2023/7/231節(jié)能原理及評(píng)價(jià)方法主講人：Dr.吳金星（教授）鄭州大學(xué)節(jié)能技術(shù)研究中心2023/7/2321節(jié)能的基本原理1.1熱力學(xué)第一定律與節(jié)能的方向性1.2熱力學(xué)第二定律與節(jié)能的程度1.3節(jié)能原理的具體指導(dǎo)意義2023/7/233能量利用的實(shí)質(zhì)：能量的轉(zhuǎn)換和傳遞。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(guò)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。2.1.1熱力學(xué)第一定律與節(jié)能的方向性2023/7/234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(guò)程中，能量的總量恒定不變?！?023/7/235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)換示意圖體系體系蒸汽2023/7/236鍋爐的用能平衡分析對(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）。燃料供熱100%2023/7/237可見(jiàn)，輸入鍋爐體系的能量（100％）中，實(shí)際得到的有用能（轉(zhuǎn)移給蒸汽）只有73.2%，能量不守恒，為什么？分析發(fā)現(xiàn)：損失掉26.8%能量。其中，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(guò)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。2023/7/238任意體系與環(huán)境之間的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系熱力學(xué)第一定律指明節(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。2023/7/2391、自然界中的一切自發(fā)過(guò)程都是不可逆的。2、德國(guó)物理學(xué)家克勞休斯的說(shuō)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(kāi)爾文普朗克說(shuō)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”。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2023/7/23101、自然界中的一切自發(fā)過(guò)程都是不可逆的。熱力學(xué)第二定律最廣泛的表述方法：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2023/7/2311熱力學(xué)第二定律的克勞修斯說(shuō)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。ColdHot2023/7/2312熱力學(xué)第二定律的克勞修斯說(shuō)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。2023/7/2313熱力學(xué)第二定律的

開(kāi)爾文–普朗克說(shuō)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。2023/7/2314燃煤電廠中熱功轉(zhuǎn)換過(guò)程示意圖2023/7/2315熱機(jī)（汽輪機(jī)）工作原理圖鍋爐給水泵熱量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？Q1=W1+Q2忽略掉2023/7/2316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)：損失一部分能量。Q1=W1+Q2Q1-Q2=W1汽輪機(jī)熱功轉(zhuǎn)換的總效率：忽略水泵做功W2及各種損失，2023/7/2317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2023/7/2318壓縮式制冷機(jī)/制熱機(jī)（熱泵）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。T=t+273.15(K)2023/7/2319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為40℃，室內(nèi)蒸發(fā)溫度為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(lái)說(shuō)，還有較大的節(jié)能潛力。2023/7/2320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)溫度為-20℃，室內(nèi)冷凝溫度為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(lái)說(shuō)，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2023/7/2321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(wú)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

B2023/7/2322思考題下列能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)或設(shè)備中，能量的轉(zhuǎn)換效率小于1的是

。A、汽輪機(jī)B、空調(diào)C、制冷機(jī)D、熱泵A2023/7/23232.1.3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(lái)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(guò)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。2023/7/23243、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(guò)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(guò)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。2023/7/2325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

A2023/7/23262節(jié)能評(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，但付出的代價(jià)遠(yuǎn)大于節(jié)能所帶來(lái)的效果，那么這些節(jié)能技術(shù)也沒(méi)有實(shí)施的必要。2023/7/23273）節(jié)能不節(jié)錢(qián)、節(jié)能節(jié)錢(qián)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)。因此，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。2023/7/2328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。重要概念釋義2023/7/2329節(jié)能技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)的目的：在節(jié)能技術(shù)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。2023/7/23302.3節(jié)能評(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（不能比較兩方案）5、年度凈收益法6、凈收益-投資比值法2023/7/23311、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)能措施投入資金的回收期限（年）；Nb:標(biāo)準(zhǔn)回收年限（年）；對(duì)電類(lèi)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(lèi)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。評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：

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2023/7/2332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(wàn)元，每年的產(chǎn)生的節(jié)約能源費(fèi)用5萬(wàn)元，因節(jié)能技術(shù)而增加的年維修費(fèi)用1萬(wàn)元，使用壽命8年，設(shè)備殘值3萬(wàn)元；

方案B，一次性投入30萬(wàn)元，每年的產(chǎn)生的節(jié)約能源費(fèi)用7萬(wàn)元，因節(jié)能技術(shù)而增加的年維修費(fèi)用1.5萬(wàn)元，使用壽命10年，設(shè)備殘值4萬(wàn)元。在資金年利率為10%的情況，判斷兩節(jié)能技術(shù)改造方案更可行性。案例2023/7/2333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?xún)蓚€(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2023/7/23342、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(mǎn)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。2023/7/2335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(méi)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。

2023/7/2336原鍋爐節(jié)能改造方案，假設(shè)原來(lái)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。案例分析之二2023/7/23373、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。2023/7/2338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(lái)的凈收益Aj

，則可以通過(guò)（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。2023/7/2339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)。2023/7/2340

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。案例分析之三2023/7/23414、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(wú)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(méi)有考慮單位節(jié)能投資帶來(lái)收益的大小2、沒(méi)有考慮壽命周期長(zhǎng)短而引起設(shè)備更新因素2023/7/2342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(lái)看，兩個(gè)節(jié)能方案在經(jīng)濟(jì)上均可行。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(guò)程較復(fù)雜。案例分析之四2023/7/23435、年度凈收益法如果節(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(wú)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。2023/7/2344對(duì)方案A而言，年度凈收益為：=0.51（萬(wàn)元）對(duì)方案B而言，年度凈收益為由此可見(jiàn)，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(méi)有考慮不同方案投資的差異，為此引入凈收益-投資比值法。案例分析之五2023/7/23456、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(wú)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)。2023/7/2346對(duì)方案A而言：對(duì)方案B而言：由此可見(jiàn)，方案B優(yōu)于方案A。案例分析之六2023/7/2347案例總結(jié)分析通過(guò)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