用系統性能系數檢測衡量設備的真性能

曹 琦

（西安交通大學 陜西西安 710048）

1 引言

1.1 節能現狀

為適應嚴峻的資源、人口、環境形勢，97年我國推出了《能源法》，節能成為我國的基本國策。自97年至今我們進行了多輪多次按專業模塊、“頭痛醫頭、腳痛醫腳”式的節能改造，我國的單位GDP能耗從世界平均的3.5倍到2012年已經下降到1.9倍，節能已經取得了可喜的成績。[1]但隨著節能工作深入推進，進一步挖掘節能潛力的難度加大，節能的任務更加艱巨。[2]

1.2 節能遇到了理論瓶頸

節能，我們面對是一個個耗能系統和一個個在耗能系統中運行的設備。我們應當把握耗能系統的本質，認識耗能系統運行的規律，“歸根知常”做好接地氣的耗能系統“頂層設計”，使耗能系統達到“配置合理，運行協調，整體優化”的境界且具有內在的健康結構，耗能系統才有能力涌現出包括節能在內的一系列外在的優良健康屬性。可是以“集成設備”為主線、按專業模塊堆積疊加思維模式的傳統節能理論不清楚節能第一問：耗能系統的本質是什么；不清楚節能的第一概念：真節能是什么的問題。耗能系統頂層設計不接地氣，才使深度節能很難進行下去。這個問題本是造物主的警示，我們的導航系統——理論指出的路徑偏離正確航道，致使結果偏離預期。對于節能，我們遇到了理論的瓶頸。只有改變理念，才能上正道，我們必須從傳統的工業時代以“集成設備”為主線，按專業模塊堆積疊加頂層設計理念，轉變到信息時代的以“集成知識”為主線，按系統論為目的整合的頂層設計理念。

1.3 系統、設備的本質性能指標

耗能系統、設備本質上都是耗散結構系統，都是靠消耗有效能才能承擔一定任務，顯示出人們需要的功能來，因此，系統、設備的耗能性能才是描述系統、設備的本質性能指標。本質性能指標是關鍵性的指標，這個指標優良，其他輔助性指標自然優良。從“系統節能”理論分析，設備都是在系統中運行的，衡量系統中運行設備的本質性能指標就是系統性能系數SCOP（System Coefficient of Performance）。

1.4 衡量設備性能指標現狀

由于傳統節能理論的不完善，沒有把握耗能系統的本質及其運行規律，導致衡量系統設備性能指標體系概念的混亂。有的用本質性能指標，如單位GDP能耗的倒數表示國家生產系統耗能本質性能；有的用半本質性能指標，如冷水機組的COP值，在COP定義中表示機組輸入耗能項中僅計算冷制冷機的能耗，沒有計及兩器消耗兩泵的輸送動力，而事實卻是冷水機組消耗了三部分能量才能正常輸出額定冷（熱）量；有的不用本質指標，如冷卻塔，用水量、溫降表示性能；如換熱器，只注重換熱量、熱流密度、體積表示性能……。衡量系統、設備性能指標體系的混亂，造成節能市場的混亂，良莠不齊，偽劣產品甚至第二類永動機也在節能市場上流行。為了徹底改變這種亂象，需要有良幣驅逐劣幣的機制，為此，特提出用本質性能指標作為系統、設備關鍵性指標的動議。

2 SCOP定義

系統性能系數SCOP的定義式如公式（1）所示：

式中：

SCOP——特定條件（工況）下的系統性能系數（System Coefficient of Performance），kW/kW；

Exi.t——系統或設備輸入的總有效能，

Exi——系統或設備輸入的第i個有效能，kW；

n——系統或設備有效能輸入通道個數，個；

Exo.t——系統輸出的總有效能，

Exo——系統或設備輸出的第i個有效能，kW；

m——系統或設備有效能輸出通道個數，個。

SCOP的含義。圖1為系統或設備的SCOP示意圖。從公式（1）SCOP的物理含義非常明確，表示系統或設備特定條件（工況）下單位能耗能夠輸出多少有效能，也就是系統或設備的有效能增益。它是反映系統或設備全息的本質性能參數，對系統、設備性能有影響的所有要素最終都表現在SCOP值的變化上。對于工業生產來說，這里的SCOP特定條件（工況）是指：額定工況、最小負荷工況、時均工況等。不指名特定條件（工況）來談SCOP是無意義的。見圖1。

3 SCOP的優點

3.1 物理概念清晰

公式（1）定義的SCOP反映的就是系統或設備的有效能增益。如果把系統、設備的關鍵被控參數都理解為廣義的有效能的話，它實際上就是人們生活中常用“花一個錢買多少東西”的常識性概念，因此易于人們理解接受，易于推廣應用。

3.2 簡單、本質

公式（1）非常簡單，但卻抓住了系統、設備不耗能便不能“活”的類生物體的要害、本質。這個本質指標上去了，由它決定的其他輔助性考核指標自然跟著就上去了。

3.3 易在實踐中測量、計算、檢驗

因為概念清晰、簡單、本質、易學易用，在工程實踐中非常容易測量檢驗、推廣應用。

例1：冷卻塔的SCOP測量計算

用功率表測量出冷卻塔風機運行功率Wct.f；

用公式（2）測量計算冷卻塔消耗的水泵輸送動功率：

式中：

Exct.p——冷卻塔消耗水泵的輸送功率，kW；

Lct——冷卻塔的流量，m3/s；

ΔPct——在冷卻塔進口處測得的冷卻塔總壓降，kPa；

ηp.t——水泵總效率，%；粗算時可以取ηp.t=0.70（為合理的經驗數值）。

冷卻塔熱濕交換釋放空氣中的能量用公式（3）測量計算：

式中：

圖1 系統或設備的SCOP

Qct——冷卻塔釋放到空氣中的熱量，kW；

ρ——冷卻水密度，kg/m3；

Cp——冷卻水定壓比熱，kJ/kg.℃；

tw2——冷卻塔進水溫度，℃；

tw1——冷卻塔出水溫度，℃。

測量計算出這些數據之后，就可以用公式（4）計算出冷卻塔的系統性能系數：

式中：

SCOPct——冷卻塔系統性能系數，無因次；

Wct.f——冷卻塔風機消耗的功率，kW。

例2：換熱器系統性能系數測量計算

換熱器的功能是在消耗初測、次側泵（廣義泵）的驅動力的前提下，完成兩個隔離系統的熱傳遞的任務。

換熱器系統性能系數計算，首先用公式（2）測量計算出初測泵消耗的動力Exeh.p.1、次側泵消耗的動力Exeh.p.2，再用公式（3）測量計算出換熱器的傳熱量Qeh（從初測或次側測量計算均可），就可以用公式（5）計算換熱器的系統性能系數：

式中：

SCOPeh——換熱器系統性能系數，無因次；

Qeh——換熱器換熱量，kW；

Eeh.p.1——換熱器初測消耗的初測泵輸送功率，kW；

Eeh.p.2——換熱器次測消耗的次側泵輸送功率，kW。

系統性能系數的概念是普適的。如同例1、例2所示的，小到一個設備，大到一個生產系統、一個企業、甚至一個省、一個國家都可以用系統性能系數的概念來描述對象的能源使用效率，因此系統性能系數的概念是普適的。

3.4 有良好的良幣驅逐劣幣、凈化節能市場的功能

系統性能系數的概念是衡量系統、設備能源利用效率的本質性能指標。其概念清晰、簡單、本質、易學、易于推廣應用，這等于讓廣大能源技術人員掌握了識別系統、設備優、劣、真、假的利器，投到節能市場中具有良好的良幣驅逐劣幣、凈化節能市場的功能。

3.5 對高性能系統、設備的科學研究具有導航作用

系統中設備的本質性能指標才是真實的。設備都是在系統中運行，按照系統科學原理，設備融入系統中后，要受到左鄰右舍的制約、限制，其性能要發生本質變化，所以談論設備性能本質上應該指的是設備在系統中的性能，我們研究或談論的焦點應當是反應在系統中運行設備的本質性能指標，而不是其他的細枝末節。系統中設備的本質性能指標才是真實的，研究和談論的焦點在孤立設備的性能上是沒有實際意義的。

系統性能系數恰恰是反映系統中的設備本質性能指標，提高系統、設備系統性能系數，就是人們追求的終極目標，能夠用具體的數值來衡量它，使得目標更加清晰、真實，因此系統性能系數本質上是系統、設備科學研究的指路燈塔。有了明亮燈塔導航，設備廠家自己就會將設備中的“水分”擠掉，把產品做實，不必等某個機構來檢驗；政府構建的社會能耗監控網提供的大數據品位也會更高。比如，對冷卻塔制造領域運用系統性能系數作為考核指標，不僅可以對冷卻塔制造領域無動力冷卻塔、水輪機冷卻塔、橫流塔、逆流塔的性能優劣一目了然，另一方面很難出現冷卻塔風機大馬拉小車的問題。就像我們在工程中遇到的配置110kW的風機電機、運行電流只有58A的大馬拉小車的現象，在工廠里就會消滅，不會出現在現場。工廠技術人員會考慮本質性能指標的要求，自動選配合適的37kW的電機。

4 建議

正像文獻[2]中所指出的，“隨著節能工作深入推進，進一步挖掘節能潛力的難度加大，節能的任務更加艱巨。”實際這是造物主對我們的警示：我們必須將節能的理念從工業時代以“集成設備”為主線、目光聚焦在“物”上轉移到信息時代以“集成知識”為主線、目光聚焦在“道”上。出問題，是我們遇到了新事物，仍用舊理念導航，除了仍舊引導我們到岔道上外，不會產生徹底解決問題的奇跡。要從岔道走到自然規律確定的正道，必須用能夠把握事物本質、認識事物運行規律的新理念來導航。這是創新，就是解決問題，創新就是建立和新事物本質相匹配的新理念的過程的科學道理。

應用前景廣大。系統性能系數是從耗能系統本質的角度提出的概念清晰、簡單、本質、易學易用系統、設備的本質性能指標，不用多花錢就可高品質的提高節能環保的經濟、社會、環境效益。這是一種從系統論觀點堆出的具有嚴格的理論基礎、又有成功案例，具有我國知識產權的新的節能理論技術。只是在強大傳統思維定勢面前還顯得弱小。不過能夠把握耗能系統的本質，認識系統運行規律正是這種理論生命力的所在。所以建議行業理論技術的領跑者、節能的專家權威從頂層上對系統性能系數的理念給以批判修正，以使這項技術早日應用到節能領域，為創造中國APEC藍、為子孫后代的幸福共同做出貢獻。

[1] 莊貴陽.低碳經濟的理論與實踐創新［Z］.深圳：華夏氣候技術中心，自主創新大講堂，2014-11-8

[2] 工信部 國資委.發改環資[2014]2423號文件（重大節能技術與裝備產業化工程實施方案）[EB/OL]. 政府網站，2014年10月27日