1. 引言
能源利用評價體系是制定國家能源政策和標準的依據，科學的評價體系是建設資源節約型社會，促進能源經濟可持續發展的重要保障。能源利用優劣的評價是建立在一定的評價基準之上的，綜觀世界各國法定的評價方法，都是建立在熱力學第一定律基礎上的，其優點是方法簡單，對於多數系統本身的優化設計是有效的。但是它將不同品質的能量等價處理，所得的結果有時是不科學的，甚至可能是反科學的，無法滿足國家能源科學管理的需要。
第二定律分析被公認為是最有效的能量系統分析方法，但是，一方面由於火用概念的抽象性與複雜性，另一方面由於其應用研究存在嚴重的不足，致使火用方法至今未能真正發揮作用。
能源利用可以分為生產**、網路輸配和終端使用者使用三個環節[1,2]，分屬不同的利益集團，它們之間的能量交換往往代之以貨幣結算，這種條塊分隔客觀上阻斷了能源利用的熱力學分析的連續性，是導致目前國家能源管理缺乏科學性的乙個重要原因。
熱電聯產是傳統的節能技術，其效能不僅取決於機組初引數，還取決於熱負荷的特性。採暖供熱是一種季節性負荷，低引數供熱機組非採暖期凝汽工況發電效率較之電網大機組相差很大，其總能系統是否節能須在年度週期內評價，僅採暖季及額定工況的效能不足以說明其節能性，能源利用的評價體系應能適應這種需要。
我國能源構成以煤為主(約佔66.3%)，是我國能源效率低下與環境汙染嚴重的乙個重要原因，煤的高效清潔利用是我國能源工作的核心。隨著經濟的發展，煤炭消耗量還將不斷增大，我國能源的供需矛盾和環境壓力必將日益隨之增大，如何有效地進行能源利用的科學管理，是擺在我們面前的乙個重要任務。
2. 一般化能源利用系統
能源利用系統可以一般化地表示生產**、網路輸配和使用者使用等三個部分組成，如圖1所示。天然氣、煤、石油等一次能源可以通過鐵路、公路和航運等交通網路輸運；也可以通過設定專門的管道輸運，如輸油管、輸氣管和輸粉管(燃煤電廠大量採用)等；更可以根據需要將這些一次能源轉化為電、熱(含熱水、蒸汽及冷、熱空氣) 等二次能源進行輸運。對於那些輸配網路很小或沒有輸配網路的能源利用系統，也可以沿用一般化能源利用系統的形式，只要將網路輸配環節的效率設為100%即可。
圖1 一般化能源利用系統
不同的一次能源開採的能耗不同，不同的輸運方式(鐵路、公路、航運及管道)和輸送距離，能耗相差更大，網路輸運環節對能源利用效率和經濟性的影響極大，應給予高度的重視。我國能源資源以煤為主，鐵路貨運能力的55%在運煤，而原煤中含有相當比例的灰份(約佔20%-40%)，如果煤的利用是以發電為目的，是運煤，還是將煤轉化為電輸送是很值得研究的問題。儘管天然氣可以用管道輸運，但是由於氣體密度相對較小，輸運損耗的影響很大，如果僅是針對熱電冷聯產，是輸電還是輸氣就變得很值得商榷了。
二次能源如電、熱等，也可以通過網路輸配，電網、熱網和暖通空調的風系統等都是二次能源的輸配系統。不同的輸配系統，能耗相差非常大。比較而言，電力輸配能流密度大，效率高，因此電網規模最大；熱網輸配不僅有熱損失，還必然要消耗電(功)以克服管道阻力，輸配效率較低，即熱不適合遠距離輸配，因此熱網規模遠小於電網。
據統計，**空調系統中冷(熱)空氣輸運系統的能耗可以佔到其總能耗的絕大部分[3]，導致**空調系統的能耗偏高。同樣的問題在水源熱幫浦系統中也非常突出，值得關注。
1. 能源利用的單耗分析
單耗分析思想是宋之平教授提出的[1,2]。根據熱力學第二定律，對於任一能源利用過程，其火用平衡關係可以一般性地描述為燃料火用=產品火用+火用耗損，即：
bs·ef =p·ep+σbi·ef [kj]
式中，ep, ef分別表示單位產品和單位燃料的火用值；p表示產品產量；bs表示燃料量；σbi為生產過程中各環節的火用耗損所對應的煤耗。
產品是多樣的，其火用是不等價的，如電(功)與熱、不同引數的熱量、海水淡化的產品淡水以及化工產品等。但是，任何產品的火用是一定的。任何的不可逆因素都必然造成產品產量的減少或單位產量燃料消耗(簡稱燃料單耗)增大。
因此，對於任何能源利用過程，單耗分析模型都可以一般性地表示為：
b=bs/p=bmin+σbi
式中，bmin=ep/ef[1,2]為生產該產品的理論最低燃料單耗，即在無任何火用耗損存在時的產品燃料單耗，σbi為系統各子系統裝置的火用耗損引起的附加燃料單耗之和。
只要我們知道某一產品的實際燃料單耗，就能很方便地計算出其生產過程的第二定律效率(火用效率)：
ηex=p·ep/bs·ef =(ep/ef)/(bs/p)= bmin/b
根據式，我們不難理解產品的理論最低燃料單耗以及生產過程的附加燃料單耗的分析具有重要的理論和工程實際意義，有助於我們了解該產品生產的節能潛力及最需要改進的環節。表1列入了部分產品的理論最低燃料單耗[1]和實際值，能源利用的節能潛力略見一斑。
表1 部分產品生產的單耗分析 (t標煤/t)
注：(1).寶鋼2023年的數值；(2).
全行業2023年平均值；(3).電解鋁電耗15000kwh/t，按366g/kwh計算燃料單耗；(4).2023年平均值；(5).
河北滄東發電****低溫多效海水淡化的數值；(6). 熱效率為65%的鍋爐房集中供熱。
一種產品的比火用是根據熱力學第二定律分析計算得出的乙個確定數值，許多產品的實際燃料單耗值的計算不一定需要進行能源利用全過程的第二定律分析，而可以直接由其標準煤耗與產品產量計算出來，也可以根據行業的統計資料計算。有了產品燃料單耗，其火用效率可以直接計算出來。從表1不難看出，基於單耗分析的第二定律效率可用於評價一切能源利用，它使熱力學第二定律分析用於能源利用的統計分析與評價成為了可能，這對能源利用及其科學管理具有非常重要的意義。
鍋爐房集中採暖供熱的熱效率可達65%，但其火用效率只有4.44%；即使熱效率達到100%，其火用效率也只有6.83%，非常的低。
之所以如此，是因為供熱是低品位能源需求，採用高品質的化石能源燃燒直接**，違反了按質用能的原則。
nc200/145mw兩用機的供熱燃料單耗僅是鍋爐房集中供熱的46.5%，相對於鍋爐房供熱顯然是節能的，但其供熱過程的火用效率也只有9.55%，說明其節能的潛力還很大。
儘管我國電力生產的供電燃料單耗比國際先進水平要差許多，即便如此，電力生產的第二定律效率(火用效率)仍是所有能源利用系統中最高的。不少人根據熱力學第一定律分析，常常說電力生產的效率低，實際上是一種不科學的認識。
綜上所述，單耗分析是基於熱力學第二定律的分析方法，最主要的特點就在於研究分析了能源利用的生產**、網路輸配及終端使用者使用之全過程，而不是某乙個環節，因此是最全面的熱力學分析方法。事實上，只有掌握了終端產品的燃料單耗，才能真正回答能源利用系統是否節能的問題，基於單耗分析的能源利用效率才是真正意義上的第二定律效率，任何其它的分析都是不完整的。
2. 能源利用的評價原則
一次能源輸運必然要消耗一定的能量，這部分能耗在研究一次能源遠距離輸運合理性的時候是必須給予充分考慮的。但是，如果將一次能源輸運能耗計入能源利用系統的分析，則不僅使問題複雜化，更重要的是對實際能源利用系統不公平。而在「標準煤」的概念下，一次能源開採、輸運過程及燃料的某些差異所產生的問題就被消除了。
基於標準煤，能源利用過程熱力學分析的資源口徑就得到了統一。
用能的目的多種多樣，滿足同一用能目的的供能方式也是多種多樣，如何針對用能目的進行能源利用的分析與評價是能源利用的乙個核心問題：究竟哪一種能源利用方式是節能的或節能潛力是多少？
為更好地進行能源利用的評價，有必要根據熱力學第二定律對「用能目的」進行「產品」界定，這是一項非常重要的工作。供熱是能源利用的一大類，可分解為工藝負荷和採暖負荷兩類，不同的供熱需求，要求不同的供熱引數，因此需要根據熱力學第二定律對供熱負荷的品位進行界定[1,2]，只有針對同一品位的熱產品的能耗對比分析也才具有本質意義。對於鋼鐵、冶金、化工、海水淡化的產品淡水等具體工業產品，純度是表徵產品品質的重要指標，只有針對同一品質產品的能耗對比分析才有意義。
交通運輸常用「百公里油耗」作為評價指標，但這是不全面的，交通運輸產品的科學定義應該是「噸公里」，即噸公里油耗才是評價交通運輸的科學指標。對於風機、壓縮機、水幫浦等流體機械，科學的產品定義是「流量揚程」(對照非平衡熱力學關於耗散功的定義：熱力學流熱力學力)[5]。
能源利用的分析與評價必須建立在產品等價的原則基礎上。
眾所周知，任何終端用能目的都可以有多種供能方式滿足。比如，對於採暖供熱，我們可以選擇鍋爐、熱電聯產、分布式熱電冷聯產系統、熱幫浦以及電熱膜等技術；對於鋼鐵冶煉，我們可以選擇基於燃煤的高爐、轉爐，也可以選擇電爐等，高爐煤氣和餘熱可以**利用，或發電、或供熱等；對於海水淡化，我們可以選擇鍋爐或核能蒸餾海水淡化，熱電聯產蒸餾海水淡化，也可以選擇電驅動的機械壓縮蒸餾以及反滲透海水淡化等；對於製冷空調，我們可以選擇直燃型吸收式製冷、熱電冷聯產、壓縮式製冷等。分析這些終端用能目的，我們不難發現任何的能源終端利用可以歸結為熱、電兩種主要形式，這是能源利用的共性所在。
但是由於熱、電之間存在不等價性，如何處理熱、電的不等價性成為目前能源利用系統的分析與評價的乙個難題。
之所以說是乙個難題，是因為任何的處理方法都具有人為規定性[6]，完全取決於研究人員的主觀判斷和經驗，至今沒有達成一致意見，這使得針對終端產品的能耗指標缺乏可比性。那種認為熱電聯產發電沒有冷源損失，就一定存在所謂的「好處」，因此需要合理分攤的觀點無助於問題的解決[7~9]。
不但如此，由於能量具有可相互轉化性，任何用能目的都可以用「電」來實現。不同發電技術的供電燃料單耗(供電煤耗率)不同，不同電壓等級的電網輸配系統及輸送距離的損耗不同，因此通過電網到達各個使用者終端的「電」具有的燃料單耗也不同，這是客觀事實。但如果將發電及其輸配系統的損耗計入終端使用者的能耗分析，對終端使用者的用能系統評價既不公平，又很難計算準確，這一問題似乎成為能源利用分析與評價無法克服的困難。
我們知道，「標準煤」概念的採用，消除了一次能源開採及輸運環節的影響，那麼我們完全可以基於電網平均供電燃料單耗確立「標準電」，用於計算所有從電網取電的終端產品生產的燃料單耗，則可以消除電力生產及輸運環節的影響。
由於熱電聯產供熱是以減少機組發電量為代價的，如果我們將減少的發電量視為其供熱的當量電耗，這部分電量與機組實際發電量完全等價，籍此我們可以很方便地計算熱電聯產供熱燃料單耗。更由於熱網輸配環節需要消耗相當比例的電(功)，基於電量，我們可以很方便地分析熱網輸配環節對供熱燃料單耗的影響。這一點對於暖通空調系統至關重要，因為低品位自然能源和餘熱利用是暖通空調系統節能的乙個重要途徑[3,10]，但是低品位之後，由於溫程的降低，所需載熱質的流量大幅度提高，用於載熱質輸運的電(功)消耗大幅度提高，從而加大暖通空調系統的能源消耗，需引起足夠的重視。
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