经过两次工业革命以后，科学技术又有了突飞猛进的发展。但是到了今天，实体经济发展却遇到瓶颈，能源危机已经迫在眉睫，人类亟需再来一场工业革命。但是革命是什么？革命从哪里开始？靠什么革命？有人说靠模式，有人说靠信息，笔者相信，能称之为革命的，让生活发生巨大变化的东西，一定是在经济规模上占据主要地位的部分，是“基础硬件”，不是“应用软件”。能源、动力每个人都离不开，每个国家都高度重视。第三次工业革命，一定还是关乎人类生存、发展的基础产业：能源和动力。

　　过去100多年，人类经历了两次工业革命，但也经历了两场世界大战，虽然人们在自然科学领域也取得了很多进步，但是迫于政治、经济、社会条件的限制，也许还未能顾得上将新的成果进行最大限度地推广、应用。目前中国能源的70%靠火电提供，但是火力发电的工作原理和100年前完全一样；汽车虽然外观、构造、舒适度、信息化装置已经千变万化，但是其发动机的工作原理则完全没有变化。

　　产业的革命，首先是理论的革命，只有理论的革命性发展，才会带来产业的革命性变革。

　　能源观念创新

　　创造是从无到有，创新是从有到用。人类现在对地球资源已经基本上了解清楚，容易获得的资源已经开发殆尽，从创造、发现的角度，已经开始研究开发页岩气、可燃冰了，能不能回头看看，还有什么可以创新的地方？我们有没有忽略什么东西？

　　人类千百年来养成了一个思维惯性：只要需要热量，就习惯用传统的煤、气、油、电等能源转换成热能。人们熟知的能量守恒定律，让许多人忽略了一种叫“热泵”技术的热能搬运“杠杆”。即消耗一份能量，带动其他介质中已有热量的再利用，在得到同样多的热能时，新消耗的高品位能源、石化燃料会大大减少，可实现大幅度节能减排。

　　热泵技术有很多种，空调、制冷系统采用的是一种压缩式热泵系统，空调可以高效率地将室内外的热量来回搬运，夏天把房间里的热量搬到室外，冬天把室外的热量搬到室内，能效比普遍在3倍以上，换句话说，比直接消耗能源物质获得热量的方法，节约能源2/3以上！

　　人们使用空调、冰箱已超百年，这些年逐步推广开的水源热泵、地源热泵，也都是该原理的典型应用。遗憾的是，虽然能效比高，节能效果明显，但这些应用场合的设计温度太低，以输出温热水为主，主要用于空调、制冷、采暖、生活洗浴等，没有更高的工业利用价值，未能涉及工业领域的高耗能环节，难以产生更好的节能减排社会效益。

　　热泵技术本身从来没有“说过”自己不能超过100℃，难道只能用在几十度上？经过我们的研究实践，证明热泵输出可以很容易地突破100℃，完全可以介入大多数工业领域的高耗能环节，实现能源消耗关键环节的大比例节能。例如蒸汽锅炉，以前热泵技术只能在水加热70℃以下时起作用，涉及的工作范围太小，所节约的热能最大只能占到全热的3%～8%，从系统复杂性、成本增加量等综合考虑，没有实用价值。当热泵介入“水-汽”沸腾高耗能环节，且保持较高能效比时，才是热泵技术得以获得应用上的突破的基础。

　　热泵有太多种类，驱动热泵工作的能量来源也包括电能、热能、势能等，只要你的需求不要超过200℃，现有的设备、技术、工艺完全可以组合出你要的系统，实现大幅度节能的目的。

　　如果我们的锅炉能从现在努力追求100%的效率，变成起步就是200%~300%的效率或更高，节能50%以上，若我们家家户户的厨具节能60%以上，发热量就会成倍减少，厨房、车间就会变得凉爽。采用热泵蒸发方法处理污水，一吨污水耗电仅十几度，还能生产纯水。我们的洗衣机、厨具、暖气、热水器就全都变了，这样是不是就有变革的感觉了？

　　进一步推广开来，将热泵技术在能源综合利用的场合充分利用，实现将空气中的、污水里的、土壤里的、回收其他热源得到的热量搬到生产、生活设备中循环利用，实现企业内冷热作业面的热能调度，系统新增的能量消耗仅是原有能耗的几分之一，必然会大大提高能源的利用效率，减少能源消耗和对环境的污染。改变目前能源供给日趋紧张的状况。能量守恒定律保证人类有了用不完的能源，地球也就没有日益变暖的危险了。

　　动力理论创新

　　近300多年的动力机械发展史，让人们习惯于用“高温”来获得动能输出，不论是内燃机、外燃机、火箭发动机等，无一例外。包括现在的核动力装置，也是设法依靠核反应产生的热量，让工作介质达到高温、膨胀来输出动力。

　　传统的动力获取理念的形成有历史原因。要想彻底改变目前的能源利用现状，必须打破惯性思维，在坚持基本的能量守恒、质能守恒定律的基础上，找出一条获取动力、利用能量、再循环利用能量的新思路。

　　热和功的单位都是焦耳，而焦耳和温度无关。也就是说，高温的热、低温的热，理论上转换为功的潜在能力是一样的。功最后都变成热，而热必须借助某种介质和装置才可以部分变为功，物理学基本理论也没有限定什么温度下的热不能变成功。

　　如果动力机械靠内部从常温到高温膨胀工作，高温热能很容易散失，必须实时消耗能源物质来获得高温热能才能工作。而只要不是绝对零度，物质都有热能，而且热能能自动从高温向低温物质转移。如果所设计的动力机械膨胀做功初始温度较低，那么相对温度较高的物质都有能力给它转移热量，即可以用于将热能转换为动力。

　　如果选择了液态空气这种-196℃的无色液体作为工质，自然界里常温的空气、河水、海水，都是相对“高温”的物质，都可能成为给它加热的“热源”和能量提供者，成为能源物质。只要将环境的热量传递给液态空气，它就能沸腾、膨胀、做功，就不再需要消耗其他石化燃料或生物质燃料来获取热量了。

　　我们曾提出过一个用液态空气作为“工质”的系统方案。首先，制备液态空气的过程是热泵制冷输出热能的过程，可以用热泵技术得到高温热水或蒸汽输出利用，“副产品”就是被“冷却”成液体的液态空气；使用时，从液态空气汽化开始，就从环境空气、水、土壤中吸热获取能量变成势能，形成高压、常温的气体，然后适时、适量地进入现有内燃机的气缸等膨胀做功环节，模拟实现原来靠燃烧释放热量、介质吸热膨胀得到的同等压力环节，后续输出动力的过程则完全一样。

　　以汽车为例，改造前，汽车是带着能源物质，吸入不需要付费的环境空气，燃烧后释放的热量让反应后的混合气体猛烈升温、膨胀，势能在发动机内转换为动能，带动车辆运动，做功后尚有余热的废气被排放到环境中；改造后，汽车是带着超低温的工作介质，通过换热器，吸收不需要付费的常温空气的热量，沸腾、汽化、气化，升温膨胀，最后是高压常温气体推动发动机运转，带动车辆运动，膨胀释放内能后大幅度降温的空气则被重新排放到空气中。这个过程已经在实验中得到验证。初步估算，让发动机输出同样的动力消耗的“工作介质”体积是原来燃料消耗的2~5倍，而系统成本是使用燃料时的近1/10！

　　创新使用液态空气作为工作介质，吸收环境热、发动机抛弃的余热、废热做功，会让飞机发动机不再喷火、火箭发动机没有尾焰，将使以热量形式丢弃的能量降到最低，使能量利用率、环境热利用率达到新高。近期英国空天飞机发动机研究工作取得较大进展，从中央电视台13频道2014年12月17日相关新闻消息中看到的发动机工作动画和同时公布的三种燃料成份，已经明确说明液氮是除了液氢、液氧之外的第三种“燃料”介质成份，明确说明空天飞机发动机用它确保发动机内部工作在较低温度，同时发动机仍然保持较高效率。

　　更有意思的是，如果汽车发动机的工作温度是从常温到低温，塑料就可以成为发动机的原材料，重量、成本会发生怎样的变化？原来不符合排放标准的旧车，把火花塞换为喷气塞，马上变成“零”排放，超欧N标准；如果飞机发动机内部工作温度下降，我们国家在耐高温材料、高温散热系统设计加工方面的短板就不复存在，发达国家的那部分优势也就体现不出来了，我们的大飞机发动机就可以来一次“弯道超车”，至少可以通过“抄近路”大大缩小差距。

　　我们需要重新认识一下膨胀做功，不要把工作起点、工作温段限制在常温到高温，而从超低温到常温、超低温到超高温膨胀也完全符合基本的热力学定律。不能因为瓦特那个时候只有水能可用，没有见过液态空气，我们今天就也对液态空气视而不见。使用液态空气，就是另类的蒸汽机，虽然谈不上创造，但肯定是创新！

　　多学科应用创新

　　100多年来，空气动力学、计算机科学、材料科学、深冷技术等，无数的领域、行业都有了长足的发展甚至是实现了飞跃。我们现在还需要冷静一下，来一次跨学科的交流、融合，让学科之间互相补充、互相促进，实现应用上的协同创新。

　　例如，流体力学的“附壁效应”产生了“空气放大器”这个产品，它可以用一份高压气体，推动、带动5～100倍的气体和它一起运动。其最早从航空总体研究推广到民用是因为能节省压缩空气，直到2010年前后才有了利用该原理的“无叶片风扇”。为什么不能用同一个原理取代飞机发动机前面的风扇呢？为什么不能用它来替代火电厂的乏汽凝结再加热系统呢？

　　又例如，有个产品叫“涡流管”，从侧壁通入高压气流在其内部形成涡流，涡流中心因为离心作用气体变得稀薄、压力下降、内能减少、迅速降温；涡流外圈则气体压力增加，变得稠密，内能增加、温度陡升。只要将涡流中心和外圈的气体分别引出，就能让输入涡流管的气体变成高温和低温两种状态，温度差可以达到70℃。现在都是用它来做制冷，比如用压缩空气给生产线工人的制冷背心提供冷源。难道不能用它对空调换热器输出的蒸汽进一步升温？如果可以，换热器的换热环节就可以输出比热源温度还高很多的结果，可以让家家户户挂在外墙、企业放在楼顶的热交换设备的性能大幅度提高。

　　这些只是冰山一角，类似的潜在应用空间，可利用的技术实在太多，无法一一列举。需要的就是打破常规、打破行业限制、忘记前人、老师的“教诲”，返璞归真，重新看待每一个成熟技术，研究它们在其他领域的应用价值，做好针对市场需求、生产需求和生活需求的应用创新。

　　看看周围，100年左右一成不变的东西太多了，别说工业领域，小到生活中常见的空调、冰箱、灶具，大到锅炉、汽车、轮船、飞机、火箭等，除了少数产品在细节上有些进步以外，关键环节、高耗能环节几乎没有变化。或许因为不知道怎么变，或许因为不想变，或许因为不敢变，今天都该变变了！

　　创新应该是看得见、摸得到、听得懂、做得出，没有门槛、没有壁垒的东西。现在，新工业革命的基础理论早已具备，经济条件非常成熟，需求也已经十分迫切，只是需要我们大家一起投身并实现之。

　　作者单位：北京东方恒源科技有限公司