2 節(jié)能原理及評價方法1h

1、節(jié)能技術(shù)與應用講座,第,2,講,節(jié)能原理及評價方法,主講人：吳金星,鄭州大學節(jié)能技術(shù)研究中心,節(jié)能技術(shù)與應用講座,2.1,節(jié)能的基本原理,2.2,節(jié)能技術(shù)評價的必要性,2.3,節(jié)能技術(shù)經(jīng)濟評價,主要內(nèi)容,節(jié)能技術(shù)與應用講座,2.1,節(jié)能的基本原理,2.1.1,熱力學第一定律與節(jié)能的可能性,2.1.2,熱力學第二定律與節(jié)能的程度,2.1.3,節(jié)能原理的具體指導意義,節(jié)能技術(shù)與應用講座,2.1.1,熱力學第一定律與節(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,機械能,動能、勢能,熱,能、電能、輻射能、化學能,核能,等,能量按熱力學分成

2、兩類,5,種,儲存能,內(nèi)能、動能、勢能,與狀態(tài)有關(guān),傳遞能,熱能、功,，與過程有關(guān),節(jié)能技術(shù)與應用講座,能量利用的過程就是能量轉(zhuǎn)換的過程,熱力學,研究能量轉(zhuǎn)換方式和規(guī)律的科學,能量在轉(zhuǎn)換過程中遵循的基本定律,1,熱力學第一定律，即能量守恒定律,2,熱力學第二定律,節(jié)能技術(shù)與應用講座,熱力學第一定律（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，從一個物體,傳遞到另一個,或多個,物體；在能量轉(zhuǎn),換與傳遞過程中，能量的總量恒定不變,節(jié)能技術(shù)與應用講座,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

3、功,傳遞能量,節(jié)能技術(shù)與應用講座,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,E,體系的能量,E,環(huán)境的能量,0,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,節(jié)能技術(shù)與應用講座,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,節(jié)能技術(shù)與應用講座,鍋爐的用能平衡,節(jié)能技術(shù)與應用講座,對于鍋爐體系，進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

4、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，可預熱,助燃空氣，或預熱補給軟水,2,改進鍋爐結(jié)構(gòu)和燃燒方式，以提高燃燒效率,3,加強鍋爐隔熱保溫措施，以減少熱損失,節(jié)能技術(shù)與應用講座,任意體系與環(huán)境之間的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系,節(jié)能技術(shù)與應用講座,熱力學第一定律對節(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,節(jié)能技術(shù)與應用講座,熱力學第一定律未解決問

5、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),E,要解決,能量轉(zhuǎn)換的方向性,問題，用,熱力學第二定律,節(jié)能技術(shù)與應用講座,1,自然界中的一切自發(fā)過程都是不可逆的,2,德國物理學家克勞休斯的說法,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,“要制成只從一個熱源吸收,熱量并把它全部轉(zhuǎn)換為功的熱機是不可能的,即,第二類永動機是不可能造成的,熱力學第二定律的表述方法,2.1.2,熱力學第二定律與節(jié)能的程度,節(jié)能技術(shù)與應用講座,1,自然界中的一切自發(fā)過程都是不可逆的,熱力學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,氣

6、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,節(jié)能技術(shù)與應用講座,熱力學第二定律的,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,Cold,Hot,節(jié)能技術(shù)與應用講座,熱力學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,要一個裝置,例如,熱泵或冰箱,持續(xù)做功,節(jié)能技術(shù)與應用講座,熱力學第二定律的,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?而不產(chǎn)生其他影,響,節(jié)能技術(shù)與應用講座,熱機工作示意圖,鍋,爐,給水泵,熱量,Q,1,T,1,熱量,Q2,T,2,做功,W,1,做功,W,2,冷凝器,蒸汽,輪機,試計算熱機（將熱能

7、轉(zhuǎn)換為機械能的機器）的效率,節(jié)能技術(shù)與應用講座,熱功轉(zhuǎn)換的總效率,忽略水泵做功,W,2,及各種損失,要想讓能源效率達到,100,只有讓,Q,2,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,1,1,1,2,1,2,1,1,1,Q,Q,Q,Q,Q,Q,W,節(jié)能技術(shù)與應用講座,壓縮式制冷機,制熱機（熱泵,熱量,Q,1,T,1,節(jié),流,閥,蒸發(fā)器,冷凝器,壓,氣,機,熱量,Q,2,T,2,做功,W,制冷效率,Q,1,W=Q,1,Q,2,Q,1,制熱效率,Q,2,W=Q,2,Q,2,Q,1,守恒：忽略各種損,失，則,W+Q,1,Q,2,低壓氣,高壓氣,低壓液,高壓液,節(jié)能技術(shù)與應用講座

8、,壓縮式制冷機,制熱機,制冷效率,Q,1,W = Q,1,Q,2,Q,1,制熱效率,Q,2,W = Q,2,Q,2,Q,1,守恒：忽略各種損失，則,W+Q,1,Q,2,1,2,1,max,T,T,T,C,1,2,2,max,T,T,T,H,制冷,制熱,注意：式中,T,均,為熱力學溫度,節(jié)能技術(shù)與應用講座,制冷,熱機效率計算實例,制冷,某制冷空調(diào)如果夏天室外冷凝溫度,T,2,為40,室內(nèi)蒸發(fā)溫度,T,1,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,43,9,15,283,15,313,15,283,1,1,2,1,max,T,T,T,C

9、,節(jié)能技術(shù)與應用講座,制冷,熱機效率計算實例,制熱（熱泵,某制暖空調(diào)冬天室外蒸發(fā)溫度,T,1,為,20，室內(nèi),冷凝溫度,T,2,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,33,7,15,253,15,293,15,293,1,1,2,2,m,ax,T,T,T,H,對比表明，空調(diào)器制熱比電熱器制熱的省電,60,以上,節(jié)能技術(shù)與應用講座,熱力學第二定律對節(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,3,節(jié)能的關(guān)鍵是以盡量小代價實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換,節(jié)能技術(shù)與應用講座,思考題,熱

10、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)能技術(shù)與應用講座,2.1.3,節(jié)能原理的具體指導意義,1,能量守恒必須將體系和環(huán)境一起來考慮,單獨考慮體系時，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,其次是補救性節(jié)能技術(shù),能量回收再利用,節(jié)能技術(shù)與應用講座,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，不要直接轉(zhuǎn)變，可通過制熱機（如熱

11、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（如機械能、電能），且在轉(zhuǎn)變的過程中需要付,出一定的代價,所付出的代價是,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,節(jié)能技術(shù)與應用講座,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,的排序為,_,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,A,

12、節(jié)能技術(shù)與應用講座,2.2,節(jié)能技術(shù)評價的必要性,1,有的節(jié)能方法是不理想、偽科學的,如所謂,的水變油技術(shù)、永動機技術(shù),2,有些節(jié)能技術(shù)，就項目本身看確實有節(jié)能的,效果，但為了達到該節(jié)能效果所,付出的代價遠大,于節(jié)能所帶來的效果,那么這些節(jié)能技術(shù)也沒有,實施的必要,節(jié)能技術(shù)與應用講座,節(jié)能技術(shù)評價的必要性,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，長期造成環(huán)境污染，或?qū)撛诘奈ｋU無,法評定,所以，必須對節(jié)能技術(shù)進行全面的、綜合的評,價，在眾多的節(jié)能方案中挑選,技術(shù)上可行、經(jīng),濟上合理、環(huán)境污染最小化、社會效益最大化,的節(jié)能方案,節(jié)能技術(shù)與應用講座,2.3,節(jié)能技術(shù)經(jīng)濟評價,兩個概念,1

13、,資金的時間價值,資金在不同的時間上具有不同的價值，資金在周,轉(zhuǎn)使用中由于時間因素而形成的價值差額，稱為,資金的時間價值,資金時間價值的計算,自學,節(jié)能技術(shù)與應用講座,2,節(jié)能措施的技術(shù)經(jīng)濟分析,定義,就是要在措施實施以前，全面考察其在,技,術(shù)上的可行性,與,經(jīng)濟效益的優(yōu)劣,在一定時期內(nèi),產(chǎn)出大于投入），進行方案比較，確定投資方向,避免由于盲目性而造成人力、物力、財力上的浪,費,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,節(jié)能技術(shù)與應用講座,2.3.3,節(jié)能方案評價方法,1,簡單補償年限法,2,標準補償年限內(nèi)的計算費用法,3,動態(tài)補償年限法,4,壽命周期凈現(xiàn)值

14、收益法,5,年度凈收益法,6,凈收益,投資比值法,節(jié)能技術(shù)與應用講座,不同技術(shù)經(jīng)濟評價方法的選擇,1,對于可行性研究的初期階段或項目較小、補償,期很短時，可采用計算投資回收時間的,簡單補,償年限法,2,在進行兩個或幾個方案間比較時，可采用,計算,費用法,3,對于大型項目和經(jīng)濟壽命較長的項目,10,年以,上），就需要進行,包括時間因素和利率因素,在,內(nèi)的計算方法,節(jié)能技術(shù)與應用講座,不同技術(shù)經(jīng)濟評價方法的選擇,4,對投資超過,1000,萬元，使用壽命超過,15,年的大,型項目，就需要進行更詳盡的綜合分析，并用,動態(tài)分析方法,計算出投產(chǎn)后,10,15,年的財務平,衡情況，以便逐年逐項審查其資金償還

15、能力,并為最初決策時參考,節(jié)能技術(shù)與應用講座,1,簡單補償年限法,I,P,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)濟效益增長總值（元,年,N,節(jié)能措施原投入資金的回收期限（年,N,b,標準回收年限（年,對電類設(shè)備可按,N,b,5,年考慮,其它設(shè)備，根據(jù)其使用壽,命對照電類設(shè)備壽命適當假定,N,b,值,N,S,節(jié)能措施的使用壽命（年），一般,N,b,N,s,A,I,N,P,判定依據(jù),NN,b,Ns,節(jié)能措施可行,NN,b,經(jīng)濟上不合理,計算公式,節(jié)能技術(shù)與應用講座,對某鍋爐進行節(jié)能技術(shù)改造，有兩個方案可供選擇,方案,A,一次性投入,20,萬元，每年的產(chǎn)生的節(jié)約,能源費用,5,萬元，因節(jié)

16、能技術(shù)而增加的年維修費用,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,能源費用,7,萬元，因節(jié)能技術(shù)而增加的年維修費用,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,節(jié)能技術(shù)與應用講座,對方案,A,有,對方案,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,的投資回收年限既小于標準補償,年限,N,b,又小于設(shè)備的使用壽命,Ns,所以兩個方,案均可行,但方案,A,的投資回收年限小于方案,B,兩個方案相,比而言，方

17、案,A,較優(yōu),案例分析之一,A,I,N,P,簡單補償年限法,節(jié)能技術(shù)與應用講座,2,標準補償年限內(nèi)的計算費用法,應用場合,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,N,s,N,b,條件，可采用,計算費用法,進行經(jīng)濟分析,具體公式,計算,費用,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,節(jié)能措施,投入的全部資金（元,N,b1,N,b2,N,b3,各,方,案,對,應,的,標,準,補,償,年,限,年,S,1,S,2,S,3,各方案,的年運行成本,節(jié)能技術(shù)與應用講座,判斷依據(jù),

18、上式計算費用最低者為最經(jīng)濟方案,上式中,年運行成本,S,是指設(shè)備正常運行時，每年的設(shè),備折舊費、維護管理費、能源消耗費等,計算費用法的優(yōu)點是經(jīng)濟概念清楚，計算簡便,但沒,有考慮技術(shù)條件的可比性，如對產(chǎn)品質(zhì)量的影響；對,時間因素及社會效益和環(huán)境影響均未加考慮,i,bi,pi,i,S,N,I,C,節(jié)能技術(shù)與應用講座,原鍋爐節(jié)能改造方案，假設(shè)原來年運行成本為,S,0,則,S,1,S,0,1-5=S,0,4,S,2,S,0,1.5-7=S,0,5.5,對方案,A,有,對方案,B,有,比較兩者費用，可知,C1C2,所以方案,B,優(yōu)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,節(jié)能技術(shù)與應用講座,3,動態(tài)補償年限法,考慮資金的時間效益，若在,動態(tài)回收期,N,D,年內(nèi)回收,一次投資，則應該符合下式條件,由上式經(jīng)推導可得,設(shè)年凈收益均為,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,為節(jié)能項目總投資,i,為單利的年利率,A,j,為第,j,年凈收益,F,為設(shè)備殘值,節(jié)能技術(shù)與應用講座,判斷依據(jù),1,如已知資金的年利率,i,一次性投資,I,P,及每年因,節(jié)能措施帶來的凈收益

20、,A,j,則可以通過,2,式,計算所得的,動態(tài)回收期,N,D,和行業(yè)標準回收期,N,b,的,比較,確定方案在經(jīng)濟上是否可行,若動態(tài)回收期,N,D,小于行業(yè)標準回收期,N,b,同時,也小于項目壽命,Ns,，則方案是可行的；反之,方案不可行,節(jié)能技術(shù)與應用講座,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,A,j,用于償還一次性投資,I,P,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,i,0,如該年利率,i,0,大于規(guī)定的年利率,i,則方案合理可,行，反之方案不合理，需要進行改進,節(jié)能技術(shù)與應用講座,對方案,A,有,對方案

21、,B,有,結(jié)論,單個項目方案,A,和,B,都可行,但方案,A,動態(tài)回收,期小于方案,B,所以,方案,A,優(yōu),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,節(jié)能技術(shù)與應用講座,4,壽命周期凈現(xiàn)值收益法,S,S,S,N,P,N,N,i,F,I,i,i,i,A,P,1,1,1,1,計算公式,當項目壽命周期凈收益,P0,時,節(jié)能方案增益，在,經(jīng)濟上可行,P=0,時，節(jié)能方案收支相抵，在經(jīng)濟,上無收益，但若有環(huán)境效益，可考慮實施,P0,時,節(jié)能方案將虧損，

22、在經(jīng)濟上不可行,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短而引起設(shè)備更新因素,節(jié)能技術(shù)與應用講座,萬元,74,2,1,0,1,3,20,1,0,1,1,0,1,1,0,1,4,8,8,8,A,P,萬元,4,3,5,1,0,1,4,30,1,0,1,1,0,1,1,0,1,5.5,10,10,10,B,P,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,從單個方案來看，兩個節(jié)能方案在經(jīng)濟上均可行,但要比較哪個方案更優(yōu)，需要將方案,A,的計算時間,折算到,10,年，計算過程較復雜，為此引入年度凈收,益法，來彌補本方法的缺陷,案例分析之四,節(jié)

23、能技術(shù)與應用講座,5,年度凈收益法,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,計算公式如下,如果節(jié)能項目每年的凈節(jié)約費用相等，均為,A,則可簡化為,當,A,P,0,時，節(jié)能方案增益，在經(jīng)濟上可行,A,P,0,時,節(jié)能方案收支相抵，在經(jīng)濟上無收益，但若有環(huán),境效益，可考慮實施,A,P,0,時，節(jié)能方案將虧損,經(jīng)濟上不可行。若有多個方案,A,P,大者為較優(yōu)方案,節(jié)能技術(shù)與應用講座,1,1,0,1,1,0,1,1,0,1,0,1,3,20,4,8,8,8,P,A,萬元,87,0,1,1,0,1,1,0,1,1,0,1,0,1,4,30,5,5,10,10,10,P,A,對方案,A,而言,年度凈收益為,0.51,萬元,對方案,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,節(jié)能技術(shù)與應用講座,6,凈收益,投資比值法,P,N,P,N,N,I,i,F,I,i,i,i,A,S,S,S,1,1,1,1