第四節(jié) 熱經(jīng)濟(jì)學(xué)分析法

一、熱經(jīng)濟(jì)學(xué)的產(chǎn)生

?分析法在能量有效利用和節(jié)能分析工作中發(fā)揮著很大的作用，它可以對(duì)系統(tǒng)能量和能質(zhì)利用進(jìn)行科學(xué)評(píng)價(jià)，給出技術(shù)上的最優(yōu)方案，提供技術(shù)決策的科學(xué)依據(jù)。但是從工程經(jīng)濟(jì)學(xué)的角度來(lái)考慮，對(duì)于一個(gè)工程系統(tǒng)，其技術(shù)方案的最終決策，不但要求技術(shù)上優(yōu)越，還必須要求經(jīng)濟(jì)上合理。然而，在用?分析法對(duì)能量系統(tǒng)進(jìn)行分析評(píng)價(jià)時(shí)，時(shí)常會(huì)遇到的“節(jié)能不省錢”的問題。例如，從?的角度去分析評(píng)價(jià)一個(gè)方案可能是合理的，但是在經(jīng)濟(jì)上卻未必一定是最佳的，甚至還可能是“費(fèi)錢”的，以致出現(xiàn)“得不償失”的情況。因此，僅從?的角度去分析問題，在經(jīng)濟(jì)合理性上具有局限性。另外，從實(shí)際使用與經(jīng)濟(jì)性的角度來(lái)考慮，不同形態(tài)能量所具有的單位?值并不等價(jià)。即使是同種能量形態(tài)的每單位?值，也并非等價(jià)。由于熱力學(xué)的勢(shì)參數(shù)燜是綜合運(yùn)用熱力學(xué)第一定律和第二定律而導(dǎo)出的，表示能量的可無(wú)限轉(zhuǎn)換部分，具有在使用中消耗的商品屬性，因此?適合于與貨幣成本相聯(lián)系。因此，為了考慮實(shí)際過程中?的不等價(jià)性和經(jīng)濟(jì)因素，一種可行的方法便是對(duì)“傭”賦以“價(jià)值”，即考慮不同部位和不同形態(tài)的?的價(jià)值是不同的，因而在?的基礎(chǔ)上，把不等價(jià)性和經(jīng)濟(jì)因素反映在?的“單位”上，這就是所謂的“?的價(jià)值化”。于是，20世紀(jì)60年代，一種將?分析法與經(jīng)濟(jì)因素相結(jié)合的交叉學(xué)科即熱經(jīng)濟(jì)學(xué)或稱?經(jīng)濟(jì)學(xué)便應(yīng)運(yùn)而生了。

二、熱經(jīng)濟(jì)學(xué)分析法概述

熱經(jīng)濟(jì)學(xué)是基于熱力學(xué)和經(jīng)濟(jì)學(xué)的交叉而產(chǎn)生的新興學(xué)科，主要研究建立在熱力學(xué)分析基礎(chǔ)之上的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)。?經(jīng)濟(jì)學(xué)在熱力學(xué)量度與經(jīng)濟(jì)學(xué)量度之間找到一個(gè)適當(dāng)?shù)钠胶?，借以全面而正確地反映用能系統(tǒng)載能價(jià)值流的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，以期得到產(chǎn)品的單位成本最小、經(jīng)濟(jì)效益最佳的最優(yōu)結(jié)果。熱經(jīng)濟(jì)學(xué)分析法有兩種基本思路：

(1)把要分析的系統(tǒng)放到兩個(gè)環(huán)境中進(jìn)行考察：一個(gè)是物理環(huán)境，描述該環(huán)境的參量為熱力學(xué)的物理量，如溫度、壓力和化學(xué)勢(shì)等;另一個(gè)環(huán)境是經(jīng)濟(jì)環(huán)境，描述這個(gè)環(huán)境的參量是一系列的經(jīng)濟(jì)信息，如價(jià)格、成本和利潤(rùn)等。物理環(huán)境是自然環(huán)境，受能量守恒等一系列自然定律的約束;經(jīng)濟(jì)環(huán)境雖不受這些自然定律的約束，但要遵循一切經(jīng)濟(jì)規(guī)律而不能違反。

(2)把系統(tǒng)中(包括系統(tǒng)與環(huán)境之間)相互作用的物質(zhì)、能量、信息、設(shè)備、現(xiàn)金及人員都看成“流”，這些流從系統(tǒng)或環(huán)境的某一部分流人或流出，在流動(dòng)過程中嚴(yán)格遵守物理環(huán)境和經(jīng)濟(jì)環(huán)境的有關(guān)規(guī)律，可以用一系列數(shù)學(xué)方程來(lái)描述這些規(guī)律。這些數(shù)學(xué)方程通常包括質(zhì)量平衡方程、能量平衡方程、?平衡方程以及經(jīng)濟(jì)平衡方程，經(jīng)濟(jì)平衡方程也可稱為成本平街方程。在熱經(jīng)濟(jì)學(xué)中，成本平衡方程的建立是重點(diǎn)。

熱經(jīng)濟(jì)學(xué)分析法是熱力系統(tǒng)分析的強(qiáng)有力工具，特別適用于復(fù)雜工程(能量)系統(tǒng)的綜合優(yōu)化、節(jié)能分析、改造設(shè)計(jì)、系統(tǒng)運(yùn)行性能評(píng)估與故障診斷、熱力系統(tǒng)成本計(jì)算等技術(shù)問題。采用熱經(jīng)濟(jì)學(xué)分析法，可以詳細(xì)描述整個(gè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)品成本的形成過程，并進(jìn)行合理的成本評(píng)估，同時(shí)也便于把生產(chǎn)過程的燃料消耗成本和設(shè)備的投資、折舊、運(yùn)行、維護(hù)、檢修和管理成本相聯(lián)系，按能量成本和非能量成本進(jìn)行統(tǒng)一核算。

三、熱經(jīng)濟(jì)學(xué)分析法的主要模式

1.“孤立化”模式

“孤立化”模式是由M.Tirbsu創(chuàng)立的，其基本思想是將熱力系統(tǒng)劃分為若干子系統(tǒng)，并使各子系統(tǒng)孤立化，通過對(duì)子系統(tǒng)逐個(gè)尋優(yōu)，以局部?jī)?yōu)化代替總體進(jìn)行優(yōu)化，而達(dá)到全局最優(yōu)的目的。孤立化模式應(yīng)用的前提條件是各子系統(tǒng)在熱經(jīng)濟(jì)上孤立化、互不影響，否則就會(huì)違背“系統(tǒng)的各個(gè)局部都為最優(yōu)就意味著系統(tǒng)全局最優(yōu)”的原則。因此，后人就將此第一次出現(xiàn)的熱經(jīng)濟(jì)學(xué)命名為孤立化模式的熱經(jīng)濟(jì)學(xué)。事實(shí)上，熱力系統(tǒng)各子系統(tǒng)之間在熱經(jīng)濟(jì)上孤立化條件很難滿足，因此這種熱經(jīng)濟(jì)學(xué)模式現(xiàn)在已經(jīng)很少使用，除非在理論上有重大的突破，否則難以繼續(xù)發(fā)展下去。

2.代數(shù)模式

代數(shù)模式是熱經(jīng)濟(jì)學(xué)分析法中比較經(jīng)典的一種模式，它主要采用會(huì)計(jì)統(tǒng)計(jì)的方法進(jìn)行熱經(jīng)濟(jì)學(xué)分析，因此也稱為會(huì)計(jì)模式。代數(shù)模式中采用的會(huì)計(jì)法，即熱經(jīng)濟(jì)學(xué)會(huì)計(jì)法與一般財(cái)務(wù)會(huì)計(jì)法基本相同，只是它所統(tǒng)計(jì)的內(nèi)容不是現(xiàn)金，而是能量系統(tǒng)中的物質(zhì)流、?流和現(xiàn)金流。在運(yùn)用熱經(jīng)濟(jì)學(xué)會(huì)計(jì)法時(shí)，一般要進(jìn)行兩個(gè)方面的統(tǒng)計(jì)和計(jì)算，一方面是熱力學(xué)的統(tǒng)計(jì)和計(jì)算，如系統(tǒng)中的各股物流與?流的分布以及這些能流的焓值和?值;另一方面是經(jīng)濟(jì)學(xué)的統(tǒng)計(jì)和計(jì)算。在進(jìn)行計(jì)算時(shí)，主要是建立能量平衡方程、物質(zhì)平衡方程、?平衡方程、成本平衡方程來(lái)求解，以獲得相應(yīng)的結(jié)果。例如，在進(jìn)行熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)和計(jì)算時(shí)，可列出系統(tǒng)的能量平衡方程和物質(zhì)平衡方程，通過計(jì)算求取系統(tǒng)中各子系統(tǒng)的能量費(fèi)用和非能量費(fèi)用，以及各股?流的?單位價(jià)格。

各平衡方程的表達(dá)式可表示如下：

當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)，△M和△E均為零。以上的描述中M代表物流，W代表現(xiàn)金流，Q代表熱量交換的數(shù)量.H代表能量流的焓值。下標(biāo)out和in分別表示流出和流人各個(gè)子系統(tǒng)的流。

如上所述，代數(shù)模式主要運(yùn)用會(huì)計(jì)統(tǒng)計(jì)的方法給出在系統(tǒng)各部位上?流及經(jīng)濟(jì)流的分布，以發(fā)現(xiàn)哪些地方的改進(jìn)潛力最大，但它也有局限性，那就是它不能從系統(tǒng)整體分析的角度給出系統(tǒng)的某一局部改進(jìn)或某一參數(shù)改變對(duì)全系統(tǒng)帶來(lái)的影響。而一種稱為“優(yōu)化模式”的熱經(jīng)濟(jì)學(xué)分析法恰好能彌補(bǔ)代數(shù)模式的這些不足。作為最早出現(xiàn)在熱經(jīng)濟(jì)學(xué)分析法里的兩種模式，代數(shù)模式和優(yōu)化模式的使用在熱經(jīng)濟(jì)學(xué)分析中并不是相互排斥的，而是相輔相成的。因此，在進(jìn)行復(fù)雜方案的分析及比較時(shí)，常常把代數(shù)模式和優(yōu)化模式結(jié)合起來(lái)一起使用，即先用會(huì)計(jì)統(tǒng)計(jì)法把大量的可行性方案進(jìn)行篩選，找出其中的缺陷以及需要改進(jìn)的方向，然后再進(jìn)行熱經(jīng)濟(jì)學(xué)優(yōu)化，以期得到最佳方案。

3.結(jié)構(gòu)系數(shù)模式

熱經(jīng)濟(jì)分析法的結(jié)構(gòu)系數(shù)模式主要是在選定的運(yùn)行參數(shù)下，找出局部不可逆損失與系統(tǒng)整體不可逆損失、局部?流與系統(tǒng)?輸入之間的關(guān)系。該模式能夠如實(shí)描述一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部各組元在熱力學(xué)上甚至經(jīng)濟(jì)學(xué)上的內(nèi)在聯(lián)系，因此可用于研究一些實(shí)際過程。通?？梢杂媒Y(jié)構(gòu)鍵系數(shù)(CofficientofStructuralBonds，CSB)來(lái)描述系統(tǒng)局部不可逆損失與系統(tǒng)整體不可逆損失之間的關(guān)系，而用外部鍵系數(shù)(CofficientofExteriorBonds，CEB)來(lái)描述系統(tǒng)局部?流與系統(tǒng)?輸入之間的關(guān)系。CSB和CEB的表達(dá)式分別表示如下

式(3-35)所表示的含義是：對(duì)于某一系統(tǒng)，當(dāng)改變系統(tǒng)中某一參數(shù)Xi來(lái)優(yōu)化組成該系統(tǒng)的一個(gè)子系統(tǒng)時(shí)，該子系統(tǒng)的?損失It將發(fā)生變化，同時(shí)該變化必將引起系統(tǒng)的總?損失Ik也隨之發(fā)生變化。

值得指出的是，在研究系統(tǒng)的能量結(jié)構(gòu)及其組元的熱經(jīng)濟(jì)學(xué)優(yōu)化中，結(jié)構(gòu)鍵系數(shù)是非常有用的。通過分析結(jié)構(gòu)鍵系數(shù)可能變化的范圍，就可知道此時(shí)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變化狀況，從而尋找優(yōu)化的最好方式。

總的來(lái)說(shuō)，熱經(jīng)濟(jì)學(xué)分析法的結(jié)構(gòu)系數(shù)模式實(shí)際上是把系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化的問題轉(zhuǎn)化為求解結(jié)構(gòu)鍵系數(shù)和外部鍵系數(shù)的問題，通過分析這兩個(gè)系數(shù)，可以得到系統(tǒng)各組元的具體表達(dá)式，從而了解各組元或各子系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)的影響。但是求解這兩個(gè)系數(shù)是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，并且對(duì)于一個(gè)復(fù)雜的熱力系統(tǒng)，如果要確定系統(tǒng)中每個(gè)參數(shù)的具體表達(dá)式，有時(shí)也是不切實(shí)際的。因此在系統(tǒng)分析中應(yīng)該根據(jù)具體情況來(lái)定。

4.矩陣模式

熱經(jīng)濟(jì)學(xué)分析法的矩陣模式，也稱為符號(hào)模式，是在?成本理論的基礎(chǔ)上建立起來(lái)的，即使用符號(hào)或矩陣計(jì)算技術(shù)來(lái)建立更為通用的熱經(jīng)濟(jì)學(xué)模型，以便分析系統(tǒng)中各組件的局部消耗對(duì)系統(tǒng)外部資源消耗的影響。熱經(jīng)濟(jì)學(xué)分析法的矩陣模式能夠解決很多傳統(tǒng)方法無(wú)法解決的問題。例如，基于多種(物理、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境等)標(biāo)準(zhǔn)的多產(chǎn)品成本分?jǐn)偂⒍嗄繕?biāo)的全局和局部?jī)?yōu)化、辨識(shí)復(fù)雜能量系統(tǒng)內(nèi)部各組件能量降的原因及其相互影響、各種可行設(shè)計(jì)方案之間的評(píng)價(jià)和優(yōu)選、能源審計(jì)等。