自然力与生产力浅析
来源:上海交通大学 作者:鲍士雄 时间:2020-07-27 点击:
从参与地源热泵多次学术研讨，尤其是二年前的汶川地震，年初海地与智利相间地震、之后全球与全国大面积旱涝，以及近期舟曲等地泥石流等，自然灾害接连频发。因而，一直为一个问题所困扰：自然力与生产力。也就是：人与自然之间，随着人类的生产力发展与提高，人类结束了完全受制于自然的历史，人类具有征服自然的能力。但这种能力是无限的吗？！这里肯定有一个量与度的问题，超越自然所允许的量与度、超越自然界的承受力，就可能迟早会产生一些问题，甚至在那个历史时期中，就根本不可能实现，或者日后也证明是违背科学的。
物理概念上，自然力包括引力、电磁力、弱力和强力四种基本类别。自然界中，客观存在的风力、水力、生物力等，扩大而言，阳光、空气、水分、湿度、土壤、气流等等，对其他事物都具有客观而具体的作用和影响。例如：人类从事农、牧、渔业生产离不开“自然力”的作用和影响。
自然力既含自然资源概念，如：石化能源、高山湖泊、河水落差、海洋潮汐、深藏热泉、常年季风、太阳辐射等等，为人所用、皆是能源；自然力也含自然灾害概念，如：地陷、洪涝、泥石流、雪崩、地震、海啸、台风、干旱等等，给人危害、皆是灾难。甚至，自然资源使用不当，也可成为灾害，或者放大灾害的危害程度。如：1985年9月19日清晨7时19分，墨西哥西南岸外太平洋底发生8.1级强震，震波约2分钟到达墨西哥城。顿时，该城整个大地突然剧烈颤动起来，仅仅90秒钟的时间，市中心30%的建筑物便化为瓦砾。究其原因，过度汲取地下水是墨西哥城受灾严重的原因之一。该市拥有1800万人口和16万家工厂，90%的用水取之地下，每秒抽出的地下水达16立方米。墨西哥城是由湖泊沉积而成的封闭式盆地，南北两边是火山岩，地下水的过度开采使得无比坚硬的岩石依托的地表处于相对真空状态。当震动达到一定强度时，地表便严重塌陷[1]。
人类种种行为，就是建造一个村落，也离不开自然力、离不开水源、地况等“自然条件”。当“生产力”远低于“自然力”时，人类将受制于自然。人类是绝对不会在自然灾害非常严重的地区，一而再、再而三地重建家园的，而是采取规避的策略。论理：舟曲县城与城郊10个自然村坐落在三眼峪沟泥石流堆积扇上，自1823至2000年170余年间，共暴发11次较大规模泥石流灾害。就1992年6月4日舟曲骤降暴雨，引发五十年一遇的泥石流灾害，毁房344间、农田87.73公顷、死伤87人；20年间经济发展，舟曲已不是往日的舟曲。然而，今2010年8月8日所发生泥石流灾害，截止22日统计，仅遇难就1435人、还失踪330人[2]。后者远远高于前者，说明今之“生产力”尚远低于“自然力”，规避才是上策。
至于大批旱涝，除天公作难，雨水不均。跟人类行为也无不关联：连年来，河道疏于疏通，还填湖造田、填沟筑路、水利失修，……，能容下倾盆大雨或供水抗旱吗？！因而，如此灾害首得检讨人类行为，看人与自然是否和谐？！是否正视自然规律？！
动力学科内，为人们所熟悉的热力学定律，其第一定律：热量从高温向低温传递。讲的是一个自然力——自然规律、自然现象，是一个听之任之，不加任何人为干预而发生的自然过程；其第二定律：热量从低温向高温传递，必须“作功”。讲的是一个生产力——人类征服自然的能力，人类可以通过“作功”的代价，将热量从低温向高温搬迁。制冷机与热泵就是遵循着这一规则在不断地搬迁热量。但是，在搬迁过程中，依然要遵守“热量从高温向低温传递”的自然规律：在冷凝器那里，依然是冷凝温度高于环境温度（作制冷机使用）、或者高于对象温度（作热泵使用）；在蒸发器那里，依然是蒸发温度低于环境温度（作热泵使用）、或者低于对象温度（作制冷机使用）。这就是大自然给予的、所允许的量与度。然而，就当时的认知，还不知道另一个量与度的问题，即自然界还有臭氧层破坏与温室效应所允许程度等问题，而这是在工业革命二百余年后的今天，才略有认知。
同理，所谓“能”，按热力学的概念就是“作功”的能力。煤炭、石油、天然气之化学能、水力之势能、风力之动能，高温温泉之热能、放射物质之核能，以及太阳之辐射能，都可开发利用，转化为用来“作功”的电能、与直接“作功”的机械能等。然而，地表水、地下水、200米以内的恒温土壤，能通过热泵转化为用来“作功”的电能、与直接“作功”的机械能吗？！不能！因而，按热力学的概念，就难以称之为“能”。其本质是：制冷机或热泵在热量搬迁过程中之“热汇”或“热源”，通常称之“环境”，其能量品位为零（即比?为0；化学能、核能、机械能、电能，比?为1；空调、采暖与生活热水，其比?分别为0.03、0.096、0.06-0.198）。如果，非要将地源——地表水、地下水、200米以内的恒温土壤——称之为“能”，即：“浅层地温能”或“浅层地热能”。那它只能是在“一次能源”——化学能、机械能、辐射能、电能——支持下的“二次能源”，即：热泵驱动需要借助“一次能源”，始可向其“释放热量”或者“摄取热量”；其再生与复原，需要借助“释放热量”与“摄取热量”之间的平衡，或者借助于太阳能这样一类“一次能源”。因而，将地源——地表水、地下水、200米以内的恒温土壤——称谓：“具有一定再生能力的蓄热体”，可能更贴切其实质。这一定义，可免除一种“用之不尽、取之不竭”的“再生能源”之误导；并更正视应用中的量与度的问题、自然界的承受力问题，而正确、合理地使用地源——地表水、地下水、200米以内的恒温土壤——“具一定再生能力的蓄热”特征。
例如：长期以来，地下水是缺水地区人类生活、尤其是饮用水，以及生产的重要来源。而地下水与制冷、空调也结缘良久。纺织厂车间空调，用的冰凉地下水直接或间接经制冷机制取冷媒水进淋水式空调箱，冷却并加湿空气，已有百余年历史；近年来，农村地区用地下水直接或间接空调，也十分流行。但这一结缘代价不菲：
上海早在20世纪30年代开始，由于大量超采地下水导致地面下沉，从1921年到1967年,最严重的地区地面下降2.37m；天津也如此。至今,全国已有50多个大中城市出现了区域性地面沉降，80%分布在沿海地区，较严重的是上海、天津、沧州、苏州、宁波等地。
除上述这种地面下沉的地质危害外，使用地下水实现空调，不论是直接使用，还是间接经制冷机（或热泵）制取冷（热）水。其地下水在该过程中，仅仅从热量角度看，都会发生温度变化：夏季，地下水温上升；冬季，地下水温下降。它们的累积效应与释放（或提取）的热量总量、释放与提取热量之间的差值，以及该地下水体大小（即热容量大小）、该地下水体自然循环流量等有关。后者即该地下水体的自然恢复与再生能力。
热污染会涉及地下水空调的效率。空调中一般规律是：冷凝温度每上升1℃，效率降低2%左右；蒸发温度每降低1℃，效率降低1%左右。如果说，这一地区出现空调效果逐年下降，原因之一就可能该地区地下水水温正逐年升高或降低，或者地下水位下降、水体总量减少，蓄热能力降低，都已超过其自然恢复能力。
如果其自然恢复与再生能力小于空调过程排放（或提取）的热量总量、或排放与提取热量之间的差值，其结果是该地下水体温度逐年上升或下降。从而，该空调系统降温或采暖效果逐年恶化，直至无法使用。[5]
上述问题，其实在利用地表水、地下埋管的土壤那些地源上，同样存在。也就是，地源热泵的应用，有类同地面建筑容积率、水电开发适度[6]等那样，都有一个“饱和度”问题。一定的水体大小、一定的土壤体积，以及该水体、或者该土壤中水分流动情况等等，都会对这类换热与蓄热给予生态综合环境的量与度的制约！其中，有的问题可能当今已有认识；有的问题可能当前尚未认识，也只有在认真之中，才会有所斩获。
改革开放三十年，空调使用日趋普及，热岛效应也随“城镇居民生活改善”与“城镇化建设”不断扩展。如今我国已不是历史上“四大火炉”——南京、武汉、长沙、重庆，就连北方城市，如北京的夏季气温也会高达38℃以上。热岛效应也犹如土地荒漠化那样，是因人而起，治理时如果不减少人的压力，自然的恢复能力就不能实现。解放自然力，也就是：充分应用建筑外围结构隔热来减少热负荷，充分利用自然通风、冷（热）回收等来减少空调设备的容量与使用，才是减少热岛效应、空调节能减排的有效途径之一[8]。
人与自然，生产力与自然力，仅就上述几个事例，就可了解：人认识自然，是需要相当长的时空的！少则几年，多则上百年。不可能在短暂的时空中，完全认清的。因而，认可在起步阶段，步子慢一点，总结、研究多一点，而且成果分享也多一点。也许，前三、五年节能减排的效果不怎么明显。但一旦适合不同气候、地质、功能的建筑空调系统节能减排的各类方案真正成熟，其节能减排效果最佳、对大自然影响最小、对人类长期生存危害最低。那么，届时所获的实际效果也最优。总之，人向自然不能巧取豪夺？！人向自然也不能低头屈服？！但人必须在自然能承受范围内，适度改善人类生存条件！这才是人类生存的策略，才是社会持续发展的道路，才是人与自然和谐相处、科学发展的境界。
一句老话：杞人忧天。
我国的体制十分容易因国家或地区的个别领导，一个概念、一句言语，而造成“一窝蜂”现象。从而，因决策所造成的损失，甚至用金钱都是难以挽回的。
