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《中国科学院研究生院(工程热物理研究所)》 2011年
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局部人为热释放效应与气温变化关联的研究

牛强  
【摘要】:近年来,气温升高、冰川融解、海平面上升等地球环境的一系列变化使得以CO2为主的温室气体对全球气温的影响已经成为科学,政治,经济等各个领域十分关注的问题。针对温室气体是否是导致气候变暖的主因,当前仍然存在激烈的争论,这样的舆论大环境容易让事实迷失在各种观点的交锋中。事实上,气温变化是非常复杂的过程。作者认为,分析气温的变化趋势及其影响因素首先要分清这种变化的时间和空间尺度,也就是说,短期(以十年为单位)和长期(以万年为单位),整体(以全球为空间尺度)和局部(城市范围)的气温分布规律可能是完全不同的。到目前为止,大量文献集中关注全球尺度下气温在数十万年间的变化规律,在万年的时间尺度下,温室气体浓度与气温确实有着很好的吻合¨。然而我们当前更关注的是人类活动对气温的影响,而人类有能力对气温变化产生较大影响的时间不足百年。因此作者认为:考察人类活动对气温的影响首先应把时间尺度定在百年之内,其次应把空间尺度定为能源消费集中区域(城市),这样才能得出与社会需求紧密相关的科学结论,制定相关产业政策的时候,才能做到有的放矢。 化石能源的消费无疑是人类活动中能够影响气候变化的重要因素之一。人类能源消费在排放CO2的同时还产生大量的热释放。研究证明,CO2等温室气体是通过吸收太阳辐射能影响气温的,而由于CO2具有良好的扩散性,局部释放的CO2随着大气环流扩散到全球,并通过长期的累积作用对气温产生影响。所以,CO2对气候变化的影响是全球性的和长期的。能源消费产生的大量热能(我们称之为热释放)则相反,它们在短期内集中在城市及其周边,对局部地区的气温变化和短期内的气温变化趋势会产生明显的影响。这种影响强度有多大?影响规律如何?我们又如何来评估不同能源产生人为热释放的多少?这些都是本论文研究的重点。 为了弄清以上这些问题,本文工作从以下几部分开展:①以热力学第一、第二定律为基础,对人为热释放与气温的关系进行理论模型的建立与分析;②根据我国相关统计数据对人为热释放与气温的关系进行实例的验证;③依据得出的气温-热释放依赖关系对我国热释放集中区域进行未来气温的预测研究;④在认识热释放对气温上升重要作用的基础上,建立能源利用方式的热释放评价模型,并举例予以应用。 首先,基于工程热力学热力循环分析过程中的控制体、控制边界、和进出口输入输出等概念,将环境划分为Local(局部)、Human(人类)、Outer(外界)三个相互之间有热交换的区域,对热释放集中区域的局地环境构建了人为热释放结构化模型。对气温与人为热释放的关系进行了理论推导,结果显示:局地气温的年际变化与当年局地人为热释放总量定性的呈现出近似的线性关系。这个结论表明:人类的能源消费过程中向大气环境排放的热量是大气温度上升的重要因素之一。 其次,以我国各个省份及其省会城市的人为热释放与气温统计数据为基础,对理论研究中得到的气温-热释放的线性关系式进行了验证。研究结果表明:我国大部分省份及其省会城市的气温-热释放关系都能满足理论模型的定性及准定量的预测。少数省份及其省会的气温-热释放关系存在不确定性,但也能从模型研究中找到理论上的解释。 接着,根据从理论模型和统计验证研究中所得到的气温-热释放的线性依赖关系,对我国典型的热释放集中区域-上海和北京-进行了未来气温的预测研究。研究结果表明:如果按照当前的发展趋势,人为热释放的增加导致两个地区到2030年均会发生严重的气温上升;因此,采用主动、合理、能源利用与环境友好兼顾的控制手段将会降低两地区的模型预测温升的幅度。 然后,为了在不影响人类能源需求的前提下探索控制人为热释放的途径,基于全生命周期的观点和(?)分析方法,建立了可以用于不同能源利用技术人为热释放评价和能源消耗评价的数理模型。此模型计算了满足单位用能需求所产生的人为热释放以及能源消耗,尤其是提出了太阳能利用对地面反照率的改变等其他因素产生的热释放,以及新的能源技术的前期研发和生产线建设所产生的能耗。探讨了对不同能源技术在热释放和能源消耗方面的评价方法。并应用评价模型对光伏、燃煤发电这两种实际能源利用方式进行了对比。结果表明:在全生命周期中平均每发一度电,光伏发电所产生的人为热释放要比燃煤发电高出许多;在能源消耗方面,光伏发电虽然少于燃煤发电,但能源投入的回收周期为14年左右,远比前人预计的3~4年要长很多。 最后,给出了本文的主要结论,作者通过本文的研究在一定意义上澄清了人为热释放是导致气候变暖的重要因素,并对人为热释放控制的实现途径提出了作者的观点和建议。同时,作为对今后工作的展望,作者希望本文的研究能对认识全球气候变暖与人为热释放的关联性有所贡献。
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