火用分析

目前的资源综合利用分析与评价主要是基于统计数据的指标评价。

较早出现并具有影响力的评价指标有联合国可持续发展委员会建立的可持续发展指标，蔡邦成等基于生态环境和经济可持续发展理念建立了区域可持续发展评价指标。

但是，指标评价存在数据统计工作繁多、指标计算过程复杂、不能给出量化的评价结果等问题。

在能源利用效率研究中，一直困扰人们的也是如何将非同质的能源投入要素、不同产出进行加总和成本分摊等问题，火用概念的提出解决了这个问题。

火用指能量、物质系统在只有环境作用的条件下，经历可逆过程达到与周围环境状态平衡时能产生的最大可用功。

火用为正确评价不同形态的能量、不同状态的物质的价值提供了统一的标尺[1]。

火用分析是根据进出系统火用的不平衡发现不可逆火用损失，对系统物质、能量利用状况给出全面评价的分析方法。

火用分析不仅已被广泛应用于冶金、电力、水泥等高耗能生产过程和设备的能量系统的分析和评价,火用理论也成为了评价地球和国家资源环境状况的重要工具。

建设资源节约、环境友好两型社会要求的是节约原材料、能源、资金、劳动力以及环境资源等的广义节能。

广义节能必须要有新的科学有效的分析和评价方法对经济系统进行评价和监督。

将火用理论与微观经济学结合，形成了交叉学科—火用(热)经济学。

火用(热)经济学在生产系统的综合经济性分析方面得到了应用。

张超等在单位火用成本基础上，分析了电厂热力系统在设计工况以及变工况下火用成本的分布规律，并且定量研究了各种运行参数对设备火用成本的影响。

而运用火用(热)经济学对运行机组各设备的火用成本变化进行在线监督，已经是热力系统故障诊断的主要方法之一。

但是，火用经济学分析中总是存在热力学参数火用与经济学量货币资金的分别衡算问题，衡算方程多，计算过程复杂。

目前，火用经济学分析的应用研究主要集中在只有单一火用流输入的火电厂或者供热系统的火用成本分析、经济性优化和故障诊断等方面。

生产资料(土地、原材料和能源等)、资金和劳动力是生产系统的3 个要素资源，随着环境恶化，生产的环境成本越来越高，环境资源也成为了生产要素资源之一。

若能将这些类别截然不同的资源用统一的测度参数进行度量，就解决了同类型资源的加总和比较问题，从而可对资源综合利用状况进行量化分析[2]。

1.自然资源的泛火用计算泛火用反应的是物品的价值，只有当物质和能量等自然资源是商品时才有泛火用，当属于生产资料的自然资源不是商品时，它们虽然含有火用，但它们的泛火用为0。

自然资源可分为不可再生资源和可再生资源，许多可再生资源如太阳能、风能、水能等都不是商品资源，它们的泛火用为0。

物质、能量等自然资源的泛火用可用下式表示U ME=U NR=E NR式中：U ME 为投入到系统的物质和能量的泛火用,MJ；U NR 为不可再生资源的泛火用，MJ；E NR 为不可再生资源的火用，MJ。

式(1)表明：投入到系统的物质和能量等自然资源的泛火用等于其中不可再生的自然资源的泛火用，可再生资源的泛火用为0 MJ，而不可再生资源的泛火用等于其火用值。

1.1资金的泛火用计算货币是一般商品的特殊等价物，可以与任何商品进行交换。

当作为特殊商品的资金货币与一般商品进行交换时，认为它们具有等量的泛火用。

例如，用一定量的资金购买到一定量的某种商品时，可以认为这些资金的泛火用与购买到的商品的泛火用相同。

U C=u c C式中：U C 为一定量的资金的泛火用量，MJ；u C 为单位货币资金的泛火用，MJ/$;；C 为资金总量，$单位货币资金泛火用u C 是单位资金能够购买到的物质资源的火用。

不同类别的系统有不同的计算方法。

1.2工业系统资金泛火用量的计算对于一般工业系统的分析，资金泛火用计算遵循火用经济学的思想，资金泛火用或以购买系统所有物质和能量资源泛火用的资金成本为依据计算，或以系统所有输出产品的泛火用的资金量为依据计算，工业系统的单位资金泛火用为：u c=U i i式中：U i 为第i 种输入系统的自然资源或产品的泛火用量，MJ；C i 为购买第i 种资源付出或卖出第i 种产品获得的资金量，$1.3劳动的泛火用计算劳动的泛火用计算以劳动力的工资为基础，工资以货币和资金形式表现，劳动的泛火用为U L=u C C L式中：U L 为投入工业生产系统的劳动的泛火用，MJ；C L 为劳动力的工资总量，$。

1.4环境成本的泛火用及其计算环境成本的泛火用是指使用环境导致了环境污染和破坏，将环境恢复到正常状态所必须消耗的最小的物质和能量火用。

环境状态的恢复不是 1 个人、1 个企业甚至 1 个国家能够做到的，它需要全人类的努力。

而分摊到每个生产系统和消费系统的环境成本就是必须付出的排污税(费)、治污费、碳排放费等，这些费用都以资金量体现。

环境成本的泛火用可用下式计算U E=u C C EU E 为生产系统的环境成本泛火用，MJ；C E 为系统的环境成本费用，$。

2.泛火用分析方法的定义泛火用概念的提出解决了不同类型资源的加总和比较问题。

泛火用分析方法(UEA，即Universal exergyanalysis)就是以泛火用作为衡量物质、能量、资金、劳动及环境成本等一切商品要素资源价值的统一尺度，对系统进行泛火用衡算，揭示系统中所有资源被消耗和利用的机理，以获得资源综合利用状况的分析方法，它是一种综合性的定量分析方法。

2.1生产系统的要素资源流与泛火用流任意系统的物质、能量、资金和劳动等要素资源投入和产出的资源流动示意图。

系统的投入项包括原材料与能源等自然资源输入和设备投资、劳动投入等资本输入；产出项包括主产品、副产品和排放物。

投入的物质和能源资源可划分为再生的和不可再生资源，不可再生资源可继续划分为取自自然环境的资源和回收利用的资源2 种类别。

系统的泛火用输入为4 项，即物质、能量的泛火用UME、设备投资的泛火用UC、劳动成本的泛火用UL 和废物排放引起的环境成本的泛火用UE[3]。

系统总泛火用输入量为：U in =U ME +U C +U L +U EU NR +U C +U L +U E与物质、能量流方向不同，系统的排放物是离开系统的，但因废物排放导致的环境费用的泛火用在却变成了输入项。

投入系统的自然资源的泛火用U ME等于其中不可再生的自然资源的泛火用U.将投入系统的物质、能量和资金等各种资源要素都换算为泛火用后，系统的泛火用衡算分析显得直观且易于理解。

图2 中系统的泛火用平衡计算方程为：U ME +U C +U L +U E =U mp +U bp +U loss3.基于泛火用分析的节能评价指标泛火用利用系数是指系统有效利用的泛火用量与输入系统的总泛火用量之比。

在生产系统中，有效利用的泛火用是输出的所有产品(主产品和副产品)的泛火用量。

根据图 2 和式(7)，总系统的泛火用利用系数为：ρ=U efU in=U mp+U bpU in式中：ρ 为系统的泛火用利用系数；Uef 为输出的有效泛火用，指所有产品(产品和副产品)的泛火用，MJ；Emp 和Ebp 为主产品和副产品的火用，MJ。

泛火用利用系数是生产系统资源利用状况的综合反映。

式(9)表明：在同等技术条件下，降低不可再生资源消耗，增加可再生资源消耗的比例，则在投入总火用不变的情况下，投入不可再生资源的火用ENR 降低，系统的泛火用利用系数提高[4]。

3.1主产品泛火用利用系数主产品泛火用利用系数ρmp 为输出的主产品的泛火用与总输入泛火用之比ρmp=U mpin主产品泛火用利用系数反映了输入总泛火用被利用于生产主要产品的份额，是反映单位产品泛火用消耗情况的重要指标，要降低单位产品的资源消耗，必须提高主产品泛火用利用系数。

生产系统对生态环境的影响越小，则系统的可持续发展性越好。

社会生产系统从2 个方面对自然生态环境造成影响：一方面，是从自然环境系统索取不可再生资源造成资源短缺；另一方面，是向环境排放废弃物而造成环境污染。

由于系统排放的各废弃物对环境造成危害的程度不同，因此，排放物对环境的影响程度不能以排放物的总量或者总火用来衡量，而应该以系统付出的环境成本的泛火用来衡量。

输入生产系统的不可再生资源火用包括从自然界索取的和回收利用的资源。

4.泛火用分析方法的应用以某年产10 万t 粗铅的SKS 炼铅系统(水口山炼系统)为案例进行泛火用分析。

该系统设备总初投资(不含土地等费用)为63 769 800 $，维修费平均每年为1 483 000 $ ，劳动力工资及管理费用每年约为3258000$，排污费平均每年为519 000 $。

选取系统生产稳定、设备运转率为90%的某一生产月的统计数据为物质、能量投入量及其泛火用的计算依据。

根据统计数据计算得到：该SKS 炼铅系统每生产1 t 粗铅产品时需要投入的物质和能量的总火用量EME 为21.066 19 GJ，输出系统的产品火用即收益火用Ep为4.392 52 GJ，主产品粗铅的火用Emp 为 2.036 45 GJ。

以当前价格计算，获得购买物质和能量的总资金为 2 101.10 $。

由式(3)可求得系统的单位资金泛火用为10.03 MJ/$[5]。

取生产系统装置折旧年限为10 a，银行利息为10%，资金周转期为90 d。

以系统建设的初投资的年折旧费、维修费用和流动资金的财务成本为系统资金成本、劳动力工资及管理费用为劳动力成本、污染排放费为环境成本对系统的各泛火用量进行计算和分析，获得系统的单位产品对应的各泛火用投入和产出量并进行泛火用分析，得到结果如表1 所示。

由表1 可知：SKS 炼铅系统的泛火用利用系数和主产品泛火用利用系数都较低，分别为0.189 6 和0.087 9；可持续发展指数很小，仅为0.208。

可见：输入系统的自然资源特别是不可再生资源的泛火用量占比很大，说明SKS 炼铅系统主要以消耗不可再生自然资源为主，属于资源消耗型企业，可持续发展性很差，因此，这类系统的综合节能主要应该从技术上、管理上采取措施，减少不可再生资源火用特别是不可再生能源火用的消耗。

4.1泛火用分析在太阳能光伏发电系统中的应用以北京地区的光伏发电系统作为研究实例，分析光伏发电系统的经济效益和综合环境效益。

研究表明：太阳能光伏系统的寿命为20~25 a，根据北京地区年日照量的历史平均数据，取电池组件的年衰减为1%，大气尘埃造成阻挡的年衰减为l%，计算可得到平均每1 W 装机容量的光伏电池的20 a 总发电量为22.696kW·h。

[6]光伏发电系统运行时只利用太阳能，太阳能是非商品的可再生能源，因此，输入系统的自然资源的泛火用量为0 MJ；光伏发电系统运行人员很少，取劳动力成本为0 $；光伏系统无污染排放，环境成本也为0 $。

因此，太阳能光伏系统的投入泛火用仅是光伏装置购置和安装的资金成本的泛火用。