地热加温：自然界的温暖之源与能源宝库

在浩瀚的自然界中，地热作为一种稳定而持久的能源，正逐渐展现出其巨大的应用潜力。地球每小时接收到的太阳能，其总量足以满足全球一整年的能源需求。这些能量中，有近一半被地表吸收，使得地层内的温度保持相对稳定且温和。然而，地表上的温度却随着季节的更迭而大幅波动，这使得传统以空气为传导媒介的冷暖系统不得不耗费大量能源，以维持室内温度的恒定。

面对这一挑战，地热泵技术应运而生，它巧妙地利用了地热温度稳定的优势。通过在地层中埋入管线回路，地热泵能够将地层中的热能引入建筑物内。这一过程中，由水与防冻剂组成的混合液在管线中循环流动，缓慢而持续地吸收着温暖地层中的热能。只需对混合液进行轻微的加温，整个系统便能开始高效运转。

接下来，混合液进入热交换器，将其所吸收的地热能传递给冷媒--一种能够轻易从不同来源吸收热能的化合物。由于冷媒的沸点低于水，它在吸收热能后会迅速沸腾为气态，随后被送入压缩机内。压缩机将气态冷媒压缩至一个狭小的空间内，使其内部压力急剧增加，从而导致气体温度显著上升。这股热气随后进入冷凝器，在降温过程中释放出热能，用于加热恒温系统中的水。这些被加热的水随后被送入家中，为室内带来温暖。而降温后的冷媒则重新变回液态，与地下管线中的混合液一起回到地下，继续吸收地热，形成循环往复的闭环系统。

地热泵不仅高效节能，而且其热源——地热，是一年365天无休的稳定供应者。与太阳能、风力等易受天气影响的再生能源相比，地热能的稳定性无疑为其增添了巨大的优势。此外，地热泵的管线铺设方式也极具灵活性，既可以选择水平铺设，也可以在空间有限的情况下选择垂直铺设，以适应不同的安装环境。

提及地热，不得不提的是日本长野县的地狱谷。在这个位于高纬度地区的山间，冬天时温度可能低至零下20摄氏度。然而，附近的温泉却成了冰天雪地中的热门景点，吸引了众多猕猴前来泡澡。这些猕猴，又称雪猿，它们通过泡温泉来保持体温，同时也在温泉中建立了自己的社交网络。这一场景不仅展示了地热能在自然界中的奇妙应用，也让我们看到了动物对自然环境的适应与利用。

除了为生物提供温暖外，地热能还是一种重要的发电资源。大规模获取地层中的地热能并非易事，它需要进行精密的规划与准确的钻探。通常，需要钻至地下1.6千米深才能获取足够的热水与蒸汽。地热发电主要有三种方式：干式发电、闪蒸式发电和双循环式发电。干式发电直接使用地下蒸汽来推动涡轮旋转发电；闪蒸式发电则是利用高温热水在降压过程中突然转化为蒸汽的能量来发电；而双循环式发电则是通过热交换系统，将低温热水的热能传递给沸点较低的液体，使其蒸发为蒸汽后再推动涡轮发电。

目前，全球已有超过20个国家采用了地热发电技术，其中不乏像美国加州盖瑟地热田这样的世界级地热田。盖瑟地热田拥有18座地热发电厂，是全球最大的地热发电基地之一。在这里，地下水受地热加温后向地面喷出沸腾的热水，为发电厂提供了源源不断的热能。

回到热泵的话题，我们不难发现，这一技术不仅让家庭在冬季能够享受到温暖如春的环境，还能在夏季通过反向运行来实现制冷效果。当室内温度高于设定值时，地热泵会吸收室内的热量，并通过地下管线将其释放到地层中，从而实现降温效果。这种冬暖夏凉的功能使得地热泵成为现代家庭中的理想选择。

在热能循环的过程中，气态冷媒中的热能经过冷凝器转化为液态水，这些水在恒温系统中循环流动，为室内提供稳定的温度。同时，恒温系统还会储存一部分热水供洗澡时使用。而防冻剂混合液则持续在地下管线中循环流动，不断吸收地层中的热能并将其传递给冷媒。在热交换器中，温热的防冻剂混合液加热冷媒至沸腾状态，随后冷媒被压缩、升温、蒸发并再次冷凝，释放出热能用于加热恒温系统中的水。这一过程周而复始，形成了高效的地热泵循环系统。

综上所述，地热作为一种稳定、持久的能源形式，正在被广泛应用于家庭供暖、制冷以及发电等领域。随着技术的不断进步和应用的不断拓展，我们有理由相信，地热将在未来发挥更加重要的作用，为人类的可持续发展贡献出更多的力量。

文中图片均来源于《How it works》杂志

作者：《how it works》科普团队

审核：沈萍 中国地震局地球物理研究所研究员