基于虛擬能的系統用能評價分析模型及應用

王志國 張欣 武傳燕

摘 要： 基于虛擬能理論，提出了單元（設備）和系統的用能分析模型，給出了系統輸入端和輸出端的虛擬能計算方法。根據所建模型，對污水處理廠能耗進行了分析計算，討論了虛擬能對用能效率的影響。分析結果表明，傳統的能量分析方法沒有考慮廢氣、廢水排放對環境的影響，基于虛擬能理論的用能分析模型克服了這個缺點，分析結果更加客觀、準確。虛擬能分析模型考慮了環境等因素，在可持續發展的大環境下更具有現實意義。

關 鍵 詞：虛擬能；模型；算法；廢物處理；廢水

中圖分類號：TQ 018 文獻標識碼： A 文章編號： 1671-0460（2016）08-1921-06

Abstract： Based on the theory of virtual energy， equipment and systems energy analysis model was built. The calculation method of virtual energy input and output was put forward. According to the model， sewage treatment plant energy consumption was analyzed and calculated. The impact of virtual energy on energy efficiency was discussed. The results show that the traditional energy analysis does not consider the impact of exhaust and wastewater discharge on the environment. The method based on virtual energy theory overcomes the disadvantage. Analysis results are more objective and accurate. Virtual energy model can consider the environment and other factors； the model has a more realistic sense in the context of sustainable development.

Key words： virtual energy； model； algorithm； waste treatment； waste water

目前一般的用能分析過程是基于熱力學第一定律的能量分析方法和建立在熱力學第二定律基礎上的火用分析[1]。能量分析方法反應了系統用能過程的數量關系，可以對不同的能量進行比較分析，主要評價指標是能量利用效率、能損率分布等，可以揭示用能過程中的用能薄弱環節。 火用分析方法反應了火用的數量關系，主要評價指標是火用效率、火用損率分布，可以揭示用能過程中的最大火用損部位或環節，實現從質和量兩個方面對用能過程進行評價[2]。這兩種方法在上世紀得到了廣泛應用，對合理、高效用能起到了積極作用，取得了一些不錯的效果。

隨著時代發展，無論是能量分析方法，還是火用分析，都顯示了一些不足。特別是進入21世紀以后，隨著我國國民經濟快速發展、人口增長及生活水平不斷提高，能源消耗逐年增加；另外城市化進程加快和現代生活方式轉變也使能源需求擴大；諸多因素導致我國能源供需矛盾加劇，經濟和社會的可持續發展受到一定影響。能源、環境和可持續發展相互影響、相互制約，三者之中可持續發展是中心，能源和環境是保障和基礎[3]。目前的用能分析方法都是基于自身消耗的能量（或火用）開展的，沒有考慮排放等對環境的影響，顯示出了一定的局限性。考慮環境因素、發展因素，構建系統用能評價分析模型，是需要關注的重點之一。

虛擬能的概念是參照虛擬水提出的，虛擬水概念在用水評價分析中得到了廣泛應用，并取得了良好效果。最先提出虛擬水概念的是Allan教授[4-6]，將虛擬水定義為生產商品和服務所需要的水資源量[6]。也就是說虛擬水不是指真實的水，而是包含在產品中的“虛擬”水資源。同時虛擬水也可稱為“嵌入水”或“外生水”[7]，用于表達農作物或者工業產品在生長和生產過程中消耗的本地水資源量。Allan同時提出了“虛擬水戰略”思想，根據虛擬水理論，國家在進口富水國家的農作物和工業產品時，相當于進口了水資源，間接使用了非本國的水，從而達到緩解本國水資源短缺的目的[4]。

基于虛擬水概念，虛擬水理論在商品貿易、糧食安全和水資源消費等方面也有全新的應用。基于虛擬水戰略思想，對全球虛擬水貿易進行定量估計和評價，有助于一個國家評估更真實的水資源匱乏指數及在虛擬水進出口方面做出正確的決策[8-11]。虛擬水理論在糧食安全方面也起著重要作用，缺水國家通過糧食貿易間接獲取水資源，有助于維護本國的糧食安全[12-14]。虛擬水消費同樣是近年來討論的焦點。尚海洋以甘肅省的虛擬水消費量為例，分析了消費模式對虛擬水消費量的影響，提出了三種節約虛擬水的方案。從總體上來講，三種方案都是通過改變消費模式節約水資源，節水效果明顯。其中方案三是以產品鏈中位置低的產品替代位置高的產品，節水潛力最大[15，16]。

本文針對能量分析方法和火用分析方法的不足，提出了虛擬能概念，基于虛擬能理論構建了單元、設備及系統的用能評價分析模型。作為應用實例對三臺鍋爐和污水處理系統進行了分析計算，據此提出了一些改進建議。

1 虛擬能基本概念

“虛擬能”[4]或“隱性能源”[17]，這一概念起源于“embodied energy”一詞。1974年，國際高級研究機構聯合會（IFIAS）能源分析工作組指出，為了衡量某產品或服務生產過程中直接和間接消耗的某種資源的總量，可以使用“embodied”這一概念，原則上，“embodied”后可以加任何資源的名稱，如土地、水、勞動力等[18，19]。

我國學者陳錫康提出隱含能是指在產品和服務生產過程中直接和間接消耗的能源，其中間接能耗就是指在產品生產過程中所消耗的各部門產品（原材料、輔助材料、機器設備和其它消耗等）中所包含的能源之和[17]。羅思平等認為隱含能是指產品加工、制造和運輸等全過程所消耗的總能源[20]。

以上的定義和分析，只從輸入端給出了附加能，而對生產過程輸出端對環境的污染未予考慮。

鑒此，本文從兩方面定義虛擬能：（1）對于供給端而言，虛擬能是某種生產工藝、過程或系統消耗的間接資源；（2）對于輸出端，虛擬能是某種生產工藝、過程或系統排放處理而附加的能耗，如廢氣、廢水處理能耗等。

2 基于虛擬能理論的能量平衡分析模型

實際的用能分析對象，可以是一個單元（設備），也可以是一個生產過程，或者是由若干單元（設備）和生產過程組成的復雜用能系統。除了一些通用的指標外，還應針對不同的分析對象，提出反應不同對象特征的分析指標。

本部分采用虛擬能理論從單元（設備）及用能系統兩個層次入手，建立基于能量平衡分析的用能評價分析模型，給出主要評價指標。

2.1 用能過程分析術語

在實際的用能過程（設備）或系統中，輸入、輸出的能流是多股的，且各股能流的性質不一、效用不一。采取如下術語：

（1）體系：依據分析目的確定的有明確邊界線的分析對象；

（2）供給能：由能源或物流帶給體系的能。通常包括燃料能、蒸汽能、電能等，以符號Esup表示；

（3）帶入能：除能源以外的物質帶入體系的能，以符號Exbr表示；

（4）有效能：被單元（系統）有效利用或由單元（系統）輸出可為有效利用的能。對于動力裝置即為輸出的機械能，對于工藝裝置為達到工藝要求的產品離開體系所具有的能，以符號Eef表示；

（5）能損：體系損失的能量。

2.2 工藝單元（設備）評價分析模型

對于工藝單元或用能設備，其評價分析模型如圖1所示。

4 基于虛擬能理論用能分析應用實例

根據本文提出的虛擬能用能評價分析模型及虛擬能計算方法，對污水處理廠（系統）進行實際應用分析。

利用前述理論和方法，以遼寧喀左污水處理廠數據為例，計算輸出端污水處理的虛擬能。喀左污水處理廠采用的是A/O工藝，主要處理生活污水及部分工業廢水，日處理量為1.5×104 m3·d-1。污水處理過程包括三個部分：預處理、生化處理和污泥處理。污水進入處理廠首先是預處理，去除泥沙和雜物，并對污水進行提升；隨后依次進入曝氣池、二次沉淀池和消毒池等，這是生化處理部分，主要去除污水中的有機物和氨氮；最后處理剩余污泥，將其脫水外運。結合污水廠的運行參數，對各單元進行虛擬能計算[23]。

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