第四節 熱經濟學分析法

一、熱經濟學的產生

?分析法在能量有效利用和節能分析工作中發揮著很大的作用，它可以對系統能量和能質利用進行科學評價，給出技術上的最優方案，提供技術決策的科學依據。但是從工程經濟學的角度來考慮，對于一個工程系統，其技術方案的最終決策，不但要求技術上優越，還必須要求經濟上合理。然而，在用?分析法對能量系統進行分析評價時，時常會遇到的“節能不省錢”的問題。例如，從?的角度去分析評價一個方案可能是合理的，但是在經濟上卻未必一定是最佳的，甚至還可能是“費錢”的，以致出現“得不償失”的情況。因此，僅從?的角度去分析問題，在經濟合理性上具有局限性。另外，從實際使用與經濟性的角度來考慮，不同形態能量所具有的單位?值并不等價。即使是同種能量形態的每單位?值，也并非等價。由于熱力學的勢參數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系。因此，為了考慮實際過程中?的不等價性和經濟因素，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的?的價值是不同的，因而在?的基礎上，把不等價性和經濟因素反映在?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?分析法與經濟因素相結合的交叉學科即熱經濟學或稱?經濟學便應運而生了。

二、熱經濟學分析法概述

熱經濟學是基于熱力學和經濟學的交叉而產生的新興學科，主要研究建立在熱力學分析基礎之上的經濟活動。?經濟學在熱力學量度與經濟學量度之間找到一個適當的平衡，借以全面而正確地反映用能系統載能價值流的運動規律，以期得到產品的單位成本最小、經濟效益最佳的最優結果。熱經濟學分析法有兩種基本思路：

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

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

熱經濟學分析法是熱力系統分析的強有力工具，特別適用于復雜工程(能量)系統的綜合優化、節能分析、改造設計、系統運行性能評估與故障診斷、熱力系統成本計算等技術問題。采用熱經濟學分析法，可以詳細描述整個生產過程中產品成本的形成過程，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系，按能量成本和非能量成本進行統一核算。

三、熱經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創立的，其基本思想是將熱力系統劃分為若干子系統，并使各子系統孤立化，通過對子系統逐個尋優，以局部優化代替總體進行優化，而達到全局最優的目的。孤立化模式應用的前提條件是各子系統在熱經濟上孤立化、互不影響，否則就會違背“系統的各個局部都為最優就意味著系統全局最優”的原則。因此，后人就將此第一次出現的熱經濟學命名為孤立化模式的熱經濟學。事實上，熱力系統各子系統之間在熱經濟上孤立化條件很難滿足，因此這種熱經濟學模式現在已經很少使用，除非在理論上有重大的突破，否則難以繼續發展下去。

2.代數模式

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

當系統穩定流動時，△M和△E均為零。以上的描述中M代表物流，W代表現金流，Q代表熱量交換的數量.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的流。

如上所述，代數模式主要運用會計統計的方法給出在系統各部位上?流及經濟流的分布，以發現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整體分析的角度給出系統的某一局部改進或某一參數改變對全系統帶來的影響。而一種稱為“優化模式”的熱經濟學分析法恰好能彌補代數模式的這些不足。作為最早出現在熱經濟學分析法里的兩種模式，代數模式和優化模式的使用在熱經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，常常把代數模式和優化模式結合起來一起使用，即先用會計統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，然后再進行熱經濟學優化，以期得到最佳方案。

3.結構系數模式

熱經濟分析法的結構系數模式主要是在選定的運行參數下，找出局部不可逆損失與系統整體不可逆損失、局部?流與系統?輸入之間的關系。該模式能夠如實描述一個系統內部各組元在熱力學上甚至經濟學上的內在聯系，因此可用于研究一些實際過程。通常可以用結構鍵系數(CofficientofStructuralBonds，CSB)來描述系統局部不可逆損失與系統整體不可逆損失之間的關系，而用外部鍵系數(CofficientofExteriorBonds，CEB)來描述系統局部?流與系統?輸入之間的關系。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，當改變系統中某一參數Xi來優化組成該系統的一個子系統時，該子系統的?損失It將發生變化，同時該變化必將引起系統的總?損失Ik也隨之發生變化。

值得指出的是，在研究系統的能量結構及其組元的熱經濟學優化中，結構鍵系數是非常有用的。通過分析結構鍵系數可能變化的范圍，就可知道此時系統結構的變化狀況，從而尋找優化的最好方式。

總的來說，熱經濟學分析法的結構系數模式實際上是把系統參數優化的問題轉化為求解結構鍵系數和外部鍵系數的問題，通過分析這兩個系數，可以得到系統各組元的具體表達式，從而了解各組元或各子系統對系統的影響。但是求解這兩個系數是一個非常復雜的過程，并且對于一個復雜的熱力系統，如果要確定系統中每個參數的具體表達式，有時也是不切實際的。因此在系統分析中應該根據具體情況來定。

4.矩陣模式

熱經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來建立更為通用的熱經濟學模型，以便分析系統中各組件的局部消耗對系統外部資源消耗的影響。熱經濟學分析法的矩陣模式能夠解決很多傳統方法無法解決的問題。例如，基于多種(物理、經濟和環境等)標準的多產品成本分攤、多目標的全局和局部優化、辨識復雜能量系統內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選、能源審計等。