题传来好消息日本冷热王牌“地热空调”技术的惊人细节

第39集 令人担忧的电价上涨问题传来好消息日本冷热王牌“地热空调”技术的惊人细节

发布于 2023 年 3 月 9 日
Bluebacks 编辑部 Tatsuaki Kuroda 的采访和文字

这样的电费是谁付的？

“很贵”

“很贵”

飞涨的电价直接冲击着日本列岛。在位于东京某处的探险队办公室里，队长和队员加田看着本月的电费账单叹了口气。

“为什么这么贵？”

“毕竟，原油和天然气的价格因乌克兰战争而上涨，并且为了应对全球变暖而对化石燃料的使用进行了限制。”

“我们不能做点什么吗？”

“政府已开始实施支持措施，但这与世界能源问题直接相关，因此很难从根本上解决。”

关掉空调的办公室里，队长一边大声打喷嚏一边向卡达下达命令。

“在这种情况下，我认为 AIST 可以采取一些措施。立即给我们打电话！”

“好吧，那不是奥特曼……”

卡达无奈地拨通了电话，挂断电话后大声说道：

“队长！好像现在有来自 AIST 的人来了！”

这不是地热，而是“地热”

“你是AIST的奥特曼吗？”

当队长询问时，出现在办公室的人微笑着回答。

“不，我是一名推销员。”

我收到的名片上写着“国立产业技术综合研究所”福岛可再生能源研究中心地热小组研究小组组长 Yohei Uchida。''

“例如，如果我们正在开发的能源用于供暖和制冷，功耗可以比正常情况减少30%到40%。此外，它还可以减少40%到50%的二氧化碳排放量！在进行研究的同时，我也是一个自称的‘推销员’，同时致力于传播人们对这种能源的认识。”

在内田先生突然的呼吁下，船长和加田向前倾身。那么，你有这么方便的能源吗？那到底是什么？

“这是地热”

地热？啊，你说的是地热能。用于地热发电。

“每个人都这么说。但事实完全不同。”

什么！？

“地热利用地下2,000至3,000米深处岩浆产生的热量用于发电和其他用途，温度可达200摄氏度或更高。但地热产生的深度要浅得多，从几十米到最多100摄氏度。它是从地下约15 m深度提取的热量。温度仅略高一些地热是地球深层活动产生的热量，而地热是来自地面被太阳加热的热量。

唉……这么不冷不热的温度还有什么用吗？

“它不能用于发电。但别被骗了。事实上，我们知道绳文人也使用地热。”

嘿，绳文人使用地热吗？

“全国各地都发现了他们居住的坑式住宅的遗迹，据了解，他们平均挖了约50厘米深的洞。他们为什么要这样做？”

“人们认为这是因为挖地是为了夏凉冬暖。尽管地面温度随季节变化，但地下温度全年几乎恒定。我们还知道，越往北走，坑洞住宅中的洞往往越深，那里的天气越冷。”

热量在地下传播极其缓慢

嗯，我明白了。但为什么地下温度变化不大呢？

“请看这张[地下温度季节变化]图表”

先生内田从包里拿出一台笔记本电脑，给他看了一张图表。春、夏、秋、冬四个季节的地下温度用颜色编码线显示。

“所有线路在地下 0 m 深度处从地面绘制出平滑的曲线，但在 10 m 深度以下，所有 4 条线路的平均温度均为 15 ℃。也就是说，全年气温都在这个水平左右。因此，在夏季，地下比气温温暖，比气温凉爽。我们可以更明智地利用这种温差。今天我要向大家介绍的系统就是地下热利用系统。

地热对于节能和全球变暖对策非常有效！

先生内田指着办公室墙上的空调说道。

“传统的空调由位于房间内的室内机和位于室外的室外机组成。每个房间内的热交换器通过管道连接。制冷剂气体携带的热量通过这些管道循环，冬天将室外的热量引入室内，夏天将室内的热量排出到室外。”

我大概知道这一点。

``然而，在地热利用系统中，空调室外机的热交换器埋在地下。地热交换器”

将热交换器埋在地下有什么好处吗？

“很好。例如，在冬天，当空调将 25 摄氏度的热空气吹入房间时，它会使用室外机从室外收集热量。从 0 摄氏度的室外空气中收集，还是从 15 摄氏度的地下收集，哪个负载更重？在地下排放 ℃ 的热量怎么样？你可以看到地下的负荷要低得多。”

先生内田一边切换电脑画面一边说道。

“这意味着更少的能源消耗。让我们看一个例子。”

屏幕上，[节能/地源热泵二氧化碳]₂减少效果]的条形图。

“橙色条形图显示了北海道的房屋、弘前市（青森县）的公共设施以及山口县的初中实际安装了地热能系统，与使用煤油供暖和制冷相比，节省了多少能源。效果一目了然。”

更重要的是，内田先生继续强调。

“绿色条形图比较了二氧化碳排放量。地热利用系统排放的二氧化碳也比传统空调少得多。”

看着图表，船长和卡达想到了同样的事情。到目前为止，当我们谈论能源问题时，我们只想到如何发电，但即使我们减少用电量，结果也是一样的。更重要的是，如果它能够减少二氧化碳排放，那么它作为一种可再生能源将是完美的，目前全世界都需要这种可再生能源。我不知道地热是这么好的东西

日本是一个地热极其不发达的国家！

加田问内田先生。

“除了日本之外还有其他国家使用地热吗？”

先生内田笑着摇了摇头作为回应。

“利用地热的供暖和制冷系统在欧洲和美国已经相当流行。在北欧，据说每三到四个家庭中就有一个拥有一台。这是一张显示世界上地热能使用量的图表，正如您所看到的，日本是世界上地热能使用很少的国家之一。”

噢，是这样吗？

“集中供暖最初在西方家庭中很常见，通过锅炉加热的热水被输送到安装在房间内的散热器以供暖。但是，随着 20 世纪 70 年代的石油危机，人们开始研究地热。”

当时在日本闹得沸沸扬扬，但我从来没有听说过地热……一位了解石油危机时期的船长嘀咕道。

“为什么在日本使用得这么少？一个原因是文化差异。在欧洲和美国，许多家庭都有集中供暖，每个房间都已经有管道，所以向地热的过渡很顺利。但是，在日本家庭中，单独供暖是常态，所以情况并非如此。”

先生内田继续说道。

“而且，地热能的利用并不引人注目，这似乎阻碍了它的广泛使用。毕竟地热热交换器埋在地下，室外机没有风扇运行，所以非常安静。这是一个很难被注意到的系统。即使是在已经安装了它的设施中工作的人也可能不知道它正在被使用。这就是为什么它没有被谈论。”

先生内田向我展示了安装地热利用系统的设施照片的幻灯片。显然它也被用在天空树中。

``传播缓慢的另一个主要原因是地质差异。在日本，许多人居住的平原和盆地的顶部覆盖着大约260万年前的相对较新的地质构造，称为“第四纪层”。这是一种由沙子、砾石、泥土等组成的软质地质结构。下面是一层坚硬的岩石。另一方面，在欧洲和美洲等大陆，第四纪层很薄，在日本的某些地方可以到达坚硬的岩石。就算挖m，也到不了第四纪的底部。”

日本的地很软，很容易挖洞，不是很方便吗？

恰恰相反。在软层中挖掘比在硬层中挖掘更困难。如果层很软，则挖掘时它会从顶部塌陷，因此需要采取措施防止这种情况发生。此外，地质情况往往会根据深度而变化。所以，你必须更换钻头并相应地调整挖掘速度。这需要工匠精神。好吧，得益于此，日本的钻井技术如此先进，据说是世界上最好的。”

先生内田苦笑着继续说道。

“第四纪地层比坚硬的岩层有更多的空隙，使其成为掩埋地热热交换器的好地方，因此热传导不好。如果热传导差，则必须利用表面积来实现热交换效率，因此地下交换器所用的管子较长，而且由于地质不均匀且复杂，需要进行详细的地质调查才能确定需要什么尺寸的热交换器总之，如果地面松软，则需要时间还有金钱。”

这是否意味着日本的地质根本不适合地热利用？

宝藏就在日本的地下！

“一开始大家都是这么想的。但事实并非如此！”

从这里开始，内田先生的故事变得更加激烈。

“我说过，日本第四纪地层的地面有很多空隙。地下水经常流入这些空隙，而且数量很大。通过用水填充这些空隙，地面的导热系数增加。此外，地下水的流动会输送热量，因此地下水流过的地层的表观导热系数远高于基岩的表观导热系数。换句话说，日本的地质条件允许非常有效地利用地热热！

这是否意味着地下水丰富的日本非常适合利用地热，但由于这一事实尚未为人所知，因此其广泛使用被推迟了？

“虽然不是在日本的任何地方都适合，但可能有很多地区利用地热能带来很大的好处。这确实是一种浪费。不排放二氧化碳的碳中和是全世界的紧迫问题。促进这一目标的完美‘宝藏’就埋在我们脚下，但没有得到很好的利用。”

先生内田吸了一口气，一脸悲伤地看着我们。

“这就是我们 AIST 地热团队的用武之地。如果我们无需进行昂贵的调查就能知道某个位置是否适合使用地热，那么实施的障碍就会大大降低。我们正在研究提供此类信息的方法。”

有两种利用地热的方法

内田先生认为，利用地热的方式主要有两种。一种方法是将热交换器埋在地下，这称为“闭环”。地上和地下热交换器通过闭合回路连接，防冻剂和水通过闭合回路循环输送热量。与一般空调的方法相同。

另一种方法称为“开环”，它直接泵送地下水，而不是埋设地下热交换器。如果能直接利用地下水的热量，热效率会更高，初始成本也会更低。但最好将地下水抽上来，经过热交换后返回地下。

还有一种开环方法，利用地面或地下水作为“蓄热”。这称为“含水层热能储存”，简称“ATES”。这个想法是利用地下空间作为“热电池”。

使用ATES时，安装两根管道（称为管道A和管道B），用于从含有地下水的含水层中抽水和返回水，并且它们之间有足够的距离。夏季制冷时，地下水通过A管抽上来，B管回流，导致B管附近的地下水温度比周围温度高，热量积聚。

冬天供暖时，水通过B管抽上来，通过A管返回。夏天B管附近的区域受热，所以集热效率更高，而A管周围的区域比周围区域冷，所以明年夏天制冷时会更有效。

聪明！ ，加田听了内田先生的解释后忍不住说道。

昂贵的考试前的潜力图

先生内田给我看了电脑屏幕上的地图。

“现在，让我们看一下“地热潜力图”，这是我们地热团队的成果。”

这是一张山形盆地（山形县）的地图，带有某种颜色编码。一个说“闭环电位图”，另一个说“开环/ATES 合适的站点地图”。

“闭环潜力图”显示了如果使用闭环地热进行供暖和制冷，典型家庭中热交换器需要多长时间。热交换器的长度是根据当地地质的“表观导热系数”计算的。

``为了研究地质学的'表观热导率''，需要实际挖掘，将用作热交换器的管插入孔中，并进行热响应测试，其中管内的循环水被加热并测量，但该测试花费300万至400万日元。然而，在某些情况下，测试结果表明该土地不适合热泵。而且，将挖出的孔或插入的管道恢复到原来的状态几乎是不可能的。

当然，在这样的条件下，对我来说会很困难

“所以，这是这张潜在的地图。如果您查看它，您可以找出该位置所需的热交换器的大致长度。如果可以短至 40 m 或 50 m，那么它就是适合闭环的位置。"

那就放心吧。如果您不仅可以知道热交换器是否合适，还可以知道热交换器的长度，则可以消除昂贵的热响应测试的需要。

“不，这张图只显示了大概的长度，所以如果我们真的引入闭环，我们仍然需要进行热响应测试。不过，一家私营公司想出了一种更简单、更便宜的方法，所以我们共同进行了演示实验。”

什么方法？

``建造建筑物时，需要进行地质调查来检查地面的硬度。该孔的直径仅为66毫米，而正常的热响应测试直径约为30厘米。这将花费大约70万日元，只需拆除管道就可以恢复原始状态。据我们团队所在地福岛县的地热承包商透露，由于昂贵的热响应测试而未能达成的潜在交易已经能够通过潜在地图和这次测试得以推进。

地下水从埼玉到东京湾需要一万年

另一个势图通过阴影线显示了适合开环的区域和适合 ATES 的区域。

“为了能够使用开环方法，必须有丰富的地下水，可以将其抽出，并将抽出的地下水返回地面。回灌地下水的目的是为了节约地下水，地下水是宝贵的水资源。根据不同的位置，无论抽水的压力如何，它都可能无法返回地下，而这些地方不适合开环方法。”

先生内田继续说道。

``此外，就ATES而言，条件是夏季排出热量而在含水层中产生的大量温水会留在那里直到冬季。如果它消散到某个地方就不好了。''

地下水一旦被加热，它就会在同一个地方保持温暖六个月？

“这样的区域并不少见。一般来说，地下水流动非常缓慢，通常每天只有几厘米。”

正如我之前提到的，温度也会发生变化，而且地下水中的时间流逝得极其缓慢。

“我第一次参与这项研究是在大学时代的水文地质学课程中遇到一位迷人的教授。从那时起，我一直在研究地下水如何流动和地下温度。我们调查了日本最大的平原，位于埼玉县大宫市的关东平原的地下水，该平原是群马和栃木山脉的补给点和最终流入东京湾之间的中点，深度为700 我们已经测定了 m 地下水的年代。

先生内田的谈话再次变得激烈起来。

“然后，我们发现大宫的地下水在雨水渗入地下后大约有10,000年的历史。接下来，我们测量了东京湾附近地下水的年龄，它的年龄正好是这个年龄的两倍，大约有20,000年。换句话说，慢慢穿过关东平原需要10,000年的时间。”

船长和卡达感到奇怪。在地下深处，在现代人忙碌的日常活动的脚下，绳文时代落下的雨水正缓缓流向大海……这项研究有一种浪漫的感觉，仿佛透过地下看不见的世界。

利用地热种植了一种新品种的香蕉！

这时，内田先生突然从包里拿出一根香蕉递给我们，说道：“给你。”我有点累，所以我很感激，但为什么是香蕉呢？

“日本开发的一种香蕉新品种目前正在福岛县广野町种植。”

据内田先生介绍，这种香蕉是由冈山县的田中节三先生采用独特的技术开发出来的。它耐寒、无害虫，因此不需要农药，而且可以带皮食用，含糖量高，具有奶油味。广野町振兴公司自2018年起开始销售香蕉，目标是将其打造成广野町的新特产，该町被昵称为“来自橘子山小镇的香蕉，地平线在朝阳下熠熠生辉”（昵称：绮礼）。

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在实验中，一间房子被分成两间，一间房子使用传统煤油燃料供暖，另一间房子使用一半煤油燃料和一半地热的混合供暖方式供暖。之所以将其制成混合动力，是因为即使地下热量不能正常工作，香蕉也不会死。

实验结果表明，与煤油燃料相比，混合动力汽车的运行成本降低了 40%，二氧化碳排放量降低了 47%。如果全部采用地热而不是混合动力，则运行成本几乎可以忽略不计，二氧化碳排放量将接近于零。如果香蕉能够在福岛炎热的土壤中生长，那么“福岛香蕉”的称号就名副其实了。

地热现在开始向海外扩张。

``其实东南亚有很多地方的地质和日本很相似。之前研究曼谷的时候，感觉这里可以用地热制冷。事实上，曼谷朱拉隆功大学的一个房间里就有一个地热换热系统。当我们引入该泵时，与普通空调相比，我们能够减少 35% 的功耗。地热能现在正在日本国际协力机构 (JICA) 的项目和亚洲开发银行的创新项目中使用，泰国和越南也已经开始了地热能的研究和开发。”

如果巧妙利用地下水的“日之丸地热”能为解决亚洲的能源问题做出贡献，作为一个日本人，我会感到有点自豪。

“我希望您明白，地热中隐藏着简单但惊人的潜力。”

先生内田以一心热衷于地热的研究员的面孔继续解释，但最后却换成了推销员的面孔。

“各位，建新房时请考虑安装地热。虽然一开始看起来很贵，但如果你考虑一辈子，它绝不比太阳能电池板贵。现在，请原谅，我有下一个要去的目的地。”