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1、第2讲 节能原理及评价方法,主讲人：吴金星郑州大学节能技术研究中心,2.1 节能的基本原理2.2 节能技术评价的必要性2.3 节能技术经济评价,主要内容,2.1 节能的基本原理,2.1.1 热力学第一定律与节能的可能性2.1.2 热力学第二定律与节能的程度2.1.3 节能原理的具体指导意义,2.1.1 热力学第一定律与节能的可能性,能量定义：能量是物质做功的本领。做功能力越大，能品位越高。能量形式：物质所含能量有6种形式：机械能（动能、势能）、热能、电能、辐射能、化学能、核能等。能量按热力学分成两类（5种）：储存能（内能、动能、势能），与状态有关；传递能（热能、功），与过程有关。,能量利用的过
2、程就是能量转换的过程。热力学：研究能量转换方式和规律的科学。能量在转换过程中遵循的基本定律：（1）热力学第一定律，即能量守恒定律；（2）热力学第二定律。,热力学第一定律（即能量守恒定律）,指出：“自然界的一切物质都具有能量；能量既不能创造，也不能消灭，而只能从一种形式转换成另一种形式，从一个物体传递到另一个（或多个）物体；在能量转换与传递过程中，能量的总量恒定不变。”,锅炉,煤,环境,环境,能量转换示意图,体系,体系与环境之间可以通过热或功传递能量。,能量转换与节能的关系,在锅炉燃煤产生蒸汽的体系中，煤燃烧产生的能量一部分转移到蒸汽中，这是我们所希望的；另一部分能量通过多种形式转移到了环境中去
3、。,E（体系的能量）-E（环境的能量）=0,【E（体系的能量）E（环境的能量）】=0,节能的方向：尽量减少那些转移到体系之外（即环境中）的能量。,锅炉,煤,环境,环境,此体系能量不守恒,此体系能量守恒,能量转换示意图,体系,体系,锅炉的用能平衡,对于锅炉体系，进入体系的总能量等于体系输出的总能量（能量守恒），但输入能量中只有73.2%转移到我们期望的蒸汽中，其余26.8%的能量损失掉了。分析发现，损失掉的能量中，17.2%由锅炉烟气带走，煤炭不完全燃烧损失能量9.1%，锅炉散热损失0.5%。通过能量守恒分析，指明了节能的方向：1）采取高效烟气余热回收装置，如高效换热器，可预热助燃空气，或预热补
4、给软水；2）改进锅炉结构和燃烧方式，以提高燃烧效率；3）加强锅炉隔热保温措施，以减少热损失。,任意体系与环境之间的能量转换关系,热力学第一定律对节能的提示：,能量在转换过程中总量的不变性，指明了节能的方向：在能量转换过程中，尽量将能量转换到期望的体系中去（节能的关键）。,热力学第一定律未解决问题,能量的转换过程，是不是只要守恒就可以任意转换吗？,A系统,B系统,E,？,要解决能量转换的方向性问题，用热力学第二定律。,1、自然界中的一切自发过程都是不可逆的。2、德国物理学家克劳休斯的说法：“不可能使热量由低温物体向高温物体传递而不引起其他的变化”。3、开尔文普朗克说法：“要制成只从一个热源吸收热
5、量并把它全部转换为功的热机是不可能的”。即“第二类永动机是不可能造成的”。,热力学第二定律的表述方法：,2.1.2 热力学第二定律与节能的程度,1、自然界中的一切自发过程都是不可逆的。,热力学第二定律涉及范围最广泛的表述方法：,水总是从高处向低处流动。,气体总是从高压向低压膨胀,热量总是从高温物体向低温物体传递,热力学第二定律的克劳修斯说法,不可能把热量从低温物体传到高温物体而不引起其他变化。,热力学第二定律的克劳修斯说法,为了将热量从冷态输送到热态，您需要一个装置。例如热泵或冰箱，持续做功。,热力学第二定律的开尔文普朗克说法,不可能从单一热源吸取热量，使之完全转变为功而不产生其他影响。,热机
6、工作示意图,锅 炉,给水泵,热量Q1,T1,热量Q2,T2,做功W1,做功W2,冷凝器,蒸汽轮机,试计算热机（将热能转换为机械能的机器）的效率？,热功转换的总效率：忽略水泵做功W2及各种损失。要想让能源效率达到100%，只有让Q2等于0。但这不可能，违背热二定律。热功转换必须付出一定代价。,压缩式制冷机/制热机（热泵）,热量Q1，T1,节流阀,蒸发器,冷凝器,压气机,热量Q2，T2,做功W,制冷效率：Q1/W=Q1/（Q2-Q1）制热效率：Q2/W=Q2/（Q2-Q1）,守恒：忽略各种损失，则W+Q1=Q2,压缩式制冷机/制热机,制冷效率：Q1/W=Q1/（Q2-Q1）制热效率：Q2/W=Q2
7、/（Q2-Q1）,守恒：忽略各种损失，则W+Q1=Q2,制冷,制热,注意：式中T均为热力学温度。,制冷/热机效率计算实例,制冷：某制冷空调如果夏天室外冷凝温度T2为40，室内蒸发温度T1为10，则最大的可能效率为：目前商用空调的效率一般为3-5，所以从理论极限来说，还有较大的节能潜力。,制冷/热机效率计算实例,制热（热泵）：某制暖空调冬天室外蒸发温度T1为-20，室内冷凝温度T2为20，则最大的可能效率为：目前商用空调的制暖效率一般为3-6，所以从理论极限来说，还有较大的节能潜力。,对比表明，空调器制热比电热器制热的省电60%以上,热力学第二定律对节能的提示：,1、能量转换是有条件及方向性的；
8、2、能量的品位有高下之分，不同品位之间的能量转换需要付出代价；3、节能的关键是以尽量小代价实现能量的转换。,思考题,热泵能将低温物体的能量向高温物体转移，而。A.外界无需作功B.外界需要作功C.根据高温物体和低温物体的温差大小确定是否需要消耗功D.外界获得电能,B,2.1.3 节能原理的具体指导意义,1、能量守恒必须将体系和环境一起来考虑，单独考虑体系时，能量是不守恒的。2、在能量转化过程中，节能的方向是：减少能量向环境的转移。最根本的节能技术是：提高体系本身的转换效率，减少向环境排放量；其次是补救性节能技术：能量回收再利用。,3、能量有品位高低，一般情况下，不要将高品位的能量转变成低品位能量
9、再利用。如将电能转变成热能时，不要直接转变，可通过制热机（如热泵）提高能源效率系数。4、低品位能量（如热能）不能完全转变成高品位能量（如机械能、电能），且在转变的过程中需要付出一定的代价。所付出的代价是：消耗一定量高品质能量，且有一部分能量转移到环境中。如能充分利用转移到环境中的这部分能量，则可大大提高能量的利用效率。,思考题,能源不仅有数量的多少之分，更有品位高低之分，现有3种能源，分别是电能、500热能、300热能，它们品位高低的排序为：_（“”表示高于）A.电能500热能300热能B.500热能300热能电能C.300热能500热能电能D.500热能电能300热能,A,2.2 节能技术评
10、价的必要性,1）有的节能方法是不理想、伪科学的。如所谓的水变油技术、永动机技术。2）有些节能技术，就项目本身看确实有节能的效果，但为了达到该节能效果所付出的代价远大于节能所带来的效果，那么这些节能技术也没有实施的必要。,节能技术评价的必要性,3）节能不节钱、节能节钱不环保、短期有节能效益，长期造成环境污染，或对潜在的危险无法评定。所以，必须对节能技术进行全面的、综合的评价，在众多的节能方案中挑选技术上可行、经济上合理、环境污染最小化、社会效益最大化的节能方案。,2.3 节能技术经济评价,两个概念：1、资金的时间价值 资金在不同的时间上具有不同的价值，资金在周转使用中由于时间因素而形成的价值差额
11、，称为资金的时间价值。资金时间价值的计算(自学）,2、节能措施的技术经济分析,定义：就是要在措施实施以前，全面考察其在技术上的可行性与经济效益的优劣（在一定时期内产出大于投入），进行方案比较，确定投资方向，避免由于盲目性而造成人力、物力、财力上的浪费。节能投资的目的，不仅要收到节约燃料、电力、水等资源的效果，还要有好的投资效益。,2.3.3 节能方案评价方法,1、简单补偿年限法2、标准补偿年限内的计算费用法 3、动态补偿年限法4、寿命周期净现值收益法5、年度净收益法6、净收益-投资比值法,不同技术经济评价方法的选择：,1、对于可行性研究的初期阶段或项目较小、补偿期很短时，可采用计算投资回收时间
12、的简单补偿年限法。2、在进行两个或几个方案间比较时，可采用计算费用法。3、对于大型项目和经济寿命较长的项目（10年以上），就需要进行包括时间因素和利率因素在内的计算方法。,不同技术经济评价方法的选择：,4、对投资超过1000万元，使用寿命超过15年的大型项目，就需要进行更详尽的综合分析，并用动态分析方法计算出投产后1015年的财务平衡情况，以便逐年逐项审查其资金偿还能力，并为最初决策时参考。,1、简单补偿年限法,IP:节能措施投入的全部资金（元）；A:节能措施形成的年经济效益增长总值（元/年）；N：节能措施原投入资金的回收期限（年）；Nb:标准回收年限（年）；对电类设备可按Nb5年考虑。其它设
13、备，根据其使用寿命对照电类设备寿命适当假定Nb值。NS:节能措施的使用寿命（年），一般NbNs。,判定依据：NNb，经济上不合理。,计算公式,对某锅炉进行节能技术改造，有两个方案可供选择：方案A，一次性投入20万元，每年的产生的节约能源费用5万元，因节能技术而增加的年维修费用1万元，使用寿命8年，设备残值3万元；方案B，一次性投入30万元，每年的产生的节约能源费用7万元，因节能技术而增加的年维修费用1.5万元，使用寿命10年，设备残值4万元。在资金年利率为10%的情况，判断两节能技术改造方案可行性。,对方案A有：对方案B有：,方案A和方案B的投资回收年限既小于标准补偿年限Nb，又小于设备的使用
14、寿命Ns，所以两个方案均可行。但方案A的投资回收年限小于方案B，两个方案相比而言，方案A较优。,案例分析之一,简单补偿年限法,2、标准补偿年限内的计算费用法,应用场合：两种或多种节能方案，其技术条件满足要求，又符合使用寿命NsNb条件，可采用计算费用法进行经济分析。具体公式：计算费用C：,IP1、IP2、IP3节能措施投入的全部资金（元）；Nb1、Nb2、Nb3各方案对应的标准补偿年限（年）；S1、S2、S3 各方案的年运行成本。,判断依据：,上式计算费用最低者为最经济方案。上式中年运行成本S是指设备正常运行时，每年的设备折旧费、维护管理费、能源消耗费等。计算费用法的优点是经济概念清楚，计算简
15、便。但没有考虑技术条件的可比性，如对产品质量的影响；对时间因素及社会效益和环境影响均未加考虑。,原锅炉节能改造方案，假设原来年运行成本为S0，则S1=S0+1-5=S0-4；S2=S0+1.5-7=S0-5.5对方案A有：对方案B有：比较两者费用，可知C1C2，所以方案B优于方案A。,案例分析之二,3、动态补偿年限法,考虑资金的时间效益，若在动态回收期ND年内回收一次投资，则应该符合下式条件：,由上式经推导可得：设年净收益均为A,(1),(2),IP为节能项目总投资；i为单利的年利率；Aj为第j年净收益；F为设备残值。,判断依据1,如已知资金的年利率i，一次性投资IP及每年因节能措施带来的净收
16、益Aj，则可以通过（2）式计算所得的动态回收期ND和行业标准回收期Nb的比较，确定方案在经济上是否可行。若动态回收期ND小于行业标准回收期Nb（同时也小于项目寿命Ns），则方案是可行的；反之方案不可行。,判断依据2,如果要求该节能方案的一次性投资必须在规定的年限N年内，将每年由于节能措施所产生的效益Aj用于偿还一次性投资IP。则可将已知数据代入（1）式，求出该节能投资方案的等效年利率i0。如该年利率i0大于规定的年利率i，则方案合理可行，反之方案不合理，需要进行改进。,对方案A有：对方案B有：结论：单个项目方案A和B都可行,但方案A动态回收期小于方案B，所以方案A优于方案B。,案例分析之三,4
17、、寿命周期净现值收益法,计算公式:,当项目寿命周期净收益P0时，节能方案增益，在经济上可行；P=0时，节能方案收支相抵，在经济上无收益，但若有环境效益，可考虑实施；P0时，节能方案将亏损，在经济上不可行。局限性:1、没有考虑单位节能投资带来收益的大小2、没有考虑寿命周期长短而引起设备更新因素,节能方案A而言，寿命周期净现值为：,节能方案B而言，寿命周期净现值为：,从单个方案来看，两个节能方案在经济上均可行，但要比较哪个方案更优，需要将方案A的计算时间折算到10年，计算过程较复杂，为此引入年度净收益法，来弥补本方法的缺陷。,案例分析之四,5、年度净收益法,计算公式如下：,如果节能项目每年的净节约
18、费用相等，均为A，则可简化为：,当AP0时，节能方案增益，在经济上可行；AP=0时，节能方案收支相抵，在经济上无收益，但若有环境效益，可考虑实施；AP0时，节能方案将亏损，经济上不可行。若有多个方案AP大者为较优方案。,对方案A而言，年度净收益为：,=0.51（万元）对方案B而言，年度净收益为,由此可见，方案B优于方案A。但该法和前面的方法存在一个共同的缺陷，没有考虑不同方案投资的差异，为此引入净收益-投资比值法。,案例分析之五,6、净收益-投资比值法,计算公式：,对于单个节能方案，如果净收益-投资比值大于零，方案在经济上是可行的；如果小于零，方案在经济上不可行的；如果等于零，方案在经济上无增
19、益，因为等于零意味着节能方案的年净收益等于零，视方案的环境效果、社会效果及国家能源政策等因素确定节能方案是否实施。如果有多个方案，则净收益-投资比值大者为优。,对方案A而言：,对方案B而言：,由此可见，方案B优于方案A。,案例分析之六,案例总结分析之一,通过6种分析方法对锅炉节能技术方案的评价，方法1和方法3得出的结论是方案A优于方案B，而其他4种方法得出的结论是方案B优于方案A。在具体应用时需要考虑实际情况，选择合适的方法加以应用。其实方案的优劣除了跟选用评价的方法有关外，如果资金的利率发生改变，其评价结果也会发生改变。,案例总结分析之二,前面6种方法分析节能措施时，应该说仅着眼于节能单位（企业、个人、组织）个体的经济利益，而没有考虑节能对社会及地球环境带来的影响。如果由于采取某种节能措施，使得电能的消耗大幅降低，对于节能单位所带来的利益是少交电费。其实除了少交电费以外，可能还有火力发电厂燃煤的减少，而燃煤的减少，可能带来酸雨的减少，由此而引起的一系列社会和生态效益是很难估算的，所以，引入了节能技术生命周期评价。,谢谢大家！郑州大学节能技术研究中心联系人：吴金星电 话：13663008732，0371-67780133E-mail:地址：郑州市高新区科学大道100号,
