曹 琦

（西安交通大学 陕西西安 710048）

1 引言

1.1 节能现状

为适应严峻的资源、人口、环境形势，97年我国推出了《能源法》，节能成为我国的基本国策。自97年至今我们进行了多轮多次按专业模块、“头痛医头、脚痛医脚”式的节能改造，我国的单位GDP能耗从世界平均的3.5倍到2012年已经下降到1.9倍，节能已经取得了可喜的成绩。[1]但随着节能工作深入推进，进一步挖掘节能潜力的难度加大，节能的任务更加艰巨。[2]

1.2 节能遇到了理论瓶颈

节能，我们面对是一个个耗能系统和一个个在耗能系统中运行的设备。我们应当把握耗能系统的本质，认识耗能系统运行的规律，“归根知常”做好接地气的耗能系统“顶层设计”，使耗能系统达到“配置合理，运行协调，整体优化”的境界且具有内在的健康结构，耗能系统才有能力涌现出包括节能在内的一系列外在的优良健康属性。可是以“集成设备”为主线、按专业模块堆积叠加思维模式的传统节能理论不清楚节能第一问：耗能系统的本质是什么；不清楚节能的第一概念：真节能是什么的问题。耗能系统顶层设计不接地气，才使深度节能很难进行下去。这个问题本是造物主的警示，我们的导航系统——理论指出的路径偏离正确航道，致使结果偏离预期。对于节能，我们遇到了理论的瓶颈。只有改变理念，才能上正道，我们必须从传统的工业时代以“集成设备”为主线，按专业模块堆积叠加顶层设计理念，转变到信息时代的以“集成知识”为主线，按系统论为目的整合的顶层设计理念。

1.3 系统、设备的本质性能指标

耗能系统、设备本质上都是耗散结构系统，都是靠消耗有效能才能承担一定任务，显示出人们需要的功能来，因此，系统、设备的耗能性能才是描述系统、设备的本质性能指标。本质性能指标是关键性的指标，这个指标优良，其他辅助性指标自然优良。从“系统节能”理论分析，设备都是在系统中运行的，衡量系统中运行设备的本质性能指标就是系统性能系数SCOP（System Coefficient of Performance）。

1.4 衡量设备性能指标现状

由于传统节能理论的不完善，没有把握耗能系统的本质及其运行规律，导致衡量系统设备性能指标体系概念的混乱。有的用本质性能指标，如单位GDP能耗的倒数表示国家生产系统耗能本质性能；有的用半本质性能指标，如冷水机组的COP值，在COP定义中表示机组输入耗能项中仅计算冷制冷机的能耗，没有计及两器消耗两泵的输送动力，而事实却是冷水机组消耗了三部分能量才能正常输出额定冷（热）量；有的不用本质指标，如冷却塔，用水量、温降表示性能；如换热器，只注重换热量、热流密度、体积表示性能……。衡量系统、设备性能指标体系的混乱，造成节能市场的混乱，良莠不齐，伪劣产品甚至第二类永动机也在节能市场上流行。为了彻底改变这种乱象，需要有良币驱逐劣币的机制，为此，特提出用本质性能指标作为系统、设备关键性指标的动议。

2 SCOP定义

系统性能系数SCOP的定义式如公式（1）所示：

式中：

SCOP——特定条件（工况）下的系统性能系数（System Coefficient of Performance），kW/kW；

Exi.t——系统或设备输入的总有效能，

Exi——系统或设备输入的第i个有效能，kW；

n——系统或设备有效能输入通道个数，个；

Exo.t——系统输出的总有效能，

Exo——系统或设备输出的第i个有效能，kW；

m——系统或设备有效能输出通道个数，个。

SCOP的含义。图1为系统或设备的SCOP示意图。从公式（1）SCOP的物理含义非常明确，表示系统或设备特定条件（工况）下单位能耗能够输出多少有效能，也就是系统或设备的有效能增益。它是反映系统或设备全息的本质性能参数，对系统、设备性能有影响的所有要素最终都表现在SCOP值的变化上。对于工业生产来说，这里的SCOP特定条件（工况）是指：额定工况、最小负荷工况、时均工况等。不指名特定条件（工况）来谈SCOP是无意义的。见图1。

3 SCOP的优点

3.1 物理概念清晰

公式（1）定义的SCOP反映的就是系统或设备的有效能增益。如果把系统、设备的关键被控参数都理解为广义的有效能的话，它实际上就是人们生活中常用“花一个钱买多少东西”的常识性概念，因此易于人们理解接受，易于推广应用。

3.2 简单、本质

公式（1）非常简单，但却抓住了系统、设备不耗能便不能“活”的类生物体的要害、本质。这个本质指标上去了，由它决定的其他辅助性考核指标自然跟着就上去了。

3.3 易在实践中测量、计算、检验

因为概念清晰、简单、本质、易学易用，在工程实践中非常容易测量检验、推广应用。

例1：冷却塔的SCOP测量计算

用功率表测量出冷却塔风机运行功率Wct.f；

用公式（2）测量计算冷却塔消耗的水泵输送动功率：

式中：

Exct.p——冷却塔消耗水泵的输送功率，kW；

Lct——冷却塔的流量，m3/s；

ΔPct——在冷却塔进口处测得的冷却塔总压降，kPa；

ηp.t——水泵总效率，%；粗算时可以取ηp.t=0.70（为合理的经验数值）。

冷却塔热湿交换释放空气中的能量用公式（3）测量计算：

式中：

图1 系统或设备的SCOP

Qct——冷却塔释放到空气中的热量，kW；

ρ——冷却水密度，kg/m3；

Cp——冷却水定压比热，kJ/kg.℃；

tw2——冷却塔进水温度，℃；

tw1——冷却塔出水温度，℃。

测量计算出这些数据之后，就可以用公式（4）计算出冷却塔的系统性能系数：

式中：

SCOPct——冷却塔系统性能系数，无因次；

Wct.f——冷却塔风机消耗的功率，kW。

例2：换热器系统性能系数测量计算

换热器的功能是在消耗初测、次侧泵（广义泵）的驱动力的前提下，完成两个隔离系统的热传递的任务。

换热器系统性能系数计算，首先用公式（2）测量计算出初测泵消耗的动力Exeh.p.1、次侧泵消耗的动力Exeh.p.2，再用公式（3）测量计算出换热器的传热量Qeh（从初测或次侧测量计算均可），就可以用公式（5）计算换热器的系统性能系数：

式中：

SCOPeh——换热器系统性能系数，无因次；

Qeh——换热器换热量，kW；

Eeh.p.1——换热器初测消耗的初测泵输送功率，kW；

Eeh.p.2——换热器次测消耗的次侧泵输送功率，kW。

系统性能系数的概念是普适的。如同例1、例2所示的，小到一个设备，大到一个生产系统、一个企业、甚至一个省、一个国家都可以用系统性能系数的概念来描述对象的能源使用效率，因此系统性能系数的概念是普适的。

3.4 有良好的良币驱逐劣币、净化节能市场的功能

系统性能系数的概念是衡量系统、设备能源利用效率的本质性能指标。其概念清晰、简单、本质、易学、易于推广应用，这等于让广大能源技术人员掌握了识别系统、设备优、劣、真、假的利器，投到节能市场中具有良好的良币驱逐劣币、净化节能市场的功能。

3.5 对高性能系统、设备的科学研究具有导航作用

系统中设备的本质性能指标才是真实的。设备都是在系统中运行，按照系统科学原理，设备融入系统中后，要受到左邻右舍的制约、限制，其性能要发生本质变化，所以谈论设备性能本质上应该指的是设备在系统中的性能，我们研究或谈论的焦点应当是反应在系统中运行设备的本质性能指标，而不是其他的细枝末节。系统中设备的本质性能指标才是真实的，研究和谈论的焦点在孤立设备的性能上是没有实际意义的。

系统性能系数恰恰是反映系统中的设备本质性能指标，提高系统、设备系统性能系数，就是人们追求的终极目标，能够用具体的数值来衡量它，使得目标更加清晰、真实，因此系统性能系数本质上是系统、设备科学研究的指路灯塔。有了明亮灯塔导航，设备厂家自己就会将设备中的“水分”挤掉，把产品做实，不必等某个机构来检验；政府构建的社会能耗监控网提供的大数据品位也会更高。比如，对冷却塔制造领域运用系统性能系数作为考核指标，不仅可以对冷却塔制造领域无动力冷却塔、水轮机冷却塔、横流塔、逆流塔的性能优劣一目了然，另一方面很难出现冷却塔风机大马拉小车的问题。就像我们在工程中遇到的配置110kW的风机电机、运行电流只有58A的大马拉小车的现象，在工厂里就会消灭，不会出现在现场。工厂技术人员会考虑本质性能指标的要求，自动选配合适的37kW的电机。

4 建议

正像文献[2]中所指出的，“随着节能工作深入推进，进一步挖掘节能潜力的难度加大，节能的任务更加艰巨。”实际这是造物主对我们的警示：我们必须将节能的理念从工业时代以“集成设备”为主线、目光聚焦在“物”上转移到信息时代以“集成知识”为主线、目光聚焦在“道”上。出问题，是我们遇到了新事物，仍用旧理念导航，除了仍旧引导我们到岔道上外，不会产生彻底解决问题的奇迹。要从岔道走到自然规律确定的正道，必须用能够把握事物本质、认识事物运行规律的新理念来导航。这是创新，就是解决问题，创新就是建立和新事物本质相匹配的新理念的过程的科学道理。

应用前景广大。系统性能系数是从耗能系统本质的角度提出的概念清晰、简单、本质、易学易用系统、设备的本质性能指标，不用多花钱就可高品质的提高节能环保的经济、社会、环境效益。这是一种从系统论观点堆出的具有严格的理论基础、又有成功案例，具有我国知识产权的新的节能理论技术。只是在强大传统思维定势面前还显得弱小。不过能够把握耗能系统的本质，认识系统运行规律正是这种理论生命力的所在。所以建议行业理论技术的领跑者、节能的专家权威从顶层上对系统性能系数的理念给以批判修正，以使这项技术早日应用到节能领域，为创造中国APEC蓝、为子孙后代的幸福共同做出贡献。

[1] 庄贵阳.低碳经济的理论与实践创新［Z］.深圳：华夏气候技术中心，自主创新大讲堂，2014-11-8

[2] 工信部 国资委.发改环资[2014]2423号文件（重大节能技术与装备产业化工程实施方案）[EB/OL]. 政府网站，2014年10月27日