能源价格体系对节能技术应用的影响分析

穆 天 龙

(山西省城乡规划设计研究院，山西 太原　030001)



能源价格体系对节能技术应用的影响分析

穆 天 龙

(山西省城乡规划设计研究院，山西 太原030001)

以热泵技术为例，通过实例计算分析，揭示了导致节约能源的比率与能源费用比率不一致，甚至节能率很高而经济上出现亏损现象的本质原因，提出了优化能源比价，促进企业应用节能技术，从而达到节能减排目标的建议。

能源，价格体系，节能，热泵

0　引言

能源是人类社会发展的重要物质基础,从远古至今,人类一刻都没能离开能源的利用。随着人类社会的进步，能源利用技术逐步提高，从简单的利用火烧烤食物、防御野兽，发展到组织各种不同温度、不同工艺的复杂用能过程。但社会发展至今，在应用能源的具体形式上并没有发生大的变化，即仍然是以化石燃料为社会主体能源。这种状况，存在两方面的问题，一是化石燃料利用过程对环境造成了重大危害，如酸雨、温室效应。二是化石燃料的有限性，这些对人类社会可持续发展都是极大的挑战[1-3]。

理论上新能源的利用可以解决环境问题和能源有限性问题。如核聚变能是无限量的，但由于技术复杂，至今仍未能实现可控利用。太阳能也是无限量能源，利用难度低，但难以形成规模。所以，化石燃料目前仍然是人类社会赖以生存的支柱性能源。其他新能源的利用也都存在类似太阳能、核聚变能利用的难题。在这种形势下，全世界都认识到，“节约与开发并重”才是当今世界能源工作的正确策略。

节能可以降低产品的能源成本，缓解能源紧张局面，可以减轻环境污染。因此，节能技术研究具有重大社会效益和经济效益。但在目前的能源价格体系中，存在制约节能技术应用的人为因素，对节能技术应用产生了严重的不利影响。本文以热泵技术为例，探讨消除这种不利因素，促进节能技术广泛应用的措施。

1　热泵技术原理

热泵技术是一种高效节能的余热回收技术，它利用自然界存在或工艺过程排放的低温余热为低温热源，消耗少量的高品位能，输出较大量的中温热能。以目前广泛应用的电动热泵为例，其能量平衡模型如图1所示。

依据图1有：

QH=W+QL

(1)

即热泵供热量等于作为代价输入的高品位能量W和从低温热源回收的能量QL之和。对于常用的电动热泵，显然属于用电能换取热能的设备，依据热力学分析的一般方法，热泵理论中用供热系数cop评价热泵收益与代价的相对大小，即：

(2)

对于电动压缩式热泵，cop表达式是热能与功的比值，这种以功为代价获得热能的行为与用黄金购买钢铁类似，因此必然在一定的比价关系下才能确定这种行为的可行性。从热能动力的角度，cop也不能在理论上说明能量利用的合理性。对此，热泵理论中进一步引入了一次能源利用率PER，其意义是把cop表达式中的功折算为热力发电消耗的一次能源数量，即:

(3)

分析式(3)可见，PER与锅炉效率具有了可比性，具体如图2所示。

在图2中，锅炉是用燃料换取一定数量的有用热能，效率必然小于1。热泵是用相当于数量为W/ηd的燃料热能换取数量为QH的有用热能，但由于中间经过了发电环节和余热回收利用环节，在投入、产出方面的评价都复杂化了。关于热泵回收的低温余热是否按代价计算，汽轮机排放的低温余热如何评价，这些问题目前尚无确定的评价方法。但仅从由燃料到有用热能这个转换过程而言，锅炉效率与热泵一次能源利用率PER是具有可比性的[4]。

2　热泵技术节能效益分析

节能效益一般包括节能率和经济效益两个指标。以电动压缩式热泵为例，其基本功能就是供热，所谓节能率就是与传统的供热设备——锅炉或加热炉对比，在完成相同供热功能的前提下，消耗能源数量的对比。

根据目前的技术状况，热电厂发电效率一般在30%左右，而许多工业锅炉、加热炉的运行效率ηg都低于90%。传统供热工程中用锅炉作为热源，如果在具备合适低温热源的条件下采用节能新技术——热泵供热，这就形成了论证这种节能技术改造节能、经济效益的问题[5,6]。

在相同供热量的前提下，热泵方案的节能率计算如下：

(4)

其中，λe为与锅炉对比的热泵节能率，%；Eg为采用锅炉供热的一次能源消耗量，MJ；Eh为采用热泵供热的一次能源消耗量，MJ。

利用热泵PER和锅炉热效率指标得到：

(5)

如果锅炉效率取90%，火力发电效率取30%，在供热温度不超过90 ℃的条件下，一般压缩式热泵cop可以达到3.5以上。以上述数据为基础利用式(5)计算可以得到热泵与锅炉对比的节能率为14.3%。这一数据说明在相同的供热负荷条件和供热温度下，应用热泵技术可以节约14.3%的一次能源，显然也减少了相同比率的碳排放，可以说节能、减排效果都很明显。但经济效益上如何，这是所有节能减排工程必须面对的问题。几乎所有的企业，应用节能新技术的前提是必须具备一定的经济效益。

3　热泵技术经济效益分析

以热泵取代传统加热设备，影响经济效益核算的因素很多，如初投资的改变、运行费用的变化、设备寿命及折旧等。本文鉴于上述因素的复杂性和不确定性，仅从能源费用方面进行探讨。即仅对比采用热泵供热的能源费用和锅炉供热的能源费用。

笔者曾经从事热泵取代油田加热炉的研究工作，当时油田企业利用以天然气为燃料的加热炉进行加热，同时油田存在大量40 ℃的余热资源，应用电动热泵取代加热炉，相当于增加电能消耗，节约了天然气[7]。由于低温余热的温度高达40 ℃，使得热泵的供热系数cop可以达到4.5以上，燃烧天然气的加热炉效率按80%计算，利用式(5)不难计算出，用热泵取代加热炉的方案节能率可达40%。在进行经济效益核算时，显然必须涉及电价及天然气价格。当时的天然气价格为cr=0.1元/Nm3，电能价格为cd=0.08元/kWh。油田天然气的发热值为Qr=4.2×104kJ/Nm3，依据上述数据可以用式(6)计算方案的经济效益。

(6)

其中,ηm为能源费用节约率，%；mjq为加热炉的天然气费用，元；mhd为热泵的电费，元。

在相同供热量的前提下，式(6)表示利用热泵取代加热炉可以节约的能源费用比率。结合加热炉效率ηg和热泵PER的概念，可以得到上述方案的能源费用节约率为：

(7)

代入数据计算得到方案的能源费用节约率为-32.6%。即应用热泵技术，虽然具有40%的节能率，但在运行燃料(能源)费用上，热泵技术将多消耗32.6%。这样的结果，对于企业而言，无论如何也是难以接受的。

从式(7)可见，出现ηm为负值的根本原因在于式中电价与天然气价格的比值cd/cr太大，其他因素都是相对稳定的技术指标。这一问题在目前的价格体制中已经彻底得到改变。以城市住宅用电和用天然气的价格为例，天然气价格3.4元/Nm3，电价为0.52元/kWh，利用式(7)即可计算出上述方案的能源费用节约率为68.3%。这一结果说明，在目前天然气价格与电价的基本状况下，应用热泵技术取代以天然气为燃料的加热炉，不仅节能，而且在燃料费用上也可以得到大幅度的降低，使得热泵节能技术节能率与节约能源费用率一致甚至更低，获得更大的经济效益[8-10]。在有条件的企业，大力推广应用热泵技术，在取得较大社会效益的同时，也可以获得相应的经济效益。

那么，是否说电价与天然气价格的比值cd/cr越小越好，显然，这种理解是错误的。因为这个比价低到一定程度，会促使以燃料转换获取热能的用能单位转向消耗电热。在我国电能供应仍然相对紧张的情况下，在目前基础上，适当提高电能价格，增大电能与天然气的比价，应该是一个合理的调整方案，但调整的最佳比价需要从多方面论证。

4　结语

本文通过理论研究和实例分析，得到如下主要结论：1)节能技术的应用对缓解世界能源与环境问题具有重要意义；2)应用节能技术可以获得一定程度的节能率，但未必能获得相应的经济效益，其根本原因是现实的能源价格体制存在问题；3)以电动热泵供热与传统锅炉、加热炉供热为实例，计算分析了能源比价对节能率与经济效益偏差的影响程度；4)优化能源比价，对促进节能技术应用，从而实现通过节能技术应用达到节能减排目标具有重要意义。

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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

穆天龙(1983- )，男，工程师

TU201.5

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