基于虛擬能的系統(tǒng)用能評價分析模型及應(yīng)用

王志國 張欣 武傳燕

摘 要： 基于虛擬能理論，提出了單元（設(shè)備）和系統(tǒng)的用能分析模型，給出了系統(tǒng)輸入端和輸出端的虛擬能計算方法。根據(jù)所建模型，對污水處理廠能耗進(jìn)行了分析計算，討論了虛擬能對用能效率的影響。分析結(jié)果表明，傳統(tǒng)的能量分析方法沒有考慮廢氣、廢水排放對環(huán)境的影響，基于虛擬能理論的用能分析模型克服了這個缺點，分析結(jié)果更加客觀、準(zhǔn)確。虛擬能分析模型考慮了環(huán)境等因素，在可持續(xù)發(fā)展的大環(huán)境下更具有現(xiàn)實意義。

關(guān) 鍵 詞：虛擬能；模型；算法；廢物處理；廢水

中圖分類號：TQ 018 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1671-0460（2016）08-1921-06

Abstract： Based on the theory of virtual energy， equipment and systems energy analysis model was built. The calculation method of virtual energy input and output was put forward. According to the model， sewage treatment plant energy consumption was analyzed and calculated. The impact of virtual energy on energy efficiency was discussed. The results show that the traditional energy analysis does not consider the impact of exhaust and wastewater discharge on the environment. The method based on virtual energy theory overcomes the disadvantage. Analysis results are more objective and accurate. Virtual energy model can consider the environment and other factors； the model has a more realistic sense in the context of sustainable development.

Key words： virtual energy； model； algorithm； waste treatment； waste water

目前一般的用能分析過程是基于熱力學(xué)第一定律的能量分析方法和建立在熱力學(xué)第二定律基礎(chǔ)上的火用分析[1]。能量分析方法反應(yīng)了系統(tǒng)用能過程的數(shù)量關(guān)系，可以對不同的能量進(jìn)行比較分析，主要評價指標(biāo)是能量利用效率、能損率分布等，可以揭示用能過程中的用能薄弱環(huán)節(jié)。 火用分析方法反應(yīng)了火用的數(shù)量關(guān)系，主要評價指標(biāo)是火用效率、火用損率分布，可以揭示用能過程中的最大火用損部位或環(huán)節(jié)，實現(xiàn)從質(zhì)和量兩個方面對用能過程進(jìn)行評價[2]。這兩種方法在上世紀(jì)得到了廣泛應(yīng)用，對合理、高效用能起到了積極作用，取得了一些不錯的效果。

隨著時代發(fā)展，無論是能量分析方法，還是火用分析，都顯示了一些不足。特別是進(jìn)入21世紀(jì)以后，隨著我國國民經(jīng)濟快速發(fā)展、人口增長及生活水平不斷提高，能源消耗逐年增加；另外城市化進(jìn)程加快和現(xiàn)代生活方式轉(zhuǎn)變也使能源需求擴大；諸多因素導(dǎo)致我國能源供需矛盾加劇，經(jīng)濟和社會的可持續(xù)發(fā)展受到一定影響。能源、環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展相互影響、相互制約，三者之中可持續(xù)發(fā)展是中心，能源和環(huán)境是保障和基礎(chǔ)[3]。目前的用能分析方法都是基于自身消耗的能量（或火用）開展的，沒有考慮排放等對環(huán)境的影響，顯示出了一定的局限性?？紤]環(huán)境因素、發(fā)展因素，構(gòu)建系統(tǒng)用能評價分析模型，是需要關(guān)注的重點之一。

虛擬能的概念是參照虛擬水提出的，虛擬水概念在用水評價分析中得到了廣泛應(yīng)用，并取得了良好效果。最先提出虛擬水概念的是Allan教授[4-6]，將虛擬水定義為生產(chǎn)商品和服務(wù)所需要的水資源量[6]。也就是說虛擬水不是指真實的水，而是包含在產(chǎn)品中的“虛擬”水資源。同時虛擬水也可稱為“嵌入水”或“外生水”[7]，用于表達(dá)農(nóng)作物或者工業(yè)產(chǎn)品在生長和生產(chǎn)過程中消耗的本地水資源量。Allan同時提出了“虛擬水戰(zhàn)略”思想，根據(jù)虛擬水理論，國家在進(jìn)口富水國家的農(nóng)作物和工業(yè)產(chǎn)品時，相當(dāng)于進(jìn)口了水資源，間接使用了非本國的水，從而達(dá)到緩解本國水資源短缺的目的[4]。

基于虛擬水概念，虛擬水理論在商品貿(mào)易、糧食安全和水資源消費等方面也有全新的應(yīng)用?；谔摂M水戰(zhàn)略思想，對全球虛擬水貿(mào)易進(jìn)行定量估計和評價，有助于一個國家評估更真實的水資源匱乏指數(shù)及在虛擬水進(jìn)出口方面做出正確的決策[8-11]。虛擬水理論在糧食安全方面也起著重要作用，缺水國家通過糧食貿(mào)易間接獲取水資源，有助于維護本國的糧食安全[12-14]。虛擬水消費同樣是近年來討論的焦點。尚海洋以甘肅省的虛擬水消費量為例，分析了消費模式對虛擬水消費量的影響，提出了三種節(jié)約虛擬水的方案。從總體上來講，三種方案都是通過改變消費模式節(jié)約水資源，節(jié)水效果明顯。其中方案三是以產(chǎn)品鏈中位置低的產(chǎn)品替代位置高的產(chǎn)品，節(jié)水潛力最大[15，16]。

本文針對能量分析方法和火用分析方法的不足，提出了虛擬能概念，基于虛擬能理論構(gòu)建了單元、設(shè)備及系統(tǒng)的用能評價分析模型。作為應(yīng)用實例對三臺鍋爐和污水處理系統(tǒng)進(jìn)行了分析計算，據(jù)此提出了一些改進(jìn)建議。

1 虛擬能基本概念

“虛擬能”[4]或“隱性能源”[17]，這一概念起源于“embodied energy”一詞。1974年，國際高級研究機構(gòu)聯(lián)合會（IFIAS）能源分析工作組指出，為了衡量某產(chǎn)品或服務(wù)生產(chǎn)過程中直接和間接消耗的某種資源的總量，可以使用“embodied”這一概念，原則上，“embodied”后可以加任何資源的名稱，如土地、水、勞動力等[18，19]。

我國學(xué)者陳錫康提出隱含能是指在產(chǎn)品和服務(wù)生產(chǎn)過程中直接和間接消耗的能源，其中間接能耗就是指在產(chǎn)品生產(chǎn)過程中所消耗的各部門產(chǎn)品（原材料、輔助材料、機器設(shè)備和其它消耗等）中所包含的能源之和[17]。羅思平等認(rèn)為隱含能是指產(chǎn)品加工、制造和運輸?shù)热^程所消耗的總能源[20]。

以上的定義和分析，只從輸入端給出了附加能，而對生產(chǎn)過程輸出端對環(huán)境的污染未予考慮。

鑒此，本文從兩方面定義虛擬能：（1）對于供給端而言，虛擬能是某種生產(chǎn)工藝、過程或系統(tǒng)消耗的間接資源；（2）對于輸出端，虛擬能是某種生產(chǎn)工藝、過程或系統(tǒng)排放處理而附加的能耗，如廢氣、廢水處理能耗等。

2 基于虛擬能理論的能量平衡分析模型

實際的用能分析對象，可以是一個單元（設(shè)備），也可以是一個生產(chǎn)過程，或者是由若干單元（設(shè)備）和生產(chǎn)過程組成的復(fù)雜用能系統(tǒng)。除了一些通用的指標(biāo)外，還應(yīng)針對不同的分析對象，提出反應(yīng)不同對象特征的分析指標(biāo)。

本部分采用虛擬能理論從單元（設(shè)備）及用能系統(tǒng)兩個層次入手，建立基于能量平衡分析的用能評價分析模型，給出主要評價指標(biāo)。

2.1 用能過程分析術(shù)語

在實際的用能過程（設(shè)備）或系統(tǒng)中，輸入、輸出的能流是多股的，且各股能流的性質(zhì)不一、效用不一。采取如下術(shù)語：

（1）體系：依據(jù)分析目的確定的有明確邊界線的分析對象；

（2）供給能：由能源或物流帶給體系的能。通常包括燃料能、蒸汽能、電能等，以符號Esup表示；

（3）帶入能：除能源以外的物質(zhì)帶入體系的能，以符號Exbr表示；

（4）有效能：被單元（系統(tǒng)）有效利用或由單元（系統(tǒng)）輸出可為有效利用的能。對于動力裝置即為輸出的機械能，對于工藝裝置為達(dá)到工藝要求的產(chǎn)品離開體系所具有的能，以符號Eef表示；

（5）能損：體系損失的能量。

2.2 工藝單元（設(shè)備）評價分析模型

對于工藝單元或用能設(shè)備，其評價分析模型如圖1所示。

4 基于虛擬能理論用能分析應(yīng)用實例

根據(jù)本文提出的虛擬能用能評價分析模型及虛擬能計算方法，對污水處理廠（系統(tǒng)）進(jìn)行實際應(yīng)用分析。

利用前述理論和方法，以遼寧喀左污水處理廠數(shù)據(jù)為例，計算輸出端污水處理的虛擬能?？ψ笪鬯幚韽S采用的是A/O工藝，主要處理生活污水及部分工業(yè)廢水，日處理量為1.5×104 m3·d-1。污水處理過程包括三個部分：預(yù)處理、生化處理和污泥處理。污水進(jìn)入處理廠首先是預(yù)處理，去除泥沙和雜物，并對污水進(jìn)行提升；隨后依次進(jìn)入曝氣池、二次沉淀池和消毒池等，這是生化處理部分，主要去除污水中的有機物和氨氮；最后處理剩余污泥，將其脫水外運。結(jié)合污水廠的運行參數(shù)，對各單元進(jìn)行虛擬能計算[23]。

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