节约能源的意义和技术

概 述

　　“节约能源，保护资源”是我国新时期实现可持续发展的伟大战略的保证和手段，改革开放以来，我国的国民经济保持在8%的高增率上迅猛增长，已至于能源的供给成为了经济增长的瓶颈，节能已成为国家发展经济的一项长远战略方针，各行各业越来越认识到节能的重大意义。 

　　节约能源顾名思义就是节约能源消费。从能源生产开始，一直到最终消费为止，在其各个环节，如开采、运输、加工、转换、使用上减少损失和浪费。从经济上讲就是通过合理利用、科学管理、技术进步达到以最小的能耗取得最大经济效益的目的。世界能源大会节能委员会的调查研究表明，发展中国家能源利用率仅为20%～30%，工业发达国家也只有40%～50%，可见全球节能的潜力很大。如果世界各国的能耗通过各种技术手段节约10%，那么节省下来的能源将超过世界上全部水电站所能提供的电力总和。国际能源界有关部门甚至将节能称为第五大能源，与煤、石油及天然气、水电、核电四大能源并列，足见节能的意义重大。 

　　我国的能源资源虽然丰富，但人均拥有量较低，且年消耗量大，浪费严重。我国对节能非常重视，于1997年第八届全国人大常委会第28次会议通过，1998年1月1日起正式施行《中华人民共和国节约能源法》。该法的内容涉及节能管理、能源的合理利用、促进节能技术进步、法律责任等。 

　　节能技术一般包括以下三个方面：一是提高现有的能源的利用率；二是选用新材料以达到节能的目的；三是研究储能技术，将暂时用不完的能源储存起来。 

　　一、 我国能源需求预测

　　2001年全国能源费用支出达1.25亿人民币，占GDP的13%,如果按照目前的趋势发展，到2020年，一次能源需求将达到3.5Gtce,其中煤炭需求高达2.9Gtce、石油610Mtce。如此巨大的需求，在煤炭供应、石油安全和环境等方面都会带来极其严重的问题，我们的能源基础能否能够支撑？ 

　　国务院发展研究中心副主任陈清泰提出，应将节能放在能源战略的首要地位，也就是说，为了满足能源需求的增长节能要比增加能源供应更优先考虑，为了确立节能的重要战略地位，建议将节约资源提升到基本国策的高度，将“控制人口、节约资源、保护环境”共同作为新时期中国的基本国策。 

　　二、 我国能源利用率与先进国家的差距 

　　近年我国“坚持资源开发与节约并举，把节约放在首位”的方针，节能工作取得了显著效果。但当前我国不少企业尚未从根本上摆脱粗放经营方式，面临的突出问题是经济增长的质量和效益不高，其主要原因在于结构不合理，产品质量差，能源、原材料消耗大，浪费大，在能源利用上，具体反映在：

　　一、是产品能耗高，我国主要用能产品的单位产品能耗比发达国家高30～80%，平均高40%左右。近期技术措施节能潜力为120Mtce。

　　二、是产值能耗高，我国的经济能源强度（产值能耗）是世界最高的国家之一，约为韩国的3.7倍，美国的7.4倍，日本的12.8倍，世界平均值的4.3倍（这里有经济结构、汇率等不可比因素），近期产值能耗节能潜力达300～400Mtce，与先进国家相比，我们差距甚大，从而说明我国还有较大的节能潜力，以我省为例，如果全年资源消耗节约1%，每年至少可以获得70多亿元的经济效益。 

　　三、节能技术综述 

　　1、提高能源的利用率 

　　所为能源的利用率，通俗地说，主要是能源利用的效率，也即能源所含能量中被人们利用的部分跟能源所含总能量的比值。这个比值越大，说明能源所含的总能量中被人们利用的部分就越多，能源的利用率就越高。 

　　目前，由于种种原因，人们利用常规能源的效率很低。仅以火力发电为例，其效率仅为30%～40%。例如，煤炭完全燃烧产生了100J热量，其中只有30～40J的热量转化为电能，而其余60～70J的热量通过各种途径在能量转化的过程中损失掉了。如果能大幅度提高常规能源的利用率，就能有效地减少常规能源的消耗，从而达到节能的目的。 

　　（1）热电联供 

　　大家知道。火力发电是由燃烧燃料产生的热能使水转化为高温、高压的水蒸气，再由高温、高压的水蒸气冲击汽轮发电机发电。通过汽轮机的水蒸气仍有很高的温度，如果不加以回收利用，水蒸气中相当大的一部分热能将被白白浪费掉，若直接排入江河，还会产生热污染。因此世界各国都在研究这种技术。方法是将发电机、热交换器紧密结合在一起，使整个系统在发电的同时又能向外界供热，使回收后的热水可以循环使用。这种方法使余热和废热得到了充分利用，可以大量节约燃料，使能源的利用率提高15%~30%。 

　　（2）循环硫化床技术 

　　在今后相当长的一段时间内，煤炭仍是人类生存的主要能源。所以，提高煤炭的利用率，在节能技术中占有重要地位，也是各国要长期研究的重大课题。 

　　在我国，煤炭主要用于火力发电、工业锅炉和民用燃料。由于燃烧设备落后，导致燃烧率低，同时产生大量的有害气体和粉尘，污染环境。因此，研究燃煤技术是提高煤炭利用率的重要内容。 

　　如果能把煤炭的利用率提高10%，则一年就能节煤10 t左右，由此可见其节煤效果非常显著。循环硫化床技术是新一代较成熟的燃煤技术，它是将煤和吸附脱硫剂加入燃烧室的床层中，然后从锅炉底部向燃烧室内吹入压缩空气，使煤粉散布在整个燃烧室内进行硫化燃烧。燃烧后的煤渣和煤粉混合，再返回燃烧室进行辅助燃烧，结果可燃烧效率高达99%以上。因此，这种技术具有高效、洁净、可烧劣质煤等优点，目前400t/h循环硫化床锅炉已投入使用，某发达国家正在兴建800t/h的循环硫化床锅炉与2.35×10 kW发电机组配套的电厂。 

　　（3）节油技术 

　　将石油和水按2:1的比例混合起来，再用频率为2×10 Hz以上的超声波将水和油均匀混合成乳状液，这时，乳状液中的小水珠被油分子包围，使油的表面积增大了数百万倍，从而大大提高了燃烧速度。而燃烧时，被油分子包围的小水珠受热发生爆裂，将它表面的油层打碎，使油的表面积进一步扩大，从而大大增加了石油燃烧的利用率。不仅如此，用这种混合燃料产生的能量比单用石油还大，而且几乎不产生油烟和灰烬，真可谓是一举两得。另一种节油技术是在汽油中掺入4%的氢气，用作汽车发动机燃料，可节约汽油达40%。最近甚至有人发现，将煤油、汽油、柴油等燃料经过磁化处理后，改变了这些燃料的燃点、黏度等物理性质，削弱了油分子之间的引力，使油易于形成雾状，从而使油能够完全燃烧。用磁化油可节省燃料近20%，节能效果也相当可观。 

　　（4）电子节能 

　　在中大型用电设备上使用电力电子技术，也可以得到显著的节能效果。所谓电力电子技术是一种以电力半导体器件为核心，加上电力交流技术、控制技术、电子技术和计算机技术的综合性高新技术，它已发展成为机电一体化技术的重要基础。 

　　目前第二代电力半导体器件的耐压可高达4500v以上，而允许通过的电流也大到2500A以上，因此完全可以胜任工矿企业、民用电力等各种场合的自动控制。采用电力电子技术控制电动机，可节约电能30%～50%。例如，一台20t的工业锅炉的引风机，采用电力技术改造后，每年可节电2.5×10 kW·h；北京国棉二厂采用了电力电子技术后节电达52.35%。 

　　另一种节约电能的有效方法是变频技术。变频的方法有二种，一种是机械变频，另一种是电子变频。变频的目的是为了改变交流电的变化频率，使用电设备在最经济的状态下运行，从而达到节约电能的目的。 

　　机械变频可通过两台（三相）感应电动机来实现。其中一台电动机的定子线圈接在三相交流电源上，这时，在这台电动机的转子线圈周围就产生了一个旋转磁场，旋转磁场的转动频率等于所加交流电的频率。由于电动机的转子也是由导线绕制而成的，因此当定子线圈产生旋转磁场后，在转子线圈中就产生了感应电流，感应电流受到旋转磁场磁力矩的作用，迫使转子线圈与旋转磁场同方向转动。如果把这台电动机稍加改造，用两个滑环把转子线圈中产生的感应电流引出来，并用另一台电动机来驱动这台电动机的转子，实践表明，引出的感应电流的变化频率，将随转子转速的变化而变化，且转子与旋转磁场同方向转动时，感应电流的变化频率变小，二者反方向转动时，感应电流的变化频率变大。如果把改变频率以后的交流电加到其它电动机上，就可以调节其他电动机的转速，这种技术叫做变频调速。 

　　电子变频类似于信号发生器，其原理是利用L-C电路产生振荡电流，从而达到改变交流电频率的目的。例如，一幢大楼的自动供水设备，如果不采用变频调速技术，那么只要有人用水，供水设备就处于满载工作状态，但采用了变频调速技术后，供水设备将会根据单位时间内用水量的大小调整电机转速，用水量小时电机转得慢，用水量大时电机转得快，从而达到了节能的目的。 

　　目前国内市场上出现的变频空调、变频冰箱等产品，是根据温度的高低来控制压缩机转速的，因此这些产品都属于节能产品。 

　　2、材料节能 

　　凡是能够节约能源的材料都叫节能材料。以选择材料来达到节能目的的方法叫材料节能。到目前为止，已发现的节能材料多达几千种。下面介绍其中的几种以及应用这些材料后的节能效果。 

　　（1）非晶态铁基合金 

　　非晶态铁基合金是一种以铁为主要原料的非晶态金属。通常情况下，所有的金属都是晶体，而晶体中的分子排列是有一定规律的，正是由于金属的这种微观结构，才使得金属具有良好的导电性能，但有时人们并不需要这种导电性。比如用于制作变压器铁心材料的硅钢片，是在铁中均匀掺入少量的硅制成的，掺入硅的目的是提高铁心的导磁能力，同时降低铁心的导电能力，而为了进一步降低铁心的导电能力，人们把硅钢制成片状，然后用许多块硅钢片叠合成一个铁心，而片与片之间用绝缘胶黏合起来，即便如此，变压器在工作中时，铁心中通过的交变磁场也会在每一片硅钢片中由于电磁感应现象而引起感应电流，这一部分感应电流由于人们无法利用它而被白白地浪费掉了，这就是我们通常所说的涡流损失。 

　　为了进一步减小涡流损失，人们研制出了非晶态铁基材料，这种材料是把熔化状态的金属液体以极快的速度冷却（10～10 ℃/s）后得到的。由于冷却速度太快，金属中的原子还来不及排列成有序结构，金属液体即已凝固，因此液态下原子的无序排列被保留了下来，形成了象玻璃一样的非晶态金属。这种非晶态金属的导磁能力很强而导电能力很弱，用它作变压器铁心时，涡流损失只有普通硅钢片铁心的25%，因此大大节约了电能。不仅如此，同样性能的两种变压器比较，非晶铁心变压器的质量比普通变压器小得多，体积小，而且工作时的温升也不高。例如，一台容量为3×10 VA的变压器当通过交流电频率为400Hz时，应用非晶态铁心比普通变压器体积减小17%，重量减小46%，励磁电流减小85%，温升降低50%~60%，综合效率高达98.5%以上。 

　　目前，美国和日本都在研究非晶态铁基材料。据统计，日本各地使用的变压器每年产生的涡流损失高达3.6×10 kW·h，如果换用非晶态铁心变压器，就可以使涡流损失降低到1.8×10 kW·h，而节省下来的电能完全可以满足一个拥有100万户家庭的城市使用。 

　　（2）铝合金 

　　铝合金用于汽车制造业，其主要目的是为了减轻汽车的自重，从而提高汽车的有效载荷。大家知道，汽车工业离不开钢铁，汽车的自重中有80%以上被钢铁占去。如果用铝合金代替部分钢铁，则可大大减小汽车的自重，从而降低汽车的无功能耗，达到节能的目的。曾有人做过一项实验，如果一辆小汽车使用50kg铝材，就可使汽车的自重减小116kg，从而使每千米油耗降低6g左右，以一年行驶1万千米计算，年耗油量将减少60kg左右。如果所有的汽车都不同程度地采用铝合金作零部件，那节油的效果将非常大。德国的一家汽车公司制造的波尔舍小汽车，每辆车使用铝材已高达236kg，不仅减小了汽车的自重，降低了能耗，而且提高了汽车的性能。如再在铝中掺入镁、铜等金属，可使铝合金的抗撞击性能与钢铁相近，目前已经成为制作汽车保险杠的首选材料。 

　　（3）无灯丝长寿命节能灯 

　　当把这种灯联接到交流电源上时，振荡器、放大器便产生一种高频电磁振荡，这种高频电磁振荡被设在灯泡内的特殊的发射天线发出后，可在灯泡内部形成高频无线电波，这种无线电波可以使充在灯泡内的水银蒸气发生电离而形成等离子体。大量处于高能级的水银原子发生辐射跃迁时会释放出大量的紫外线，紫外线被涂在灯泡内壁上的荧光物质吸收后，便可发出可见光。这种灯泡里没有灯丝，因此就没有电热元件损耗，从而提高了发光效率。不仅如此，由于省略了钨丝做灯丝，因此大大延长了灯泡的使用寿命。一只普通白炽灯正常寿命约1000h，一只日光灯管的正常寿命约7000～10000h，而这种节能灯的使用寿命长达14年之久，这种灯的发光效率是普通话白炽灯的4倍，费用仅为同亮度白炽灯的1/3左右。有人说它是灯泡发展史上的一项重要突破，或许能在不久的将来成为人类照明的主要工具。 

　　3、储能技术 

　　如果一座城市在用电高峰时的电力消耗量是用电低谷时的2倍，那么给这座城市供电的发电厂的总装机容量，必须按高峰用电量进行设计，而到了用电低谷时（比如深夜），发电厂几乎一半的装机容量被浪费了，这不仅浪费了大量的能源，而且也对电网的安全产生不利的影响。为了解决这一问题，人们自然想到要把用不完的电能储存起来。 

　　但是，电能属于过程性能源，不用就会白白浪费掉，就像水能一样，不便于直接储存。因此就必须把电能转化为其它便于储存的能量。人们把这种技术叫做调峰填谷储能技术，即在用电低谷时把多余的电能储存起来，在用电高峰时再把储存的能量转化为电能以弥补电力不足。 

　　（1）冰蓄冷技术 

　　大家知道，热是能的一种表现形式，从某种意义上说，冷也是能的一种表现形式。冰蓄冷，顾名思义就是用冰将冷储存起来，在需要的时候将冷释放出来，让冰吸收周围物体的热量，以达到使物体降温的目的。日常生活、工农业生产、商业、旅游业等行业中都需要大量的冷能，尤其是在炎热的夏季，需要用冷的地方更多。通常人们都是采取用空调器、冰柜等电制冷的方法进行降温，而这样就为增加发电厂的负担，目前国内许多大型发电厂又都是火力发电厂，发出的电越多，消耗的化石燃料就越多，对环境的污染也就越大。为了避免上述情况发生，人们想到了在晚上用电低谷期，用发电厂多余的电力制冷，到了白天再用制得的冰对某些场所降温，从而达到不开空调或少开空调的目的。这样就能降低白天的用电量，大大节约了发电机组的的装机容量，起到了节能的作用。不仅如此，还减少了发电机组的装机容量，甚至少建发电厂，还可减少有害物质的排放量，这对环境质量的改善有益。 

　　20世纪70年代初期，发达国家开始研究冰蓄冷技术。80年代开始应用。今天，冰蓄冷技术作为一种电力调峰填谷手段，已经广泛应用在建筑物内部降温及工业用冷等方面。我国也在积极提倡并加紧研究冰蓄冷技术。 

　　（2）二氧化碳储能技术 

　　利用二氧化碳储能的方法是在用电低谷期间，将发电厂多余的电力用于驱动大型压缩式 

　　式制冷系统，使气态二氧化碳冷冻成固态二氧化碳，然后，再用固态二氧化碳把气态氨冷却为液态氨。等到用电高峰时，使液态氨吸热气化，并推动气轮发电机发电。这种系统的最大优点是占用空间小。例如，抽水蓄能电站，每储存1000kW·h的电能，就需要容积为140m的水库，而二气化碳储能系统储存等量的电能，只要28m的地上空间就足够了。除此之外，二气化碳储能系统还有施工期短，对环境影响小，厂址易于选择等优点。 

　　四、企业节能的措施

　　据报道发达国家的先进企业节电潜力为20%，我国一般约为40%，个别可达50%，可见节电潜力是非常巨大的，据一般估计，在总节电效益中，通过组织管理可以收到约占30%，通过改进工艺过程、加工方法以及实行一些基本不花钱的技术措施可以收到约占40%，通过改造或增加设备且耗费较大投资才可以收到的约占30%。很明显，应当优先采取组织管理措施和技术措施。 

　　工厂节电可分为管理节电、结构节电和技术节电三种方式。管理节电是通过改善和加强用电管理和考核工作，来挖掘潜力，减少浪费的节电方式；结构节电是通过调整产品结构来达到的节电方式；技术节电是通过设备更新、工艺改革、采取先进技术来达到的节是方式。 

　　五、大力推广节能技术进步

　　要大幅度提高节能水平，除优化结构、加强管理，我们认为大力推广技术进步、推广节能技术，更新和改造老旧设备，改造落后工艺，提高设备热效率等，是重要的途经。1973年到1985年期间19个主要工业国家所取得的重大节能成就主要源自技术进步，即高能耗生产过程及设备用低能耗技术，成功地使有关国家渡过了两次能源危机。对于近期全国节约用电工作会议重点推广的节电技术，我们应予高度重视，尽力采用。 

　　1、高效节能电灯 

　　近年来，我国推广的节电灯有：稀土荧光灯、金属卤化物灯、高压钠灯、镝灯双绞丝型白炽灯等。一支11W的稀土荧光灯的光通量相当于60W的白炽灯，是民用重点推广的电光源。道路、广场、厂区、车间等场所应推广使用镝灯、高压钠灯、金属卤化物灯。 

　　2、风机、泵类节电技术

　　我国目前拥有各类风机700万台，泵类3000万台，总功率约1.1亿KW，年耗电量约占全国总用电量的1/3。由于设计性能与制造质量差、配套不合理、运行维护水平低等原因，风机实际运行效率比先进国家低5~20%。估计每年多耗电200多亿KWh。 

　　3、电子节电技术

　　电子调压、调速技术可使电机设备与负载达到最佳配合，实现经济运行，降低电力消耗。微电子控制技术应用微处理器进行编程，对工艺参数、操作过程进行自动控制。 

　　4、蓄冷节电技术

　　它是将制冷转移到夜间低谷用电，把制得的冷量储存起来供白天用电高锋时使用，对节约空调制冷用电有十分重要的意义。蓄冷的空调系统在国外推广应用已10余年，我国90年代开始一批示范工程，节电效果和经济效益十分显著。 

　　5、余热回收发电技术

　　热电联产，余压发电，余热回收发电，我国已经推广多年，取得了很好的效果，还可回收铁合金，生铁等生产过程产生的可然气体，以及回收发电燃料。另外，热电冷联产，既发电，又供热，又制冷，可使热电联产的效益进一步提高。 

　　6、转移高峰电力

　　采用负荷管理技术、蓄冷、蓄热技术等避峰用电，以解决电网高峰用电过度紧张。

　　7、变压器节电技术 

　　全国每年变压器电能损失达300亿KWh，推广变压器经济运行是指在相同输送条件下，选择合理运行方式，改善运行技术条件。变压器技术改造是指对运行中的老式高损耗变压器采用新技术、新材料改造之达到低损耗的目的。低损耗非晶合金配电变压器是80年代初美国发展起来的一种新型节能变压器，可推广。

　　8、电动机节电技术

　　我国电机制造业比较落后，不仅本身性能指标与先进国家相比有明显差距，而且电动机容量级差大，专用电机少。因此，电动机与生产机械特性不匹配，“大马拉小车”现象普遍存在。开发专用节能型电动机具有很大节能潜力。 

　　9、电炉钢节电技术

　　目前我国机械行业电炉吨钢电耗比国外先进国家高出120~200KWh。节电措施有：将电弧钢炉短网改造成横臂，可使吨钢电耗降低5%；采用微机控制的可控硅交流双绕组电动机功率调整系统，可使吨钢电耗降低15～20KWh；采用增加装料量，富氧冶炼，光谱分析等技术措施，可使吨钢电耗下降50～100KWh，并可增加产量，缩短冶炼时间。

　　10、电加热节电技术

　　电加热主要用于金属热处理和低温烘烤。目前不少加热炉热工性能设计落后，保温绝热材料性能差，加热机理不尽合理，炉体表面散热量大，热效率低。热处理炉采用耐热的多晶莫来石纤维，空气保温夹层和耐用火纤维直接喷敷新技术进行改造，可节电40%；用于脱水、烘干、固化的低温电加热炉，推广使用高强红外加热技术，改造热工设计，选用性能好的保温材料等，一般可节电50%左右。 

　　六、结语

　　通过以上对节能的意义和技术的论述，充分地认识到节能是关系到全人类生存的大事，关系到可持续发展战略的实施，使每个公民和单位都要有节能意识，要做到时时要节能，事事要节能。 

　　我国政府已高度重视节能工作，不仅以法律形式规范公民的节能行为，同时大力推广使用节能产品和技术，我们学校是地方高校，是技术人才云集之地，专门成立了节能节电技术服务中心，可起到中间桥梁的作用，上可帮助政府宣传节能意识，下可对基层提供技术服务，培训广大的基层电力工作者，提高他们的节能业务水平，多快好省地提高本地区的节能能力。