节能原理及评价方法

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。,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/（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；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，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NbC2，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、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