节能原理与技术 罗永浩 热能工程研究所

节能原理与技术节能原理与技术

罗永浩罗永浩

热能工程研究所热能工程研究所

能源大背景能源大背景

节能原理、技术、案例节能原理、技术、案例

工业节能、建筑节能、交通节能工业节能、建筑节能、交通节能

一次能源是从自然界取得而直接加以利用的能源，如煤炭、石油、天然气、风能、水能、天然铀矿等。

二次能源是由一次能源经过加工、转换而来的能源，如电力、蒸汽、焦炭、煤气等，它们便于运输和使用，是相对品质高污染少的能源。

可再生能源包括太阳能、风能、生物质能、水能、海洋能等，可再生能源不会由于它本身的转化或人类的利用而日益减少。

化石能源一般指煤炭、石油、天然气，是不可再生能源。近期发现非常规天然气，页岩气和可燃冰

能源分类能源分类

分布在深海和冻土层的天然气水合物困在页岩层中的天然气

页岩气 可燃冰

人类开发利用能源的历史人类开发利用能源的历史

能源对社会发展的推动能源对社会发展的推动

狩猎 吃熟食

人类掌握火的使用，成为万物之灵，开创文明社会人类掌握火的使用，成为万物之灵，开创文明社会

刀耕火种

犁 锄

人类应用火 发明冶金术人类应用火 发明冶金术

促进了农业经济社会发展促进了农业经济社会发展

冶金术

游牧生活

农业社会

城市的兴起、人口的膨胀城市的兴起、人口的膨胀给木材、秸秆为能源的社会带来危机给木材、秸秆为能源的社会带来危机

不断发展的城市人口 树木的生长期跟不上大量砍伐

依靠马车的城市交通依靠马车的城市交通马粪污染是当时头疼的环境问题马粪污染是当时头疼的环境问题

煤炭替代树木

进入化石能源时代进入化石能源时代利用蒸汽机提水的煤矿

蒸汽机的发明使人类进入化石能源时代蒸汽机的发明使人类进入化石能源时代

瓦特蒸汽机纽可门蒸汽机

Thomas Newcomen (1664 ~1729)

1712 年发明用于煤矿提水的蒸汽机

Denis Papin （ 1647 ～1712 ）

French-born British physicist 1688 年为研究“真空”发明蒸汽汽缸

James Watt (1736-1819)

1764 年， University of Glascow 请瓦特修理一台纽可门式蒸汽机1769 年，发明冷凝器对纽可门蒸汽机制作了革新，第一个专利1781 年底，发明带有齿轮和拉杆的机械联动装置，第二个专利1782 年，试制出了一种带有双向装置的新汽缸，第三个专利1784 年，完成带有飞轮、齿轮联动装置和双向装置的高压蒸汽机的综合组装，第四项专利1788 年，发明了离心调速器和节气阀1790 年，发明了汽缸示工器，至此瓦特完成了蒸汽机发明的全过程

瓦特制成的第一台蒸汽机许多主体部件是用木头制造的

蒸汽机发明引发了工业革命和现代交通蒸汽机发明引发了工业革命和现代交通火车

轮船

纺织厂

蒸汽机汽车蒸汽机汽车

内燃机的发明促进了内燃机的发明促进了交通现代化交通现代化

内燃机工作原理图

马车

汽车

涡轮机的发明促进了航空业发展涡轮机的发明促进了航空业发展

涡轮机也是发电厂关键部件涡轮机也是发电厂关键部件

电的发明进入电气化的时代电的发明进入电气化的时代也迎来信息化时代、改变了日常生活也迎来信息化时代、改变了日常生活

爱迪生发明电灯 贝尔发明电话莫尔斯发明电报机

空调

电梯 冰箱

合成纤维 合成橡胶 塑料 化肥

由化石能源生产的化工产品由化石能源生产的化工产品

燃煤发电厂 炼油厂 西气东输

用 化 石 能 源 支 撑 的 现 代 文 明用 化 石 能 源 支 撑 的 现 代 文 明

全世界化石能源储量与储采比（ 2010 年底为依据）

煤炭储量（百万吨） 储采比（年）860938 118

石油储量（ 10亿桶） 储采比（年）1526.3 46.2

天然气储量（ 1012立方米） 储采比（年）187.1 58.6

数据来源： Statistical Review of World Energy 2011

世界能源消费结构

化石能源占化石能源占 8787％，主体地位难以动摇％，主体地位难以动摇

2010 年中国一次能源消费结构图1952 年中国一次能源消费结构图

我国是一个富煤、贫油、少气的国家，这我国是一个富煤、贫油、少气的国家，这就决定了煤炭在一次能源中的重要地位。就决定了煤炭在一次能源中的重要地位。

世界煤炭、石油、天然气分布图世界煤炭、石油、天然气分布图

世界上两个最大的产油带，一个叫长科迪勒地带，北起阿拉斯加和加拿大进美国西海岸到南美委内瑞拉、阿根廷；另一个叫特提斯地带，从地中海经中东到印度尼西亚。这两个地带在地质变化过程中曾都是海槽——海相成油

中国煤炭资源分布中国煤炭资源分布

我国煤炭资源在地理分布上的总格局是西多东少、北富南贫。而且主要集中分布在目前经济还不发达的山西、内蒙古、陕西、新疆、贵州、宁夏等 6 省 (自治区 )，占全国煤炭资源总量的 82.8%；而我国经济最发达，工业产值最高，需要能源最多，耗用煤量最大的京、津、冀等 14 个东南沿海省 (市、区 ) 仅占全国煤炭资源总量的5.3% 。

最近发现的新疆准东煤田蕴藏 3900亿吨煤炭，是我国目前最大的整装煤田，够全国使用一百年。

化石能源面临的问题化石能源面临的问题

能源短缺能源短缺

资源集中、能源短缺和环境污染同学们思考资源集中：国际问题？国内问题？能源短缺：品种？区域？技术？需求？发展模式？环境污染： PM2.5 是如何产生？为什么有的同学回家觉得看到蓝天的日子越来越少？

资源集中资源集中 环境污染环境污染 气候变化气候变化

气候变化？气候变化？

气候变暖？气候变暖？ 气候骗局？气候骗局？

温室效应和温室气体温室效应和温室气体

太阳 地球

热量热量

先要搞清楚地球在太阳照耀下先要搞清楚地球在太阳照耀下为什么能保持适宜的气温为什么能保持适宜的气温

辐射特性辐射特性

不同的介质辐射特性不一样

进出大气层的能量是平衡的进出大气层的能量是平衡的

温室效应温室效应温室气体能吸收地表长波辐射，使大气变暖 ， 与 “ 温室”作用相似。若无“温室效应”，地球表面平均温度是 -18℃ ， 而 非现在的 15 ℃ 。

温室气体温室气体温室气体包括大气层中的水蒸气、二氧化碳、甲烷、氮氧化物，也包括近几十年来人类活动排放的氯氟甲烷（ HFCs ）、氢氟化物、全氟化物（ PFCs ）、硫氟化物（ SF6 ）、氯氟化物（ CFCs ）等 。其中 CO2 、CH4 、 N2O 等 被 政 府 间 气 候 变 化 委 员 会（ IPCC,2007 ）称为长寿命的温室气体（ LLGHGs）。

各种温室气体在大气中相对二氧化碳影响的时间各种温室气体在大气中相对二氧化碳影响的时间

20092009 年年 COCO22 排放量前排放量前 1010位国位国家家

中国中国 CO2CO2排放量历史轨迹排放量历史轨迹

气候变暖观点由来与争议气候变暖观点由来与争议

早期的科学研究早期的科学研究1824 年发表了《地球及其表层空间温度概述》首先提出温室效应的观点。

1896 年发表了《大气中的二氧化碳对地球温度的影响》提出人类所排放的 CO2 气体会使大气变暖，当时认为是一个好消息，冬天会暖和一些。

让·巴普蒂斯·约瑟夫·傅立叶Jean Baptiste Joseph Fourier

（ 1768 年 3 月 21 日－ 1830 年 5 月 16 日）法国数学家、物理学家

斯万特·奥古斯特·阿累尼乌斯Svante August Arrhenius

（ 1859 年 2 月 19 日－ 1927 年 10 月 2 日）瑞典物理化学家

1903 年获诺贝尔化学奖

Atmospheric CO2 concentrations measured at Mauna Loa Observatory: The Keeling Curve.

查里斯·大卫·基林Charles David Keeling

（ 1928 年 4 月 20 日－ 2005 年 6 月 20 日）美国地理化学家

基林曲线基林曲线加州大学斯克里普斯海洋研究所的2 位科学家罗格•雷维尔（ Roger Revelle ， 1950-1964 年海洋所所 长 ） 和 汉斯•聚斯（ Hans Suess ）最早认识到，海洋作为CO2汇的能力是有限的，对大气中CO2 含量升高产生了兴趣，雷维尔希望考察一下阿累尼乌斯的观点。为此，需观测大气中 CO2含量。雷维尔于是在 1956 年将基林招入海洋所，在夏威夷海拔 5000米的茂纳罗亚火山顶上建立了一个观测站，基林每天到那里测量大气中 CO2 的含量。基林曲线引起了世界的关注。

古气候演变的研究古气候演变的研究冰芯研究

冰川学家研究南极大陆冰盖的年龄及其形成的历史过程时，发现从冰川的冰芯样品中，不仅能测定冰川的年龄及其形成过程，还可以得到相应历史年代的气温和降水资料，以及相应年代的二氧化碳等大气化学成分含量，从而开辟了恢复古气候和古环境的新的道路。

N2O

CO2

CH4

冰中氘

距今时间（千年） /2005年前由于同位素较轻的水更容易从海洋中蒸发而形成大陆冰页，生存在冰河纪时期的海洋生物贝壳中18O的含量会相对较多，其相对浓度可以用来表征陆地冰川的容量变化。从图中可以看出，过去几十万年间地球的气候大多是寒冷的，只是间或有相对较短的温暖期。图中的阴影部分用来表示现在及以前的 4个间冰期的时间跨度。

大气中大气中 COCO22 浓度变化浓度变化

65 万年来 CO2浓度变化 1751 年来每年碳排放

大气中 CO2浓度变化很大，从 25 万年前的 380ppm到冰河期最低的180ppm ， CO2浓度变化大约 10 万年为一周期，在 1750 年前大约有一千年 CO2浓度维持在 280ppm 。从 1750 年开始 CO2浓度持续上升，到 2005年已达到 377ppm 。这和人类活动有关。

全球气温变化全球气温变化

1880 年来气温变化

有没有对应关系？

有没有对应关系？

气侯变化历史重建气侯变化历史重建

温度 CO2

1998 年，美国宾州大学 Michael Mann教授通过对树木年轮的研究 ，提出了“曲棍球棒曲线”形状的 1000 年来北半球气温变化图，这和 CO2的历史变化曲线相吻合。 1999 年“曲棍球棒曲线”被联合国政府间气候变化专门委员会（ IPCC ）引用而被广泛关注，并引起强烈争议。

争议争议

2002 年， Jan Esper 同样采用树木年轮的办法得出截然不同的结果，有人分析Michael Mann 的 统计算法有误，并认为用树木年轮的方法不合适。也有历史学家从文献分析提出存在中世纪温暖期和随后的小冰川时代。 2008 年， Michael Mann 等为应对质疑，采用树轮、冰芯和海洋沉积物等综合方法得出和“曲棍球棒曲线”相同的结果。分歧集中在对远期的气温变化，对近期是一致，这正是 CO2 是否引起气温变化的争议焦点。

美国前副总统戈尔投资并参与拍摄纪录片《难以忽视的真相》，并于2007 年与联合国政府间气候变化专家小组（ IPCC ）共获诺贝尔和平奖。

戈尔对“气候变暖”推波助澜戈尔对“气候变暖”推波助澜

政治人物加入使问题更复杂了

气候变暖？气候变暖？ 气候骗局？气候骗局？

你的观点？

为什么温室气体为什么温室气体

成为世界各国博弈的焦点成为世界各国博弈的焦点

政治？经济？技术？

总结总结

化石能源发展总趋势：脱碳、高效、清洁。煤炭资源最丰富，发展方向：燃烧→超高参数超临界发电，气化→多联产及IGCC 发电， CO2捕获与封存是未来煤炭利用关键。

多能互补、供需结合、储能平衡的智能电网

提高能源效率、开发可再生能源提高能源效率、开发可再生能源

节约与开发并重，以节约为主节约与开发并重，以节约为主

能量流物质流信息流

你对节能的认识你对节能的认识

课程考核方式课程考核方式本课程考核方式主要包括：平时考勤、课堂发言、小组讨论以及期末大作业。

1.平时考勤即课堂签到，每次上课都有课堂签到；占总成绩 15% 。

2.针对老师提问，课堂发言积极踊跃、观点鲜明、表达流畅的同学均有加分；占总成绩 20%

3.小组讨论时将 5-6 人分为一个小组，大家利用课余时间针对某一节能案例，进行讨论，最后小组以 PPT形式向全班同学汇报展示讨论结果，每组总汇报时间为 30 分钟， 20 分钟讲解， 10 分钟问答；占总成绩 25% 。

4. 期末大作业针对工业节能、建筑节能和交通节能领域的综合问题，结合节能原理与技术，提出解决方案，形成 PPT 和文字稿。要求观点明确，思路清晰，方案可行；占总成绩 40% 。