Sankey图被广泛用来描绘能源从来源到终端服务的流动,以直观展示每一步的能量输入、损失与转化。许多政策制定者、工程师与公众都以Sankey图为依据来判断能源结构和转型进度。然而,随着热泵普及与低品位热能利用的增长,传统Sankey图中一个重要的能流被长期忽略:来自环境的低温热能。忽视这一点不仅是表征方式的失误,还会导致对所谓"初级能源"份额和"有用能"规模的系统性误判,从而影响能源政策、投资决策与公众认知。 Sankey图的发明可以追溯到19世纪末,最初用于描述蒸汽机的能量效率。那时的能量利用模式以燃料燃烧和机械功为中心,低品位的环境热几乎不作为显著的能量来源出现。
直到近几十年,尤其是热泵技术成熟与市场扩张,才使得"从空气、地面或水体中抽取并升级低温热能以满足供暖或工艺热需求"成为常态。热泵把少量电能转变为大于输入的热能输出,其计量方式与传统一次能源统计存在天然错位。 为什么环境热是重要的?热泵用电将环境中的潜热或显热提取并升级到室温或更高温度,最终以有用能形式进入建筑采暖、热水或低温工业过程。在Sankey图传统框架下,这部分被视为"电力输入"的一部分,而不是将环境热本身作为独立的能量来源计入。结果是,Sankey图中标注的有用能项被低估,而电力或一次能源看起来承担了全部责任。事实上,热泵的输出热能中往往大部分源于环境热,电力只承担了能量增值与搬运的角色。
以美国为例,现有估算显示热泵规模和运行小时数已经将环境热贡献提升到一个不可忽视的水平。如果按安装容量、年均运行时间和典型的性能系数(COP)估算,环境热通过热泵提供的有用热量相当于数千太焦耳或数个Quads的规模。这意味着在现行Sankey图所标注的有用能总量中,环境热可以占到几个百分点,甚至在某些统计口径下超过太阳能发电或水电的有用能贡献。把环境热单独列出,不只是一个图表美观的问题,而是对能源来源结构与能源服务匹配的根本性修正。 这与"初级能源谬误"密切相关。初级能源谬误指出,用一次能源的绝对Quads来比较不同能源的贡献,会误导人们忽视能量的质量差异和服务端的匹配程度。
A Quad的电力与A Quad的燃料不是等价的社会价值。能量具有品级、地点、可靠性和排放属性。传统Sankey图往往以一次能源为主轴,从开采、转换到最终利用的宽阔漏斗看似清晰,但它掩盖了哪些能源真正满足了人类的需求。环境热的漏计恰恰放大了这一问题,因为它以微观、低品位存在却被热泵高效放大的方式直接为能量服务提供贡献。 有人会质疑:环境热是不是"真正的能源"?统计上,地热、太阳与风都被视为一次或次级能源,而热泵从空气或地表抽取的热量本质上与浅层地热或水体热相似。把这些热量纳入能量流图并不违反统计原则,关键在于要采用明确的边界条件和统一的功率等价换算方法。
仅仅因为这些能量原本无法直接交易或难以在未加工状态下计量,就把它们排除在外,是过时的做法。 计量方法并非不可克服的难题。可以在Sankey图中新增一条"环境热"流,显示被热泵抽取并最终转化为有用热的总量,同时在电力输入处注释其承担的能量增值或提升功。用COP来分解热泵输出:一部分来源于电能的直接投入,另一部分来源于环境。这样的可视化既不会夸大电力的贡献,也不会低估电力在升级过程中的关键作用。对不同温级的热能也应当进行区分,因为高温工艺热与低温采暖的替代性和价值不同。
还有一个细微但重要的区分是哪些热流应被计为"能量服务"。并非所有涉及环境热的热流都应纳入Sankey图的有用能端。以空调为例,室内热量通过吸收进入制冷设备并被排出到外部环境,这个排出的热量并不是我们想要的能量服务,而是因为建筑物受热导致的损害性流动。因此,Sankey图只应记录那些以环境热为源并经技术手段被用于满足明确能量服务(如采暖、生活热水或低温工业过程)的流向,而不应记录环境热作为被动热增益或被动散失导致的被动热流。 把环境热计入Sankey图不仅是对图表准确性的提升,也是对能源思想范式的挑战。能源转型的核心不是简单地用更多的可再生一次能源替代化石燃料的Quads总量,而是把恰当品级的能源与具体的社会需求配对。
用高品级电力去做本可由低温热直接满足的服务,是资源的错配。热泵等技术让我们能用较少的高品位能量去"升级"大量低品位能量,从而显著减小一次能源消耗和相关排放。Sankey图如果能直观反映这一过程,将有助于更理性的能源政策设计。 在科学传播与政策沟通上,修正Sankey图也能消除被"初级能源谬误"操控的舆论空间。有人利用不加区分的一次能源统计来证明某种能源"贡献更大",进而反对电气化或热泵等技术路线。若可视化工具把环境热与升级过程明确标注,公众与决策者就能更清楚地看到能源结构的实质:能源服务的提供来自多种源头的组合,而不是单一的燃料占比。
透明的Sankey图还能避免以一次能源为名误导资源配置与赢得政治支持的行为。 实施修正并非只需一张图像的美化,而牵涉到统计口径、数据来源和方法学的一致性。必须明确环境热的计量边界:哪些设备与服务纳入,如何处理季节性差异与区域气候差异,如何采用COP或性能分布来估算环境热贡献。政府统计机构、学术界与产业界需要共同制定可追溯的指南,并在国家级Sankey图中逐步试行。国际间也应建立可比性标准,以免各国因方法不同而产生误导性的能源比较。 除了环境热,还有其他长期被忽视的能流值得关注。
例如,主动交通(步行与骑行)对应的人体代谢能量与运输能耗之间的替代关系,很少出现在主流能量统计中。虽然个体代谢的能量规模与国家级一次能源相比微不足道,但在评价运输系统效率与公共卫生互惠效应时,这类能流的纳入能带来更全面的视角。类似地,热泵回收的余热、工业余热网络和区域低温热网等也应在现代Sankey图中得到适当反映。 对企业与投资者而言,改良的Sankey图可以指导更有效的技术选择和资本配置。若有明确的数据表明低温热的高效利用可以替代大量化石燃料的燃烧,那么投资热泵、热能存储、区域热网与复合供热系统将被赋予更高的经济与环境回报率。这种从需求侧驱动的视角有助于突破"更多发电即更多清洁"的思维陷阱,促使系统设计以能量服务为中心而非以一次能源供应为中心。
最后,公众教育也需跟上这场表征的升级。Sankey图之所以广为接受,部分原因是其直观性。将环境热、新型能流与能量质量的概念融入可视化,能帮助普通读者理解为什么某些技术看似"占少量一次能源",却能在减少排放与满足生活需求方面产生巨大的效果。更准确的Sankey图能减少误解,提升社会对能源转型路径的认知与支持度。 总之,Sankey图并非过时,而是需要演进。把环境热与热泵贡献纳入能量流图,不是为了制造新的流量幻想,而是为了更真实地反映能源如何满足社会需求。
通过明确边界、统一方法与加强传播,我们可以让Sankey图继续发挥其直观与解释力,同时避免因漏计低品位能量而产生的系统性偏差。能源统计与可视化的责任在于还原真实的因果关系,而非简单追逐一次能源的绝对数值。修正后的Sankey图将是理解能源转型、制定有效政策与推动投资的更可靠工具。 。
