7.2-应用示例在线视频

如前所述 本课程中我们关注的是

满足人类生产加工或生活需要的能量流动

也就是能量的人为流动

那么这部分能量是如何满足
也就是能量的人为流动

那么这部分能量是如何满足

人类生产 生活需要的呢

这里 我们结合若干典型的能源类型

若干典型的能量流动环节

来示例能量的人为流动的应用与管理

不难想象 人类生产和生活中所使用的能量

有的取自自然系统 如某些地区冬季燃煤取暖

有的取自加工转换后 比如照明中所使用的电

这些能直接或间接为人类生产和生活提供

能量或动力的物质资源都可称为能源

但为了便于应用

又根据这些能源是否经过人类的加工转换进行分类
但为了便于应用

又根据这些能源是否经过人类的加工转换进行分类

将直接从自然系统中获得的

没有经过任何改变或转换的能源称为一次能源

英文是primary energy 比如煤 原油等等

这类能源是循环经济中资源 能源保护的工作重点

另一类是由一次能源经过加工或转换以后

得到的能源产品 比如燃煤后获得的电能 高压蒸汽等

称为二次能源 英文表达为secondary energy

这类能源是生产及其管理部门关注的重点

再有 就是可通过用能设备供消费者使用的能源

比如供房间照明的电力 供热系统中的热水等等

称为终端能源

这类能源是社会消费者和终端设备制造商最为关注的

除此之外 伴随环保意识的加强

还根据能源使用是否造成环境污染

分成清洁能源和非清洁能源

根据所使用的技术 分成常规能源和新能源等等

多种分类方法和多种能源的类型

可适用于不同领域及其管理中的选择使用

这里我们选择几种典型的常用能源

进一步加深认识。

第一类典型的能源是化石燃料

它是人类迄今为止使用最多的一类能源

化石燃料是由上百万年前的动植物化石

遗体残余物 经过长时间土壤 岩石的压力

和地球内部热量的作用逐渐转变而成的

可呈现为固体 液体和气体形式

分别是煤炭 石油和天然气

由于这类能源的形成需要百万年甚至更久的时间

而人类对这部分能源的使用主要集中在近三个世纪

而且使用强度和增长速率极大

因此 这类能源属于不可再生能源

在这三种化石燃料中 又尤以煤的用量最多

占全球用能的1/3左右 而我国更是高达75%左右

这些能源的加工转换效率通常仅在40%左右

也就是说 一次能源总量中

仅有不到一半的能量能够转化为二次能源

同时 在这种能源的燃烧过程中

还会释放出多种大气污染物质 影响到环境质量

近年来全球各国努力采取多种清洁技术措施

来减少其污染程度 同时积极地寻找新的清洁能源

新能源泛指传统能源以外的各种能源形式

是借助新技术 开发和利用的可再生能源

主要包括太阳能 地热能 风能等

其中 太阳能是太阳内部连续不断的

核聚变反应过程产生的能量

尽管太阳辐射到地球大气层的能量

仅是其总辐射能量的22亿分之一

但太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于500万t煤

地球上的风能 生物质能等也都来源于太阳能

因此 太阳能是最丰富的一次能源

近些年来 各国都在大力开发利用

核能是通过原子核发生反应而释放出的巨大能量

目前 世界各地建设了许多核电站

如法国80%的发电量来自于核电

我国核发电量约占发电总量的2.3%

此外还有风能 地热能等多种新的能源形式

这些新能源都是可再生的能源

在各类可再生能源中

太阳能的数量要远远高出其他能量的三个数量级以上

毋庸置疑 是最大的能量来源

也因此 太阳能的能源转换技术

也成为近年来的科研热点

技术攻关热点 能源应用热点

比如 采用聚光太阳能发电 Concentrated solar power 技术

将太阳能集聚 转化成热能

然后驱动汽轮机 将热能进一步转化为机械能

这一环节能源的转换效率约在30%左右

然后驱动涡轮机旋转 将机械能进一步转化为电能

整个过程涉及工程热物理中

多个专业和多个技术环节

每一个环节都会有部分的能量在转化过程中损失掉

因此 技术开发中

也着力于减少太阳能转换的环节数量

希望能直接将太阳能中的光能转化成电能

近些年来陆续上市的光伏电池就是

利用半导体材料的光电效应和光化学效应

直接把光能转化成电能的装置

由此可见 应用中 人类选择的能源不同

将不仅改变能量的人为流动

涉及不同的技术 设备和生产生活方式

而且还会造成对自然系统不同的影响

在能量人为流动系统中 将人类最终所获得的

有效能量与最初投入系统的一次能源所含能量的

比值称为该系统的能源效率 表达为式7-1

如果考虑到 在能量人为流动过程中

能量 串联式 地顺次流过各个环节

而每个环节都有其能源转化或利用的效率

分别用下标i 来表示环节的编号

则整个能量人为流动过程的总能源效率

将是各环节能源效率的乘积 表达为式7-2

如果考虑有多种的能源类型参与到能量的人为流动

假定不同能源类型的能量流动之间是并列关系

则整个能量人为流动的总能源效率将与能源结构有关

可按式7-3来计算

式中的fEj是某特定能源量占总能源的百分比

反映能源结构

而eNj是第ｊ类能源的利用效率

综合上面的分析 要提高人类整个能源效率

既需要改善每个能源转换与使用环节的效率

又要改善能源结构和能源的使用类型

能源的实际使用中

往往出现能源被分配用于多种用途

而不同的用途之间

还可能出现某一用途的余热余能用于另一个用途

从而形成复杂的能源网络

而在不同的区域之间

还可能发生各区域之间的能源交换 贸易

比如 国内的西煤东运

国际上 俄中天然气贸易等

由此还将形成全球范围内不同区域间的能源网络　

接下来我们看一个我国工业行业能源使用状况的示例

大家知道 我国正处于工业化过程中

而工业是从事自然资源的开采

对采掘品和农产品进行加工和再加工的

物质生产部门的总和

长期以来 工业在国民经济中举足轻重

目前仍占37%左右　　

而在能源消费方面 工业每年将消费25亿吨标准煤

占我国能源消费总量的70%

是典型的能源消费大户

因此 了解工业内部的能源消费构成和能源效率

对改善我国能源利用状况 具有重要意义

根据中国国民经济行业分类标准GB/T 4754-2011

工业又可进一步细分为41种行业

为方便计算结果的整理

将各个行业的名称以英文简写的代码表示 如表

根据我国目前的统计方法

都是按行业各归其类

分别统计其能源的消耗量

经济产出量 污染物的排放量

因此可以构建出工业系统与外部环境间的关系框架

如图所示

作为示例 我们选择能源消耗E作为工业的环境负荷

选择工业增加值G表示工业的服务量

不难看出工业能源消耗总量

是各工业行业的能源消耗量的和

从而可定义某一工业行业的能源消耗量

占工业能源消耗总量的比值

作为该行业的能源消耗系数

这一系数可反映工业能源消费的行业构成

类似的可定义某一工业行业的经济贡献率

反映工业的经济构成

这种情况下对于某一行业而言

其能源效率可表达为

消耗单位能源所获得的经济增加值

表达为eEi=Gi/Ei

而对于整个工业系统

其能源的总效率将可表达为式7-4

该式表示工业的能源效率将与工业系统的构成

以及每个行业的工业效率有关

为了清楚地看出中国工业能源消耗的行业构成

将各行业的能源消费系数计算出来

并从高到低进行排序 得到如图的结果

由此图可见

代码为FMI的黑色工业冶炼与压延加工业

代码为CMM的化学原料及化学制品制造业

代码为NMM的非金属矿物制品业

是能源消费数量最多的三个行业

其中黑色工业冶炼与压延加工业的能源消耗量最多

占工业总能耗的20%

意味着工业节能工作中应以

黑色工业冶炼与压延加工业作为工作重点

类似的为了更清楚地看出

不同行业的能源效率方面的差异

将各行业的能源效率计算出来

也从高到低排序 则可以得到如图的结果

由此可见

代码为TOM的烟草制品业的能源效率最高

超出紧随其后的几个行业的两倍以上

按照同样的方法 我们还可以计算

不同历史时期或同一时期不同地区的

各个工业行业的能源效率 从中可以看出

不同地区不同历史时期能源效率方面的差异

以此来作为进一步管理的重要依据

比如我们曾选择广州 重庆 天津几个城市

与中国的整体进行比较

发现不同地区工业行业的能源效率差别非常大

又例如广州烟草制品业的能源效率

高达74万元每吨标煤 高出中国同行业约6倍

而天津仅为1.8万元每吨标煤

是中国同行业的1/5

由此可看出

不同地区同一行业以及同一地区各个行业之间

所产生的巨大差别

也反映出进行产业结构所可能带来的

能源效率的提高潜力