2 节能原理及评价方法1h

1、节能技术与应用讲座,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,节能技术与应用讲座,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,节能技术与应用讲座,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,节能技术与应用讲座,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

2、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,节能技术与应用讲座,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,节能技术与应用讲座,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,节能技术与应用讲座,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

3、功,传递能量,节能技术与应用讲座,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,节能技术与应用讲座,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,节能技术与应用讲座,锅炉的用能平衡,节能技术与应用讲座,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

4、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,节能技术与应用讲座,任意体系与环境之间的能量转换关系,节能技术与应用讲座,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,节能技术与应用讲座,热力学第一定律未解决问

5、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,节能技术与应用讲座,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,节能技术与应用讲座,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

6、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,节能技术与应用讲座,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,Cold,Hot,节能技术与应用讲座,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,节能技术与应用讲座,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,节能技术与应用讲座,热机工作示意图,锅,炉,给水泵,热量,Q,1,T,1,热量,Q2,T,2,做功,W,1,做功,W,2,冷凝器,蒸汽,轮机,试计算热机（将热能

7、转换为机械能的机器）的效率,节能技术与应用讲座,热功转换的总效率,忽略水泵做功,W,2,及各种损失,要想让能源效率达到,100,只有让,Q,2,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,1,1,1,2,1,2,1,1,1,Q,Q,Q,Q,Q,Q,W,节能技术与应用讲座,压缩式制冷机,制热机（热泵,热量,Q,1,T,1,节,流,阀,蒸发器,冷凝器,压,气,机,热量,Q,2,T,2,做功,W,制冷效率,Q,1,W=Q,1,Q,2,Q,1,制热效率,Q,2,W=Q,2,Q,2,Q,1,守恒：忽略各种损,失，则,W+Q,1,Q,2,低压气,高压气,低压液,高压液,节能技术与应用讲座

8、,压缩式制冷机,制热机,制冷效率,Q,1,W = Q,1,Q,2,Q,1,制热效率,Q,2,W = Q,2,Q,2,Q,1,守恒：忽略各种损失，则,W+Q,1,Q,2,1,2,1,max,T,T,T,C,1,2,2,max,T,T,T,H,制冷,制热,注意：式中,T,均,为热力学温度,节能技术与应用讲座,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,T,2,为40,室内蒸发温度,T,1,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,43,9,15,283,15,313,15,283,1,1,2,1,max,T,T,T,C

9、,节能技术与应用讲座,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,T,1,为,20，室内,冷凝温度,T,2,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,33,7,15,253,15,293,15,293,1,1,2,2,m,ax,T,T,T,H,对比表明，空调器制热比电热器制热的省电,60,以上,节能技术与应用讲座,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,节能技术与应用讲座,思考题,热

10、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,节能技术与应用讲座,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,节能技术与应用讲座,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

11、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,节能技术与应用讲座,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,

12、节能技术与应用讲座,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,节能技术与应用讲座,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,节能技术与应用讲座,2.3,节能技术经济评价,两个概念,1

13、,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,节能技术与应用讲座,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,节能技术与应用讲座,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

14、收益法,5,年度净收益法,6,净收益,投资比值法,节能技术与应用讲座,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,节能技术与应用讲座,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,10,15,年的财务平,衡情况，以便逐年逐项审查其资金偿还

15、能力,并为最初决策时参考,节能技术与应用讲座,1,简单补偿年限法,I,P,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,N,b,标准回收年限（年,对电类设备可按,N,b,5,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,N,b,值,N,S,节能措施的使用寿命（年），一般,N,b,N,s,A,I,N,P,判定依据,NN,b,Ns,节能措施可行,NN,b,经济上不合理,计算公式,节能技术与应用讲座,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

16、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,案例,节能技术与应用讲座,对方案,A,有,对方案,B,有,年,5,1,5,20,A,N,年,5,5,5,1,7,0,3,B,N,方案,A,和方案,B,的投资回收年限既小于标准补偿,年限,N,b,又小于设备的使用寿命,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

17、案,A,较优,案例分析之一,A,I,N,P,简单补偿年限法,节能技术与应用讲座,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,N,s,N,b,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,3,3,3,3,2,2,2,2,1,1,1,1,S,N,I,C,S,N,I,C,S,N,I,C,b,p,b,p,b,p,I,P1,I,P2,I,P3,节能措施,投入的全部资金（元,N,b1,N,b2,N,b3,各,方,案,对,应,的,标,准,补,偿,年,限,年,S,1,S,2,S,3,各方案,的年运行成本,节能技术与应用讲座,判断依据,

18、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,i,bi,pi,i,S,N,I,C,节能技术与应用讲座,原锅炉节能改造方案，假设原来年运行成本为,S,0,则,S,1,S,0,1-5=S,0,4,S,2,S,0,1.5-7=S,0,5.5,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,5,1,4,8,20,0,0,1,1,1,1,S,S,S,N,

19、I,C,b,p,5,2,5,5,10,30,0,0,1,2,2,2,S,S,S,N,I,C,b,p,案例分析之二,节能技术与应用讲座,3,动态补偿年限法,考虑资金的时间效益，若在,动态回收期,N,D,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,D,D,N,N,j,j,j,P,i,F,i,A,I,1,1,1,1,ln,ln,i,iI,A,iF,A,N,P,D,1,2,I,P,为节能项目总投资,i,为单利的年利率,A,j,为第,j,年净收益,F,为设备残值,节能技术与应用讲座,判断依据,1,如已知资金的年利率,i,一次性投资,I,P,及每年因,节能措施带来的净收益

20、,A,j,则可以通过,2,式,计算所得的,动态回收期,N,D,和行业标准回收期,N,b,的,比较,确定方案在经济上是否可行,若动态回收期,N,D,小于行业标准回收期,N,b,同时,也小于项目寿命,Ns,，则方案是可行的；反之,方案不可行,节能技术与应用讲座,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,A,j,用于偿还一次性投资,I,P,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,i,0,如该年利率,i,0,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,节能技术与应用讲座,对方案,A,有,对方案

21、,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,年,5,6,1,0,1,ln,20,1,0,4,3,1,0,4,ln,DA,N,年,5,7,1,0,1,ln,30,1,0,5.5,4,1,0,5.5,ln,B,D,N,案例分析之三,节能技术与应用讲座,4,寿命周期净现值收益法,S,S,S,N,P,N,N,i,F,I,i,i,i,A,P,1,1,1,1,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，

22、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,节能技术与应用讲座,万元,74,2,1,0,1,3,20,1,0,1,1,0,1,1,0,1,4,8,8,8,A,P,万元,4,3,5,1,0,1,4,30,1,0,1,1,0,1,1,0,1,5.5,10,10,10,B,P,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,节

23、能技术与应用讲座,5,年度净收益法,1,1,1,1,1,1,S,S,S,S,N,N,N,P,N,j,j,j,P,i,i,i,i,F,I,i,A,A,1,1,1,1,S,S,S,N,N,N,P,P,i,i,i,i,F,I,A,A,计算公式如下,如果节能项目每年的净节约费用相等，均为,A,则可简化为,当,A,P,0,时，节能方案增益，在经济上可行,A,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,A,P,0,时，节能方案将亏损,经济上不可行。若有多个方案,A,P,大者为较优方案,节能技术与应用讲座,1,1,0,1,1,0,1,1,0,1,0,1,3,20,4,8,8,8,P,A,万元,87,0,1,1,0,1,1,0,1,1,0,1,0,1,4,30,5,5,10,10,10,P,A,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,节能技术与应用讲座,6,净收益,投资比值法,P,N,P,N,N,I,i,F,I,i,i,i,A,S,S,S,1,1,1,1