第2講節(jié)能原理及評(píng)價(jià)方法主講人：吳金星鄭州大學(xué)節(jié)能技術(shù)研究中心2.1節(jié)能的基本原理2.2節(jié)能技術(shù)評(píng)價(jià)的必要性2.3節(jié)能技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)主要內(nèi)容2.1節(jié)能的基本原理2.1.1熱力學(xué)第一定律與節(jié)能的可能性2.1.2熱力學(xué)第二定律與節(jié)能的程度2.1.3節(jié)能原理的具體指導(dǎo)意義★2.1.1熱力學(xué)第一定律與節(jié)能的可能性能量定義：

能量是物質(zhì)做功的本領(lǐng)。做功能力越大，能品位越高。能量形式：

物質(zhì)所含能量有6種形式：機(jī)械能（動(dòng)能、勢(shì)能）、熱能、電能、輻射能、化學(xué)能、核能等。能量按熱力學(xué)分成兩類（5種）：儲(chǔ)存能（內(nèi)能、動(dòng)能、勢(shì)能），與狀態(tài)有關(guān)；傳遞能（熱能、功），與過程有關(guān)。能量利用的過程就是能量轉(zhuǎn)換的過程。熱力學(xué)：研究能量轉(zhuǎn)換方式和規(guī)律的科學(xué)。能量在轉(zhuǎn)換過程中遵循的基本定律：（1）熱力學(xué)第一定律，即能量守恒定律；（2）熱力學(xué)第二定律。熱力學(xué)第一定律（即能量守恒定律）指出：“自然界的一切物質(zhì)都具有能量；能量既不能創(chuàng)造，也不能消滅，而只能從一種形式轉(zhuǎn)換成另一種形式，從一個(gè)物體傳遞到另一個(gè)（或多個(gè)）物體；在能量轉(zhuǎn)換與傳遞過程中，能量的總量恒定不變?！?/p>

鍋爐煤環(huán)境環(huán)境能量轉(zhuǎn)換示意圖體系體系與環(huán)境之間可以通過熱或功傳遞能量。能量轉(zhuǎn)換與節(jié)能的關(guān)系在鍋爐燃煤產(chǎn)生蒸汽的體系中，煤燃燒產(chǎn)生的能量一部分轉(zhuǎn)移到蒸汽中，這是我們所希望的；另一部分能量通過多種形式轉(zhuǎn)移到了環(huán)境中去。ΔE（體系的能量）-Δ

E（環(huán)境的能量）=0Δ【E（體系的能量）＋E（環(huán)境的能量）】=0節(jié)能的方向：盡量減少那些轉(zhuǎn)移到體系之外（即環(huán)境中）的能量。

鍋爐煤環(huán)境環(huán)境此體系能量不守恒此體系能量守恒能量轉(zhuǎn)換示意圖體系體系鍋爐的用能平衡對(duì)于鍋爐體系，進(jìn)入體系的總能量等于體系輸出的總能量（能量守恒），但輸入能量中只有73.2%轉(zhuǎn)移到我們期望的蒸汽中，其余26.8%的能量損失掉了。分析發(fā)現(xiàn)，損失掉的能量中，17.2%由鍋爐煙氣帶走，煤炭不完全燃燒損失能量9.1%，鍋爐散熱損失0.5%。通過能量守恒分析，指明了節(jié)能的方向：1）采取高效煙氣余熱回收裝置，如高效換熱器，可預(yù)熱助燃空氣，或預(yù)熱補(bǔ)給軟水；2）改進(jìn)鍋爐結(jié)構(gòu)和燃燒方式，以提高燃燒效率；3）加強(qiáng)鍋爐隔熱保溫措施，以減少熱損失。任意體系與環(huán)境之間的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系熱力學(xué)第一定律對(duì)節(jié)能的提示：能量在轉(zhuǎn)換過程中總量的不變性，指明了節(jié)能的方向：在能量轉(zhuǎn)換過程中，盡量將能量轉(zhuǎn)換到期望的體系中去（節(jié)能的關(guān)鍵）。熱力學(xué)第一定律未解決問題能量的轉(zhuǎn)換過程，是不是只要守恒就可以任意轉(zhuǎn)換嗎？A系統(tǒng)B系統(tǒng)ΔE？要解決能量轉(zhuǎn)換的方向性問題，用熱力學(xué)第二定律。1、自然界中的一切自發(fā)過程都是不可逆的。2、德國(guó)物理學(xué)家克勞休斯的說法：“不可能使熱量由低溫物體向高溫物體傳遞而不引起其他的變化”。

3、開爾文普朗克說法：“要制成只從一個(gè)熱源吸收熱量并把它全部轉(zhuǎn)換為功的熱機(jī)是不可能的”。即

“第二類永動(dòng)機(jī)是不可能造成的”。熱力學(xué)第二定律的表述方法：2.1.2熱力學(xué)第二定律與節(jié)能的程度1、自然界中的一切自發(fā)過程都是不可逆的。熱力學(xué)第二定律涉及范圍最廣泛的表述方法：水總是從高處向低處流動(dòng)。氣體總是從高壓向低壓膨脹熱量總是從高溫物體向低溫物體傳遞熱力學(xué)第二定律的

克勞修斯說法不可能把熱量從低溫物體傳到高溫物體而不引起其他變化。ColdHot熱力學(xué)第二定律的克勞修斯說法為了將熱量從冷態(tài)輸送到熱態(tài)，您需要一個(gè)裝置。例如熱泵或冰箱，持續(xù)做功。熱力學(xué)第二定律的

開爾文–普朗克說法不可能從單一熱源吸取熱量，使之完全轉(zhuǎn)變?yōu)楣Χ划a(chǎn)生其他影響。熱機(jī)工作示意圖鍋爐給水泵熱量Q1,T1熱量Q2,T2做功W1做功W2冷凝器蒸汽輪機(jī)試計(jì)算熱機(jī)（將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的機(jī)器）的效率？熱功轉(zhuǎn)換的總效率：忽略水泵做功W2及各種損失。要想讓能源效率達(dá)到100%，只有讓Q2等于0。但這不可能，違背熱二定律。熱功轉(zhuǎn)換必須付出一定代價(jià)。壓縮式制冷機(jī)/制熱機(jī)（熱泵）熱量Q1，

T1節(jié)流閥蒸發(fā)器冷凝器壓氣機(jī)熱量Q2，T2做功W制冷效率：Q1/W=Q1/（Q2-Q1）制熱效率：Q2/W=Q2/（Q2-Q1）守恒：忽略各種損失，則W+Q1=Q2低壓氣高壓氣低壓液高壓液壓縮式制冷機(jī)/制熱機(jī)制冷效率：Q1/W=Q1/（Q2-Q1）制熱效率：Q2/W=Q2/（Q2-Q1）守恒：忽略各種損失，則W+Q1=Q2制冷制熱注意：式中T均為熱力學(xué)溫度。制冷/熱機(jī)效率計(jì)算實(shí)例★制冷：某制冷空調(diào)如果夏天室外冷凝溫度T2為40℃，室內(nèi)蒸發(fā)溫度T1為10℃，則最大的可能效率為：目前商用空調(diào)的效率一般為3-5，所以從理論極限來說，還有較大的節(jié)能潛力。制冷/熱機(jī)效率計(jì)算實(shí)例★制熱（熱泵）：某制暖空調(diào)冬天室外蒸發(fā)溫度T1為-20℃，室內(nèi)冷凝溫度T2為20℃，則最大的可能效率為：目前商用空調(diào)的制暖效率一般為3-6，所以從理論極限來說，還有較大的節(jié)能潛力。對(duì)比表明，空調(diào)器制熱比電熱器制熱的省電60%以上熱力學(xué)第二定律對(duì)節(jié)能的提示：1、能量轉(zhuǎn)換是有條件及方向性的；2、能量的品位有高下之分，不同品位之間的能量轉(zhuǎn)換需要付出代價(jià)；3、節(jié)能的關(guān)鍵是以盡量小代價(jià)實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換。思考題熱泵能將低溫物體的能量向高溫物體轉(zhuǎn)移，而

。

A.外界無需作功

B.外界需要作功

C.根據(jù)高溫物體和低溫物體的溫差大小確定是否需要消耗功

D.外界獲得電能

B★

節(jié)能原理的具體指導(dǎo)意義★1、能量守恒必須將體系和環(huán)境一起來考慮，單獨(dú)考慮體系時(shí)，能量是不守恒的。2、在能量轉(zhuǎn)化過程中，節(jié)能的方向是：減少能量向環(huán)境的轉(zhuǎn)移。最根本的節(jié)能技術(shù)是：提高體系本身的轉(zhuǎn)換效率，減少向環(huán)境排放量；其次是補(bǔ)救性節(jié)能技術(shù)：能量回收再利用。3、能量有品位高低，一般情況下，不要將高品位的能量轉(zhuǎn)變成低品位能量再利用。如將電能轉(zhuǎn)變成熱能時(shí)，不要直接轉(zhuǎn)變，可通過制熱機(jī)（如熱泵）提高能源效率系數(shù)。4、低品位能量（如熱能）不能完全轉(zhuǎn)變成高品位能量（如機(jī)械能、電能），且在轉(zhuǎn)變的過程中需要付出一定的代價(jià)。所付出的代價(jià)是：消耗一定量高品質(zhì)能量，且有一部分能量轉(zhuǎn)移到環(huán)境中。如能充分利用轉(zhuǎn)移到環(huán)境中的這部分能量，則可大大提高能量的利用效率。思考題能源不僅有數(shù)量的多少之分，更有品位高低之分，現(xiàn)有3種能源，分別是電能、500℃熱能、300℃熱能，它們品位高低的排序?yàn)椋篲___

（“>”表示高于）

A.電能>500℃熱能>300℃熱能

B.500℃熱能>300℃熱能>電能

C.300℃熱能>500℃熱能>電能

D.500℃熱能>電能>300℃熱能

A2.2節(jié)能技術(shù)評(píng)價(jià)的必要性1）有的節(jié)能方法是不理想、偽科學(xué)的。如所謂的水變油技術(shù)、永動(dòng)機(jī)技術(shù)。2）有些節(jié)能技術(shù)，就項(xiàng)目本身看確實(shí)有節(jié)能的效果，但為了達(dá)到該節(jié)能效果所付出的代價(jià)遠(yuǎn)大于節(jié)能所帶來的效果，那么這些節(jié)能技術(shù)也沒有實(shí)施的必要。節(jié)能技術(shù)評(píng)價(jià)的必要性3）節(jié)能不節(jié)錢、節(jié)能節(jié)錢不環(huán)保、短期有節(jié)能效益，長(zhǎng)期造成環(huán)境污染，或?qū)撛诘奈ｋU(xiǎn)無法評(píng)定。所以，必須對(duì)節(jié)能技術(shù)進(jìn)行全面的、綜合的評(píng)價(jià)，在眾多的節(jié)能方案中挑選技術(shù)上可行、經(jīng)濟(jì)上合理、環(huán)境污染最小化、社會(huì)效益最大化的節(jié)能方案。2.3節(jié)能技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)兩個(gè)概念：1、資金的時(shí)間價(jià)值

資金在不同的時(shí)間上具有不同的價(jià)值，資金在周轉(zhuǎn)使用中由于時(shí)間因素而形成的價(jià)值差額，稱為資金的時(shí)間價(jià)值。

資金時(shí)間價(jià)值的計(jì)算

(自學(xué)）2、節(jié)能措施的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析定義：就是要在措施實(shí)施以前，全面考察其在技術(shù)上的可行性與經(jīng)濟(jì)效益的優(yōu)劣（在一定時(shí)期內(nèi)產(chǎn)出大于投入），進(jìn)行方案比較，確定投資方向，避免由于盲目性而造成人力、物力、財(cái)力上的浪費(fèi)。節(jié)能投資的目的，不僅要收到節(jié)約燃料、電力、水等資源的效果，還要有好的投資效益?！?/p>

節(jié)能方案評(píng)價(jià)方法★1、簡(jiǎn)單補(bǔ)償年限法2、標(biāo)準(zhǔn)補(bǔ)償年限內(nèi)的計(jì)算費(fèi)用法

3、動(dòng)態(tài)補(bǔ)償年限法4、壽命周期凈現(xiàn)值收益法5、年度凈收益法6、凈收益-投資比值法不同技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)方法的選擇：1、對(duì)于可行性研究的初期階段或項(xiàng)目較小、補(bǔ)償期很短時(shí)，可采用計(jì)算投資回收時(shí)間的簡(jiǎn)單補(bǔ)償年限法。2、在進(jìn)行兩個(gè)或幾個(gè)方案間比較時(shí)，可采用計(jì)算費(fèi)用法。3、對(duì)于大型項(xiàng)目和經(jīng)濟(jì)壽命較長(zhǎng)的項(xiàng)目（10年以上），就需要進(jìn)行包括時(shí)間因素和利率因素在內(nèi)的計(jì)算方法。不同技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)方法的選擇：4、對(duì)投資超過1000萬元，使用壽命超過15年的大型項(xiàng)目，就需要進(jìn)行更詳盡的綜合分析，并用動(dòng)態(tài)分析方法計(jì)算出投產(chǎn)后10—15年的財(cái)務(wù)平衡情況，以便逐年逐項(xiàng)審查其資金償還能力，并為最初決策時(shí)參考。1、簡(jiǎn)單補(bǔ)償年限法IP:節(jié)能措施投入的全部資金（元）；A:節(jié)能措施形成的年經(jīng)濟(jì)效益增長(zhǎng)總值（元/年）；N：節(jié)能措施原投入資金的回收期限（年）；Nb:標(biāo)準(zhǔn)回收年限（年）；對(duì)電類設(shè)備可按Nb＝5年考慮。其它設(shè)備，根據(jù)其使用壽命對(duì)照電類設(shè)備壽命適當(dāng)假定Nb值。NS:節(jié)能措施的使用壽命（年），一般Nb<Ns。判定依據(jù)：

N<Nb<Ns，節(jié)能措施可行；N>Nb，經(jīng)濟(jì)上不合理。計(jì)算公式對(duì)某鍋爐進(jìn)行節(jié)能技術(shù)改造，有兩個(gè)方案可供選擇：

方案A，一次性投入20萬元，每年的產(chǎn)生的節(jié)約能源費(fèi)用5萬元，因節(jié)能技術(shù)而增加的年維修費(fèi)用1萬元，使用壽命8年，設(shè)備殘值3萬元；

方案B，一次性投入30萬元，每年的產(chǎn)生的節(jié)約能源費(fèi)用7萬元，因節(jié)能技術(shù)而增加的年維修費(fèi)用1.5萬元，使用壽命10年，設(shè)備殘值4萬元。在資金年利率為10%的情況，判斷兩節(jié)能技術(shù)改造方案可行性。案例對(duì)方案A有：對(duì)方案B有：

方案A和方案B的投資回收年限既小于標(biāo)準(zhǔn)補(bǔ)償年限Nb，又小于設(shè)備的使用壽命Ns，所以兩個(gè)方案均可行。但方案A的投資回收年限小于方案B，兩個(gè)方案相比而言，方案A較優(yōu)。案例分析之一簡(jiǎn)單補(bǔ)償年限法2、標(biāo)準(zhǔn)補(bǔ)償年限內(nèi)的計(jì)算費(fèi)用法應(yīng)用場(chǎng)合：兩種或多種節(jié)能方案，其技術(shù)條件滿足要求，又符合使用壽命Ns＞Nb條件，可采用計(jì)算費(fèi)用法進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析。具體公式：計(jì)算費(fèi)用C：IP1、IP2、IP3——節(jié)能措施投入的全部資金（元）；

Nb1、Nb2、Nb3——各方案對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)補(bǔ)償年限（年）；

S1、S2、S3——各方案的年運(yùn)行成本。判斷依據(jù)：上式計(jì)算費(fèi)用最低者為最經(jīng)濟(jì)方案。上式中年運(yùn)行成本S是指設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)，每年的設(shè)備折舊費(fèi)、維護(hù)管理費(fèi)、能源消耗費(fèi)等。計(jì)算費(fèi)用法的優(yōu)點(diǎn)是經(jīng)濟(jì)概念清楚，計(jì)算簡(jiǎn)便。但沒有考慮技術(shù)條件的可比性，如對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響；對(duì)時(shí)間因素及社會(huì)效益和環(huán)境影響均未加考慮。

原鍋爐節(jié)能改造方案，假設(shè)原來年運(yùn)行成本為S0，則S1=S0+1-5=S0-4；S2=S0+1.5-7=S0-5.5對(duì)方案A有：對(duì)方案B有：比較兩者費(fèi)用，可知C1>C2，所以方案B優(yōu)于方案A。案例分析之二3、動(dòng)態(tài)補(bǔ)償年限法考慮資金的時(shí)間效益，若在動(dòng)態(tài)回收期ND年內(nèi)回收一次投資，則應(yīng)該符合下式條件：由上式經(jīng)推導(dǎo)可得：[設(shè)年凈收益均為A](1)(2)IP為節(jié)能項(xiàng)目總投資；i為單利的年利率；Aj為第j年凈收益；F為設(shè)備殘值。判斷依據(jù)1如已知資金的年利率i，一次性投資IP及每年因節(jié)能措施帶來的凈收益Aj

，則可以通過（2）式計(jì)算所得的動(dòng)態(tài)回收期ND和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)回收期Nb的比較，確定方案在經(jīng)濟(jì)上是否可行。若動(dòng)態(tài)回收期ND小于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)回收期Nb（同時(shí)也小于項(xiàng)目壽命Ns），則方案是可行的；反之方案不可行。判斷依據(jù)2如果要求該節(jié)能方案的一次性投資必須在規(guī)定的年限N年內(nèi)，將每年由于節(jié)能措施所產(chǎn)生的效益Aj用于償還一次性投資IP。則可將已知數(shù)據(jù)代入（1）式，求出該節(jié)能投資方案的等效年利率i0

。如該年利率i0大于規(guī)定的年利率i，則方案合理可行，反之方案不合理，需要進(jìn)行改進(jìn)。

對(duì)方案A有：對(duì)方案B有：結(jié)論：?jiǎn)蝹€(gè)項(xiàng)目方案A和B都可行,但方案A動(dòng)態(tài)回收期小于方案B，所以方案A優(yōu)于方案B。案例分析之三4、壽命周期凈現(xiàn)值收益法計(jì)算公式:當(dāng)項(xiàng)目壽命周期凈收益P>0時(shí)，節(jié)能方案增益，在經(jīng)濟(jì)上可行；P=0時(shí)，節(jié)能方案收支相抵，在經(jīng)濟(jì)上無收益，但若有環(huán)境效益，可考慮實(shí)施；P<0時(shí)，節(jié)能方案將虧損，在經(jīng)濟(jì)上不可行。局限性:1、沒有考慮單位節(jié)能投資帶來收益的大小2、沒有考慮壽命周期長(zhǎng)短而引起設(shè)備更新因素節(jié)能方案A而言，壽命周期凈現(xiàn)值為：節(jié)能方案B而言，壽命周期凈現(xiàn)值為：從單個(gè)方案來看，兩個(gè)節(jié)能方案在經(jīng)濟(jì)上均可行，但要比較哪個(gè)方案更優(yōu)，需要將方案A的計(jì)算時(shí)間折算到10年，計(jì)算過程較復(fù)雜，為此引入年度凈收益法，來彌補(bǔ)本方法的缺陷。案例分析之四5、年度凈收益法計(jì)算公式如下：如果節(jié)能項(xiàng)目每年的凈節(jié)約費(fèi)用相等，均為A，則可簡(jiǎn)化為：當(dāng)AP>0時(shí)，節(jié)能方案增益，在經(jīng)濟(jì)上可行；AP=0時(shí)，節(jié)能方案收支相抵，在經(jīng)濟(jì)上無收益，但若有環(huán)境效益，可考慮實(shí)施；AP<0時(shí)，節(jié)能方案將虧損，經(jīng)濟(jì)上不可行。若有多個(gè)方案AP大者為較優(yōu)方案。對(duì)方案A而言，年度凈收益為：=0.51（萬元）對(duì)方案B而言，年度凈收益為由此可見，方案B優(yōu)于方案A。但該法和前面的方法存在一個(gè)共同的缺陷，沒有考慮不同方案投資的差異，為此引入凈收益-投資比值法。案例分析之五6、凈收益-投資比值法計(jì)算公式：

對(duì)于單個(gè)節(jié)能方案，如果凈收益-投資比值大于零，方案在經(jīng)濟(jì)上是可行的；如果小于零，方案在經(jīng)濟(jì)上不可行的；如果等于零，方案在經(jīng)濟(jì)上無增益，因?yàn)榈扔诹阋馕吨?jié)能方案的年凈收益等于零，視方案的環(huán)境效果、社會(huì)效果及國(guó)家能源政策等因素確定節(jié)能方案是否實(shí)施。如果有多個(gè)方案，則凈收益-投資比值大者為優(yōu)。對(duì)方案A而言：對(duì)方案B而言：由此可見，方案B優(yōu)于方案A。案例分析之六案例總結(jié)分析之一

通過6種分析方法對(duì)鍋爐節(jié)能技術(shù)方案的評(píng)價(jià)，方法1和方法3得出的結(jié)論是方案A優(yōu)于方案B，而其他4種方法得出的結(jié)論是方案B優(yōu)于方案A。

在具體應(yīng)用時(shí)需要考慮實(shí)際情況，選擇合適的方法加以應(yīng)用。其實(shí)方案的優(yōu)劣除了跟選用評(píng)價(jià)的方法有