提高能源终端利用效率要依靠科技进步

1、发表于节能与环保2005年第6、7期提高能源终端利用效率要依靠科技进步白 泉摘要：提高能源的终端利用效率是建设“节约型社会”的一项重要任务，推动科技进步是重要的举措之一。在全面回顾国内外工业、建筑和交通部门能源终端利用技术发展情况的基础上，结合当前技术发展前沿动态，该文提出了今后提高我国能源终端利用效率的若干重点技术及相关政策建议。关键词：科技，节能通过科技进步提高能源的终端利用效率是我国建设“节约型社会”的一项重要任务，也是降低单位GDP能耗的重要手段。能源终端利用技术不象电力技术、油气技术等在领域划分上相对比较独立，而是广泛地融入到社会经济发展、人民生活的各个方面。当前，政府已经充分认识到

2、了节能的重要性，希望通过科技进步推动终端能源效率的提高，但在落实科研资金、选择重大科研方向和重点技术时，能源的终端利用技术却似繁星点点，给决策者理清脉络、抓住重点增加了难度。工业、建筑、交通是能源终端利用技术的三大传统领域，每个领域都有自己的特点和发展规律。在结合行业技术发展特点，遵循行业技术进步客观规律的基础上，选择适合我国国情的重要领域加大科研投入，对建设“节约型社会”具有重要的战略意义。一、我国能源终端利用技术发展回顾（一）工业用能技术工业部门是中国最大的终端能源消费部门，多年来，我国工业能源消费总量占全国能源消费总量的比重一直维持在70%左右。从技术上看，不同行业的产品不同，生产工艺不

3、同，用能设备更是千差万别。从能源消费的角度看，科技攻关的重点主要是通用高耗能设备和重点耗能行业的节能技术两大类。1. 通用用能设备的技术工业锅炉运行效率工业锅炉是中国主要的热能动力设备，消耗的煤炭占全国煤炭消费总量的 11/3左右。目前大多数工业锅炉实际运行效率为60%-70%，比国外平均低15个百分点以上。近年来，我国开发了一系列高效锅炉和先进的锅炉技术。目前从中国的实际情况看，工业锅炉与国外的差距主要差在“运行效率”上，而不是锅炉的“设计效率”或“铭牌效率”。电机系统运行效率电机系统是最大的耗电设备，消耗了我国发电总量的62%左右。电机系统包括电动机、被拖动设备(风机、水泵、压缩机等)和调

4、速装置三大组成部分。目前，我国电动机、水泵、风机等单个设备的效率虽然比国外水平略低，但整个系统运行效率低是最主要的问题。实际运行中，不少高效电机往往处于低效运行状态，这主要是系统设计、选型、匹配和控制系统设计不合理造成的。我国电机拖动系统的能源利用效率比国外平均低20%左右。电机调速技术可以有效提高电机系统的运行效率。近些年电机的变频调速技术得到比较广泛的应用，但主要集中在中低压产品，国内的高压变频技术尚待进一步提高，国产高压变频设备尚不能竞争过国外产品。2. 高耗能行业中的用能技术高耗能行业中，钢铁、建材、化工三者的能源消费量之和占工业能源消费总量的60%左右。近十几年来，除了提高通用设备的

5、用能效率以外，各行业内部也采取了多种措施推进终端用能技术的进步，可以归纳为三种方式：1）增加现代化大型设备，淘汰小旧设备；2)采用先进生产工艺；3)采用余能回收技术增加现代化大型设备，淘汰小旧设备工业社会的一大特点就是机器化大生产。近年来，我国工业企业积极采用大型现代生产设备，对提高用能技术水平起到了很大的推动作用。以钢铁为例，“九五”期间，我国钢铁生产设备逐步向大型化方向发展，高炉平均容积和转炉、电炉的平均吨位都有显著提高(见表1)。表1 19952000年钢铁企业主要技术装备水平变化情况 单 位年年炼铁高炉平均容积 m炼钢转炉平均每座吨位炼钢电炉平均每座吨位与此同时，陈旧的、小规模的生产设

6、备被逐渐淘汰。在关停“五小”的指示下，19982001年10月底，累计关停小钢厂85户，淘汰小水泥9450万吨，小玻璃2855万重量箱，关停小火电机组1230万千瓦。采用先进生产工艺工业的现代化不仅体现在工业生产设备的大型化上，更重要的是，技术进步带来了更加先进的生产工艺。以钢铁行业为例，在淘汰旧工艺方面实施了转炉炼钢取代平炉炼钢、淘汰化铁炼钢工艺等措施。在推广新工艺方面，钢铁行业积极推广三大节能技术：一是采用干法熄焦代替旧的熄焦方法，二是高炉炼铁采用喷吹煤粉代替部分焦炭，三是大力发展连铸连轧。在开发新工艺方面，熔融还原法炼铁技术的研发得到了政府和企业的高度关注。采用余能回收技术多年来，高耗能

7、行业积极采用多种方法回收生产过程中的余热、余压、尾气等，不但提高了能源利用水平，而且降低了产品的生产成本。以钢铁行业为例，近年得到迅速推广的主要余能回收技术是高炉炉顶煤气余压发电和转炉煤气回收技术，有效地利用了高炉煤气和转炉煤气的能量。此外，还有一些节能效果较明显的余能回收技术，如：高炉热风炉余热回收、炉外精炼技术、电炉废钢预热技术等，也逐渐得到应用。（二）建筑用能技术目前建筑能耗在我国能源消费总量中所占比例为20%左右，是我国第二大能源消费部门，今后将成为我国能耗增加的重要源头建筑能耗泛指建筑物使用过程中消耗的能源，包括建筑采暖、空调、热水供应、炊事、照明、家用电器、电梯、通风等方面的能耗。

8、其中，采暖、空调能耗约占建筑能耗的65%左右，是最主要的用能领域。与发达国家相比，我国住宅的单位采暖建筑面积一般要多消耗23倍以上的能源。提高建筑能效水平主要依靠三大类技术：1.本体节能技术；2.高效供热、制冷技术；3.建筑物内用能设备的技术1.建筑物本体的节能技术建筑物本体节能技术的进步分为节能建筑围护结构和节能建筑设计两个方面。新型墙体材料主要在新增建筑中使用。对原有建筑墙体的节能改造主要依靠增加外保温围护结构。在新型墙体材料的研发方面，我国引进了岩棉、玻璃棉等多种新型高效保温绝热材料，正在研究相变贮能材料、复合墙体等新技术。在建筑设计方面，我国目前尚无规范的绿色建筑，重要从事超低能耗建筑

9、的研究，已建成少量示范建筑，如国家科技部的低能耗办公楼。2.高效供热、制冷系统集中式的热电联供（或热电冷三联供）系统和中央空调系统是取代传统集中供热和分户式空调的先进用能技术。热电联供能够实现热量的梯级利用，燃料利用效率可以达到80%以上。在北京、武汉、上海等有天然气供应的中心城市，由于严格限制煤炭使用，以天然气为基础的热电联供正在逐渐兴起。今后随着集中供热比例的提高和小容量锅炉的淘汰，热电联供将得到更大的发展。热电冷三联供在我国刚刚起步，但发展迅速，全国多个城市已拥有在燃煤热电厂基础上建立的热电冷联供系统。采用更先进技术的微燃机燃气热电冷联供系统也已出现，如上海浦东国际机场热电冷联供系统等。

10、改革开放20年来，我国的制冷空调行业发展迅速，目前已成为世界上规模仅次于美国、日本的世界第三大制冷空调设备生产国。在集中式空调方面，吸收式制冷机是我国当前唯一具有自主知识产权的中央空调产品，我国的溴化锂吸收式制冷机技术处于国际一流水平。在户用空调方面，我国从80年代初才开始发展，至今已经历了从进口散件组装、生产窗式空调器到生产分体空调器三个阶段。目前，我国户用空调技术水平较低，压缩机等关键技术以引进为主，缺乏自主技术，模仿成份较多。3.建筑物内用能设备我国的家用热水器市场以电、燃气为主，太阳能热水器处于国际较先进水平。20多年来，太阳能热水器在我国得到了快速推广，目前我国太阳能热水器拥有量居世

11、界第一位。我国照明用电量约占全国发电总量的10%左右，在终端用电中仅次于电机系统居第二位。白炽灯的发光效率只有大约10，普通荧光灯的发光效率约为3040，而高效节能灯的发光效率则可达到7080。推广高效节能灯投入少、见效快，是所有终端用电设备中节电率最高、成本效益最好的一种技术。“中国绿色照明工程”有力地促进了中国照明技术的发展，高效节能灯得到迅速推广。（三）交通用能技术交通用能占我国能源消费总量的10%左右，从类型上看可分为道路交通、铁路交通、水运交通、航空交通四大类。2000年道路交通用能占全国交通运输行业用能的68%，是能源消费，特别是油品消费大户。汽车节油技术是我国交通节能技术长期关注

12、的重点。1. 现有汽车技术的改进在汽车设计制造方面，目前我国除部分车型的标牌油耗接近国际同类型产品水平外，绝大部分产品的油耗比国际先进水平高出1020%。90年代以来，国外汽车生产厂商进入中国的汽车生产领域，经过与国外合作，我国车辆设计、开发和制造水平已有所提高，但远未达到国际先进水平。我国从80年代以来高度重视汽车节能技改，1995发布了全国在用车船节 4能产品（技术）推广应用管理办法，1996年发布了中国节能技术政策大纲（公路、水路运输部分）。但多年的实践表明，汽车一旦出厂，很难再通过技术改造或其它方式大幅度降低油耗。2. 从概念上创新的技术在替代燃料方面，中国目前已采取了一系列行动。如在

13、12个城市开展了以液化石油气（LPG）、压缩天然气(CNG)作为主的“清洁汽车计划”，在黑龙江、辽宁、吉林、河南、安徽等地开展了乙醇汽油试点活动、在山西开展了甲醇燃料汽车示范活动等。但实践表明，不同的替代燃料都或多或少存在某些问题，或是汽车本身昂贵、或是尾气排放不甚理想、或是燃料需要国家补贴等等，全面替代传统的汽油、柴油有较大困难。国家在新一代节油汽车研发上最大的举措是国家863计划的“电动汽车重大专项”，已投资8.8亿元对纯电动汽车、混合动力汽车和燃料电池汽车技术进行攻关，其中约一半的资金投向燃料电池车。在商业化示范方面，我国2003年启动了“燃料电池公共汽车商业化示范项目”，总投入3236

14、万美元，为期5年。该项目将资助中国购置12辆燃料电池公共汽车，并建立相应加氢设施，在京沪两市示范运行。二、国际先进的能源终端利用技术回顾（一）工业用能技术1. 通用用能技术工业锅炉技术先进工业国家工业锅炉运行效率一般为80%85%。效率比我国高15个百分点的主要原因一是国外工业锅炉的平均单机容量较高，如日本为5t/h，美国为14t/h，原苏联为40t/h，我国只有2.4t/h左右；二是国外锅炉多以油气为燃料，运行的自动化控制交容易，而我国以烧煤为主，自动控制程度低。值得关注的是，德国近年还开发了高度自动化的粉煤工业锅炉。该锅炉类似于小型的电站用煤粉锅炉，可基本实现无人值守，管理人员只需一周添加

15、一次燃料即可，大大提高了燃煤锅炉的自动化水平。电机拖动系统近年来国际上电机系统提高能效技术的主要方向是更多地利用电力电子技术对电机系统进行控制，使设备集成化、智能化水平不断提高，变频调速、全数字化的电机系统调速是当前技术的主流。就单个设备而言，电动机在国外基本属于成熟技术，大型电动机在提高效率上已没有很大余地，主要以中小型电动机的技术改进为主。在泵、风机、压缩机等被拖动机械方面，国外大多采用计算机辅助设计(CAD)软件和仿真软件进行设计，制造水平先进，关键部件的加工精度高。 52. 重点耗能行业中的用能技术西方发达国家的工业化已经历了一百多年，传统工业技术已趋成熟，虽然近几年出现的技术突破较少

16、，但在既有先进技术的应用上明显高于国内水平。设备的大型化从大型设备的推广规模看，我国距先进水平还有一定距离。以钢铁行业中高炉的大型化进程为例，目前发达国家中1000立方米以下的高炉基本被淘汰，单炉容积大于2000立方米的是当前世界炼铁高炉的主流。与之相比，我国目前正在考虑将新建高炉的标准调整到1000立方米以上，同时淘汰300立方米以下的高炉。由于国外单台高炉生产能力大，高炉炉顶差压发电、煤气回收、余热利用、优化控制等节能技术得到了更普遍的应用。生产工艺的改进在生产工艺改进方面，新工艺、新设备的采纳进程也优于我国。以钢铁行业为例，干法熄焦（CDQ）装置在日本的普及率已达70%以上，我国仅在少部

17、分企业中有；在连铸连轧方面，目前除中国以外的钢铁生产大国，连铸比例均在95以上，一些中小国家如马来西亚、泰国均达到了100%，我国2003年全国连铸比仅93.5%。此外，连铸坯热送热装工艺在国外已相当普及，我国目前还有部分企业没有做到。余能的回收在余能回收方面，国际上的发展速度也很快。以钢铁行业为例，高炉顶压发电设备（TRT）在日本的普及率高达90%以上，我国还有部分大型高炉尚未采用TRT，中小高炉采用得更少。从余能回收总量上看，国际先进钢铁企业，如日本新日铁公司，2000年余热余能回收利用率已高达92%，我国最先进的钢铁联合企业宝钢的余热余能回收利用率当时仅为68%，其它钢铁联合企业的余热余

18、能回收利用率一般为3050%。研发中的新技术目前国外高耗能行业中也在开发一些节能型的新技术、新工艺。以钢铁行业为例，非焦非高炉炼铁工艺(如熔融还原法炼铁)技术、电磁感应加热技术、直接铸造技术等都是国外多年来研发的热点。（二）建筑用能技术目前发达国家的建筑物已基本达到建筑节能设计标准，因此，节能工作的主要方向更侧重于科技方面。建筑物本体用能技术的提高主要集中在绿色建筑和超低能耗建筑的设计上，建筑用能设备的技术进步主要体现在热电冷联供和采用不同的空调类型上。1.绿色建筑绿色建筑是指为人类提供一个健康、舒适的工作、居住、活动的空间，同时能实现最高效率地利用能源、最低限度地影响环境的建筑物。绿色建筑的

19、概念不仅限于用能效率最高，而且具有可持续发展的含义。国外从80年代已开始研究绿色建筑，发达国家对绿色建筑的设计和示范十分重视。政府率先支持开展了一系列的活动，如加拿大开展了“绿色建筑挑战”行动，欧盟的“焦耳2”行动计划等。已有的典型绿色建筑包括法国巴黎的联合国教科文组织办公楼；德国采用太阳能发电、热泵、氢气贮能器以及多种隔热建筑材料和建造方法建造的"旋转式太阳能房屋"等。这些示范建筑通过精妙的总体设计，将自然通风、自然采光、太阳能利用、地热利用、中水利用、绿色建材和智能控制等高新技术集于一身，落实了建筑领域的可持续发展。2. 热电联供和热电冷三联供热电联供具有更高的能量利用

20、效率，在发达国家中得到了较快发展。美国的热电联供装机容量在19801995年的15年间由12000MW增加至45000MW。目前，热电联供装机容量已占美国总装机容量的约7。在欧洲，热电联供发电量已占总发电量的9左右（其中丹麦、芬兰和荷兰已达到30以上），并计划到2010年达到18。在日本先进的燃气轮机热电（冷）联供和汽轮机驱动压缩式制冷是供冷/供热的主要形式。作为一种新的尝试，区域供冷技术也在世界范围内逐步开始应用。1962年世界上最早的区域供冷系统在美国建成后，目前美国已有超60个区域供冷系统。日本的区域供冷发展很快，欧洲也有多个热电冷联供系统投入运行。3.家用小型中央空调更高的生活水平要求

21、更好的居住条件。国外较大面积的居民住宅基本采用家用小型中央空调系统。美国的别墅型住宅具有宽敞、高大的特点，由于层高较大，风管式系统在美国家用小型中央空调中所占的比重较大。目前，美国风管式系统的年产量约为600万台/年，占其家用空调产量的一半左右。此外，集成了燃气炉的家用小型中央空调系统在美国也非常普及。该系统在供冷季由制冷机组提供冷量，在供热季由燃气炉提供热量，同时还可提供家庭生活热水。日本的小型中央空调走的是一条“氟系统”为主的发展道路。日本的家用小型中央空调以变频空调即VRV系统（包括一拖多）为主。VRV空调系统的研究起源于日本，目前大金工业、三菱电机、日立制作所、东芝四家企业的产品技术最

22、先进，大金工业的市场占有率最高，约占世界市场的6070%。（三）交通用能技术在交通部门的各种用能技术中，汽车技术发展最快，尤其是汽车的节能技术， 7更是近十几年发达国家关注的焦点。1.现有汽车技术的改进美国有关机构曾经对提高汽、柴油车燃料效率的技术潜力进行过分析，以探讨油耗水平的最低限。分析表明，目前汽车燃料消耗的能量只有12%的用于驱动车轮，80%左右用来克服辅助部件的内部摩擦力和发动机的热力损失。据测算，如果没有这些内部用能和损失，一辆轿车的百公里油耗仅为1.3升。各国正在开发一系列新技术以减少汽、柴油车的油耗，如直喷发动机技术、无极变速箱技术、用高强度铝、镁复合材料减轻车身重量的技术、更

23、符合空气动力学原理的车身外形设计技术、低滚动摩擦轻体轮胎技术等等。据专家估算，如果上述技术能全部采用，车辆的综合燃料效率可提高1040%。克林顿政府时期，美国的新一代汽车合作计划(PNGV)有力地推动了汽车用能技术的进步。该计划曾设定的目标是 “在不改变车体大小，安全性与售价的情况下，制造出每加仑汽油至少跑80英里路的汽车（100公里耗油3升多）”。经过多年研究，美国最终确定轻质材料、混合动力、高性能发动机（四冲程直燃式发动机）、和燃料电池（质子交换膜燃料电池）为四大主攻技术方向。经过多年研发后发现，达到上述燃油经济性目标已没有问题，但降低价格的难度十分大。虽然该计划因布什政府提出新的计划而终

24、结，但它由此带动了日本、欧洲对汽车节能技术的极大关注和巨资投入。2.新概念汽车技术的发展为了摆脱对石油产品的过分依赖，未来汽车的燃料也是向着多元化的方向发展。目前乙醇汽油是替代燃料中推广程度最大的一种，乙醇可由甘蔗、玉米等植物生产。巴西、美国对推广乙醇汽车高度重视，巴西已成为世界上唯一一个没有普通汽油的国家。混合动力汽车是内燃机驱动与电动机驱动的联合体，可以通过回收刹车时的能量提高能效，在城市路况下可省油一半左右。目前国际上混合动力汽车在技术上已逐渐成熟。日本公司和美国公司先后开发了几款混合动力汽车，如日本丰田的Pruis、本田的Insight、Civic等,混合动力轿车累计销售已超过20多万

25、辆。欧洲在汽车节油方面走的是柴油化的道路，开发了既节能又环保的柴油轿车。欧洲目前柴油轿车已占轿车年产量的32%，个别国家(如法国、西班牙等)更高达50以上。欧洲市场2002年共销售了579.9万辆柴油车，北美销量也高达25.2万辆。燃料电池汽车可达到车辆尾气的零排放或近零排放。目前几乎所有的主要汽车生产厂商都在开发燃料电池车，整体水平处于技术研发和初步示范阶段，距离大规模商业化尚远。各国的汽车厂商在开发燃料电池汽车的过程中，都曾试制过以甲醇或汽油为燃料、通过车载“重整器”制造氢气的燃料电池汽车。这种汽车的 8优点是可以使用当前的加油站和相关的基础设施。但是近几年，各厂家都转向制造直接利用氢气的

26、燃料电池汽车。三、未来技术发展方向及相关政策建议（一）工业用能技术发达国家当前已进入后工业化时代，各种工业用能技术经过百年的发展已相对比较成熟，新的发展趋势是信息技术对传统工业的渗透逐渐增强，信息化成为工业技术升级的新方向。未来20年，工业用能技术进步将以三大发展方向为主线：继续推广现有先进用能技术，开发新的用能技术，和提高生产设备的信息化水平。在推广先进用能技术方面，高度自动化的工业锅炉、电机系统的优化运行仍有潜力可挖；在开发新技术方面，电磁炼钢、低温余热回收等都尚待成熟；在信息化方面，一方面通过信息工具侦测、诊断全生产流程中的低效环节、提高生产率，一方面通过信息化的能源调度系统将工厂中余能

27、回收设备与其它用能设备衔接起来，提高全厂的能源使用效率。中国目前所拥有的先进设备基本上都是走的“国外研发、国外生产、国内引进、国产化研制、国内推广”的路子，工业技术的自主研发能力相对较弱，虽有个别企业有一定实力，但整体看尚未形成完整的体系。今后一段时期内，国外对中国的资金、技术投资将继续增加，为我国借助外部力量提高工业用能技术的科技水平创造了良好的条件。本文建议的工业用能技术研发重点包括：1. 锅炉提高锅炉运行的管理水平固然能从“人”的角度解决锅炉运行效率低的问题。从科技研发上看，更需要以提高工业锅炉的“无人看管”能力为目标，开发类似于小型电厂用煤粉炉的“无人看管工业煤粉炉”。国外已有比较成熟

28、的技术，国内的电厂大型煤粉炉技术也很成熟，引进消化或独立研发都是可行的。2. 电机系统电机系统仍将是我国最主要的耗电设备，而电机系统的节能潜力蕴含在系统的运行中。在科技研发上，首先要推动高压变频器的国产化，努力降低其成本。其次，需要开发成本更低、质量更好的国产电抗器，帮助推动变频器的普及。第三，开发适用于我国电机系统优化运行的“傻瓜型”软件工具包，使不具备电机系统专业知识的企业人员获得优化电机系统运行的能力。3. 行业技术未来高耗能行业的用能技术一方面将延续现有的三大发展方向，即增加现代化大型设备、淘汰陈旧的小设备，推广现代化的低能耗工艺路线，采用各种余能 9回收技术回收余热、余压、余气，另一

29、方面还要努力推动信息技术向工业领域的渗透。此外，我国也要鼓励技术的原始创新，国家应考虑资助高耗能行业研发先进节能工艺，开展一批具有适合于中国国情、具有自主知识产权的研发项目，并将“工业节能信息化”纳入到贯彻落实“走新型工业化道路”中。（二）建筑用能技术发达国家中既有建筑的节能改造能力已很有限，未来将主要致力于新一代技术的研发。在建筑本体方面，主要是绿色建筑、智能建筑以及复合建筑材料的研发。在采暖、供冷方面，以微透平、甚至燃料电池为基础的热电冷三联供系统将是未来重要的发展方向。在建筑用能设备方面，半导体照明、低待机能耗电器将继续开展。此外，可再生能源将在建筑领域将得以越来越多的应用，“光伏与建筑

30、一体化”(Building Integrated Photovoltaic，简称BIPV)、地源/空气源热泵将成为新的研发热点。建筑用能将成为我国能源消费新的重要增长点，当前必须要在满足大房间、高舒适性要求的同时，通过提高科技含量实现能源消费的低增长。当前最迫切的问题建筑物的节能达标问题属于政策贯彻执行的范畴，与之相比，建筑用能领域的科技研发更强调前瞻性。我国建筑用能技术的科技研发将围绕建筑物本体节能、高效供热、制冷系统和建筑物内用能设备三大领域展开，选择在中国国情条件下最迫切发展的技术。本文建议的重点技术包括：1. 建筑物本体节能技术绿色建筑、超低能耗建筑、智能建筑的设计；新型保温墙体、门窗的开发，特别是复合材料、相变储能材料的开发；2. 高效供热、制冷系统户用高效空调和小型户用集中空调的设计制造；热电冷三联供技术；可再生能源在建筑中的应用技术，包括光伏与建筑一体化技术、地源/空气源热技术等；3. 建筑物内用能设备半导体照明技术；低待机能耗电器；（三）交通用能技术在发达国家中，以节油、环保为特征的柴油轿车、混合动力汽车已初步实现商业化，氢能汽车是近几年研发的热点。最新的研究表明，从全声明周期的能源利用效率上看，氢燃料电池汽车与柴油混合