第四節(jié) 熱經(jīng)濟學分析法

一、熱經(jīng)濟學的產(chǎn)生

?分析法在能量有效利用和節(jié)能分析工作中發(fā)揮著很大的作用，它可以對系統(tǒng)能量和能質(zhì)利用進行科學評價，給出技術(shù)上的最優(yōu)方案，提供技術(shù)決策的科學依據(jù)。但是從工程經(jīng)濟學的角度來考慮，對于一個工程系統(tǒng)，其技術(shù)方案的最終決策，不但要求技術(shù)上優(yōu)越，還必須要求經(jīng)濟上合理。然而，在用?分析法對能量系統(tǒng)進行分析評價時，時常會遇到的“節(jié)能不省錢”的問題。例如，從?的角度去分析評價一個方案可能是合理的，但是在經(jīng)濟上卻未必一定是最佳的，甚至還可能是“費錢”的，以致出現(xiàn)“得不償失”的情況。因此，僅從?的角度去分析問題，在經(jīng)濟合理性上具有局限性。另外，從實際使用與經(jīng)濟性的角度來考慮，不同形態(tài)能量所具有的單位?值并不等價。即使是同種能量形態(tài)的每單位?值，也并非等價。由于熱力學的勢參數(shù)燜是綜合運用熱力學第一定律和第二定律而導出的，表示能量的可無限轉(zhuǎn)換部分，具有在使用中消耗的商品屬性，因此?適合于與貨幣成本相聯(lián)系。因此，為了考慮實際過程中?的不等價性和經(jīng)濟因素，一種可行的方法便是對“傭”賦以“價值”，即考慮不同部位和不同形態(tài)的?的價值是不同的，因而在?的基礎上，把不等價性和經(jīng)濟因素反映在?的“單位”上，這就是所謂的“?的價值化”。于是，20世紀60年代，一種將?分析法與經(jīng)濟因素相結(jié)合的交叉學科即熱經(jīng)濟學或稱?經(jīng)濟學便應運而生了。

二、熱經(jīng)濟學分析法概述

熱經(jīng)濟學是基于熱力學和經(jīng)濟學的交叉而產(chǎn)生的新興學科，主要研究建立在熱力學分析基礎之上的經(jīng)濟活動。?經(jīng)濟學在熱力學量度與經(jīng)濟學量度之間找到一個適當?shù)钠胶猓枰匀娑_地反映用能系統(tǒng)載能價值流的運動規(guī)律，以期得到產(chǎn)品的單位成本最小、經(jīng)濟效益最佳的最優(yōu)結(jié)果。熱經(jīng)濟學分析法有兩種基本思路：

(1)把要分析的系統(tǒng)放到兩個環(huán)境中進行考察：一個是物理環(huán)境，描述該環(huán)境的參量為熱力學的物理量，如溫度、壓力和化學勢等;另一個環(huán)境是經(jīng)濟環(huán)境，描述這個環(huán)境的參量是一系列的經(jīng)濟信息，如價格、成本和利潤等。物理環(huán)境是自然環(huán)境，受能量守恒等一系列自然定律的約束;經(jīng)濟環(huán)境雖不受這些自然定律的約束，但要遵循一切經(jīng)濟規(guī)律而不能違反。

(2)把系統(tǒng)中(包括系統(tǒng)與環(huán)境之間)相互作用的物質(zhì)、能量、信息、設備、現(xiàn)金及人員都看成“流”，這些流從系統(tǒng)或環(huán)境的某一部分流人或流出，在流動過程中嚴格遵守物理環(huán)境和經(jīng)濟環(huán)境的有關(guān)規(guī)律，可以用一系列數(shù)學方程來描述這些規(guī)律。這些數(shù)學方程通常包括質(zhì)量平衡方程、能量平衡方程、?平衡方程以及經(jīng)濟平衡方程，經(jīng)濟平衡方程也可稱為成本平街方程。在熱經(jīng)濟學中，成本平衡方程的建立是重點。

熱經(jīng)濟學分析法是熱力系統(tǒng)分析的強有力工具，特別適用于復雜工程(能量)系統(tǒng)的綜合優(yōu)化、節(jié)能分析、改造設計、系統(tǒng)運行性能評估與故障診斷、熱力系統(tǒng)成本計算等技術(shù)問題。采用熱經(jīng)濟學分析法，可以詳細描述整個生產(chǎn)過程中產(chǎn)品成本的形成過程，并進行合理的成本評估，同時也便于把生產(chǎn)過程的燃料消耗成本和設備的投資、折舊、運行、維護、檢修和管理成本相聯(lián)系，按能量成本和非能量成本進行統(tǒng)一核算。

三、熱經(jīng)濟學分析法的主要模式

1.“孤立化”模式

“孤立化”模式是由M.Tirbsu創(chuàng)立的，其基本思想是將熱力系統(tǒng)劃分為若干子系統(tǒng)，并使各子系統(tǒng)孤立化，通過對子系統(tǒng)逐個尋優(yōu)，以局部優(yōu)化代替總體進行優(yōu)化，而達到全局最優(yōu)的目的。孤立化模式應用的前提條件是各子系統(tǒng)在熱經(jīng)濟上孤立化、互不影響，否則就會違背“系統(tǒng)的各個局部都為最優(yōu)就意味著系統(tǒng)全局最優(yōu)”的原則。因此，后人就將此第一次出現(xiàn)的熱經(jīng)濟學命名為孤立化模式的熱經(jīng)濟學。事實上，熱力系統(tǒng)各子系統(tǒng)之間在熱經(jīng)濟上孤立化條件很難滿足，因此這種熱經(jīng)濟學模式現(xiàn)在已經(jīng)很少使用，除非在理論上有重大的突破，否則難以繼續(xù)發(fā)展下去。

2.代數(shù)模式

代數(shù)模式是熱經(jīng)濟學分析法中比較經(jīng)典的一種模式，它主要采用會計統(tǒng)計的方法進行熱經(jīng)濟學分析，因此也稱為會計模式。代數(shù)模式中采用的會計法，即熱經(jīng)濟學會計法與一般財務會計法基本相同，只是它所統(tǒng)計的內(nèi)容不是現(xiàn)金，而是能量系統(tǒng)中的物質(zhì)流、?流和現(xiàn)金流。在運用熱經(jīng)濟學會計法時，一般要進行兩個方面的統(tǒng)計和計算，一方面是熱力學的統(tǒng)計和計算，如系統(tǒng)中的各股物流與?流的分布以及這些能流的焓值和?值;另一方面是經(jīng)濟學的統(tǒng)計和計算。在進行計算時，主要是建立能量平衡方程、物質(zhì)平衡方程、?平衡方程、成本平衡方程來求解，以獲得相應的結(jié)果。例如，在進行熱力學統(tǒng)計和計算時，可列出系統(tǒng)的能量平衡方程和物質(zhì)平衡方程，通過計算求取系統(tǒng)中各子系統(tǒng)的能量費用和非能量費用，以及各股?流的?單位價格。

各平衡方程的表達式可表示如下：

當系統(tǒng)穩(wěn)定流動時，△M和△E均為零。以上的描述中M代表物流，W代表現(xiàn)金流，Q代表熱量交換的數(shù)量.H代表能量流的焓值。下標out和in分別表示流出和流人各個子系統(tǒng)的流。

如上所述，代數(shù)模式主要運用會計統(tǒng)計的方法給出在系統(tǒng)各部位上?流及經(jīng)濟流的分布，以發(fā)現(xiàn)哪些地方的改進潛力最大，但它也有局限性，那就是它不能從系統(tǒng)整體分析的角度給出系統(tǒng)的某一局部改進或某一參數(shù)改變對全系統(tǒng)帶來的影響。而一種稱為“優(yōu)化模式”的熱經(jīng)濟學分析法恰好能彌補代數(shù)模式的這些不足。作為最早出現(xiàn)在熱經(jīng)濟學分析法里的兩種模式，代數(shù)模式和優(yōu)化模式的使用在熱經(jīng)濟學分析中并不是相互排斥的，而是相輔相成的。因此，在進行復雜方案的分析及比較時，常常把代數(shù)模式和優(yōu)化模式結(jié)合起來一起使用，即先用會計統(tǒng)計法把大量的可行性方案進行篩選，找出其中的缺陷以及需要改進的方向，然后再進行熱經(jīng)濟學優(yōu)化，以期得到最佳方案。

3.結(jié)構(gòu)系數(shù)模式

熱經(jīng)濟分析法的結(jié)構(gòu)系數(shù)模式主要是在選定的運行參數(shù)下，找出局部不可逆損失與系統(tǒng)整體不可逆損失、局部?流與系統(tǒng)?輸入之間的關(guān)系。該模式能夠如實描述一個系統(tǒng)內(nèi)部各組元在熱力學上甚至經(jīng)濟學上的內(nèi)在聯(lián)系，因此可用于研究一些實際過程。通常可以用結(jié)構(gòu)鍵系數(shù)(CofficientofStructuralBonds，CSB)來描述系統(tǒng)局部不可逆損失與系統(tǒng)整體不可逆損失之間的關(guān)系，而用外部鍵系數(shù)(CofficientofExteriorBonds，CEB)來描述系統(tǒng)局部?流與系統(tǒng)?輸入之間的關(guān)系。CSB和CEB的表達式分別表示如下

式(3-35)所表示的含義是：對于某一系統(tǒng)，當改變系統(tǒng)中某一參數(shù)Xi來優(yōu)化組成該系統(tǒng)的一個子系統(tǒng)時，該子系統(tǒng)的?損失It將發(fā)生變化，同時該變化必將引起系統(tǒng)的總?損失Ik也隨之發(fā)生變化。

值得指出的是，在研究系統(tǒng)的能量結(jié)構(gòu)及其組元的熱經(jīng)濟學優(yōu)化中，結(jié)構(gòu)鍵系數(shù)是非常有用的。通過分析結(jié)構(gòu)鍵系數(shù)可能變化的范圍，就可知道此時系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變化狀況，從而尋找優(yōu)化的最好方式。

總的來說，熱經(jīng)濟學分析法的結(jié)構(gòu)系數(shù)模式實際上是把系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化的問題轉(zhuǎn)化為求解結(jié)構(gòu)鍵系數(shù)和外部鍵系數(shù)的問題，通過分析這兩個系數(shù)，可以得到系統(tǒng)各組元的具體表達式，從而了解各組元或各子系統(tǒng)對系統(tǒng)的影響。但是求解這兩個系數(shù)是一個非常復雜的過程，并且對于一個復雜的熱力系統(tǒng)，如果要確定系統(tǒng)中每個參數(shù)的具體表達式，有時也是不切實際的。因此在系統(tǒng)分析中應該根據(jù)具體情況來定。

4.矩陣模式

熱經(jīng)濟學分析法的矩陣模式，也稱為符號模式，是在?成本理論的基礎上建立起來的，即使用符號或矩陣計算技術(shù)來建立更為通用的熱經(jīng)濟學模型，以便分析系統(tǒng)中各組件的局部消耗對系統(tǒng)外部資源消耗的影響。熱經(jīng)濟學分析法的矩陣模式能夠解決很多傳統(tǒng)方法無法解決的問題。例如，基于多種(物理、經(jīng)濟和環(huán)境等)標準的多產(chǎn)品成本分攤、多目標的全局和局部優(yōu)化、辨識復雜能量系統(tǒng)內(nèi)部各組件能量降的原因及其相互影響、各種可行設計方案之間的評價和優(yōu)選、能源審計等。