泛火用分析方法及其应用
蒋爱华1,2，梅炽1，时章明1,2
(1. 中南大学 能源科学与工程学院，湖南 长沙，410083；
2. 湖南节能评价技术研究中心，湖南 长沙，410083)
摘要：为分析和评价原材料、能源、资金、劳动力等不同类别的要素资源在生产过程中的综合利用情况，提出泛火用概念和泛火用分析方法，建立系统的泛火用分析和评价模型，定义泛火用利用系数和可持续发展指数等量化指标。利用泛火用分析方法和模型对SKS炼铅系统和太阳能光伏发电系统进行分析和评价。研究结果表明：SKS炼铅系统等冶金生产系统的泛火用利用系数很低，可持续发展性较差，节能措施应以降低这类生产系统的不可再生资源特别是不可再生能源的消耗为主；太阳能光伏系统的可持续发展性能优越，其节能工作应以降低太阳能电池的制造成本和设备安装成本为主。
关键词：
中图分类号：TK12；F403.7 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2011)02-0527-06
Universal exergy analysis method and its application
JIANG Ai-hua1,2, MEI Chi1, SHI Zhang-ming1,2
(1. School of Energy Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;
2. Hunan Research Center of Energy-Saving Evaluation Technology, Changsha 410083, China)
Abstract: To analyze the situation of comprehensive utilization of different kinds of resources such as material, energy, funds, labor force, the concept of universal exergy was defined and the universal exergy analysis method was put forward, some models for analysis and evaluation of universal exergy of systems were established, and some quantitative indicators such as utilization coefficient of universal exergy and sustainable development index were defined. Universal exergy analysis method and the models were used to evaluate a SKS lead smelting system and one of solar photovoltaic power generation systems. The results show that both the coefficient of utilization of universal exergy and the sustainable development index of metallurgical production systems like the SKS lead smelting system are lower, the energy-saving measures for such systems should be focused on reducing the consumption of unrenewable resources, especially unrenewable energy, and that solar photovoltaic power generation systems are very well in sustainable development, and the focus of the energy saving work is on reducing cost in manufacturing solar photovoltaic cells and the installation cost of the solar photovoltaic power systems.
Key words: universal exergy; utilization coefficient of universal exergy; sustainable development index
由于不同类别的资源不能进行加总和比较，目前的资源综合利用分析与评价主要是基于统计数据的指标评价。较早出现并具有影响力的评价指标有联合国可持续发展委员会建立的可持续发展指标[1]，蔡邦成等[2]基于生态环境和经济可持续发展理念建立了区域可持续发展评价指标。但是，指标评价存在数据统计工作繁多、指标计算过程复杂、不能给出量化的评价结果等问题。在能源利用效率研究中，一直困扰人们的也是如何将非同质的能源投入要素、不同产出进行加总和成本分摊等问题[3]，火用概念的提出解决了这个问题。火用指能量、物质系统在只有环境作用的条件下，经历可逆过程达到与周围环境状态平衡时能产生的最大可用功。火 用为正确评价不同形态的能量、不同状态的物质的价值提供了统一的标尺。火 用分析是根据进出系统火 用的不平衡发现不可逆火 用损失，对系统的物质、能量利用状况给出全面评价的分析方法。火 用分析不仅已被广泛应用于冶金、电力、水泥等高耗能生产过程和设备的能量系统的分析和评价[4-7]，火用理论也成为了评价地球和国家资源环境状况的重要工 具[8-9]。建设资源节约、环境友好两型社会要求的是节约原材料、能源、资金、劳动力以及环境资源等的广义节能。广义节能必须要有新的科学有效的分析和评价方法对经济系统进行评价和监督。将火用理论与微观经济学结合，形成了交叉学科—火用(热)经济学。火用(热)经济学在生产系统的综合经济性分析方面得到了应用。张超等[10]在单位火用成本基础上，分析了电厂热力系统在设计工况以及变工况下 火用成本的分布规律，并且定量研究了各种运行参数对设备火用成本的影响。而运用火用(热)经济学对运行机组各设备的火用成本变化进行在线监督，已经是热力系统故障诊断的主要方法之一[11]。Ozgener等[12]采用火用经济方法研究了地热区域供热系统的优化问题。但是，火用经济学分析中总是存在热力学参数火用与经济学量货币资金的分别衡算问题，衡算方程多，计算过程复杂。目前，火用经济学分析的应用研究主要集中在只有单一火用流输入的火电厂或者供热系统的火用成本分析、经济性优化和故障诊断等方面。生产资料(土地、原材料和能源等)、资金和劳动力是生产系统的3个要素资源，随着环境恶化，生产的环境成本越来越高，环境资源也成为了生产要素资源之一[13]。若能将这些类别截然不同的资源用统一的测度参数进行度量，就解决了不同类型资源的加总和比较问题，从而可对资源综合利用状况进行量化分析。这方面的研究已经取得一定进展，Sciubba[14-15]提出了扩展火用概念和能源系统的扩展火用统计方法，将劳动力、资金等社会资源和自然资源统一在同一个参数下进行统计和比较分析。扩展火用概念和扩展火用统计方法的提出为复杂系统的火用与经济相结合的综合分析提供了更加快捷的途径，它们很快在国家和地区的扩展火用耗统计和分析中得到了推广应用[16-17]。但是，由于Sciubba[14-15]认为全部资金和全部劳动力的扩展火用都等于国家或者地区总火用消耗量，这样，在进行社会资金、劳动力火用消耗统计时，将出现火用耗的重复统计问题。在此，本文作者提出泛火用概念和泛火用分析方法，是一种用于资源综合量化分析的新方法。
1 泛火用概念与泛火用计算模型
自然资源火用是人类社会经济发展所必需的，火用反映了资源类商品的使用价值的客观属性。资金、劳动力属于社会资源，衡量这类社会资源类商品价值的尺度是它们的价格。价值是这类社会资源商品的共同属性，是凝结在商品中的无差别的人类劳动。根据火用的性质，给出泛火用(Universal exergy)的定义为：泛火用是凝结在商品中的无差别的人类劳动相当的功。泛火用具有能量的属性和单位。生产系统的要素资源如资金、劳动力和需要付出代价的环境成本都是商品，因此，它们都具有对应的泛火 用。
1.1 自然资源的泛火用计算
泛火用反应的是物品的价值，只有当物质和能量等自然资源是商品时才有泛火用，当属于生产资料的自然资源不是商品时，它们虽然含有火用，但它们的泛火用为0。自然资源可分为不可再生资源和可再生资源，许多可再生资源如太阳能、风能、水能等都不是商品资源，它们的泛火用为0。物质、能量等自然资源的泛火用可用下式表示：
(1)
式中：UME为投入到系统的物质和能量的泛火用，MJ；UNR为不可再生资源的泛火用，MJ；ENR为不可再生资源的火用，MJ。式(1)表明：投入到系统的物质和能量等自然资源的泛火用等于其中不可再生的自然资源的泛 火用，可再生资源的泛火用为0 MJ，而不可再生资源的泛火用等于其火用值。
1.2 资金的泛火用计算
货币是一般商品的特殊等价物，可以与任何商品进行交换。当作为特殊商品的资金货币与一般商品进行交换时，认为它们具有等量的泛火用。例如，用一定量的资金购买到一定量的某种商品时，可以认为这些资金的泛火用与购买到的商品的泛火用相同。
一定量的资金的泛火用量为：
(2)
式中：UC为一定量的资金的泛火用量，MJ；uC为单位货币资金的泛火用，MJ/$;；
为资金总量，$。
单位货币资金泛火用uC是单位资金能够购买到的物质资源的火用。不同类别的系统有不同的计算方法。
1.2.1 工业系统资金泛火用量的计算
对于一般工业系统的分析，资金泛火用计算遵循火用经济学的思想，资金泛火用或以购买系统所有物质和能量资源泛火用的资金成本为依据计算，或以系统所有输出产品的泛火用的资金量为依据计算，工业系统的单位资金泛火用为：
(3)
式中：Ui为第i种输入系统的自然资源或产品的泛火用量，MJ；Ci为购买第i种资源付出或卖出第i种产品获得的资金量，$。
1.2.2 国家或地区宏观系统的资金泛火用量的计算
对于国家和地区等宏观系统，单位资金泛火用uC可用下式表示：
(4)
式中：Uin,society为在一定时期内进入国家或地区整个社会的自然资源的泛火用总量，MJ；MGDP为同一时期内国家和地区的全部最终产品和劳务的价值，$。
1.3 劳动的泛火用计算
劳动的泛火用计算以劳动力的工资为基础，工资以货币和资金形式表现，劳动的泛火用为：
(5)
式中：UL为投入工业生产系统的劳动的泛火用，MJ；CL为劳动力的工资总量，$。
1.4 环境成本的泛火用及其计算
环境成本的泛火用是指使用环境导致了环境污染和破坏，将环境恢复到正常状态所必须消耗的最小的物质和能量火用。环境状态的恢复不是1个人、1个企业甚至1个国家能够做到的，它需要全人类的努力。而分摊到每个生产系统和消费系统的环境成本就是必须付出的排污税(费)、治污费、碳排放费等，这些费用都以资金量体现。环境成本的泛火用可用下式计算：
(6)
式中：UE为生产系统的环境成本泛火用，MJ；CE为系统的环境成本费用， $。
2 泛火用分析方法和模型及评价指标
2.1 泛火用分析方法的定义
泛火用概念的提出解决了不同类型资源的加总和比较问题。泛火用分析方法(UEA，即Universal exergy analysis)就是以泛火用作为衡量物质、能量、资金、劳动及环境成本等一切商品要素资源价值的统一尺度，对系统进行泛火用衡算，揭示系统中所有资源被消耗和利用的机理，以获得资源综合利用状况的分析方法，它是一种综合性的定量分析方法。
2.2 生产系统的要素资源流与泛火用流
如图1所示为任意系统的物质、能量、资金和劳动等要素资源投入和产出的资源流动示意图。系统的投入项包括原材料与能源等自然资源输入和设备投资、劳动投入等资本输入；产出项包括主产品、副产品和排放物。投入的物质和能源资源可划分为再生的和不可再生资源，不可再生资源可继续划分为取自自然环境的资源和回收利用的资源2种类别。
系统的泛火用流模型示意图如图2所示。由图2可知：系统的泛火用输入为4项，即物质、能量的泛火用UME、设备投资的泛火用UC、劳动成本的泛火用UL和废物排放引起的环境成本的泛火用UE。系统总泛火用输入量为：
=
(7)
与物质、能量流方向不同，在图1中，系统的排放物是离开系统的，但因废物排放导致的环境费用的泛火用在图2中却变成了输入项。投入系统的自然资源的泛火用UME等于其中不可再生的自然资源的泛火用UNR。
2.3 生产系统的泛火用流衡算方程
由图1和图2可知：将投入系统的物质、能量和资金等各种资源要素都换算为泛火用后，系统的泛火用衡算分析显得直观且易于理解。图2中系统的泛火用平衡计算方程为：
(8)
式中：Ump，Ubp和Uloss分别为系统输出的主产品的冷火用、副产品的泛火用与泛火用损失量，MJ。
图1 生产系统的要素资源投入和产出
Fig.1 Factor inputs and outputs of resources of production system
图2 生产系统的泛火用流模型
Fig.2 Model of universal exergy flow of production system
2.4 基于泛火用分析的节能评价指标
与传统火用分析对应，根据泛火用损失的概念和意义的不同，系统的泛火用评价目标不同，提出以下节能评价指标模型。
2.4.1 泛火用利用系数
泛火用利用系数是指系统有效利用的泛火用量与输入系统的总泛火用量之比。在生产系统中，有效利用的泛 火用是输出的所有产品(主产品和副产品)的泛火用量。根据图2和式(7)，总系统的泛火用利用系数为：
(9)
式中：ρ为系统的泛火用利用系数；Uef为输出的有效泛火用，指所有产品(产品和副产品)的泛火用，MJ；Emp和Ebp为主产品和副产品的火用，MJ。
泛火用利用系数是生产系统资源利用状况的综合反映。式(9)表明：在同等技术条件下，降低不可再生资源消耗，增加可再生资源消耗的比例，则在投入总火用不变的情况下，投入不可再生资源的火用ENR降低，系统的泛火用利用系数提高。
2.4.2 主产品泛火用利用系数
主产品泛火用利用系数ρmp为输出的主产品的泛火用与总输入泛火用之比。
(10)
主产品泛火用利用系数反映了输入总泛火用被利用于生产主要产品的份额，是反映单位产品泛火用消耗情况的重要指标，要降低单位产品的资源消耗，必须提高主产品泛火用利用系数。
2.5 基于泛火用的系统可持续发展指数
生产系统对生态环境的影响越小，则系统的可持续发展性越好。社会生产系统从2个方面对自然生态环境造成影响：一方面，是从自然环境系统索取不可再生资源造成资源短缺；另一方面，是向环境排放废弃物而造成环境污染。由于系统排放的各废弃物对环境造成危害的程度不同，因此，排放物对环境的影响程度不能以排放物的总量或者总火用来衡量，而应该以系统付出的环境成本的泛火用来衡量。
输入生产系统的不可再生资源火用包括从自然界直接索取的和回收利用的资源，即：
(11)
式中：
和
分别为系统从自然环境索取的不可再生资源火用和从废旧资源回收利用的不可再生资源 火用。社会生产系统的可持续性可用可持续发展指数来描述，系统的可持续发展指数定义为输出产品总泛火用与输入系统的直接来自自然环境的物质、能量的泛火用与环境成本泛火用之和的比。可持续发展指数实际上是以直接来自自然环境的自然资源的泛火用和环境成本泛火用之和为系统投入的投入产出比，即：
(12)
式中：σSDI为系统的可持续发展指数，它是反映社会生产系统对自然生态环境资源消耗和利用速度的指标，是评判系统的可持续发展性的重要依据。可持续发展指数σSDI越大，系统的可持续发展性就越好，生产系统对地球生态环境的影响就越小。
3 泛火用分析方法的应用
3.1 泛火用分析方法在冶金生产过程中的应用
以某年产10万t粗铅的SKS炼铅系统(水口山炼铅系统)为案例进行泛火用分析。该系统设备总初投资(不含土地等费用)为63 769 800 $，维修费平均每年为 1 483 000 $，劳动力工资及管理费用每年约为 3 258 000 $，排污费平均每年为519 000 $。
选取系统生产稳定、设备运转率为90%的某一生产月的统计数据为物质、能量投入量及其泛火用的计算依据。根据统计数据计算得到：该SKS炼铅系统每生产1 t 粗铅产品时需要投入的物质和能量的总火用量EME为21.066 19 GJ，输出系统的产品火用即收益火用Ep为4.392 52 GJ，主产品粗铅的火用Emp为2.036 45 GJ。以当前价格计算，获得购买物质和能量的总资金为 2 101.10 $。由式(3)可求得系统的单位资金泛火用为10.03 MJ/$。
取生产系统装置折旧年限为10 a，银行利息为10%，资金周转期为90 d。以系统建设的初投资的年折旧费、维修费用和流动资金的财务成本为系统资金成本、劳动力工资及管理费用为劳动力成本、污染排放费为环境成本对系统的各泛火用量进行计算和分析，获得系统的单位产品对应的各泛火用投入和产出量并进行泛火用分析，得到结果如表1所示。
由表1可知：SKS炼铅系统的泛火用利用系数和主产品泛火用利用系数都较低，分别为0.189 6和0.087 9；可持续发展指数很小，仅为0.208。可见：输入系统的自然资源特别是不可再生资源的泛火用量占比很大，说明SKS炼铅系统主要以消耗不可再生自然资源为主，属于资源消耗型企业，可持续发展性很差，因此，这类系统的综合节能主要应该从技术上、管理上采取措施，减少不可再生资源火用特别是不可再生能源火用的消耗。应该尽量采用可再生能源和利用回收的资源，提高系统的可持续发展性能。
3.2 泛火用分析在太阳能光伏发电系统中的应用
以北京地区的光伏发电系统作为研究实例，分析光伏发电系统的经济效益和综合环境效益。研究表明：太阳能光伏系统的寿命为20~25 a，根据北京地区年日照量的历史平均数据，取电池组件的年衰减为1%，大气尘埃造成阻挡的年衰减为l%，计算可得到平均每1 W 装机容量的光伏电池的20 a总发电量为22.696 kW?h[18]。
光伏发电系统运行时只利用太阳能，太阳能是非商品的可再生能源，因此，输入系统的自然资源的泛 火用量为0 MJ；光伏发电系统运行人员很少，取劳动力成本为0 $；光伏系统无污染排放，环境成本也为0 $。因此，太阳能光伏系统的投入泛火用仅是光伏装置购置和安装的资金成本的泛火用。
以输出产品能够卖出的资金量计算单位资金泛 火用，以目前中国居民平均电价为计算依据，目前居民电价约为0.09 $/(kW?h)，由式(3)计算得光伏系统的单位资金的泛火用为40 MJ/$。
根据预测，2008—2011年的光伏系统的装机成本分别为7.0，6.6，6.2和5.9 $/W[19]。以各年度不同的装机成本数据为系统初投资，分别以年利息为10%，5%和无息计算系统的总投资，对北京地区光伏发电系统生命周期内(20 a)的运行进行了泛火用分析，获得2008—2011年的各泛火用流、泛火用利用系数和可持续发展指数如表2所示。
从表2可以看出：银行年利息不同时，光伏发电泛火用利用系数是不同的，光伏系统的泛火用利用系数随着其成本降低而提高；光伏发电系统对生态环境的影响非常小，它的可持续发展指数为无穷大，属于环境友好、永久可持续发展的发电系统。
表1 SKS炼铅系统的泛火用流及泛火用分析结果(对应1 000 kg粗铅产品)
Table 1 Universal exergy flows and results of universal exergy analysis of SKS lead smelting system
(per 1 000 kg product of lead)
表2 北京地区光伏发电系统的泛火用分析结果(对应1 W的装机容量)
Table 2 Results of universal exergy analysis of photovoltaic systems in Beijing region (per 1 W installed capacity)
4 结论
(1) 泛火用概念的提出解决了生产过程中原材料、能源等生产资料要素、资金要素、劳动要素以及环境资源要素的统一测度问题，为进行生产系统的各要素资源的综合利用情况以及可持续发展性的量化分析和评价打下了基础。
(2) 泛火用分析方法是资源综合利用或广义节能的分析和评价方法，其分析的内容不仅包括物质、能量等自然资源，而且包括资金、劳动力、环境等社会资源和环境资源；泛火用分析能够对生产系统的资源综合利用状况和可持续性发展特性给出量化的评价结果，揭示它们的节能潜力和改进方向。
(3) SKS炼铅系统等冶金生产系统的自然资源的泛火用占总输入泛火用的比例很大，属于资源消耗型生产系统，可持续发展性差，它们的综合节能主要应该以减少自然资源火用消耗特别是能源火用的消耗为主。增加可再生能源消耗的比例，可提高生产系统的泛火用利用系数；增加回收利用资源的比例，可提高系统的可持续发展指数。
(4) 太阳能光伏发电系统主要利用可再生能源进行生产，属于永久性持续发展系统；系统的泛火用利用系数随着光伏发电机组成本的降低而不断提高，这类系统的广义节能措施主要以降低设备投资为主。
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(编辑 陈灿华)
收稿日期：2010-08-10；修回日期：2010-10-09
基金项目：湖南省科技计划攻关重大专项(子项)项目(2008SK1002)
通信作者：蒋爱华(1965-)，女，湖南永州人，博士研究生，副教授，从事能源系统工程及节能评价理论研究：电话：13975165780；E-mail：jah65@163.com
