穆 天 龍

(山西省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計研究院，山西 太原　030001)

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能源價格體系對節(jié)能技術(shù)應(yīng)用的影響分析

穆 天 龍

(山西省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計研究院，山西 太原030001)

以熱泵技術(shù)為例，通過實例計算分析，揭示了導(dǎo)致節(jié)約能源的比率與能源費用比率不一致，甚至節(jié)能率很高而經(jīng)濟(jì)上出現(xiàn)虧損現(xiàn)象的本質(zhì)原因，提出了優(yōu)化能源比價，促進(jìn)企業(yè)應(yīng)用節(jié)能技術(shù)，從而達(dá)到節(jié)能減排目標(biāo)的建議。

能源，價格體系，節(jié)能，熱泵

0　引言

能源是人類社會發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ),從遠(yuǎn)古至今,人類一刻都沒能離開能源的利用。隨著人類社會的進(jìn)步，能源利用技術(shù)逐步提高，從簡單的利用火燒烤食物、防御野獸，發(fā)展到組織各種不同溫度、不同工藝的復(fù)雜用能過程。但社會發(fā)展至今，在應(yīng)用能源的具體形式上并沒有發(fā)生大的變化，即仍然是以化石燃料為社會主體能源。這種狀況，存在兩方面的問題，一是化石燃料利用過程對環(huán)境造成了重大危害，如酸雨、溫室效應(yīng)。二是化石燃料的有限性，這些對人類社會可持續(xù)發(fā)展都是極大的挑戰(zhàn)[1-3]。

理論上新能源的利用可以解決環(huán)境問題和能源有限性問題。如核聚變能是無限量的，但由于技術(shù)復(fù)雜，至今仍未能實現(xiàn)可控利用。太陽能也是無限量能源，利用難度低，但難以形成規(guī)模。所以，化石燃料目前仍然是人類社會賴以生存的支柱性能源。其他新能源的利用也都存在類似太陽能、核聚變能利用的難題。在這種形勢下，全世界都認(rèn)識到，“節(jié)約與開發(fā)并重”才是當(dāng)今世界能源工作的正確策略。

節(jié)能可以降低產(chǎn)品的能源成本，緩解能源緊張局面，可以減輕環(huán)境污染。因此，節(jié)能技術(shù)研究具有重大社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。但在目前的能源價格體系中，存在制約節(jié)能技術(shù)應(yīng)用的人為因素，對節(jié)能技術(shù)應(yīng)用產(chǎn)生了嚴(yán)重的不利影響。本文以熱泵技術(shù)為例，探討消除這種不利因素，促進(jìn)節(jié)能技術(shù)廣泛應(yīng)用的措施。

1　熱泵技術(shù)原理

熱泵技術(shù)是一種高效節(jié)能的余熱回收技術(shù)，它利用自然界存在或工藝過程排放的低溫余熱為低溫?zé)嵩?，消耗少量的高品位能，輸出較大量的中溫?zé)崮?。以目前廣泛應(yīng)用的電動熱泵為例，其能量平衡模型如圖1所示。

依據(jù)圖1有：

QH=W+QL

(1)

即熱泵供熱量等于作為代價輸入的高品位能量W和從低溫?zé)嵩椿厥盏哪芰縌L之和。對于常用的電動熱泵，顯然屬于用電能換取熱能的設(shè)備，依據(jù)熱力學(xué)分析的一般方法，熱泵理論中用供熱系數(shù)cop評價熱泵收益與代價的相對大小，即：

(2)

對于電動壓縮式熱泵，cop表達(dá)式是熱能與功的比值，這種以功為代價獲得熱能的行為與用黃金購買鋼鐵類似，因此必然在一定的比價關(guān)系下才能確定這種行為的可行性。從熱能動力的角度，cop也不能在理論上說明能量利用的合理性。對此，熱泵理論中進(jìn)一步引入了一次能源利用率PER，其意義是把cop表達(dá)式中的功折算為熱力發(fā)電消耗的一次能源數(shù)量，即:

(3)

分析式(3)可見，PER與鍋爐效率具有了可比性，具體如圖2所示。

在圖2中，鍋爐是用燃料換取一定數(shù)量的有用熱能，效率必然小于1。熱泵是用相當(dāng)于數(shù)量為W/ηd的燃料熱能換取數(shù)量為QH的有用熱能，但由于中間經(jīng)過了發(fā)電環(huán)節(jié)和余熱回收利用環(huán)節(jié)，在投入、產(chǎn)出方面的評價都復(fù)雜化了。關(guān)于熱泵回收的低溫余熱是否按代價計算，汽輪機(jī)排放的低溫余熱如何評價，這些問題目前尚無確定的評價方法。但僅從由燃料到有用熱能這個轉(zhuǎn)換過程而言，鍋爐效率與熱泵一次能源利用率PER是具有可比性的[4]。

2　熱泵技術(shù)節(jié)能效益分析

節(jié)能效益一般包括節(jié)能率和經(jīng)濟(jì)效益兩個指標(biāo)。以電動壓縮式熱泵為例，其基本功能就是供熱，所謂節(jié)能率就是與傳統(tǒng)的供熱設(shè)備——鍋爐或加熱爐對比，在完成相同供熱功能的前提下，消耗能源數(shù)量的對比。

根據(jù)目前的技術(shù)狀況，熱電廠發(fā)電效率一般在30%左右，而許多工業(yè)鍋爐、加熱爐的運行效率ηg都低于90%。傳統(tǒng)供熱工程中用鍋爐作為熱源，如果在具備合適低溫?zé)嵩吹臈l件下采用節(jié)能新技術(shù)——熱泵供熱，這就形成了論證這種節(jié)能技術(shù)改造節(jié)能、經(jīng)濟(jì)效益的問題[5,6]。

在相同供熱量的前提下，熱泵方案的節(jié)能率計算如下：

(4)

其中，λe為與鍋爐對比的熱泵節(jié)能率，%；Eg為采用鍋爐供熱的一次能源消耗量，MJ；Eh為采用熱泵供熱的一次能源消耗量，MJ。

利用熱泵PER和鍋爐熱效率指標(biāo)得到：

(5)

如果鍋爐效率取90%，火力發(fā)電效率取30%，在供熱溫度不超過90 ℃的條件下，一般壓縮式熱泵cop可以達(dá)到3.5以上。以上述數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)利用式(5)計算可以得到熱泵與鍋爐對比的節(jié)能率為14.3%。這一數(shù)據(jù)說明在相同的供熱負(fù)荷條件和供熱溫度下，應(yīng)用熱泵技術(shù)可以節(jié)約14.3%的一次能源，顯然也減少了相同比率的碳排放，可以說節(jié)能、減排效果都很明顯。但經(jīng)濟(jì)效益上如何，這是所有節(jié)能減排工程必須面對的問題。幾乎所有的企業(yè)，應(yīng)用節(jié)能新技術(shù)的前提是必須具備一定的經(jīng)濟(jì)效益。

3　熱泵技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益分析

以熱泵取代傳統(tǒng)加熱設(shè)備，影響經(jīng)濟(jì)效益核算的因素很多，如初投資的改變、運行費用的變化、設(shè)備壽命及折舊等。本文鑒于上述因素的復(fù)雜性和不確定性，僅從能源費用方面進(jìn)行探討。即僅對比采用熱泵供熱的能源費用和鍋爐供熱的能源費用。

筆者曾經(jīng)從事熱泵取代油田加熱爐的研究工作，當(dāng)時油田企業(yè)利用以天然氣為燃料的加熱爐進(jìn)行加熱，同時油田存在大量40 ℃的余熱資源，應(yīng)用電動熱泵取代加熱爐，相當(dāng)于增加電能消耗，節(jié)約了天然氣[7]。由于低溫余熱的溫度高達(dá)40 ℃，使得熱泵的供熱系數(shù)cop可以達(dá)到4.5以上，燃燒天然氣的加熱爐效率按80%計算，利用式(5)不難計算出，用熱泵取代加熱爐的方案節(jié)能率可達(dá)40%。在進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益核算時，顯然必須涉及電價及天然氣價格。當(dāng)時的天然氣價格為cr=0.1元/Nm3，電能價格為cd=0.08元/kWh。油田天然氣的發(fā)熱值為Qr=4.2×104kJ/Nm3，依據(jù)上述數(shù)據(jù)可以用式(6)計算方案的經(jīng)濟(jì)效益。

(6)

其中,ηm為能源費用節(jié)約率，%；mjq為加熱爐的天然氣費用，元；mhd為熱泵的電費，元。

在相同供熱量的前提下，式(6)表示利用熱泵取代加熱爐可以節(jié)約的能源費用比率。結(jié)合加熱爐效率ηg和熱泵PER的概念，可以得到上述方案的能源費用節(jié)約率為：

(7)

代入數(shù)據(jù)計算得到方案的能源費用節(jié)約率為-32.6%。即應(yīng)用熱泵技術(shù)，雖然具有40%的節(jié)能率，但在運行燃料(能源)費用上，熱泵技術(shù)將多消耗32.6%。這樣的結(jié)果，對于企業(yè)而言，無論如何也是難以接受的。

從式(7)可見，出現(xiàn)ηm為負(fù)值的根本原因在于式中電價與天然氣價格的比值cd/cr太大，其他因素都是相對穩(wěn)定的技術(shù)指標(biāo)。這一問題在目前的價格體制中已經(jīng)徹底得到改變。以城市住宅用電和用天然氣的價格為例，天然氣價格3.4元/Nm3，電價為0.52元/kWh，利用式(7)即可計算出上述方案的能源費用節(jié)約率為68.3%。這一結(jié)果說明，在目前天然氣價格與電價的基本狀況下，應(yīng)用熱泵技術(shù)取代以天然氣為燃料的加熱爐，不僅節(jié)能，而且在燃料費用上也可以得到大幅度的降低，使得熱泵節(jié)能技術(shù)節(jié)能率與節(jié)約能源費用率一致甚至更低，獲得更大的經(jīng)濟(jì)效益[8-10]。在有條件的企業(yè)，大力推廣應(yīng)用熱泵技術(shù)，在取得較大社會效益的同時，也可以獲得相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)效益。

那么，是否說電價與天然氣價格的比值cd/cr越小越好，顯然，這種理解是錯誤的。因為這個比價低到一定程度，會促使以燃料轉(zhuǎn)換獲取熱能的用能單位轉(zhuǎn)向消耗電熱。在我國電能供應(yīng)仍然相對緊張的情況下，在目前基礎(chǔ)上，適當(dāng)提高電能價格，增大電能與天然氣的比價，應(yīng)該是一個合理的調(diào)整方案，但調(diào)整的最佳比價需要從多方面論證。

4　結(jié)語

本文通過理論研究和實例分析，得到如下主要結(jié)論：1)節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用對緩解世界能源與環(huán)境問題具有重要意義；2)應(yīng)用節(jié)能技術(shù)可以獲得一定程度的節(jié)能率，但未必能獲得相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)效益，其根本原因是現(xiàn)實的能源價格體制存在問題；3)以電動熱泵供熱與傳統(tǒng)鍋爐、加熱爐供熱為實例，計算分析了能源比價對節(jié)能率與經(jīng)濟(jì)效益偏差的影響程度；4)優(yōu)化能源比價，對促進(jìn)節(jié)能技術(shù)應(yīng)用，從而實現(xiàn)通過節(jié)能技術(shù)應(yīng)用達(dá)到節(jié)能減排目標(biāo)具有重要意義。

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The influence analysis on energy price system to energy saving technology application

Mu Tianlong

(ShanxiUrbanandRuralPlanningandDesignInstitute,Taiyuan030001,China)

Taking the heat pump technology as an example, through the example calculation and analysis, this paper revealed the essential reason of ratio caused saving energy and energy charge ratio was not the same, even energy-saving rate was very high but the economy appeared the phenomenon of loss, proposed optimization energy prices, promoted enterprises application of energy saving technology, so as to achieve the target of energy saving emission reduction.

energy, price system, energy saving, heat pump

1009-6825(2016)23-0193-02

2016-06-04

穆天龍(1983- )，男，工程師

TU201.5

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