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基于能量利用效率和耗能比的节能效果评估体系

来源:九壹网
维普资讯 http://www.cqvip.com 第26卷第3期 电工电能新技术 Vo1.26.No.3 2007年7月 Advanced Technolo ̄of Electircal Engineerin ̄and En July 2007 基于能量利用效率和耗能比的节能效果评估体系 朱永强, 尹忠东 (电力系统保护与动态安全监控教育部重点实验室; 华北电力大学电气与电子工程学院,北京102206) 摘要:本文提出了有效能量和无效能量的概念,并根据产生的原因或性质,对无效能量进行了较为 详细的分类讨论。给出了能源利用效率(能效)和耗能比的定义,并介绍了其相互关系。在此基础 上,建立了以能效和耗能比为主要指标的新型节能评估体系,并阐述了其重要意义:便于不同场合 或者不同措施之间进行节能效果比较,利于有针对性地采取节能措施。 关键词:节能;效率;耗能比;评估 中图分类号:TK01+8;TM61 文献标识码:A 文章编号:1003.3076(2007)03.0033.04 0引言 着不同的具体内容。例如,在冶金企业中,目标作业 是冶炼金属。其主要设备电弧炉消耗电能,产生热 随着人类可利用能源的日益紧缺,在开发可再 能。在这些热能中,直接用于冶炼金属的那部分,就 生能源的同时,节能已经成为世界各国普遍关注的 是有效电能,它直接为目标作业服务。而散失到周 重要课题¨ 。节能思想已经逐渐深入人心,节能 围环境中的热能就是无效能量。对于热电厂的汽轮 措施更是层出不穷 ,然而关于节能效果的评价却 机而言,流动的高温高压蒸汽驱动汽轮机产生的机 始终没有一个明确而统一的标准。很多文献仅限于 械能,是有效能量;而蒸汽在经过汽轮机之后的其它 经济性考虑 ],或者具体针对特定领域的专门问 环节中的热量散失就是无效能量。对于发电机而 题 。 言,其产生的电能就是有效能量,而发电机本身的发 用损耗的降低比例来评估 ,存在着不同企业 热等能量损耗就是无效能量。 之间能量基数不同的问题。用单位数量的标准煤产 很多时候,无效能量就可以理解为能量损耗。 生的GDP来评估,是考察整个社会或者地区能源利 除了伴随有效能量发生的直接能量损耗,在实际的 用状况的有效手段。而具体到对特定节能措施的评 能量传输、转化和利用中,还可能有间接能量损耗。 价,似乎并不合适,因为行业分工不同,就算没有损 间接能量损耗,有的是提供有效能量所必须的,称为 耗,单位能量所产生的经济效益也是不同的。 必须的间接能量损耗;有的则是因无效能量和其它 节能的评价指标不明确,节能的评价体系不完 因素而增加的其它额外损耗,称为额外的间接能量 善,这都不利于节能措施最优的探索和推广。因此, 损耗。例如,在冶金企业中,电弧炉散发到周围环境 本文致力于研究节能效果的评价指标,并试图建立 中的热量就是直接能量损耗;而为了给电弧炉提供 明确的节能效果评价体系,以供参考。 可用电能,在短网和线路等环节上消耗的能量就是 1有效能量和无效能量 间接能量损耗。如果电弧炉从电网吸收的全部电能 都用于冶炼金属,即没有能量散失,那么此时短网和 有效能量指的是,用于完成目标作业所必须提 线路消耗的能量,就是为提供有效能量所必须的间 供的最小能量。 接能量损耗。但是,由于电弧炉的散热、负荷非线 无效能量指的是,不直接用于目标作业的能量, 性、波动性以及炉变吸收无功功率所引起无功电流 包括能量的损耗和用于辅助作业的能量等。 会使短网和线路上消耗的能量进一步增加,这部分 不同的能量利用场合,有效能量和无效能量有 就是额外的间接能量损耗。 收稿日期:2007.12.20 基金项目:“长江学者和创新团队发展计划”资助项目 作者简介:朱永强(1975.),男,天津籍,讲师,博士,现从事电能质量和新能源方面的教学和研究工作; 尹忠东(1968.),男,湖北籍,副教授,博士,现从事电能质量和新能源方面的教学和研究工作。 维普资讯 http://www.cqvip.com 34 电工电能新技术 第26卷 能 量 量 能损 直 问 图1能量和损耗的分类 接 能 Fig.1接 能  Classiifcation of energy and loss 量 量 损 损 2能量利用效率与耗能比 耗 耗 必额 2.1能量利用效率与耗能比 须外 的的 能量利用效率,或称能效,问问 接接 指有效能量与总能量 之比。 能能 量量 耗能比,指能量损耗(无效能量)与有效能量之 损损 比。 耗耗 : ×100% (1)L  = ×,O0%: ×,O0%(2) 其中 代表某种形式的能量,下标e对应有效能 量,下标Z对应损耗(无效能量),下标 对应总能 量。 因为 W∑=W + 。 (3) 所以h:一1—1 (4) = (5) 2.2本地能效与耗能比 在关注局部(或本地)能量利用效率的场合, 。 只包含在本地产生的能量损耗。 因而,总能量是有效能量与本地消耗的各种损 耗之和。 此时计算得到的r/和h分别称为本地能效比 和本地耗能比,专门记做叩 和h 。 2.3扩展能效与扩展耗能比 有的时候,需要考察一个能量利用设备或企业 给较大范围的供能系统造成的能量损耗,即在一个 扩展的范围内考察能量利用效率。此时 t将包含 与该能量利用设备或企业有关的所有能量损耗,包 括设备或企业内部的和外部的。 ・ 因而,总能量是有效能量与所有有关的各种损 耗之和。 此时计算得到的刁和h分别称为扩展能效比 和扩展耗能比,专门记做叩 和h 。 3基于能效和耗能比的节能效果评估 3.1节能效果的评估 事实上,根据能效和耗能比的变化,很容易判断 节能效果如何。 . 例一:假设某一企业每年消耗的总能量为 , 其中有效能量为 ,占总能量的80%。采取节能 措施A后,在同样的生产条件下,能量损耗降低了 30%,我们可以比较一下该措施的节能效果。 采取节能措施A之前, : ×l00%-80% (6) : 一1: 一l:25% (7) 力 U.石 采取该节能措施A之后,由于能量损耗降低了 30%,在有效能量不变的情况下,耗能比也将下降 30%。即 h :h×(1—30%):0.7h:17.5%(8) : = :85・l%(9) 可见,节能措施A使耗能比下降30个百分点, 能量利用效率提高了.5.1个百分点。 例二:如果另有一企业每年消耗的有效能量占 总能量的75%。采取节能措施B后,在同样的生产 条件下,能量损耗降低了29%。 根据(1)和(4),采取节能措施B之前,第二个企 业的初始能效和耗能比分别为 2:75% h,: 一1:33.33% (11) 2 采取节能措施B之后,按照前面的计算过程, hB:h2×(1—29%):23.67% (12) = _l:80・86% (13) 耗能比降低了9.66个百分点,能效提高了5.86 个百分点。 两个例子比较可见,采用不同的评估指标,可以 得到不同的评价结果。 如果按照能量损耗降低比例(与采用节能措施 前的损耗相比)考察,显然是在第一个企业采用节能 措施A的效果稍好,降低比例30%>29%。但是我 们必须注意到,对于不同的企业而言,其能量基值可 能不同,甚至差别很大,用这种简单比例来评价,得 到的横向比较结果可能没有实质意义。 维普资讯 http://www.cqvip.com 第3期 朱永强,等:基于能量利用效率和耗能比的节能效果评估体系 35 既然能量损耗是在为完成目标作业提供有效能 量的过程中产生的,那么一个更为合理的节能效果 事实上,化石燃料提供总的能量,W:可以根据 燃料的比热值和质量计算得到。发电机产生的电能 是整个热电厂的有效能量, 值即为各种无效能量之和。 Wz w w wt 评价方法应该是,考察提供单位有效能量时所产生 的能量损耗。能效和耗能比的概念正是满足这一要 求的重要指标。如果按照能量利用效率的提高程度 或者耗能比的降低程度来考察,则在第二个企业采 用节能措施B的效果稍好。第一个企业采用节能 措施A后能效提高了5.1个百分点,第二个企业采 可以用电功率在时 的差 间轴上的积分得到。由式(3)可知, :和 回 圈 回 电能 用节能措施B后能效提高了5.86个百分点。 事实上,能效和耗能比更能说明节能措施的绝 对效果,便于横向比较。而能量损耗降低比例只是 以能量损耗为基准的相对值,不利于在不同的场合 进行比较。 . 3.2有效能量和无效能量的估算 有效能量和无效能量的准确估算,是进行能效 和耗能比准确计算的依据,是进行节能效果评估的 前提。 有效能量是直接用于完成目标作业所消耗的能 量,因而无论对本地指标还是扩展指标,有效能量是 相同的。至于无效能量,考察扩展指标时,就需要在 讨论的范围内考虑设备或企业外部的有关能量损 耗。而在计算本地指标时,这些是不需要考虑的。 一般来说,总能量是比较容易测量或者计算的。 在准确知道总能量的情况下,若有效能量和无效能 量二者其中之一已知,则由式(3)很容易计算另一 个。因此,在实际的应用中,要根据具体情况判断, 有效能量和无效能量哪一个比较易于估算,就先估 算哪一个。 3.3计算举例 考虑一个热电厂,原始能源为化石燃料,在锅炉 中燃烧提供热量,产生高温高压蒸汽,用于驱动汽轮 机。汽轮机作为发电机的原动机,带动发电机产生 电能。 燃料在锅炉中燃烧时,会有热量散失 。锅 炉产生的高温高压蒸汽输送到汽轮机的过程中,会 有热量散失等能量损失 。高温高压蒸汽所具有 的动能并不能全部被汽轮机利用,未被利用的部分 可以看作是能量损耗 。汽轮机的机械能传递给 发电机时,会因为摩擦等因素损失一部分,记为 。发电机本身也会发热,等等,产生一个损耗 所有这些损耗加起来,等于总的无效能量。 如果试图测算每一种损耗,通过求和得到无效能量, 那么这种方法将是十分复杂的,而且难以实现。 图2热电厂中的能量流动 Fig.2 Energy flow in a thermal plant ‘ 4能效和耗能比对于节能效果评估的意义 4.1便于比较节能效果 节能效果的传统评价方式,有的是考察能量损 耗减少了多少,给出的是有名值,或者相对于总能量 的百分数。有的是考察在完成同样产量情况下的耗 电量变化,那是和电费直接相关的。这虽然在一定 程度上也能说明是否实现了节能以及节能效果如 何,但是这种评价往往是孤立的,更适用于某一特定 场合的内部评估,而不适合多种场合的横向比较。 用单位数量的标准煤所产生的GDP增加了多 少来评价节能效果,也有问题。因为对于不同的行 业而言,即使完全没有损耗,相同数量的能量输入, 所产生的经济效益也是不一样韵。 能效和耗能比是客观全面地评估节能效果的重 要指标。既可用于考察某一场合采取某一节能措施 的效果;也可用于比较同一场合不同节能措施的节 能效果。既可以用于考察某一节能措施在不同场合 的应用,也可用于比较不同场合不同节能措施的效 果。这就为将来制定统一的节能效果评价标准奠定 了良好的基础。 当然,在用能效和耗能比进行节能效果评估时, 有效能量和无效能量如何计算,仍是需要进一步深 入研究的问题。 4.2利于采取节能措施 有效能量和无效能量的概念,有助于明确能量 利用的基本情况。尤其是对能量损耗(即无效能量) 进行细分,更可加深对能量损耗情况的了解,便于有 针对性地采取节能措施。 在前面提到的热电厂的例子中,知道了能量损 耗的主要原因和分布位置,就可以针对每一种损耗 考虑可能的节能措施。锅炉燃烧时的热量散失 维普资讯 http://www.cqvip.com 36 电工电能新技术 第26卷 w 可以考虑提高燃烧效率,减少炉壁散热等措施 节能。因为摩擦等因素造成的机械能损失,可以通 过减小摩擦来减少。等等。 Zhou Fengqi,et a1.).我国中远期石油补充与替代能源 发展战略研究(Study on development stratey ofg petroleum supplement and substitute energy sources orf medium・term and long.term in China)[J].电工电能新技术(Adv.Tech.of Elec.Eng.&Energy),2006,25(4):1-7. 5 结论 本文提出了有效能量和无效能量的概念,并对 [5]严陆光,陈俊武,周凤起,等(Yan Luguang,Chen Junwu, Zhou Fengqi,et 1.).我国中远期石油补充与替代能源 a发展战略研究(续)(Study on development stratey ogf petroleum supplement and substitute energy sources for 无效能量进行了较为详细的区分。 给出了能量利用效率(能效)和耗能比的概念及 medium.term and long.term in China)[J].电工电能新技 术(Adv.Tech.of Elec.Eng.&Enery),2007,26(1):g 其相互关系。并进一步细化为本地指标和扩展指 卜12. 标。 [6]杨玉苹,刘爱玲,谢婧,等(Yang Yuping,Liu Ailing,Xie 建立了以能效和耗能比为主要指标的节能效果 Jing,et a1.).高舒适度低能耗健康建筑构造与施工 评估体系。 (Structure and construction of healthy building of high comfort and low energy consumption)[J].建筑技术(Architecture 阐述了能效和耗能比作为节能效果评估指标的 Technology),2006,37(2):103—108. 重要意义。 [7]Chi—Hong Hwang,Allen C.・H.Wu.A predictive system shutdown method for energy saving of event・driven 参考文献(References): computation l J J.ACM Trans.on Design Automation of l 1 J Kamil Kaygusuz.Energy situation,.future developments, Electornic Systems(TODAES),2000,5(2):226.241. energy saving,and eneryg efifciency in Turkey[J].Energy [8]钱源源,陆均良(Qian Yuanyuan,Lu Junliang).绿色饭 Sources,1999,21(5):405.416. 店能源消耗评估指标体系的研究与应用(Study and [2]严陆光,夏训诚,周凤起,等(Yan Luguang,Xia application of the index system for eneryg consumption Xuncheng,Zhou Fengqi,et 1a.).我国大规模可再生能源 appraisal in the green hotels)[J].能源工程(Eneryg 基地与技术的发展研究(A development study for Chinese Engineering),2005,(4):57・62. large scale renewable eneryg source base and technology) [9]冯毒兵,金红光(Feng Zhibing,Jin Hongguang).冷热电 [J].电工电能新技术(Adv.Tech.of Elec.Eng.& 联产系统的评价准则(Performance assessment of Energy),2007,26(1):13—24. combined cooling,heating and power)[J].工程热物理学 [3]严陆光,夏训诚,周凤起,等(Yan Luguang,Xia 报(J Eng.Thermophysics),2005,26(5):725—728. Xuncheng,Zhou Fengqi,et 1a.).我国大规模可再生能源 [1O]陈晨,潘毅群,黄治钟,等(Chen Chen,Pan Yiqun,Huang 基地与技术的发展研究(续)(A development study for Zhizhong,et a1.).上海市某商用建筑能耗分析与节能 Chinese large scale renewable energy source base and 评估(Energy consumption analysis and energy efifciency technology)[J].电工电能新技术(Adv.Tech.of Elec. evaluation ofr a commercial building in Shanghai)[J].暖通 Eng.&Energy),2007,26(2):1—5. 空调(HV&AC),2006,36(4):88.93. [4]严陆光,陈俊武,周凤起,等(Yan Luguang,Chen Junwu, New evaluation system for energy savings based on efifciency and loss ratio ZHU Yong—qiang,YIN Zhong—dong (Key Lab.of Power System Protection and Dynamic Security Monitoring and Control,Ministry of Education; School of Elec.Power and Elec.Eng.,North China Electirc Power University,Beijing 102206,China) Abstract:On the basis of overview on present evaluation methods of energy saving effect,a new evaluation system is established in this paper.The concepts of effective and ineffective energy which is also called energy losses are proposed nad introduced in detail classifications according to their nature and causes.The definitions of efficiency of energy utilizing and loss ratio are provided.The efifciency of energy utilizing is referred to as the proportion of effective energy in the totla energy.The loss ratio is referred to as the ratio between loss and effective energy.The relationship between the two new indexes is demonstrated too.A new evaluation system for the effect of energy saving is established on the basis of those indexes proposed in this paper.The evaluation system based on efifciency and loss ratio is convenient for comparison among different energy-saving measures and is helpful t take proper measures to save energy. Key words:energy saving;efifciency;loss ratio;evaluation 

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