节能产业的科学技术与市场开拓

节能产业的科学技术与市场开拓

近日，我国部分地区持续的雾霾天气更突显了节能环保的重要性和紧迫性。本报记者林瑞泉/摄

“节能优先”是我国能源政策的基本要点，胡锦涛主席最近在党的十八次代表大会上指出：“推动能源生产和消费革命，控制能源消费总量，加强节能降耗，支持节能低碳产业和新能源、可再生能源发展，确保国家能源安全。”再一次明确和强调了“节能优先”这一基本能源政策的战略意义。

为了更好地贯彻“节能优先”的能源政策，我们需要对这一政策要点的理论依据进行探讨，对其战略意义进行技术诠释，并在此基础上对节能产业的市场特点和发展前景进行务实的分析，以进一步发挥在技术引领、创新推动指导原则下开发共性技术和通用设备，推动我国节能减排这一战略性新兴产业得到迅速的发展，为我国“调整经济结构促进持续发展”做出应有的贡献。

热功转换与能源利用效率

能源利用的主要需求首先是满足电力的生产和交通运输设备的动力，全世界电力生产的主要部分依靠的是煤炭、天然气、石油、核能和可再生能源，其中所有的这些化石能源都是通过燃烧获得热能，然后通过热功转换系统获得电力；核能的利用也是将原子能转换成高温热能，再通过热功转换系统获得电力；部分新能源和可再生能源如太阳能热发电、地热发电、沼气发电以及垃圾焚烧发电等也都是首先获得热能，再利用热功转换系统获得电力；至于交通运输的能源消耗，基本上都靠石油和天然气。汽车、飞机、轮船等各种运输设备几乎都是利用热能转换的动力设备来提供能源和动力，比如内燃机、燃气轮机和蒸汽轮机等。除了对于动力和电力的需求之外，人类对能源的需求还需要热能和冷能的供应，而主流的热泵与制冷技术其本质都是逆向的热功转换过程，通过热功转换系统实现热能和冷能的供应。因此，不论是电力生产还是交通运输或是对热能和冷能的供应，热功转换都是关键的技术问题。

热力循环和热功转换遵循热力学第一和第二定律，其效率受卡诺循环定理的制约，卡诺循环效率的数学表达式可以描述为：卡诺效率η=〖1-T〗_L（低温热源温度）/T_H（高温热源温度）。可以看到，只有获得更高的高温热源温度和更低的低温热源温度才可以提高热功转换即卡诺循环效率。但由于工作温度的限制，卡诺循环的效率也不可能无限制提高。在现有的技术水平，一般的热功转换设备的效率（如内燃机、蒸汽透平等）通常只有30%—40%，大部分的热能实际上都白白浪费掉了。综上所述，通过提高工作温度和提高热功转换系统的热力学完善度来显著提高热功转换系统的效率，具有很大的节能空间和潜力，是节能减排的主要方面，具有重大的战略意义和经济效益。这就是我们对节能优先初步的理论诠释，由此出发，我们可以针对节能优先的理论依据进行更为深入的研究和探讨。

节能产业市场特点和开发

第一，节能产业具有极其广阔的市场前景。

根据国际能源署发布的《WorldEnergyOutlook2010》和《EnergyTechnologyPerspectiveScenarios&Strategiesto2050》，2010年至2030年全球能源分类的投资需求中，节能的总投资额为75850亿美元，可再生能源总投资额为31920亿美元，核能总投资额为6160亿美元，CCS（碳捕获和储存）总投资额为7020亿美元。也就是说，在未来20年，节能的投资额，是可再生能源的2.4倍，是核能的12.3倍，是CCS的10.8倍。在对全球减排的贡献上，通过能源转化效率和能源终端利用效率的提高对全球减排的贡献率达到了50%以上。我国的能源效率相比发达国家约低10%。未来10年，我国节能空间高达33%—50%，年经济价值约万亿。因此，节能产业无论在投资额还是减排贡献上都具有极其广阔的市场前景。

第二，节能产业得到国家政策的大力支持。

节能产业能够并已经获得政府巨大的政策支持，《中华人民共和国节约能源法》规定：“节约资源是我国的基本国策。国家实施节约与开发并举、把节约放在首位的能源发展战略”；《国家“十一五”能源发展纲要》明确指出：“节约优先、效率为本是我们能源政策的首要任务”；在《国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》中节能环保产业被列为七大战略性新兴产业之首；在《“十二五”节能环保产业发展规划》中指出，到2015年，高效节能技术与装备市场占有率由目前不足5%提高到30%左右，产值达到5000亿元。在《节能减排“十二五”规划》中指出：“十二五”时期产业化推广30项以上重大节能技术，培育一批拥有自主知识产权和自主品牌、具有核心竞争力、世界领先的节能产品制造企业，形成1500万吨标准煤的节能能力；“十二五”时期实施节能重点工程需投资约9820亿元，可形成节能能力3亿吨标准煤。

第三，节能产业亟待科技发展的引领和科技创新的产业驱动。

在热功转换过程中，首当其冲的是高品位热能的产生。目前，化石燃料的燃烧是热能的主要来源，燃烧学便是研究这一过程的专门学科。核裂变、地热能、聚光太阳能以及生物质的燃烧也为热功转换提供了热能。至于热能转换为机械功，更涉及了热力循环分析与设计、工质的选择和开发、传热传质、相变和多相流、压缩和膨胀，流动和滞止等诸多工程热物理问题，并且还与机械工程、自动控制等学科紧密交叉。我国已故著名能源科学家吴仲华在生前提出了“温度对口，梯级利用”的基本原则。为了大幅度提高热功转换效率，我们在理论、方法和技术上都需要有新的突破。为了发展节能产业，需要我们政府、企业、科研院所投入更多的力量实现节能产业的“技术引领，创新驱动”。

技术支撑和创新驱动

节能产业涉及的节能技术非常广泛，先进节能技术的发展与产业化得到了不断创新，我们可以列举如下7种先进节能技术的应用：（1）热泵技术；（2）先进冷—热—电联供系统；（3）余热余压发电技术；（4）汽车节能技术；（5）可再生能源发电技术；（6）分布式能源技术；（7）微型能源系统。

上述七种先进节能技术无论是动力循环还是制冷循环，热功转换系统都包括膨胀机/压缩机、换热器（蒸发器、冷凝器）、泵，锅炉、内燃机等通用设备，热功转换涉及的共性节能技术包括高性能膨胀机、压缩机与泵的技术、强化传热技术、高效燃烧技术、热力循环与系统优化技术、低品位能源高效热功转换技术等。

要提高热功转换系统的热力学完善度，其关键是尽可能采用联合循环实现能源梯级利用，同时需要提高热功转换关键部件压缩机和膨胀机的热效率。压缩机和膨胀机是中小功率热功转换系统的核心关键部件，被称为热功转换系统的“主机”。因此发展高性能中小功率压缩机和膨胀机对于提高中小功率热功转换系统的热力学完善度具有关键的意义。在上述领域，我们与西方国家处于相近的发展水平，科技创新是产业发展的核心问题。我们有信心加强产学研合作，加速产业化进程，为我国节能产业的发展做出更大贡献。

（作者系北京工业大学传热强化与过程节能教育部重点实验室主任、教授、博士生导师）