（热能工程专业论文）泛火用分析方法及其应用研究.pdf

摘要 资源短缺、环境污染以及气候问题已经成为世界经济、社会发展 的严重障碍。研究社会生产系统的资源综合利用状况、环境影响程度 的分析和评价方法并提出评判指标，进行系统的综合经济性、可持续 发展性评估是当前广义节能和可持续发展理论的重要研究内容。首次 提出并定义了泛炯的概念和泛炯分析方法，使生产系统的各类生产要 素资源能够在统一尺度下进行加总和比较，获得系统的资源综合利用 状况和生态环境影响的定量评价结果，这在评价方法上是一个新的尝 试，评价结果对于优化资源配置、高效利用各类资源、优化能耗结构 和转变发展方式都具有重要作用。 本文呈现的主要研究工作和创新点如下： ( 1 ) 系统地分析了火用的意义和作用、火用分析方法的模型和应用 发展状况，指出了目前炯分析方法在系统综合评价中存在的不足，但 同时强调炯分析方法在指导系统的节能减排技术改造中仍然起着重 要作用。 ( 2 ) 揭示了包括地球环境在内的任何系统的物质和能源的消耗 与利用过程即是炯消耗过程的本质；发现了开放地球环境系统不断从 宇宙获得炯( 主要是太阳能) 来维持着地球自然生态环境系统和人类 社会经济系统的发展的事实；基于地球环境能力的有限性，提出了经 济、社会和自然生态环境三者可持续发展的三角形关系图，并且阐述 了三者两两之间相互依赖和相互制约的关系。 ( 3 ) 基于炯的稀缺性、可用性等经济学特性，论述了炯与使用价 值的关系；首次提出了泛炯的概念，论述了商品的泛炯和价值、商品 的炯和泛炯之间的关系，确定了计算资源泛炯量的原则，并建立了生 产系统的各类要素资源即原材料和能源、资金、劳动力以及环境成本 等的泛炯量的计算方法和计算模型。 ( 4 ) 基于泛炯概念、炯分析与：j 辟j 经济学分析，首次提出了泛炯 分析方法，建立了系统的泛炯分析和评价模型，并定义了泛炯利用系 数和可持续发展指数等评价指标，为分析和评价生产资料、资金、劳 动力和环境资源等不同类别的要素资源在生产过程中的综合利用情 况提供了一种新的综合性量化分析方法与评价体系。 ( 5 ) 对复杂的有色金属生产系统s k s 炼铅系统进行了炯分 析，揭示了整个粗铅生产过程的炯损失分布规律，发现了同样物质流 状态下冶金生产系统的炯收入远大于能量收入的规律，而且冶金炉的 炯分析过程比能量分析更简便、更直观，提出在冶金生产过程的分析 和评价中应推广炯分析方法。 ( 6 ) 通过对s k s 炼铅系统的泛炯分析，发现了冶金生产等资源 消耗型企业的可持续发展性很差，这类系统的节能措施应该主要以减 少自然资源泛炯消耗为主，即将节能重点放在降低生产系统的不可再 生能源和原材料的消耗；作为对比，对利用可再生能源的生产系统一 一太阳能光伏发电系统进行了泛炯分析，发现了太阳能光伏发电系统 的可持续发展性很好，这类系统的节能改造措施应重点放在节约制造 太阳能光伏电池的能源消耗和太阳能光伏发电系统的装机成本上，而 不是太阳能光伏发电系统运行过程中。 关键词：炯；泛= | ：目j ；炯分析；泛炯分析；泛炯利用系数； 可持续发展指数；s k s 炼铅系统；光伏发电系统 a b s t r a c t r e s o u r c es h o r t a g e s e n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o na n dc l i m a t ei s s u e sh a v e p o s e ds e r i o u so b s t a c l e st ow o r l de c o n o m ya n ds o c i a ld e v e l o p m e n t i t ss o i m p o r t a n tn o w a d a y si nt h ef i e l do fg e n e r a le n e r g ys a v i n ga n ds u s t a i n a b l e d e v e l o p m e n tt os t u d yo nt h ea n a l y s i sa n de v a l u a t i o nm e t h o d so ft h e c o m p r e h e n s i v eu t i l i z a t i o no fr e s o u r c e sa n de n v i r o n m e n t a li m p a c to f s o c i a lp r o d u c t i o n s y s t e m s ，t op r o p o s e t h ec o r r e s p o n d i n g e v a l u a t i n g i n d i c a t o r s ，t oa s s e s so v e r a l le c o n o m i ce f f i c i e n c ya n ds u s t a i n a b i l i t yo f d e v e l o p m e n to ft h es y s t e m s f o rt h ef i r s tt i m e ，t h ec o n c e p to fu n i v e r s a l e x e r g ya n dt h eu n i v e r s a le x e r g ya n a l y s i sm e t h o dh a v eb e e np r o p o s e da n d d e f i n e d a sar e s u l t , v a r i o u sf a c t o r so fp r o d u c t i o nr e s o u r c e si nt h e p r o d u c t i o ns y s t e m c a nb es u m m e du pa n d c o m p a r e du n d e rau n i f i e ds c a l e ， s oa st oo b t a i nt h eq u a n t i t a t i v ee v a l u a t i o nr e s u l t sf o rt h es y s t e m s c o m p r e h e n s i v eu t i l i z a t i o no fr e s o u r c e sa n dt h ei m p a c to nt h ee c o l o g i c a l e n v i r o n m e n t t h i si san e w a t t e m p ti nt h ee v a l u a t i o nm e t h o d o l o g y , a st h e e v a l u a t i o nr e s u l t sp l a ya ni m p o r t a n tr o l ei no p t i m a la l l o c a t i n gr e s o u r c e s ， e f f i c i e n t u t i l i z i n g v a r i o u s r e s o u r c e s ，o p t i m i z i n ge n e r g yc o n s u m p t i o n s t r u c t u r ea n d c h a n g i n gd e v e l o p m e n tm o d e t h em a i nw o r k sa n do r i g i n a l i t yi n n o v a t i o n sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r a r ea sf o l l o w s ： 1 t h es i g n i f i c a n c ea n dr o l e so ft h ec o n c e p to fe x e r g y , t h em o d e l s a n d a p p l i c a t i o nd e v e l o p m e n t o f e x e r g ya n a l y s i s m e t h o dw e r e s y s t e m a t i c a l l ya n a l y z e d ，a n dt h es h o r t c o m i n g so ft h ec u r r e n te x e r g y a n a l y s i si nc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o no fas y s t e mw e r ep o i n t e do u t h o w e v e r , i tw a se m p h a s i z e dt h a tt h ee x e r g ya n a l y s i sm e t h o ds t i l lp l a y sa n i m p o r t a n tr o l e i ng u i d i n gt h et e c h n i c a ld e v e l o p m e n tf o rt h es y s t e m s e n e r g ys a v i n ga n de m i s s i o nr e d u c t i o n 2 i tw a sr e v e a l e dt h a t ，t h em a t e r i a la n de n e r g yc o n s u m p t i o na n d u t i l i z a t i o np r o c e s si na n y s y s t e m ，i n c l u d i n gt h ee a r t he n v i r o n m e n t ，i st h e h i p r o c e s so fe x e r g yc o n s u m p t i o ni nn a t u r e t h ef a c tt h a t ，i ti st h eo p e n e a r t he n v i r o n m e n ts y s t e m ，w h i c hc o n t i n u o u s l yr e c e i v e se x e r g y ( m a i n l y s o l a rp o w e r ) f r o mt h eu n i v e r s et om a i n t a i nt h ed e v e l o p m e n to ft h ee a r t h s n a t u r a le c o l o g i c a le n v i r o n m e n ts y s t e ma n dt h a to fh u m a ns o c i a la n d e c o n o m i cs y s t e m s ，w a sd i s c o v e r e d b a s e do nt h e1 i m i t e dc a p a c i t yo ft h e e a r t h se n v i r o n m e n t ，at r i a n g u l a rd e p e n d e n c eg r a p ho ft h ee c o n o m i c ， s o c i a la n dn a t u r a le n v i r o n m e n tf o rs u s t a i n a b l e d e v e l o p m e n tw a s p r e s e n t e d ，a n d t h e i n t e r d e p e n d e n t a sw e l la s m u t u a l c o n s t r a i n i n g r e l a t i o n s h i po f t h et h r e ep a r t i e sw a se l u c i d a t e d 3 b a s e do nt h ee c o n o m i cc h a r a c t e r i s t i c so fe x e r g y , s u c ha ss c a r c i t y a n du s a b i l i t y , t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n e x e r g y a n du s ev a l u ew a s d i s c u s s e e d t h ec o n c e p to fu n i v e r s a le x e r g yw a sp r o p o s e df o rt h ef i r s t t i m e ，a n dt h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e nu n i v e r s a le x e r g ya n dv a l u e ，e x e r g y a n du n i v e r s a le x e r g yo fc o m m o d i t yw e r ed e p i c t e d ，a n dt h ep r i n c i p l eo f c a l c u l a t i n gt h e a m o u n to fu n i v e r s a l e x e r g yw a si d e n t i f i e d ，a n dt h e m e t h o d sa n dm o d e l sf o rc a l c u l a t i n gu n i v e r s a le x e r g yo fv a r i o u sr e s o u r c e e l e m e n t sc o m p r i s i n gt h e p r o d u c t i o ns y s t e m ，i e ，r a wm a t e r i a l sa n d e n e r g yr e s o u r c e s ，c a p i t a l ，l a b o ra n de n v i r o n m e n t a lc o s t ，w e r ee s t a b l i s h e d 4 b a s e do nt h ec o n c e p to fu n i v e r s a le x e r g y , e x e r g ya n a l y s i sa n d e x e r g o e c o n o m i c sa n a l y s i s ，t h eu n i v e r s a le x e r g ya n a l y s i sm e t h o dw a s p r o p o s e df o rt h ef i r s tt i m e ，a n dm o d e l sf o ru n i v e r s a le x e r g ya n a l y s i sa n d e v a l u a t i o no fs y s t e m sw e r ed e v e l o p e d ，e v a l u a t i n gi n d i c a t o r ss u c ha st h e t o e 伍c i e n to fu t i l i z a t i o no fu n i v e r s a le x e r g ya n ds u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t i n d e xw e r ed e f i n e d an e wc o m p r e h e n s i v eq u a n t i t a t i v e a n a l y s i sa n d a s s e s s m e n ti n d i c a t o r s y s t e m w e r e p r o v i d e d f o rt h e a n a l y s i s a n d e v a l u a t i o no ft h e c o m p r e h e n s i v e u t i l i z a t i o no fd i f f e r e n t t y p e s o f p r o d u c t i o ne l e m e n t s ，s u c ha sm e a n so fp r o d u c t i o n ，c a p i t a l ，l a b o ra n d e n v i r o n m e n t a lr e s o u r c e s ，i nt h ep r o d u c t i o np r o c e s s 5 e x e r g ya n a l y s i sf o rac o m p l i c a t e dn o n f e r r o u sm e t a lp r o d u c t i o n s y s t e m s k sl e a ds m e l t i n gs y s t e mw a sc o n d u c t e d ，t h ed i s t r i b u t i o nr u l e s o fe x e r g yl o s s e si nt h ee n t i r ep r o c e s s i n go fc r u d el e a dw e r er e v e a l e d ，i t w a sf o u n dt h a te x e r g yi n c o m ei sm u c hg r e a t e rt h a ne n e r g yi n c o m ei n m e t a l l u r g i c a lp r o d u c t i o ns y s t e m su n d e rt h es a m em a t e r i a lf l o ws t a t u s i v w h a t sm o r e ，f o rm e t a l l u r g i c a lf u r n a c e s ，t h ee x e r g ya n a l y s i sp r o c e s si s e a s i e ra n dm o r ei n t u i t i v et h a nt h a to ft h ee n e r g ya n a l y s i s t h e r e f o r e ，i ti s p r o p o s e dt h a te x e r g ya n a l y s i sm e t h o ds h o u l db eu s e dw i d e l yi nt h e a n a l y s i sa n de v a l u a t i o no fm e t a l l u r g i c a lp r o d u c t i o np r o c e s s e s 6 t h r o u g ht h eu n i v e r s a le x e r g ya n a l y s i so ft h es k sl e a ds m e l t i n g s y s t e m ，t h ep o o r s u s t a i n a b l e d e v e l o p m e n tp r o s p e c t o fr e s o u r c e s c o n s u m p t i o ne n t e r p r i s e sl i k et h o s em a jo r i n gi nm e t a l l u r g i c a lp r o d u c t i o n w a sf o u n d 1 h ee n e r g y s a v i n gm e a s u r e sf o rs u c hs y s t e m ss h o u l db e f o c u s e do nr e d u c i n gt h ec o n s u m p t i o no fu n i v e r s a le x e r g yo fn a t u r a l r e s o u r c e s ，i e ，r e d u c i n gt h es y s t e m sc o n s u m p t i o no fn o n r e n e w a b l e e n e r g ya n dr a wm a t e r i a l si nt h ep r o d u c t i o np r o c e s s i nc o m p a r i s o n ， u n i v e r s a le x e r g ya n a l y s i sf o rap r o d u c t i o ns y s t e mu t i l i z i n gr e n e w a b l e e n e r g y s o l a rp h o t o v o l t a i cp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e mw a sc o n d u c t e d ，a n d i tw a sf o u n dt h a tt h es y s t e m ss u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n tp r o s p e c ti sf a i r l y g o o d t h ee n e r g y s a v i n gm e a s u r e sf o rs u c hs y s t e m ss h o u l db ef o c u s e do n r e d u c i n ge n e r g yc o n s u m p t i o ni nm a n u f a c t u r i n gs o l a rp h o t o v o l t a i cc e l l s a n dr e d u c i n gt h ei n s t a l l a t i o nc o s to ft h es o l a r p h o t o v o l t a i cp o w e r g e n e r a t i o ns y s t e m ，r a t h e rt h a no ne n e r g y s a v i n gi nt h es y s t e m so p e r a t i o n p r o c e s s k e y w o r d s ：e x e r g y ；u n i v e r s a le x e r g y ；e x e r g ya n a l y s i s ；，u n i v e r s a l e x e r g ya n a l y s i s ；c o e f f i c i e n to fu t i l i z a t i o no fu n i v e r s a l e x e r g y , s u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n ti n d e x ，s k sl e a d s m e l t i n gs y s t e m ，p h o t o v o l t a i cp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e m v 中南大学博士学位论文 第一章研究背景和研究内容 第一章研究背景和研究内容 1 1 课题研究的社会经济背景 1 1 1 资源危机与环境污染已经成为世界面临的共同问题 地球生态环境不仅为人类的生产和生活提供了必不可少的物质、能源，也 为人类休闲度假提供赏心悦目的舒适性资源，同时也接受着生产生活排放的废弃 物。科学技术的进步使人类经济社会发展速度不断加快，社会生产规模急剧扩大， 人口迅速增加，人类从地球环境获取的资源大大超过了自然环境的再生增殖能 力，排入环境的废弃物大大超过了地球可承受的限度，于是出现了全球性的资源 短缺和严重的环境污染与破坏问题。例如，两次能源危机于2 0 世纪7 0 年代爆发； 一些如氟利昂之类的合成物质排放到大气中，可以稳定存在一百多年，而它们正 是破坏地球保护伞臭氧层的元凶：燃烧化石燃料、石油等向大气排放的二氧化硫 和氮氧化物等，形成了酸雨；过多的二氧化碳远远超过地球环境能够吸收的极限， 导致地球持续升温。当今世界经济社会的发展如果再不重视节约资源和保护环 境，资源的稀缺性将日益凸显，获取资源和治理环境的机会成本会更高，甚至造 成资源枯竭和环境难以恢复的恶果。 1 1 2 可持续发展已经成为国际社会共识 资源的浪费与枯竭，环境的破坏和恶化，已经成为世界经济、社会和环境可 持续发展的严重障碍。只有在最近几十年间，人们才发现并逐渐意识到这些问题 并开始采取行动。1 9 7 2 年，以美国m e a d o w s 为首的研究小组在增长的极限 的一本书中指出了地球资源及环境自净能力的有限性，世界人口增长、粮食生产、 工业发展、资源消耗和环境污染等的运行方式是指数增长而非线性增长，全球的 经济增长将会因为资源短缺和环境破坏于下世纪某个时段内达到极限，得出了 “零增长 的结论，并探讨了“零增长 模式下地球生态平衡状态的发展前景， 该书的出版对激发人们的环境意识发挥了非常重要的作用n 3 。1 9 7 2 年6 月5 日， 联合国在瑞典首都斯德哥尔摩举行了首次人类环境会议，通过了著名的人类环 境宣言及保护全球环境的“行动计划”，规定了人类对全球环境的权利与义务 的共同原则。1 9 8 1 年美国世界观察研究所所长b r o w n 出版了建立一个持续发 展的社会，提出必须从速建立一个“可持续的社会 ( s u s t a i n a b l es o c i e t y ) ； 中南大学博士学位论文第一章研究背景和研究内容 1 9 8 3 年第3 8 届联大通过决议成立联合国“世界环境与发展委员会”( w c e d ) ，负 责制定“全球的变革日程 ，并于1 9 8 7 年在第4 2 届联大通过w c e d 的报告我们 共同的未来，首次提出“可持续发展 的概念，并给出了可持续发展的定义： “在不损害后代人满足其自身需要的能力之前提下满足当代人需要的发展 。 1 9 8 7 年，联合国通过大气臭氧层保护的重要历史性文件蒙特利尔议定书，在 该议定书中，规定了保护臭氧层的受控物质种类和淘汰时间表，要求到2 0 0 0 年 全球的氟利昂消减一半，并制定了针对氟利昂类物质生产、消耗、进口及出口等 的控制措施。1 9 9 2 年6 月在巴西里约召开的联合国环境与发展大会通过了里 约环境与发展宣言、( 2 1 世纪议程、联合国气候变化框架公约、生物多样 性公约等重要文件，将可持续发展列为全世界的发展战略口，。 人类社会正在面临有史以来最严重的气候变化问题。在过去一百年来，全球 地表平均温度( 1 9 0 6 - - 2 0 0 5 年) 升高了0 7 4 ，预计到2 l 世纪末仍将上升1 1 - 6 4 。中国近百年来( 1 9 0 8 2 0 0 7 年) 地表平均气温升高了1 1 ；自1 9 8 6 年以来经 历了2 1 个暖冬；近3 0 年来，中国沿海海表温度上升了0 9 ，沿海海平面上升了 9 0 毫米1 。未来的气候变暖趋势将进一步加剧，地球环境的持续升温和气候变化 已经成为人类社会生存和发展的严峻问题。为了应对不断恶化的气候状况与能源 短缺，2 0 0 3 年英国政府率先发表了能源白皮书我们能源的未来一构建一个低碳 社会h 1 。2 0 0 9 年1 2 月，全球气候大会在哥本哈根召开，期间虽然未达成具体的 温室气体减排计划，但哥本哈根会议已成为应对气候变化国际合作的重要契机。 哥本哈根协议维护了联合国气候变化框架公约及其京都议定书确立 的“共同但有区别的责任 原则，就发达国家实行强制减排和发展中国家采取自 主减缓行动做出了安排，并就全球长期目标、资金和技术支持、透明度等焦点问 题达成了难得的共识。如何处理好减少温室气体排放和经济发展的关系已经是世 界和各国都要面对的问题，低碳经济是社会经济发展的必然选择。 1 1 3 中国经济发展与资源环境形势的矛盾 中国经济和社会发展正面临着资源保障和环境保护的双重压力，经济快速发 展与资源短缺、环境恶化的矛盾日益凸显。中国资源总量比较丰富但人口众多， 人均资源拥有量在世界上处于较低水平。中国煤炭和水力资源人均拥有量相当于 世界平均水平的5 0 ，石油、天然气人均资源量仅为世界平均水平的1 1 5 左右， 中国耕地资源不足世界人均水平的3 0 哺1 。目前，中国能源利用整体效率偏低， 能源系统的总效率仅为9 左右，不到发达国家的1 2 。这说明了能源从开采、 加工、转换、输运、分配到终端利用，9 0 以上被浪费了。其中，开采效率为3 2 ， 中间环节( 加- f 、转换、储运) 效率为7 0 ，终端利用效率为4 1 ，比国际先进 2 中南大学博士学位论文第一章研究背景和研究内容 国家低1 0 以上3 。 中国正处在工业化和城市化的中期，工业发展消耗占比很大。世界各国工业 能源消费一般只占能源消费总量的三分之一左右，而中国工业能耗占比近几年一 直在7 0 左右徘徊。统计数据显示，2 0 0 7 年全国能源消费总量为2 6 5 6 亿吨标 准煤，其中工业的能源消耗量达1 9 0 2 亿吨标准煤，工业的能源消费量占到全国 能源消费总量的7 1 6 1 ，而且近几年来工业的能耗量仍然保持较快的增加势头， 以1 1 左右的速度逐年增加口3 。 中国经济的快速发展使国家环境压力越来越大。2 0 0 5 年中国温室气体排放 总量占到全球排放总量的1 8 9 ，美国温室气体排放总量占到全球排放总量的 2 1 6 。随着中国经济的快速发展和能源利用的大量增加，中国温室气体的排放 量还将快速增加，将很快成为温室气体世界第一排放大国哺1 。因此，中国必须坚 持把转变发展方式、调整产业结构和工业内部结构作为能源节约的战略重点，努 力形成“低投入、低消耗、低排放、高效率”的经济发展方式。 1 1 4 两型社会的基本内涵与中国发展的战略决策 两型社会是指资源节约型与环境友好型社会。资源节约型社会是指在社会生 产、流通、消费的各个领域，通过采取综合性措施，提高资源利用效率，以最少 的资源消耗获得最大的经济和社会收益，保障经济社会可持续发展的社会发展模 式。用经济学的术语来说，就是用最小的资源成本获得最大的效用。在国家和区 域层次，资源节约型社会可以用同样多的资源为社会提供更多的物质产品供给； 在企业层次，资源节约型社会可以用同样多的资源生产更多的产品，满足社会更 大的物质需求；在居民家庭层次上，资源节约型社会可以用同样多的财富满足人 们更多的效用。环境友好型社会是指社会的生产与生活以对生态环境无害的方式 进行，在保护生态环境的前提下实现经济增长的社会发展模式。用经济学的术语 来说，就是经济活动不产生负的外部效果。在国家和区域层次上，环境友好型社 会要求有一种社会组织和实体，对经济活动产生的废弃物进行环境无害化处理， 把社会排放的污染物总量控制在自然能够净化的能力范围内；在企业层次，要求 企业以清洁生产方式进行生产，不排放或尽量少排放废弃物；在居民家庭层次， 把消费所产生的废弃物降低到最低点。 转变发展方式，建设资源节约型和环境友好型社会成为中国经济发展、中国 特色现代化建设的重大战略选择和长期而艰巨的任务。中国政府已经充分认识到 自然资源特别是能源的稀缺和十分有限的环境承载能力对经济社会发展的制约 作用，强调要学习实践科学发展观，将转变发展方式、建设两型社会纳入国民经 中南大学博士学位论文第一章研究背景和研究内容 济发展和中国特色现代化建设的重大战略。国家经济发展必须走出靠高消耗、高 污染而换取经济高增长的误区，加快推进经济增长方式的转变，由粗放型转变成 集约型，由外延型变成内涵型，由速度数量型变成质量效益型。 中国政府在“十一五 规划纲要中明确提出了相应的节能约束性指标，即 在“十一五 时期，单位国民生产总值能源消耗强度、主要污染物排放总量在 2 0 0 5 年基础上分别减少2 0 和1 0 左右。在此之后，又制定了能源发展“十 一五规划，修改了中华人民共和国节约能源法。并于2 0 0 6 年4 月起对高 耗能行业中的近千家企业启动了节能行动，即实施强制能源审计。在2 0 0 9 年哥 本哈根气候大会上，中国向世界承诺，到2 0 2 0 年要将单位g d p 二氧化碳排放量 在2 0 0 5 年的基础上降低4 0 至4 5 。这些都表明了中国政府通过调整经济结构， 转变发展方式，提高能源利用效率、节约各类资源来促进社会、经济、能源和环 境可持续发展的决心。 1 1 5 两型社会建设与可持续发展方式下的节能内涵 从内涵上，节能可分为狭义节能和广义节能。狭义节能( e n e r g ys a v i n gi n n a r r o ws e n s e ) 指煤、油、电、气等能源资源的节约，包含了从能源资源的开发、 输送分配、转换( 电力、蒸汽) 或加工为二次能源( 成品油、煤气) ，直到用户消费 等各个环节的节能。狭义节能又分为直接节能和间接节能两种方式。直接节能 ( d i r e c te n e r g ys a v i n g ) 指通过加强能源的科学管理和推动技术进步( 提高能 效) ，在满足生产和生活同等需要的条件下，直接减少能源消耗量。间接节能 ( i n d i r e c te n e r g ys a v i n g ) 指除直接节能原因外的单位产值能耗的降低，其范 围很广，主要包括调整经济结构( 如产业结构、企业结构、产品结构和能源消费 结构) ，合理组织生产，节约原材料及其他消耗品，提高资源综合利用效益等方 面的内容。此外，合理组织运力、进口高耗能产品等也属于间接节能呻1 。 广义节能( g e n e r a le n e r g ys a v i n g ) 除包含狭义节能内容之外，还包括节 约原材料、运力、人力、资金、提高作业效率等各个方面的节约。 中国新的节能法中对节能的定义为：节能是指加强用能管理，采取技术上可 行、经济上合理以及环境和社会可以承受的措施，减少从能源生产到消费各个环 节中的损失和浪费，更加有效、合理地利用能源。新节能法提出的节能定义仍属 于狭义节能范畴，而中国建设资源节约型社会的策略提倡的节约各种资源则是属 于广义节能的范围。明确节能的内涵，是进行能量系统分析和评价的基础。 1 2 炯分析及其应用的发展概况 4 中南大学博士学位论文 第一章研究背景和研究内容 1 2 1 炯分析法及其特点 热力学是研究能量转换和利用规律的科学，热力学的核心理论主要包括热力 学第一定律和热力学第二定律两个基本原理。热力学第一定律是能量守恒和转换 定律在热现象中的应用，它确定了热力过程中热力系与外界进行能量交换时，各 种形态的能量在数量上的守恒关系。热力学第二定律是描述能量转换和利用过程 的方向性、不可逆性的客观规律，它揭示了一切实际过程能量不断退化和贬值的 本质。 炯( e x e r g y ) ( 也称“可用能”) 概念来自热力学第二定律，是为了评价能量 的品质高低而提出来的，定义上它具有能量的属性，是一个即能反映能量多少也 能反映能量质量高低的一个重要参数。能量、物质系统的炯指能量、物质系统在 只有环境作用的条件下，经历可逆过程达到与周围环境状态平衡时能产生的最大 可用功。因此，炯是系统的相对于环境的参数，一旦环境状态取定，任何能量、 物质的炯量就可以计算，一定环境状态下物质系统的炯是它们的状态参数。在研 究能源利用效率时，一直困扰人们的是如何将非同质的能源投入要素加总、不同 产出之间加总和成本分摊等问题，就是如何将苹果和桔子进行加总的问题n 们， 炯参数的提出彻底解决了此类问题，即炯为正确评价不同形态的能量、不同状态 的物质的价值提供了统一的标尺。 能量系统的热力学分析方法可分为热力学第一定律分析方法和热力学第二 定律分析方法。热力学第一定律分析方法也称为热平衡分析方法，或简称为能量 分析法，它是以能量守恒和转换定律为基础，以提高热效率为目标，分析系统的 热力学完善性，为改善系统提供理论依据。能量分析法一直在能量系统分析中起 着重要作用，但它只能在量方面揭示出能量转换、传递、有效利用和损失情况， 确定出某个系统、设备的能量利用或转换效率。热力学第二定律分析方法是熵分 析法和炯分析法之全称。熵是表示系统内部混乱程度的量，是系统无序程度的量 度。熵分析法是以热力学第二定律为依据，判断过程中能量的“质”退化程度的 分析法。熵分析法通过对热力系统的熵变化量分析，找出过程和设备的不可逆熵 产量，继而由熵产量间接获得因为过程的不可逆所引起的可用能损失即炯损失。 炯分析法是同时以热力学第一定律和热力学第二定律为依据，将能量的“量”和 “质 统筹考虑的分析法。炯分析弥补了能量分析的不足，注重能量的质量，以 炯效率为目标函数，通过系统的炯衡算，发现系统中设备、过程、工序中的各种 炯损失。炯分析与物体或系统的能量和熵密切相关，因为系统的炯参数是与系统 的内能、焓、熵及环境参数有关的量。炯分析法简便且易于理解，而熵概念抽象 且熵分析方法比较复杂。因此，在能量系统分析中，炯分析法比熵分析法应用更 广泛，发展速度更快。 中南大学博士学位论文 第一章研究背景和研究内容 1 2 2 炯分析法应用概况 随着资源短缺和生态环境破坏等形势的愈发严峻，人们越来越重视节约和有 效利用各种资源。作为衡量物质、能量的做功能力的炯概念和能够揭示系统用能 过程的能量退化实质的炯分析方法已经成为近十几年来的热门话题，炯分析法逐 渐替代能量平衡分析法对各种物质、能量转换和利用过程进行评价并得到快速发 展。炯分析法首先在电厂热力系统分析中得到推广应用，并且长期以来为不断提 高火电厂能量转化效率起了重要推动作用n “删。目前，炯分析法已被国内外学者 广泛应用于钢铁冶金n3 1 4 3 、水泥n 5 1 等高耗能生产过程和设备的分析和评价，炯分 析也常与能量分析结合，被用于分析和评价一个国家、地区和行业的能源系统状 况n 6 q 钔，炯理论也成为了评价地球n 钔和国家啪1 资源环境状况的重要工具。在炯理 论得到推广应用的同时，也产生了一些新的炯概念和分析方法，炯概念的涵义不 断得到扩展，例如，1 9 9 0 年代前后，s z a r g u t 和m o r r i s 口。2 2 3 基于物质的生命周期 消耗提出了积累炯消耗( c u m u l a t i v ee x e r g yc o n s u m p t i o n ) 的概念与和积累炯分 析方法，积累炯消耗是指某物质材料、能量或者设备自从自然矿状态到当前状态 的炯消耗的积累，因为计算过程复杂且难以确定，积累炯分析方法没有得到推广。 本世纪初，s c i u b b a 乜3 。2 钉提出了扩展炯( e x t e n d e de x e r g y ) 概念，将生产投入的 劳动、资金以及环境处理等成本都转化为炯，并提出了能源系统的扩展炯统计方 法( e x t e n d e de x e r g ya c c o u n t i n g ) ，扩展炯统计法在国家和地区宏观经济系统 的炯消耗统计和分析中得到了推广应用。炯的涵义从能源领域被扩展到经济系统 和社会系统，炯的概念和炯分析方法的应用范围得到进一步拓展。 1 3 综合分析评价研究现状与建立综合量化分析方法的必要性 随着自然资源供应和需求的矛盾越来越突出，系统的节能分析和评价研究已 经成为能源系统工程、经济、环境、管理等学科领域的重点研究方向，分析和评 价也由热力学单项评价向着多指标综合分析与综合评价方向发展。 综合评价是指对系统的多项对象采用多项标准进行的评价，它是相对于单项 评价而言的。若评价标准比较单一、明确，则可称为“单项评价 。反之，若评 价标准比较复杂、抽象，就属于“综合评价”。例如，对能源系统的热效率、炯 效率或某种排放物等进行的分析和评价都属于对系统的单项评价，而对系统的资 源节约、环境影响、劳动力配置等社会经济效益进行全面评判，则属于综合评价。 综合评价使研究者能够从纷杂的现象中把握事物的整体水平。目前的综合分析与 评价方法主要为多指标综合评价。多指标综合节能评价方法是建立在热力学、经 济学、社会学、系统论、控制论及统计理论等学科基础上的系统分析评价方法， 6 中南大学博士学位论文第一章研究背景和研究内容 其方法体系还在不断完善当中，它必须经过建立指标、指标统计、指标赋权和综 合指标计算的一系列过程。一般来说，综合评价与统计密不可分，必须获取大量 统计数据。所以，一般的综合评价通常就是指统计综合评价啪1 。综合节能分析与 评价一定要将评价方法和评价指标体系紧密结合，因此，构建评价指标体系是综 合评价的主要内容。但是，多指标综合分析与评价得出的结果是一种抽象的趋势 性的定性结果，不能给出具体的定量指标。 自1 9 9 0 年以后，各国已经开始了关于能源系统的整体分析和综合评价的研 究，并取得了一些成果，一些发达国家已经构建了较为系统的能源系统评价指标 体系。较早出现并具有影响力的有联合国可持续发展委员会建立的可持续发展指 标口 ；1 9 9 0 年代，欧盟开发了约有2 0 0 个评价指标的能效评价指标0 d y s s e e 评价指标体系晗引，并且每年都采用该指标体系对欧盟各国的合理用能状况进行监 测，发布各国最新的能效指标值；国际原子能机构( i a e a ) 开发了可持续发展能 源指标体系( i s e d ) ( i n d i c a t o r sf o rs u s t a i n a b l ee n e r g yd e v e l o p m e n t ) ，指 标体系包