建筑能源審計的數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析方法的研究和電化學(xué)技術(shù)在新能源中的利用

PAGEPAGE1建筑能源審計的數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析方法的研究武漢科技大學(xué)張道軍李玉云楊金鳳張春枝中南建筑設(shè)計院蔣修英摘要文章結(jié)合2007年武漢市國家機關(guān)辦公建筑和大型公共建筑的能源審計，在計量儀表不全的條件下，討論與分析了各用能系統(tǒng)的能耗統(tǒng)計與分析方法，得出了不同建筑功能能耗基準(zhǔn)點的確定方法以及各用能系統(tǒng)的同時使用系數(shù)。關(guān)鍵詞能源審計基準(zhǔn)能耗誤差1引言對政府建筑和大型公共建筑推行建筑能源審計,有利于節(jié)能管理向經(jīng)常化和科學(xué)化轉(zhuǎn)變；有利于對既有建筑的能源使用情況進行有效的監(jiān)督和合理的考核；有利于準(zhǔn)確合理地分析建筑能源利用狀況和水平，查找節(jié)能的薄弱環(huán)節(jié)，明確節(jié)能方向，挖掘節(jié)能潛力，降低能源消耗和能源成本，提高能源利用效率和經(jīng)濟效益；有利于推進既有建筑節(jié)能改造。但從建筑的計量水平，業(yè)主提供的能耗數(shù)據(jù)、設(shè)備資料來看，按照《國家機關(guān)辦公建筑和大型公共建筑能源審計導(dǎo)則》的標(biāo)準(zhǔn)分類，絕大部分既有建筑難以滿足能源審計的最低條件。因此，筆者在參與武漢市國家機關(guān)辦公建筑和大型公共建筑能源審計中，為了能比較準(zhǔn)確的統(tǒng)計各用能系統(tǒng)的能耗，對建筑能源審計的數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析方法進行了探討。2建筑能源統(tǒng)計的方法2.1國家機關(guān)辦公建筑2.1.1空調(diào)采暖能耗的統(tǒng)計通過計量儀表計量采暖空調(diào)能耗1.制冷空調(diào)能耗在一些建筑，電制冷機、冷凍水泵、冷卻水泵有專門的變壓器，并配有電度表，但末端設(shè)備與照明、辦公設(shè)備公用電度表。對于這一類建筑，制冷空調(diào)能耗由下式計算：制冷空調(diào)能耗=冷源水系統(tǒng)能耗+末端設(shè)備能耗其中，冷源水系統(tǒng)能耗=制冷機耗電量+冷凍水泵耗電量+冷卻水泵耗電量+冷卻塔耗電量（2-1）對于直燃式（溴化鋰主機）制冷機：冷源水系統(tǒng)能耗=燃氣量（或燃油量）+冷凍水泵耗電量+冷卻水泵耗電量+冷卻塔耗電量（2-2）末端設(shè)備的能耗=末端設(shè)備功率×運行時間×同時使用系數(shù)（2-3）同時使用系數(shù)根據(jù)用戶提供的辦公室、會議室等確定，一般小于1。制冷機的耗電量由計量表累計，溴化鋰主機的耗油量由業(yè)主提供；如A1政府辦公樓的制冷機耗電量如圖1所示。，2005年制冷機累計耗電量為61.86萬度，2005年制冷機累計耗電量為61.66萬度。2006年節(jié)約了0.32%。該大樓的節(jié)約是通過行為管理節(jié)約，即控制制冷機運行時間。從圖中還可以看出，2005年與2006年的8月用電量相差很大，原因是讀電表的時間不同引起，也就是說，2005年8月份用電量對應(yīng)31天，2006年8月用電量對應(yīng)可能是40天左右。冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔的耗電量=額定功率（實際投入的額定功率）×運行時間（2-4）張道軍,男,1985年2月生,在讀碩士研究生，地址：武漢科技大學(xué)洪山校區(qū)15＃，郵政編碼：430065，電話：，E-mail:zhangdaojun1985@126.com其中，冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔的運行時間從空調(diào)運行記錄統(tǒng)計得出；如果是變頻控制，則在5月、6月、9月、10月運行期間，根據(jù)設(shè)備運行情況，乘以系數(shù)0.5～0.7，一般取0.5。如果水泵安裝有電流表、電壓表，水泵的耗電量可按下式計算。冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔的耗電量=1.73×運行電流×運行電壓×功率因數(shù)×運行時間圖1A大樓制冷機耗電量2.采暖（空調(diào)方式）耗能量的統(tǒng)計圖1A大樓制冷機耗電量采暖（空調(diào)方式）耗能量等于采暖（空調(diào)方式）熱水系統(tǒng)耗能量與末端設(shè)備耗能量之和。采暖（空調(diào)方式）熱水系統(tǒng)耗能量由熱源耗能和循環(huán)泵耗能組成。熱水系統(tǒng)熱源耗能由下式計算：采暖（空調(diào)方式）熱水系統(tǒng)耗能量=熱源耗能+燃燒器耗電量+循環(huán)水泵耗電量（2-5）熱源耗能由鍋爐的用能確定，有天然氣、柴油、電等。天然氣一般都有計量表，柴油憑采購的憑證統(tǒng)計。若廚房和鍋爐房的燃料耗量由一塊計量表計量，則以非采暖季燃料耗量的平均值作為廚房的月燃料耗量，每月燃料耗量與平均值之差即為采暖燃料耗量（未考慮收費時差因素），見表1。循環(huán)水泵耗電量、燃燒器耗電量均為額定功率×運行時間，運行時間的亦由運行記錄得出，方法與空調(diào)系統(tǒng)相同。如果循環(huán)泵是變頻控制，則在11月和3月運行期間，根據(jù)設(shè)備運行情況，乘以系數(shù)0.5～0.7，一般取0.5。末端設(shè)備的耗電量計算與制冷空調(diào)季節(jié)相同。表1A1辦公樓的采暖耗氣量的統(tǒng)計日期1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月天然氣耗量/m318645276353451657241765137822151294154012841446305504月～11月平均值2081采暖耗氣量/m316564255543243528469無計量儀表條件下的采暖空調(diào)能耗的統(tǒng)計[1]若該建筑的制冷機耗電量沒有用電度表計量或者其空調(diào)運行記錄不可信或者不齊全，則要選擇建筑用能基準(zhǔn)點。建筑用能基準(zhǔn)點是該建筑不含采暖空調(diào)的用能。基準(zhǔn)點：上半年一般取4月份耗電量為基準(zhǔn)，下半年一般取11月份耗電量為基準(zhǔn)，各月耗電量與基準(zhǔn)之差，即為各月采暖空調(diào)用電量，逐月累計即可得出全年空調(diào)采暖耗電量。空調(diào)耗電量為制冷月份的差值求和，采暖耗電量為采暖月份的差值求和。采暖燃料耗量的計算方法與第一種方法相同。計算誤差工程實例1：A1政府辦公樓，冷熱源為電制冷+燃油鍋爐，末端以新風(fēng)機組+風(fēng)機盤管為主，但該大樓的新風(fēng)機組不運行。2005年：方法一得出的空調(diào)采暖能耗為1.62×1010kJ，方法二得出的空調(diào)采暖能耗為1.55×1010kJ，二者的相對誤差為4.11%；2006年：方法一得出的空調(diào)采暖能耗為1.68×1010kJ，方法二得出的空調(diào)采暖能耗為1.74×1010kJ，二者的相對誤差為-3.46%。工程實例2：A2法院綜合樓（風(fēng)冷熱泵）：2006年：方法一得出的空調(diào)采暖能耗為1.80×1010kJ，方法二得出的空調(diào)采暖能耗為1.76×1010kJ，二者的相對誤差為2.36%。通過上面兩個例子，可以看出這兩種計算方法的誤差不大。主要原因是辦公樓的作息時間、空調(diào)運行時間比較有規(guī)律。如果在過渡季節(jié)，政府辦公大樓不能充分利用自然通風(fēng)改善室內(nèi)舒適度，其能耗的統(tǒng)計方法參考寫字樓。表2A1辦公樓空調(diào)采暖能耗誤差計算日期1月2月3月4月5月6月7月2005空調(diào)采暖總能耗（1）②/kJ1.70E+091.30E+094.85E+080.00E+009.78E+082.35E+092.96E+092005空調(diào)采暖總能耗（2）③/kJ1.36E+091.43E+093.41E+080.00E+004.22E+082.13E+093.22E+092006空調(diào)采暖總能耗（1）/kJ2.18E+091.99E+095.71E+080.00E+004.57E+082.36E+093.01E+092006空調(diào)采暖總能耗（2）/kJ2.09E+091.67E+097.93E+080.00E+000.00E+008.56E+083.20E+09日期8月9月10月11月12月總計誤差2005空調(diào)采暖總能耗（1）②/kJ2.23E+091.51E+090.00E+003.41E+082.31E+091.62E+104.11%2005空調(diào)采暖總能耗（2）③/kJ3.03E+092.46E+088.27E+083.41E+082.17E+091.55E+102006空調(diào)采暖總能耗（1）/kJ3.21E+099.58E+080.00E+005.40E+081.57E+091.68E+10-3.46%2006空調(diào)采暖總能耗（2）/kJ4.11E+092.02E+094.40E+084.27E+081.84E+091.74E+10①一次能源：1kWh電=11838KJ；1㎏柴油=42652KJ；②主要冷熱源有計量儀表計量；③冷熱源無計量儀表計量2.1.2其他用能系統(tǒng)耗能量的統(tǒng)計1.電梯電梯的年耗電量的計算方法是：電梯的年耗電量=電梯功率×每天開放時間×年工作日天數(shù)×同時使用系數(shù)（2-6）式中，每天運行時間一般取9～11小時，年工作日一般取258天。；電梯的同時使用系數(shù)根據(jù)用戶的使用情況確定，一般貨梯取0.3，客梯取0.3～0.6，頻繁使用的可取0.8，對辦公樓內(nèi)的扶梯取1，但開放時間根據(jù)實際情況取5～6小時。2.照明照明一般由三項組成，室內(nèi)照明、室外照明和亮化工程。（1）室內(nèi)照明年耗電量的計算方法是：室內(nèi)照明年耗電量=總功率×每天運行時間×年工作日天數(shù)×同時使用系數(shù)（2-7）每天運行時間一般取8～9小時，年工作日一般取258天。如果給出的是竣工圖照明功率，則同時使用系數(shù)取0.3～0.5；如果給出的是實際使用的照明功率，考慮會議室等照明區(qū)域，同時使用系數(shù)取0.5～1之間，一般小于1。（2）室外照明年耗電量的計算方法是：總功率×每天開放時間×年開放天數(shù)。每天開放時間一般取10小時，年開放天數(shù)取365天。（3）亮化工程的年耗電量的計算方法是：總功率×年開放時間。年開放時間由業(yè)主提供。3.辦公設(shè)備的年耗電量辦公設(shè)備的年耗電量計算方法是：辦公設(shè)備的年耗電量=總功率×每天運行時間×年工作日天數(shù)×同時使用系數(shù)（2-8）·每天運行時間一般取8～9小時；表3A1辦公樓各用能系統(tǒng)耗電量/kWh用途功率/kW天時間/h年運行/d系數(shù)耗電量份額/%建筑總用電量258空調(diào)采暖89330834.66室內(nèi)照明31092580.9568382933.68室外照明49.2103651179580亮化工程21.85102114589客梯86102580.61331287.30觀光梯22102580.634056貨梯9102580.36966會議梯18102580.313932辦公設(shè)備30.892580.8572142.22生活泵3092580.5348301.35其他53580320.79·年工作日一般取258天；·同時使用系數(shù)一般取0.5～0.8。4.生活水泵的年耗電量生活水泵的年耗電量的計算方法是：生活水泵的年耗電量=功率×每天運行時間×年工作日×同時使用系數(shù)2-9）·年工作日一般取258天；·每天運行時間和系數(shù)的取值按業(yè)主描述的實際情況選取。如果是變頻控制（無水箱），則再乘以0.5。以上2～4類若業(yè)主沒有提供功率，則不能計算各用能系統(tǒng)的能耗。（5）廚房用能廚房用能一般按以下兩種方法計算：·如果有單獨計量，可以計算炊具的用能，但廚房、餐廳的用電量一般無法統(tǒng)計?！と绻麤]有有單獨計量，盡量給出用餐人數(shù)。A1辦公樓的用電量見表3。該表的用能不包括采暖用油、廚房廚具用能。表中的其他用電包括地下室通風(fēng)、廚房設(shè)備用電、餐廳用電、衛(wèi)生間通風(fēng)等，從這個數(shù)據(jù)可看出，這一類就占了20.79%。2.2寫字樓寫字樓與辦公樓比較，具有以下特點：計量水平略高，但各用能系統(tǒng)仍然沒有獨立的計量儀表，一般每層樓有一塊計量儀表，包括空調(diào)末端設(shè)備、照明、辦公設(shè)備、電開水器。能源收費方式是按面積分攤+按能量計費。各用能系統(tǒng)的統(tǒng)計原則上與辦公樓相同，主要區(qū)別點是：（1）由于寫字樓的建筑特點，一般過渡季節(jié)不能充分利用自然通風(fēng)，而且室內(nèi)熱源大。這兩個因素決定了寫字樓的過渡季節(jié)存在空調(diào)通風(fēng)耗能。空調(diào)通風(fēng)耗能（風(fēng)機盤管+新風(fēng)機組的系統(tǒng)）由下式計算：空調(diào)通風(fēng)耗能=新風(fēng)機組耗能+風(fēng)機盤管耗能（2-10）式中，新風(fēng)機組耗能=新風(fēng)機組功率×運行時間×同時使用系數(shù)；風(fēng)機盤管耗能=風(fēng)機盤管功率×運行時間×同時使用系數(shù)。詳細的運行時間與投入的功率一般沒有記錄，只能通過與運行人員交談獲得有用的信息。（2）照明有公共照明，各業(yè)主或者租賃戶所使用的區(qū)域照明，而且還有不同的裝飾風(fēng)格以及用途，因此照明與辦公設(shè)備一般不便于統(tǒng)計其總功率，僅能與動力設(shè)備等歸為一類[2]。（3）基準(zhǔn)點的選擇與辦公樓不同。基準(zhǔn)點=4月（或11月）的耗電量-空調(diào)通風(fēng)耗電量。根據(jù)該寫字樓在過渡季節(jié)空調(diào)機組的實際開啟情況，得出其過渡季節(jié)中空調(diào)通風(fēng)的月耗電量（功率×每天運行時間×該月天數(shù)×同時使用系數(shù)），再用上半年的較小值和下半年的較小值減去空調(diào)通風(fēng)的月耗電量，即可分別得出上半年和下半年的月耗電量基準(zhǔn)。各月的通風(fēng)空調(diào)的耗電量=各月耗電量與基準(zhǔn)值之差，通風(fēng)空調(diào)與采暖的總能耗為各月的通風(fēng)空調(diào)與采暖的能耗之和。2.3商場各用能系統(tǒng)能耗的計算方法基本可以參考辦公樓與寫字樓的計算方法，只是在同時使用系數(shù)和基準(zhǔn)點的確定上略有不同。2.3.1空調(diào)與采暖耗能量統(tǒng)計武漢的商場一般全年需要制冷，但在氣溫低和客流密度比較小的情況下也采暖?？照{(diào)與采暖耗能量的統(tǒng)計類同于寫字樓。一般有兩種方法。（1）冷熱源有單獨計量根據(jù)計量表統(tǒng)計出冷熱源的能耗，冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔和末端能耗均為額定功率乘以運行時間。（2）冷熱源無單獨計量冷熱源無單獨計量時，則要確定基準(zhǔn)值?？照{(diào)與采暖耗電量的基準(zhǔn)值的選取方法類同寫字樓，但上半年的基準(zhǔn)點=3月份耗電量-空調(diào)通風(fēng)耗能，下半年仍然取11月份。（3）因為商場一般不采暖，所以大多數(shù)商場無采暖能耗；有少數(shù)商場采暖，其采暖能耗的計算也可參考辦公樓的計算方法。2.3.2電梯系統(tǒng)能耗電梯一般有自動扶梯、客梯、貨梯。自動扶梯，每天時間取12小時，工作日天數(shù)取365天，系數(shù)取0.8～1；客梯的系數(shù)取0.6；貨梯的系數(shù)取0.3～0.4。表4C商場各系統(tǒng)耗能項目建筑空調(diào)通風(fēng)公共區(qū)域照明電梯其他耗電量/kWh290583832842490122份額/%35.003.148.995.2947.592.3.3照明系統(tǒng)能耗由于照明系統(tǒng)復(fù)雜，照明功率難以統(tǒng)計，較好的情況是能給出公共區(qū)域的照明能耗。照明系統(tǒng)的工作日天數(shù)取365天，視圍護結(jié)構(gòu)、用戶的能源管理狀況，同時使用系數(shù)取0.8～1。表4為C商場各用能系統(tǒng)能耗。酒店酒店的能耗計量與統(tǒng)計比辦公樓、商場規(guī)范。計算方法可綜合參考辦公樓和商場的計算方法。但酒店有它的特殊性，應(yīng)根據(jù)實際情況酌情處理。例如，空調(diào)采暖能耗，熱水系統(tǒng)的能耗。2.4.1空調(diào)采暖能耗的計算表5中央空調(diào)系統(tǒng)各用能系統(tǒng)耗電量/kWh空調(diào)系統(tǒng)新風(fēng)機組風(fēng)機盤管空調(diào)機組水系統(tǒng)2569656064277035圖2D酒店空調(diào)系統(tǒng)份額（1）D酒店1＃、2＃變壓器的電度表計量了冷水機組、循環(huán)水泵、冷卻水泵、冷卻塔的耗電量，通過電度表可以統(tǒng)計中央空調(diào)水系統(tǒng)的耗電量。末端裝置的耗電量計算采用式（2-3）。其中風(fēng)機盤管的總功率為其單臺額定功率×臺數(shù)×客戶率（床位數(shù)），新風(fēng)機組和空調(diào)機組不需要考慮客戶率（床位數(shù)）?？照{(diào)采暖系統(tǒng)的耗電量即為電度表的計量值與新風(fēng)機組、風(fēng)機盤管、空調(diào)機組的耗電量之和。中央空調(diào)系統(tǒng)統(tǒng)計結(jié)果見表5。中央空調(diào)系統(tǒng)各用能系統(tǒng)的份額見圖2。圖2D酒店空調(diào)系統(tǒng)份額表6建筑物中各用能系統(tǒng)的能耗項目建筑采暖空調(diào)電天然氣電天然氣電/kWh/m3/kWh/m3kWh實物能耗676319442633236312能耗/kJ1.04E+111.31E+102.16E+10份額/%－12.65%20.81%項目電梯廚房蒸汽鍋爐其他電天然氣天然氣電天然氣/kWh/m3/m3/kWh/m3實物能耗6819669754325506887396能耗/kJ8.07E+093.26E+098.54E+094.93E+10份額/%7.77%3.14%8.22%47.41%蒸汽鍋爐用途：一樓半廚房熱水，洗衣房，七樓游泳池，員工澡堂，員工餐廳（2）鍋爐房的熱水鍋爐1）熱水鍋爐的用途為：采暖和給客房提供生活熱水；2）能耗：天然氣耗量有計量表計量，但采暖鍋爐一般與生活鍋爐公用，因為冬季的生活熱水需求量比夏季大，故在采暖季中，提供生活熱水的天然氣的耗量逐月增加1000m3,計量值與生活熱水天然氣耗量值之差，即為采暖的天然氣耗量；2.4.2其他系統(tǒng)的能耗計算其他系統(tǒng)的能耗計算方法可以參考寫字樓與辦公樓的計算方法。參考文獻[1]李玉云,張春枝,曾省稚.武漢市公共建筑集中空調(diào)系統(tǒng)能耗分析[J].暖通空調(diào),2002,32(4):85-87[2]婁承芝,楊洪興,李雨桐,張藝豪.建筑物能源審計研究[J].暖通空調(diào),2006,36(5):44-50

電化學(xué)技術(shù)在新能源中的利用一.能源的概況1.能源的重要性1.能源的重要性自古以來,人類就為改善生存條件和促進社會經(jīng)濟的發(fā)展而不停地進行奮斗.在這一過程中,能源一直扮演著重要的角色.從世界經(jīng)濟發(fā)展的歷史和現(xiàn)狀來看,能源問題已成為社會經(jīng)濟發(fā)展中一個具有戰(zhàn)略意義的問題,能源的消耗水平已成為衡量一個國家國民經(jīng)濟發(fā)展和人民生活水平的重要標(biāo)志,能源問題對社會經(jīng)濟發(fā)展起著決定性的作用.2.能源的種類2.能源的種類大自然賦予人類的能源是多種多樣的,一般可分為常規(guī)能源和新能源兩大類.常規(guī)能源包括煤炭,石油,天然氣和水能,而新能源有生物質(zhì)能,核能,風(fēng)能,地?zé)崮?海洋能,太陽能和氫能等.其中煤炭,石油,天然氣被成為化石能源,水能,生物質(zhì)能,風(fēng)能,太陽能和氫能等是可再生能源.3.化石能源的問題(1)化石能源的短缺化石能源的短缺能源是人類賴以生存和社會發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ),是國民經(jīng)濟發(fā)展的命脈,但目前主要使用的化石能源的儲量不多.據(jù)2002年世界探明的化石能源的儲量和使用量統(tǒng)計,世界上煤,石油和天然氣的儲采比分別為204,40和60年,中國的情況更為嚴(yán)峻,據(jù)2002年統(tǒng)計,中國煤,石油和天然氣的儲采比只有82,15和46年.這表明在人類歷史的長河中,只有很短的一段時間能使用化石能源.隨著我國經(jīng)濟的持續(xù)高速增長,對能源的需求也持續(xù)攀升.我國一次能源消費總量從1978年的5.3億噸標(biāo)準(zhǔn)煤,上升到2002年的14.3億噸.據(jù)估計,我國在2004,2020和2050年的石油消費量達3,4.5和6億噸,其中進口量分別為1,2.7和4億噸.4億噸的進口量相當(dāng)于目前美國的石油進口量,這不但會制約我國經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展,而且對國家的安全也十分不利.(2)化石燃料造成嚴(yán)重環(huán)境污染和氣候異常化石燃料造成嚴(yán)重環(huán)境污染和氣候異?；剂系氖褂靡鸬沫h(huán)境污染,排放的CO2會造成溫室效應(yīng),使全球氣候變暖.有關(guān)機構(gòu)已向聯(lián)合國發(fā)出警告,如再不對CO2的排放采取嚴(yán)厲措施,在10年內(nèi),世界的氣候?qū)a(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的變化.我國的環(huán)境污染問題更是日趨嚴(yán)重,目前,我國CO2排放量占世界總排放量的14%,在美國之后位居第二,估計到2025年,將位居第一.在本世紀(jì)初聯(lián)合國關(guān)于環(huán)境污染的調(diào)查中,發(fā)現(xiàn)在世界上十個環(huán)境污染最嚴(yán)重的城市中,七個在中國.它們是太原,北京,烏魯木齊,蘭州,重慶,濟南和石家莊.4.21世紀(jì)世界能源發(fā)展趨勢世紀(jì)世界能源發(fā)展趨勢(1)節(jié)能技術(shù)將備受重視節(jié)能技術(shù)將備受重視節(jié)能就是提高能源利用率,減少能源的浪費.目前節(jié)能技術(shù)水平已是一個國家能源利用情況的綜合性指標(biāo),也是一個國家總體科學(xué)技術(shù)水平的重要標(biāo)志.許多研究報告指出,依靠節(jié)能可以將能源需求量降低2530%.我國在能源利用方面的效率很低,我國的能耗很高,是世界平均水平的2倍,發(fā)達國家的5-10倍,因此更應(yīng)重視節(jié)能技術(shù),我國應(yīng)該充分重視化石能源的高效利用.(2)世界能源系統(tǒng)將發(fā)生重大變革世界能源系統(tǒng)將發(fā)生重大變革據(jù)預(yù)測,20世紀(jì)形成的以化石燃料為主的世界能源系統(tǒng)將在21世紀(jì)轉(zhuǎn)換成以可再生能源為主的新的世界能源系統(tǒng).在20世紀(jì)末,化石燃料的使用量占了世界一次能源用量的89.5%.據(jù)世界能源委員會(WEC)和國際應(yīng)用分析系統(tǒng)研究所的研究報告認為,在20世紀(jì)上半葉,化石燃料仍將是世界一次能源的主體,但到21世紀(jì)下半葉,太陽能,生物質(zhì)能,風(fēng)能等新能源將占世界能源的50%左右.(3)煤炭將作為過渡能源而受到重視煤炭將作為過渡能源而受到重視由于石油和天然氣的儲量較少,而煤炭儲量相對較多,因此煤炭將作為一種過渡能源而在21世紀(jì)上半葉受到重視.主要發(fā)展的技術(shù)是潔凈煤技術(shù),煤液化和汽化技術(shù).(4)新化石能源的開發(fā)將得到強化新化石能源的開發(fā)將得到強化近年來發(fā)現(xiàn),在海洋300米深處有甲烷水合物存在.目前,甲烷水合物的開發(fā)已經(jīng)受到特別的關(guān)注.據(jù)估計,世界甲烷水合物的儲量可能超過石油,天然氣和煤炭儲量的總和.因此,甲烷水合物作為儲量巨大的未開發(fā)能源開始受到世界各國的高度重視.(5)核能的利用將進一步得到重視核能的利用將進一步得到重視據(jù)國際原子能機構(gòu)統(tǒng)計,在20世紀(jì)末,全世界運行的核電站有436座,總發(fā)電量為3.5億千瓦.這些電站主要分布在美,法,日,英,俄等31個國家,近年來,由于擔(dān)心核電站運轉(zhuǎn)的安全性,核廢料對環(huán)境的影響和核技術(shù)擴散對世界安全性的影響,核能的發(fā)展在發(fā)達國家已有下降趨勢,但在亞洲地區(qū)仍有強勁的增加趨勢,我國準(zhǔn)備在今后幾年內(nèi)建造4座核電站.受控核聚變是一直受人們關(guān)心的技術(shù),因為在海水中大約有23.4億萬噸氘,如受控核聚變技術(shù)在21世紀(jì)能得到應(yīng)用,在21世紀(jì)末,核能可望占世界一次能源的30%左右.(6)可再生能源的開發(fā)將越來越受到重視可再生能源的開發(fā)將越來越受到重視鑒于化石燃料的短缺及化石燃料的使用引起嚴(yán)重的環(huán)境污染和氣候異常,人們對新能源的開發(fā)越來越重視.其中水力能,地?zé)崮?海洋能和風(fēng)能的可利用資源有限,因此,太陽能,生物質(zhì)能和氫能的利用將倍受關(guān)注.二.生物質(zhì)能的利用1.生物質(zhì)能的優(yōu)點.(1)生物質(zhì)來源豐富地球上每年生長的生物質(zhì)總量約14001800億噸,相當(dāng)于目前世界總能耗的10倍,我國的生物質(zhì)能也極為豐富,可作為能源開發(fā)的生物質(zhì)能總量可達4.5億噸標(biāo)準(zhǔn)煤.加上生物質(zhì)能可再生.因此,生物質(zhì)能的高效,規(guī)?；每捎行Ь徑馐澜缒茉垂┬杳?(2)生物質(zhì)能可多途徑利用(a)直接燃燒.其熱能和蒸汽可發(fā)電,技術(shù)成熟,但效率低.(b)生物轉(zhuǎn)化.包括制沼氣和水解發(fā)酵制取醇類.生物質(zhì)制甲醇和乙醇技術(shù)基本成熟,但生產(chǎn)成本較高.生物質(zhì)制沼氣技術(shù)相當(dāng)成熟.2002年全國已建1300多萬個沼氣池.(c)光熱轉(zhuǎn)化.通過氣化,裂解,光催化等技術(shù),獲得氣,液體燃料來發(fā)電.(d)生物柴油.從油料植物提取植物油,經(jīng)甲酯化得生物柴油.它有含氧高,含硫低,分解性能好,燃燒效率高等優(yōu)點.(3)生物質(zhì)能利用的環(huán)境污染少由于生物質(zhì)利用過程中釋放的CO2是其生長過程通過光合作用從環(huán)境吸收的,所以生物質(zhì)能的利用過程不排放額外的CO2,而對環(huán)境污染少.生物質(zhì)能的利用還能降低污染.如可利用生物質(zhì)熱解汽化技術(shù)處理生活垃圾等,可得到以甲烷為主的燃氣,實現(xiàn)垃圾的減量化,無害化,資源化.2.生物質(zhì)能利用的問題2.生物質(zhì)能利用的問題生物質(zhì)能利用的缺點主要是生物質(zhì)分布廣,大面積收集成本高,經(jīng)濟的收集半徑在50公里以內(nèi),只適合建立小型,分散的生物質(zhì)能利用系統(tǒng).而小型轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的效率低,不提高生物質(zhì)能的利用效率就不能獲得好的經(jīng)濟效益,這是生物質(zhì)能至今未能實現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用的關(guān)鍵問題之一.因此,如何在小型,分散體系實現(xiàn)能量的高效,清潔及規(guī)?；檬瞧惹行枰鉀Q的問題.三.太陽能的利用1.太陽能的優(yōu)點太陽能的優(yōu)點(1)太陽能來源豐富太陽能來源豐富太陽能來源豐富是眾所周知的,這似乎是一種用之不絕,取之不盡的能源.太陽內(nèi)部不停地進行熱核反應(yīng),釋放出巨大的能量,輻射到地球上的能量只占起輻射總能量的極小部分,約1/22億,但地球每年接收的太陽能至少有6×1017千瓦小時,相當(dāng)于74萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤的能量.其中被植物吸收的僅占0.015%.可見,開發(fā)太陽能利用的潛力很大.(2)太陽能的使用沒有污染問題太陽能的使用沒有污染問題這也是眾所周知的,太陽能的使用基本上沒有污染問題.(3)太陽能可多途徑利用太陽能可多途徑利用(a)太陽能的熱利用.如太陽能熱水器,太陽灶,太陽能蓄熱池發(fā)電等.(b)太陽能發(fā)電.如太陽能電池和光電池.(c)光催化和光電催化制氫.主要用這兩種技術(shù)從水或生物質(zhì)中制得氫氣.2.太陽能利用的概況太陽能利用的概況近年來,太陽能的利用發(fā)展很快,據(jù)1997年的數(shù)據(jù),全球太陽能發(fā)電量已達800兆瓦.到2000年,日本已有7萬個住宅用上太陽能電池,美國和歐盟計劃在2010年前安裝100萬套太陽能電池.特別是把太陽能電池與屋頂瓦結(jié)合成光電發(fā)電系統(tǒng),目前歐洲已有300套,年發(fā)電量為1億千瓦.這種系統(tǒng)不但可供應(yīng)清潔能源,而且美觀耐用,壽命可達25年.太陽能的熱利用發(fā)展更快.特別在我國,太陽能熱水器的年產(chǎn)值已達60多億元,居世界首位.3.太陽能利用的問題太陽能利用的問題開發(fā)太陽能利用的主要問題是如何提高太陽能的轉(zhuǎn)換效率,其次是降低成本,這對我國特別重要,目前我國生產(chǎn)太陽能電池的能力已達幾百兆瓦,但由于價格高,基本上都銷往國外.第三,一些技術(shù),如光催化和光電催化制氫技術(shù)還沒成熟,沒有達到實用化的階段,應(yīng)該抓緊這方面的研究和發(fā)展.四.氫能的利用1.氫能的優(yōu)點氫能的優(yōu)點(1)氫是自然界儲量最豐富的元素.(2)氫是除核燃料外發(fā)熱量最大的燃料.(3)氫燃燒生成水,是世界上最清潔的燃料.(4)燃燒性能好,可燃范圍大,燃燒速度快.(5)氫可用多種方法大規(guī)模生產(chǎn).(6)氫的利用形式多,可通過燃燒發(fā)電,通過燃料電池發(fā)電等.2.對氫能利用的重視2002年加拿大舉辦了以"氫行星"為主題的第14屆世界氫能源大會.2003年在華盛頓召開15個國家和地區(qū)參加的"國際氫能經(jīng)濟合作伙伴"會議.冰島計劃用40年時間將冰島建成"氫社會".布什將投資120億美元來促進氫能源的發(fā)展.過去5年,工業(yè)化國家在氫能開發(fā)領(lǐng)域的投入年均遞增20.5%.氫將取代天然氣,油和煤而成為未來世界的主要能源,進入氫能時代已成為近年來的熱門話題,21世紀(jì)將是氫能世紀(jì).布什舉著使用氫燃料的照相機我國對發(fā)展氫能經(jīng)濟也開始重視,參加了2003年在華盛頓召開的有15國家參加的"國際氫能經(jīng)濟合作伙伴"會議.2004和2005舉辦了兩次關(guān)于氫能經(jīng)濟的中美雙邊會議.今年一月,中國科學(xué)院院士局召開了關(guān)于"石油替代能源"的研討會,主要討論石油資源可持續(xù)性分析,石油的替代能源,氫能燃料和我國的石油替代能源.并要組織人員進行軟課題研究.3.氫能的問題3.氫能的問題(1)氫的價格氫的制備,儲存和運輸中的價格問題,是影響走進氫能時代的很關(guān)鍵的問題.要降低其價格,必須形成氫的制備,儲存和運輸?shù)木W(wǎng)絡(luò).(2)廉價清潔的制氫技術(shù)問題(2)廉價清潔的制氫技術(shù)問題目前制氫效率很低,氫的制取要消耗大量的能量,因此尋求大規(guī)模的廉價清潔的制氫技術(shù)是各國科學(xué)家共同關(guān)心的問題.(a)化石燃料制氫:目前,96%氫從化石燃料制備,技術(shù)成熟,但要造成環(huán)境污染.(b)電解水制氫:技術(shù)成熟,但耗能多,價格高.一般每生產(chǎn)1立方米的氫氣,需要消耗4.2-6度的電能,其能量轉(zhuǎn)化率不到32%.(c)生物質(zhì)制氫:有可再生,產(chǎn)量大,可儲存,碳循環(huán)等優(yōu)點,從中長期看是最有前途的制氫方式.目前生物質(zhì)制氫效率低.(d)生物制氫:國內(nèi)外在選育高效產(chǎn)氫菌株工作進展不快,制氫效率低.(e)風(fēng)能制氫:用風(fēng)能發(fā)電來電解水產(chǎn)生氫,技術(shù)上沒有問題,降低成本和風(fēng)能發(fā)電量少是主要的問題.(f)太陽能制氫:該法還處在基礎(chǔ)研究階段,離商業(yè)化還有較遠的距離.(3)氫的儲運問題(3)氫的儲運問題氫的儲運技術(shù)主要解決儲運的安全性和成本,現(xiàn)在由于儲運技術(shù)不過關(guān),因此浪費了許多氫.許多工業(yè)過程,如煉油,煉焦,氯堿,合成氨,合成甲醇及煤氣制造等多有大量的副產(chǎn)品氫氣,只是由于儲運技術(shù)的問題而不能被利用.我國每年放空和燒掉的氫氣至少在1010標(biāo)立方米以上.因此解決氫的儲運問題也是走進氫能時代的一個很關(guān)鍵的問題.目前氫的儲運還有很大問題.(a)高壓儲氫:儲氫量少,只有1%左右,還有不安全的問題.(b)液氫儲氫:很不方便,儲氫設(shè)備大,蒸發(fā)損失大.(c)吸附儲氫:這是目前的研究熱點,但儲氫容量還較低,一般不超過2%.鎂合金儲氫在3%,但儲放不可逆.熱門一時的納米碳管儲氫也已沒有了希望,最終的儲氫量也只有1%左右.(e)化合物儲氫:放氫不容易.(4)燃料電池還沒有商品化用氫作燃料的燃料電池的出現(xiàn)是促進氫能利用的重要原因.近年來,由于化石燃料資源短缺和環(huán)境污染日趨嚴(yán)重,各國對燃料電池的研究十分重視.美國《時代周刊》把燃料電池列為21世紀(jì)十大高新科技之首,燃料電池已被認為是21世紀(jì)極具應(yīng)用前景的一種新型能源系統(tǒng).雖然燃料電池有很誘人的優(yōu)點,而且燃料電池的發(fā)展已有100多年的歷史,但至今還沒有一種燃料電池已經(jīng)真正商品化,因此,燃料電池何時才能商品化是一個與氫能利用密切相關(guān)的問題.4.反對氫能的意見4.反對氫能的意見(a)氫以化合物形式存在,制氫要消耗能源.它不是一種能源,而是能源的流通手段.(b)氫的泄漏會改變氣候.氫不可避免泄漏,泄漏量可達15%.泄漏的氫會在大氣形成水霧,它會象二氧化碳一樣,使天氣變暖.(c)現(xiàn)在一般用高壓氫作燃料電池燃料,氫的泄漏會產(chǎn)生很大的不安全性,手機等的火花就會使泄漏的氫發(fā)生爆炸.(d)冰島能做的,其他國家不一定能做,冰島的氫都是電解水制得的,因該國70%的電是由地?zé)岷退娬井a(chǎn)生的.(5)氫的清潔生產(chǎn)要用風(fēng)能和太陽能.據(jù)估計,如用風(fēng)能發(fā)電制氫,當(dāng)風(fēng)能發(fā)電量達到美國6%的用電量,風(fēng)能發(fā)電機要占的面積要有半個加州那么大.(6)布什承諾投資120億美元用于氫能的研究是一個微不足道的投資.美國去年用于核能和礦物質(zhì)燃料方面的研究經(jīng)費大于氫燃料的研究經(jīng)費.美國推行"健康婚姻"的預(yù)算就有150億美元.美國用于伊拉克戰(zhàn)爭的經(jīng)費每月390億美元.(7)氫燃料電池價格昂貴.目前內(nèi)燃機成本為每千瓦50美元,而氫燃料電池為800美元.估計大量使用后,也要300美元.另外所有的加油站改成加氫站也要花費大量的資金.五.燃料電池加速氫能利用1.燃料電池的優(yōu)點.(1)燃料電池是一種高效清潔的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng),可降低環(huán)境污染和氣候異常.(2)燃料電池能高效利用生物質(zhì)轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的氣,液物質(zhì)和氫作燃料,因此,能促進氫能的利用.(3)燃料電池的發(fā)電效率不受體系規(guī)模限制,小型燃料電池同樣能夠?qū)崿F(xiàn)高效發(fā)電,適合于生物質(zhì)分散性的特點.2.燃料電池定義燃料電池是一種不經(jīng)燃燒直接以電化學(xué)反應(yīng)的方式將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成電能的裝置,只要連續(xù)供應(yīng)燃料,燃料電池就能連續(xù)發(fā)電.3.原理陽極反應(yīng):H2=2H++2e陰極反應(yīng):1/2O2+2H++2e=H2O總的反應(yīng):H2+1/2O2=H2O4.燃料電池分類堿性燃料電池(AFC)(1)堿性燃料電池(AFC)陽極:催化劑:Pt,燃料:氫陰極:催化劑:Ag,氧化劑:氧電解液:30%KOH隔膜:石棉膜工作溫度:60-80oC用途:航天器和潛艇的動力源優(yōu)點:比能量和比功率高缺點:對CO2敏感,不宜地面使用(2)磷酸燃料電池(PAFC)磷酸燃料電池(PAFC)陽極:催化劑:Pt,燃料:氫陰極:催化劑:Pt,氧化劑:氧電解液:98%磷酸工作溫度:200oC用途:家庭住宅能源和汽車動力源優(yōu)點:穩(wěn)定性好,已有商品生產(chǎn)缺點:用貴金屬作催化劑,價格高.(3)質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)陽極:催化劑:Pt,燃料:氫陰極:催化劑:Pt,氧化劑:氧電解液:含水的質(zhì)子交換膜工作溫度:60-80oC用途:汽車和潛艇等的動力源優(yōu)點:比能量和比功率高,壽命長,應(yīng)用范圍廣缺點:對CO敏感,價格高,800美元/千瓦,而內(nèi)燃機50美元/千瓦.氫源問題.(4)直接甲醇燃料電池(DMFC)直接甲醇燃料電池(DMFC)陽極:催化劑:Pt合金,燃料:氫陰極:催化劑:Pt,氧化劑:氧電解液:含硫酸的質(zhì)子交換膜工作溫度:60-80oC用途:可移動的小型電子儀器設(shè)備動力源優(yōu)點:比能量高,體積小問題:Pt對甲醇氧化電催化效率低,易被甲醇氧化中間產(chǎn)物毒化,甲醇會透過質(zhì)子交換膜.(5)熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)陽極:催化劑:Ni,燃料:氫陰極:催化劑:NiO,氧化劑:氧電解液:熔融碳酸鹽(NaCO3-LiCO3)工作溫度:600oC用途:發(fā)電站優(yōu)點:反應(yīng)溫度高,不需貴金屬催化劑.可用含CO的燃料氣.壽命長.能量轉(zhuǎn)換率高,可達80%.問題:高溫下,電解液會腐蝕電極材料.壽命2萬小時,商業(yè)上要4萬小時.(6)固體氧化物燃料電池(SOFC)固體氧化物燃料電池(SOFC)陽極:催化劑:NiZrO2,燃料:甲烷,氫陰極:催化劑:NaCrO4等,氧化劑:氧電解液:ZrO2,CeO2等工作溫度:900oC用途:發(fā)電站優(yōu)點:不需貴金屬催化劑.壽命長.可用各種燃料氣.抗中毒能力強.能量轉(zhuǎn)換率最高,可達80%以上.問題:高溫下,密封困難,放大困難.價格高.5.PEMFC發(fā)展現(xiàn)狀發(fā)展現(xiàn)狀(1)世界各國對世界各國對PEMFC的重視世界各國對的重視近十年來,近十年來,PEMFC技術(shù)的研究開發(fā)受到技術(shù)的研究開發(fā)受到許多國家的政府和跨國大公司的極大重視,許多國家的政府和跨國大公司的極大重視,已出現(xiàn)許多PEMFC電動車樣車.電動車樣車.已出現(xiàn)許多電動車樣車我國計劃,年奧運會期間,我國計劃,到2008年奧運會期間,將有我年奧運會期間國生產(chǎn)的燃料電池電動車會小批量,國生產(chǎn)的燃料電池電動車會小批量,示范性地行駛在街頭.性地行駛在街頭.年世博會期間,輛燃料電池公交到2010年世博會期間,20輛燃料電池公交年世博會期間輛燃料電池出租車,車,300輛燃料電池出租車,1000輛電動輛燃料電池出租車輛電動汽車