用系統(tǒng)性能系數(shù)檢測衡量設(shè)備的真性能

曹 琦

（西安交通大學(xué) 陜西西安 710048）

1 引言

1.1 節(jié)能現(xiàn)狀

為適應(yīng)嚴(yán)峻的資源、人口、環(huán)境形勢，97年我國推出了《能源法》，節(jié)能成為我國的基本國策。自97年至今我們進(jìn)行了多輪多次按專業(yè)模塊、“頭痛醫(yī)頭、腳痛醫(yī)腳”式的節(jié)能改造，我國的單位GDP能耗從世界平均的3.5倍到2012年已經(jīng)下降到1.9倍，節(jié)能已經(jīng)取得了可喜的成績。[1]但隨著節(jié)能工作深入推進(jìn)，進(jìn)一步挖掘節(jié)能潛力的難度加大，節(jié)能的任務(wù)更加艱巨。[2]

1.2 節(jié)能遇到了理論瓶頸

節(jié)能，我們面對是一個(gè)個(gè)耗能系統(tǒng)和一個(gè)個(gè)在耗能系統(tǒng)中運(yùn)行的設(shè)備。我們應(yīng)當(dāng)把握耗能系統(tǒng)的本質(zhì)，認(rèn)識耗能系統(tǒng)運(yùn)行的規(guī)律，“歸根知?！弊龊媒拥貧獾暮哪芟到y(tǒng)“頂層設(shè)計(jì)”，使耗能系統(tǒng)達(dá)到“配置合理，運(yùn)行協(xié)調(diào)，整體優(yōu)化”的境界且具有內(nèi)在的健康結(jié)構(gòu)，耗能系統(tǒng)才有能力涌現(xiàn)出包括節(jié)能在內(nèi)的一系列外在的優(yōu)良健康屬性?？墒且浴凹稍O(shè)備”為主線、按專業(yè)模塊堆積疊加思維模式的傳統(tǒng)節(jié)能理論不清楚節(jié)能第一問：耗能系統(tǒng)的本質(zhì)是什么；不清楚節(jié)能的第一概念：真節(jié)能是什么的問題。耗能系統(tǒng)頂層設(shè)計(jì)不接地氣，才使深度節(jié)能很難進(jìn)行下去。這個(gè)問題本是造物主的警示，我們的導(dǎo)航系統(tǒng)——理論指出的路徑偏離正確航道，致使結(jié)果偏離預(yù)期。對于節(jié)能，我們遇到了理論的瓶頸。只有改變理念，才能上正道，我們必須從傳統(tǒng)的工業(yè)時(shí)代以“集成設(shè)備”為主線，按專業(yè)模塊堆積疊加頂層設(shè)計(jì)理念，轉(zhuǎn)變到信息時(shí)代的以“集成知識”為主線，按系統(tǒng)論為目的整合的頂層設(shè)計(jì)理念。

1.3 系統(tǒng)、設(shè)備的本質(zhì)性能指標(biāo)

耗能系統(tǒng)、設(shè)備本質(zhì)上都是耗散結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，都是靠消耗有效能才能承擔(dān)一定任務(wù)，顯示出人們需要的功能來，因此，系統(tǒng)、設(shè)備的耗能性能才是描述系統(tǒng)、設(shè)備的本質(zhì)性能指標(biāo)。本質(zhì)性能指標(biāo)是關(guān)鍵性的指標(biāo)，這個(gè)指標(biāo)優(yōu)良，其他輔助性指標(biāo)自然優(yōu)良。從“系統(tǒng)節(jié)能”理論分析，設(shè)備都是在系統(tǒng)中運(yùn)行的，衡量系統(tǒng)中運(yùn)行設(shè)備的本質(zhì)性能指標(biāo)就是系統(tǒng)性能系數(shù)SCOP（System Coefficient of Performance）。

1.4 衡量設(shè)備性能指標(biāo)現(xiàn)狀

由于傳統(tǒng)節(jié)能理論的不完善，沒有把握耗能系統(tǒng)的本質(zhì)及其運(yùn)行規(guī)律，導(dǎo)致衡量系統(tǒng)設(shè)備性能指標(biāo)體系概念的混亂。有的用本質(zhì)性能指標(biāo)，如單位GDP能耗的倒數(shù)表示國家生產(chǎn)系統(tǒng)耗能本質(zhì)性能；有的用半本質(zhì)性能指標(biāo)，如冷水機(jī)組的COP值，在COP定義中表示機(jī)組輸入耗能項(xiàng)中僅計(jì)算冷制冷機(jī)的能耗，沒有計(jì)及兩器消耗兩泵的輸送動(dòng)力，而事實(shí)卻是冷水機(jī)組消耗了三部分能量才能正常輸出額定冷（熱）量；有的不用本質(zhì)指標(biāo)，如冷卻塔，用水量、溫降表示性能；如換熱器，只注重?fù)Q熱量、熱流密度、體積表示性能……。衡量系統(tǒng)、設(shè)備性能指標(biāo)體系的混亂，造成節(jié)能市場的混亂，良莠不齊，偽劣產(chǎn)品甚至第二類永動(dòng)機(jī)也在節(jié)能市場上流行。為了徹底改變這種亂象，需要有良幣驅(qū)逐劣幣的機(jī)制，為此，特提出用本質(zhì)性能指標(biāo)作為系統(tǒng)、設(shè)備關(guān)鍵性指標(biāo)的動(dòng)議。

2 SCOP定義

系統(tǒng)性能系數(shù)SCOP的定義式如公式（1）所示：

式中：

SCOP——特定條件（工況）下的系統(tǒng)性能系數(shù)（System Coefficient of Performance），kW/kW；

Exi.t——系統(tǒng)或設(shè)備輸入的總有效能，

Exi——系統(tǒng)或設(shè)備輸入的第i個(gè)有效能，kW；

n——系統(tǒng)或設(shè)備有效能輸入通道個(gè)數(shù)，個(gè)；

Exo.t——系統(tǒng)輸出的總有效能，

Exo——系統(tǒng)或設(shè)備輸出的第i個(gè)有效能，kW；

m——系統(tǒng)或設(shè)備有效能輸出通道個(gè)數(shù)，個(gè)。

SCOP的含義。圖1為系統(tǒng)或設(shè)備的SCOP示意圖。從公式（1）SCOP的物理含義非常明確，表示系統(tǒng)或設(shè)備特定條件（工況）下單位能耗能夠輸出多少有效能，也就是系統(tǒng)或設(shè)備的有效能增益。它是反映系統(tǒng)或設(shè)備全息的本質(zhì)性能參數(shù)，對系統(tǒng)、設(shè)備性能有影響的所有要素最終都表現(xiàn)在SCOP值的變化上。對于工業(yè)生產(chǎn)來說，這里的SCOP特定條件（工況）是指：額定工況、最小負(fù)荷工況、時(shí)均工況等。不指名特定條件（工況）來談SCOP是無意義的。見圖1。

3 SCOP的優(yōu)點(diǎn)

3.1 物理概念清晰

公式（1）定義的SCOP反映的就是系統(tǒng)或設(shè)備的有效能增益。如果把系統(tǒng)、設(shè)備的關(guān)鍵被控參數(shù)都理解為廣義的有效能的話，它實(shí)際上就是人們生活中常用“花一個(gè)錢買多少東西”的常識性概念，因此易于人們理解接受，易于推廣應(yīng)用。

3.2 簡單、本質(zhì)

公式（1）非常簡單，但卻抓住了系統(tǒng)、設(shè)備不耗能便不能“活”的類生物體的要害、本質(zhì)。這個(gè)本質(zhì)指標(biāo)上去了，由它決定的其他輔助性考核指標(biāo)自然跟著就上去了。

3.3 易在實(shí)踐中測量、計(jì)算、檢驗(yàn)

因?yàn)楦拍钋逦?、簡單、本質(zhì)、易學(xué)易用，在工程實(shí)踐中非常容易測量檢驗(yàn)、推廣應(yīng)用。

例1：冷卻塔的SCOP測量計(jì)算

用功率表測量出冷卻塔風(fēng)機(jī)運(yùn)行功率Wct.f；

用公式（2）測量計(jì)算冷卻塔消耗的水泵輸送動(dòng)功率：

式中：

Exct.p——冷卻塔消耗水泵的輸送功率，kW；

Lct——冷卻塔的流量，m3/s；

ΔPct——在冷卻塔進(jìn)口處測得的冷卻塔總壓降，kPa；

ηp.t——水泵總效率，%；粗算時(shí)可以取ηp.t=0.70（為合理的經(jīng)驗(yàn)數(shù)值）。

冷卻塔熱濕交換釋放空氣中的能量用公式（3）測量計(jì)算：

式中：

圖1 系統(tǒng)或設(shè)備的SCOP

Qct——冷卻塔釋放到空氣中的熱量，kW；

ρ——冷卻水密度，kg/m3；

Cp——冷卻水定壓比熱，kJ/kg.℃；

tw2——冷卻塔進(jìn)水溫度，℃；

tw1——冷卻塔出水溫度，℃。

測量計(jì)算出這些數(shù)據(jù)之后，就可以用公式（4）計(jì)算出冷卻塔的系統(tǒng)性能系數(shù)：

式中：

SCOPct——冷卻塔系統(tǒng)性能系數(shù)，無因次；

Wct.f——冷卻塔風(fēng)機(jī)消耗的功率，kW。

例2：換熱器系統(tǒng)性能系數(shù)測量計(jì)算

換熱器的功能是在消耗初測、次側(cè)泵（廣義泵）的驅(qū)動(dòng)力的前提下，完成兩個(gè)隔離系統(tǒng)的熱傳遞的任務(wù)。

換熱器系統(tǒng)性能系數(shù)計(jì)算，首先用公式（2）測量計(jì)算出初測泵消耗的動(dòng)力Exeh.p.1、次側(cè)泵消耗的動(dòng)力Exeh.p.2，再用公式（3）測量計(jì)算出換熱器的傳熱量Qeh（從初測或次側(cè)測量計(jì)算均可），就可以用公式（5）計(jì)算換熱器的系統(tǒng)性能系數(shù)：

式中：

SCOPeh——換熱器系統(tǒng)性能系數(shù)，無因次；

Qeh——換熱器換熱量，kW；

Eeh.p.1——換熱器初測消耗的初測泵輸送功率，kW；

Eeh.p.2——換熱器次測消耗的次側(cè)泵輸送功率，kW。

系統(tǒng)性能系數(shù)的概念是普適的。如同例1、例2所示的，小到一個(gè)設(shè)備，大到一個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)、一個(gè)企業(yè)、甚至一個(gè)省、一個(gè)國家都可以用系統(tǒng)性能系數(shù)的概念來描述對象的能源使用效率，因此系統(tǒng)性能系數(shù)的概念是普適的。

3.4 有良好的良幣驅(qū)逐劣幣、凈化節(jié)能市場的功能

系統(tǒng)性能系數(shù)的概念是衡量系統(tǒng)、設(shè)備能源利用效率的本質(zhì)性能指標(biāo)。其概念清晰、簡單、本質(zhì)、易學(xué)、易于推廣應(yīng)用，這等于讓廣大能源技術(shù)人員掌握了識別系統(tǒng)、設(shè)備優(yōu)、劣、真、假的利器，投到節(jié)能市場中具有良好的良幣驅(qū)逐劣幣、凈化節(jié)能市場的功能。

3.5 對高性能系統(tǒng)、設(shè)備的科學(xué)研究具有導(dǎo)航作用

系統(tǒng)中設(shè)備的本質(zhì)性能指標(biāo)才是真實(shí)的。設(shè)備都是在系統(tǒng)中運(yùn)行，按照系統(tǒng)科學(xué)原理，設(shè)備融入系統(tǒng)中后，要受到左鄰右舍的制約、限制，其性能要發(fā)生本質(zhì)變化，所以談?wù)撛O(shè)備性能本質(zhì)上應(yīng)該指的是設(shè)備在系統(tǒng)中的性能，我們研究或談?wù)摰慕裹c(diǎn)應(yīng)當(dāng)是反應(yīng)在系統(tǒng)中運(yùn)行設(shè)備的本質(zhì)性能指標(biāo)，而不是其他的細(xì)枝末節(jié)。系統(tǒng)中設(shè)備的本質(zhì)性能指標(biāo)才是真實(shí)的，研究和談?wù)摰慕裹c(diǎn)在孤立設(shè)備的性能上是沒有實(shí)際意義的。

系統(tǒng)性能系數(shù)恰恰是反映系統(tǒng)中的設(shè)備本質(zhì)性能指標(biāo)，提高系統(tǒng)、設(shè)備系統(tǒng)性能系數(shù)，就是人們追求的終極目標(biāo)，能夠用具體的數(shù)值來衡量它，使得目標(biāo)更加清晰、真實(shí)，因此系統(tǒng)性能系數(shù)本質(zhì)上是系統(tǒng)、設(shè)備科學(xué)研究的指路燈塔。有了明亮燈塔導(dǎo)航，設(shè)備廠家自己就會(huì)將設(shè)備中的“水分”擠掉，把產(chǎn)品做實(shí)，不必等某個(gè)機(jī)構(gòu)來檢驗(yàn)；政府構(gòu)建的社會(huì)能耗監(jiān)控網(wǎng)提供的大數(shù)據(jù)品位也會(huì)更高。比如，對冷卻塔制造領(lǐng)域運(yùn)用系統(tǒng)性能系數(shù)作為考核指標(biāo)，不僅可以對冷卻塔制造領(lǐng)域無動(dòng)力冷卻塔、水輪機(jī)冷卻塔、橫流塔、逆流塔的性能優(yōu)劣一目了然，另一方面很難出現(xiàn)冷卻塔風(fēng)機(jī)大馬拉小車的問題。就像我們在工程中遇到的配置110kW的風(fēng)機(jī)電機(jī)、運(yùn)行電流只有58A的大馬拉小車的現(xiàn)象，在工廠里就會(huì)消滅，不會(huì)出現(xiàn)在現(xiàn)場。工廠技術(shù)人員會(huì)考慮本質(zhì)性能指標(biāo)的要求，自動(dòng)選配合適的37kW的電機(jī)。

4 建議

正像文獻(xiàn)[2]中所指出的，“隨著節(jié)能工作深入推進(jìn)，進(jìn)一步挖掘節(jié)能潛力的難度加大，節(jié)能的任務(wù)更加艱巨。”實(shí)際這是造物主對我們的警示：我們必須將節(jié)能的理念從工業(yè)時(shí)代以“集成設(shè)備”為主線、目光聚焦在“物”上轉(zhuǎn)移到信息時(shí)代以“集成知識”為主線、目光聚焦在“道”上。出問題，是我們遇到了新事物，仍用舊理念導(dǎo)航，除了仍舊引導(dǎo)我們到岔道上外，不會(huì)產(chǎn)生徹底解決問題的奇跡。要從岔道走到自然規(guī)律確定的正道，必須用能夠把握事物本質(zhì)、認(rèn)識事物運(yùn)行規(guī)律的新理念來導(dǎo)航。這是創(chuàng)新，就是解決問題，創(chuàng)新就是建立和新事物本質(zhì)相匹配的新理念的過程的科學(xué)道理。

應(yīng)用前景廣大。系統(tǒng)性能系數(shù)是從耗能系統(tǒng)本質(zhì)的角度提出的概念清晰、簡單、本質(zhì)、易學(xué)易用系統(tǒng)、設(shè)備的本質(zhì)性能指標(biāo)，不用多花錢就可高品質(zhì)的提高節(jié)能環(huán)保的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)境效益。這是一種從系統(tǒng)論觀點(diǎn)堆出的具有嚴(yán)格的理論基礎(chǔ)、又有成功案例，具有我國知識產(chǎn)權(quán)的新的節(jié)能理論技術(shù)。只是在強(qiáng)大傳統(tǒng)思維定勢面前還顯得弱小。不過能夠把握耗能系統(tǒng)的本質(zhì)，認(rèn)識系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)律正是這種理論生命力的所在。所以建議行業(yè)理論技術(shù)的領(lǐng)跑者、節(jié)能的專家權(quán)威從頂層上對系統(tǒng)性能系數(shù)的理念給以批判修正，以使這項(xiàng)技術(shù)早日應(yīng)用到節(jié)能領(lǐng)域，為創(chuàng)造中國APEC藍(lán)、為子孫后代的幸福共同做出貢獻(xiàn)。

[1] 莊貴陽.低碳經(jīng)濟(jì)的理論與實(shí)踐創(chuàng)新［Z］.深圳：華夏氣候技術(shù)中心，自主創(chuàng)新大講堂，2014-11-8

[2] 工信部 國資委.發(fā)改環(huán)資[2014]2423號文件（重大節(jié)能技術(shù)與裝備產(chǎn)業(yè)化工程實(shí)施方案）[EB/OL]. 政府網(wǎng)站，2014年10月27日