12节能原理及评价方法课件

2023/7/231节能原理及评价方法主讲人：Dr.吴金星（教授）郑州大学节能技术研究中心2023/7/2321节能的基本原理1.1热力学第一定律与节能的方向性1.2热力学第二定律与节能的程度1.3节能原理的具体指导意义2023/7/233能量利用的实质：能量的转换和传递。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。2.1.1热力学第一定律与节能的方向性2023/7/234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。”2023/7/235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蒸汽2023/7/236锅炉的用能平衡分析对于锅炉体系，进入体系的总能量等于体系输出的总能量（能量守恒）。燃料供热100%2023/7/237可见，输入锅炉体系的能量（100％）中，实际得到的有用能（转移给蒸汽）只有73.2%，能量不守恒，为什么？分析发现：损失掉26.8%能量。其中，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。2023/7/238任意体系与环境之间的能量转换关系热力学第一定律指明节能的方向：尽量减少那些转移到体系之外（即环境中）的能量。2023/7/2391、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”。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2023/7/23101、自然界中的一切自发过程都是不可逆的。热力学第二定律最广泛的表述方法：水总是从高处向低处流动。气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2023/7/2311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。ColdHot2023/7/2312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。2023/7/2313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。2023/7/2314燃煤电厂中热功转换过程示意图2023/7/2315热机（汽轮机）工作原理图锅炉给水泵热量Q1,T1热量Q2,T2做功W1做功W2冷凝器蒸汽轮机试计算热机（将热能转换为机械能的机器）的效率？Q1=W1+Q2忽略掉2023/7/2316要想让能源效率达到100%，只有让Q2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：损失一部分能量。Q1=W1+Q2Q1-Q2=W1汽轮机热功转换的总效率：忽略水泵做功W2及各种损失，2023/7/2317压缩式制冷机/制热机（热泵）热量Q1，

T1节流阀蒸发器冷凝器压气机热量Q2，T2做功W制冷效率：Q1/W=Q1/（Q2-Q1）制热效率：Q2/W=Q2/（Q2-Q1）守恒：忽略各种损失，则W+Q1=Q2低压气高压气低压液高压液2023/7/2318压缩式制冷机/制热机（热泵）制冷效率：Q1/W=Q1/（Q2-Q1）制热效率：Q2/W=Q2/（Q2-Q1）守恒：忽略各种损失，则W+Q1=Q2制冷制热注意：式中T均为热力学温度。T=t+273.15(K)2023/7/2319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为40℃，室内蒸发温度为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。2023/7/2320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为-20℃，室内冷凝温度为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。对比表明，空调器制热比电热器制热的省电60%以上2023/7/2321思考题热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

B2023/7/2322思考题下列能量转换系统或设备中，能量的转换效率小于1的是

。A、汽轮机B、空调C、制冷机D、热泵A2023/7/23232.1.3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。2023/7/23243、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。2023/7/2325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

A2023/7/23262节能评价的必要性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。2023/7/23273）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。因此，必须对节能技术进行全面的、综合的评价，在众多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。2023/7/2328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。重要概念释义2023/7/2329节能技术经济评价的目的：在节能技术实施以前，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。2023/7/23302.3节能评价方法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、寿命周期净现值收益法（不能比较两方案）5、年度净收益法6、净收益-投资比值法2023/7/23311、简单补偿年限法IP: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:节能措施投入资金的回收期限（年）；Nb:标准回收年限（年）；对电类设备可按Nb＝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Nb值。NS:节能措施的使用寿命（年），一般Nb<Ns。评价标准：

N<Nb<Ns，节能措施可行；N>Nb，经济上不合理。计算公式2023/7/2332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更可行性。案例2023/7/2333对方案A有：对方案B有：

方案A和方案B的投资回收年限既小于标准补偿年限Nb，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，方案A较优。案例分析之一简单补偿年限法2023/7/23342、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Ns＞Nb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：IP1、IP2、IP3——节能措施投入的全部资金（元）；

Nb1、Nb2、Nb3——各方案对应的标准补偿年限（年）；

S1、S2、S3——各方案的年运行成本。2023/7/2335判断依据：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。

2023/7/2336原锅炉节能改造方案，假设原来年运行成本为S0，则S1=S0+1-5=S0-4；S2=S0+1.5-7=S0-5.5对方案A有：对方案B有：比较两者费用，可知C1>C2，所以方案B优于方案A。案例分析之二2023/7/23373、动态补偿年限法考虑资金的时间效益，若在动态回收期ND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](1)(2)IP为节能项目总投资；i为单利的年利率；Aj为第j年净收益；F为设备残值。2023/7/2338判断依据1如已知资金的年利率i，一次性投资IP及每年因节能措施带来的净收益Aj

，则可以通过（2）式计算所得的动态回收期ND和行业标准回收期Nb的比较，确定方案在经济上是否可行。若动态回收期ND小于行业标准回收期Nb（同时也小于项目寿命Ns），则方案是可行的；反之方案不可行。2023/7/2339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Aj用于偿还一次性投资IP。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i0

。如该年利率i0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。2023/7/2340

对方案A有：对方案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。案例分析之三2023/7/23414、寿命周期净现值收益法计算公式:当项目寿命周期净收益P>0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；P<0时，节能方案将亏损，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2023/7/2342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。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。案例分析之四2023/7/23435、年度净收益法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AP>0时，节能方案增益，在经济上可行；AP=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；AP<0时，节能方案将亏损，经济上不可行。若有多个方案AP大者为较优方案。2023/7/2344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。案例分析之五2023/7/23456、净收益-投资比值法计算公式：

对于单个节能方案，如果净收益-投资比值大于零，方案在经济上是可行的；如果小于零，方案在经济上不可行的；如果等于零，方案在经济上无增益，因为等于零意味着节能方案的年净收益等于零，视方案的环境效果、社会效果及国家能源政策等因素确定节能方案是否实施。

如果有多个方案，则净收益-投资比值大者为优。2023/7/2346对方案A而言：对方案B而言：由此可见，方案B优于方案A。案例分析之六2023/7/2347案例总结分析通过6种分析方法对锅炉节能技术方案的评价，方法1和方法3得出的结论是方案A优于方案B，而