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内容提要：能量分析、能值分析和(火用)分析是探索能量利用效率的三种方法，其中(火用)分析是将热力学第一定律和第二定律结合起来分析能源的利用情况的方法，既考虑了能量的数量又考虑了能量的质量。因而在研究能量的转化利用效率时(火用)分析具有独到的优势。本文利用(火用)核算的方法研究了2005年甘肃省工业部门的能源和原材料利用情况。除了转化过程中的物质和能源的热力学(火用)和化学(火用)外，给生产过程中投入的资本和劳动力也赋予一个(火用)值，称为广义(火用)。以(火用)的形式来量化整个工业内部以及与省内外其他行业之间流出流入的资源和产品，所开采的资源和散发到环境中的废弃物也以(火用)的形式来量化。计算结果表明：开采部门，(火用)和广义(火用)的效率都在95％左右；而能源转化部门的(火用)效率为45.4％，广义(火用)效率为65.1％；整个制造业部门，(火用)效率为31.6％，广义(火用)效率为40.4％。整个工业部门，(火用)效率为39.5％，广义(火用)效率为44.5％。通过工业部门所消耗的能源、(火用)和广义(火用)的核算，揭示出工业上用能的薄弱环节，为建设可持续发展社会提供指导。
关键词：(火用)分析；广义(火用)；效率；工业部门
中图分类号：F127.42文献标识码：A文章编号：1003-4161(2007)06-0047-06
1．引言
从热力学定律可知，能量既有量方面的特征（热力学第一定律），也有质方面的特征（热力学第二定律）。为了确定工业生产中个别生产设备或整个生产装置能量损失的性质、大小和分布及探求提高能量利用率的途径，其有效的方法就是对系统进行能量分析、能值分析或(火用)分析。能量分析仅依据热力学第一定律（只从能量的数量出发）来分析揭示设备或装置在能量数量上的转换、传递、利用和损失情况，这种方法是片面的；能值分析是将不同种类、不可比较的能量转换成同一标准的太阳能值来衡量和分析，从而评价其在系统中的作用和地位，综合分析系统的能流、物流及其生态流，得出一系列反映系统结构、功能和效率的能值综合指标，综合分析系统的功能特征和生态经济效益，能值分析已经考虑到了能量的品质，但是该理论在具体计算能值时，忽视了环境的影响因素；而(火用)分析是结合热力学第一定律和第二定律（以第二定律为主），即从能量的数量和质量相结合的角度出发分析和揭示能量中(火用)在设备和装置中的转换、传递、利用和损失情况，以期找到各环节上的(火用)优势和(火用)薄弱环节，从而达到优化和改善社会系统的目的[1]。将(火用)理论应用于非热力学领域，像劳动力和货币资本的研究，就引申出劳动力和货币资本的广义(火用)（Extended Exergy）。(火用)分析比能量分析、能值分析能够更深刻更本质的揭示能量流动的本质，它不仅能够更科学地评价能量系统，而且还能准确的揭示能量系统影响热力学完善性的薄弱环节或部位，为改进系统指明方向。(火用)分析是这三种分析方法中最具优势的方法。工业上的节流阀，在节流阀的前与后，其能量的数量完全没有改变，能效率为100％。但这并不是说，经过节流阀前与后的能量的品质相等，因为此时已经造成了损失，损失的就是能量的做功能力，即(火用)[1]。火力发电厂，利用(火用)来分析，就会发现由于燃烧、传热过程的严重不可逆性，锅炉中的(火用)损失很大，提高锅炉的(火用)效率才是改善发电厂绩效的关键[2]。面对日益短缺的能源和环境的恶化，不刻划能源转化方面质的变化情况，仅利用能量分析是不能正确揭示工业上各行业的能源利用情况的，有时还会给分析造成误导，本文利用(火用)核算的方法，对2005年甘肃省工业部门的能源利用情况进行了分析，评价了各行业的绩效，研究结果可为各行业效率的提高指明方向。
2．甘肃省能源利用情况
2005年甘肃省能源利用总量占全国的2％多，而国民生产总值却只占全国的1％[3]，这说明甘肃省的能源利用情况存在很多的浪费。2005年甘肃省一次能源生产总量3 605.12万吨标准煤，比上年增长7.29%。能源生产弹性系数0.62，比上年下降0.99个百分点，说明了能源生产速度远远低于国民经济发展速度。能源消费总量4 367.67万吨标准煤，比上年增长11.77%。能源消费弹性系数1.01，比去年下降29.37%[3,4]，暗示了能源消费速度高于国民经济发展速度。按可比价格计算，2005年甘肃省万元GDP能耗2.26吨标准煤，比全国平均水平1.22吨标准煤高85％，是全国最好水平0.80吨标准煤的2.83倍。2005年全省每吨标准煤产出生产总值4 400多元，仅为全国平均水平8200元的54％，单方水产值仅为15.5元，为全国平均水平28元的55％[3,4]。这些足以说明甘肃在能源利用上存在着效率不高、浪费严重等诸多不合理的情形，而能源的总量是有限的，从可持续发展观来看，严重制约经济和社会的持续快速发展。
3．(火用)分析方法
一个系统的能量可以被定义为从一个被规定的零能量的状态转换为该系统的现状所需要做的功的总和。而一定形式的能量或一定状态的物质，经过完全可逆的变化过程（传热、传质、化学反应等）后，最终达到与环境完全平衡的状态，这个过程中该能量或物质所能做的最大功称为(火用)[1]。
系统与周围环境达到平衡的状态，有热平衡（温度相同）、力平衡（压力相同）和化学平衡（组成相同）三种。当系统的状态与周围环境状态完全平衡时，系统就不具有做功的能力。如果系统与环境仅达到热平衡和力平衡而未达到化学平衡时，这种平衡称为约束性平衡；若系统和环境同时达到热平衡、力平衡和化学平衡，则此种平衡称为非约束性平衡[5]。系统和环境由约束性平衡状态到达非约束性平衡状态时所提供的有用功即为该系统的化学(火用)。即系统由于自身的组成和环境的组成不同所具有的(火用)称为化学(火用)[6]。
工业生产过程都和吸放热联系在一起，热量(火用)是系统所传递的热量在给定环境条件下用可逆的方式所能做的最大有用功。在研究过程中略去能源和原材料本身的热量(火用)，因为它们本身的温度和环境温度相差很小，根据热量(火用)的定义可知[Ex＝（1－T0/T）Q[1]，热量(火用)值很小，就可以把它们忽略。而机械功和电功的(火用)值被认为等于它们的能量值，在转化过程中认为这两种功可以完全转化为有用功。
根据(火用)的定义，先讨论几种需要计算的化学(火用)值。
3.1 金属、非金属矿物化学(火用)的计算
这里C是流入一个部门的资本，Cref是广义货币供应量，即M2，在这里是指整个工业流通货币总量加上活期存款以及定期存款等储蓄存款[17]，Ein同前。
整个工业部门使用的初级资源折算成为(火用)是1732PJ（1PJ＝1015J）,详细计算见表2。这就是计算劳动力和资本的广义(火用)时的Ein，说明整个工业部门投入的(火用)是比较多的，消耗的能源也多，可以从表2中看出。整个工业部门从业人员是110.28万人，其中：开采部门是15.42万人；能源转化部门是11.60万人；制造业部门是83.26万人[4]，按照（3）式可以算出相应的劳动力的广义(火用)值。而对于一个行业的广义货币供应量无法精确得到，将2005年甘肃省工业部门各行业的总产值与工业部门各行业的货币流通速度相除累计相加来近似，2005年甘肃省工业部门的广义货币供应量近似为1 121.13亿元[4]，按照（4）式就可以算出流出、流入的资本广义(火用)值。
[14]Sciubba E. Cost analysis of energy conversion systems via a novel resource-based quantifier［J］. Energy 2003;28:457~477.
[15]Sciubba E. Extended-exergy accounting applied to energy recovery from waste: the concept of total recycling［J］. Energy 2003;28:1315~1334.
[16]Milia D, Sciubba E. Exergy-based lumped simulation of complex systems: an interactive analysis tool［J］. In: Venere P, editor. Proceedings of the Second International Workshop on Advanced Energy Studies, Italy, 2000, p. 513~523.
[17] Ivar S.Ertesvag. Energy,exergy,and extended-exergy analysis of the Norwegian society 2000［J］.Energy 2005:30 649-657.
[18] G.Q. Chen, B. Chen. Resource analysis of the Chinese society 1980–2002 based on exergy—Part 1,2,3,4,5［J］. Energy Policy 2007:35(4) 2038-2095.
[19]E.Sciubba,L.Susani (E.B.P.Tiezzi.Exergy and extended exergy accounting of the province of Siena［J］.Ecosystem and Sustainable DevelopmentⅣ:367-376.
[20] Qian SH,Yang DH. An evaluating and a formula of chemical exergy in structurally complicated materials［J］. Journal of East China Institute of Chemical Technology.1986 Vol.12 No.1 ［钱三鸿、杨东华.复杂物质化学(火用)的计算模型及计算式.华东化工学院学报 ，1986，12（1）：95-105.］
[21] China textile industry statistics yearbook.China textile industry development report 2006/2007［Z］.［中国纺织工业年鉴编辑中国纺织工业发展报告2006/2007.］
注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”
关键词：(火用)分析；广义(火用)；效率；工业部门
中图分类号：F127.42文献标识码：A文章编号：1003-4161(2007)06-0047-06
1．引言
从热力学定律可知，能量既有量方面的特征（热力学第一定律），也有质方面的特征（热力学第二定律）。为了确定工业生产中个别生产设备或整个生产装置能量损失的性质、大小和分布及探求提高能量利用率的途径，其有效的方法就是对系统进行能量分析、能值分析或(火用)分析。能量分析仅依据热力学第一定律（只从能量的数量出发）来分析揭示设备或装置在能量数量上的转换、传递、利用和损失情况，这种方法是片面的；能值分析是将不同种类、不可比较的能量转换成同一标准的太阳能值来衡量和分析，从而评价其在系统中的作用和地位，综合分析系统的能流、物流及其生态流，得出一系列反映系统结构、功能和效率的能值综合指标，综合分析系统的功能特征和生态经济效益，能值分析已经考虑到了能量的品质，但是该理论在具体计算能值时，忽视了环境的影响因素；而(火用)分析是结合热力学第一定律和第二定律（以第二定律为主），即从能量的数量和质量相结合的角度出发分析和揭示能量中(火用)在设备和装置中的转换、传递、利用和损失情况，以期找到各环节上的(火用)优势和(火用)薄弱环节，从而达到优化和改善社会系统的目的[1]。将(火用)理论应用于非热力学领域，像劳动力和货币资本的研究，就引申出劳动力和货币资本的广义(火用)（Extended Exergy）。(火用)分析比能量分析、能值分析能够更深刻更本质的揭示能量流动的本质，它不仅能够更科学地评价能量系统，而且还能准确的揭示能量系统影响热力学完善性的薄弱环节或部位，为改进系统指明方向。(火用)分析是这三种分析方法中最具优势的方法。工业上的节流阀，在节流阀的前与后，其能量的数量完全没有改变，能效率为100％。但这并不是说，经过节流阀前与后的能量的品质相等，因为此时已经造成了损失，损失的就是能量的做功能力，即(火用)[1]。火力发电厂，利用(火用)来分析，就会发现由于燃烧、传热过程的严重不可逆性，锅炉中的(火用)损失很大，提高锅炉的(火用)效率才是改善发电厂绩效的关键[2]。面对日益短缺的能源和环境的恶化，不刻划能源转化方面质的变化情况，仅利用能量分析是不能正确揭示工业上各行业的能源利用情况的，有时还会给分析造成误导，本文利用(火用)核算的方法，对2005年甘肃省工业部门的能源利用情况进行了分析，评价了各行业的绩效，研究结果可为各行业效率的提高指明方向。
2．甘肃省能源利用情况
2005年甘肃省能源利用总量占全国的2％多，而国民生产总值却只占全国的1％[3]，这说明甘肃省的能源利用情况存在很多的浪费。2005年甘肃省一次能源生产总量3 605.12万吨标准煤，比上年增长7.29%。能源生产弹性系数0.62，比上年下降0.99个百分点，说明了能源生产速度远远低于国民经济发展速度。能源消费总量4 367.67万吨标准煤，比上年增长11.77%。能源消费弹性系数1.01，比去年下降29.37%[3,4]，暗示了能源消费速度高于国民经济发展速度。按可比价格计算，2005年甘肃省万元GDP能耗2.26吨标准煤，比全国平均水平1.22吨标准煤高85％，是全国最好水平0.80吨标准煤的2.83倍。2005年全省每吨标准煤产出生产总值4 400多元，仅为全国平均水平8200元的54％，单方水产值仅为15.5元，为全国平均水平28元的55％[3,4]。这些足以说明甘肃在能源利用上存在着效率不高、浪费严重等诸多不合理的情形，而能源的总量是有限的，从可持续发展观来看，严重制约经济和社会的持续快速发展。
3．(火用)分析方法
一个系统的能量可以被定义为从一个被规定的零能量的状态转换为该系统的现状所需要做的功的总和。而一定形式的能量或一定状态的物质，经过完全可逆的变化过程（传热、传质、化学反应等）后，最终达到与环境完全平衡的状态，这个过程中该能量或物质所能做的最大功称为(火用)[1]。
系统与周围环境达到平衡的状态，有热平衡（温度相同）、力平衡（压力相同）和化学平衡（组成相同）三种。当系统的状态与周围环境状态完全平衡时，系统就不具有做功的能力。如果系统与环境仅达到热平衡和力平衡而未达到化学平衡时，这种平衡称为约束性平衡；若系统和环境同时达到热平衡、力平衡和化学平衡，则此种平衡称为非约束性平衡[5]。系统和环境由约束性平衡状态到达非约束性平衡状态时所提供的有用功即为该系统的化学(火用)。即系统由于自身的组成和环境的组成不同所具有的(火用)称为化学(火用)[6]。
工业生产过程都和吸放热联系在一起，热量(火用)是系统所传递的热量在给定环境条件下用可逆的方式所能做的最大有用功。在研究过程中略去能源和原材料本身的热量(火用)，因为它们本身的温度和环境温度相差很小，根据热量(火用)的定义可知[Ex＝（1－T0/T）Q[1]，热量(火用)值很小，就可以把它们忽略。而机械功和电功的(火用)值被认为等于它们的能量值，在转化过程中认为这两种功可以完全转化为有用功。
根据(火用)的定义，先讨论几种需要计算的化学(火用)值。
3.1 金属、非金属矿物化学(火用)的计算
这里C是流入一个部门的资本，Cref是广义货币供应量，即M2，在这里是指整个工业流通货币总量加上活期存款以及定期存款等储蓄存款[17]，Ein同前。
整个工业部门使用的初级资源折算成为(火用)是1732PJ（1PJ＝1015J）,详细计算见表2。这就是计算劳动力和资本的广义(火用)时的Ein，说明整个工业部门投入的(火用)是比较多的，消耗的能源也多，可以从表2中看出。整个工业部门从业人员是110.28万人，其中：开采部门是15.42万人；能源转化部门是11.60万人；制造业部门是83.26万人[4]，按照（3）式可以算出相应的劳动力的广义(火用)值。而对于一个行业的广义货币供应量无法精确得到，将2005年甘肃省工业部门各行业的总产值与工业部门各行业的货币流通速度相除累计相加来近似，2005年甘肃省工业部门的广义货币供应量近似为1 121.13亿元[4]，按照（4）式就可以算出流出、流入的资本广义(火用)值。
[14]Sciubba E. Cost analysis of energy conversion systems via a novel resource-based quantifier［J］. Energy 2003;28:457~477.
[15]Sciubba E. Extended-exergy accounting applied to energy recovery from waste: the concept of total recycling［J］. Energy 2003;28:1315~1334.
[16]Milia D, Sciubba E. Exergy-based lumped simulation of complex systems: an interactive analysis tool［J］. In: Venere P, editor. Proceedings of the Second International Workshop on Advanced Energy Studies, Italy, 2000, p. 513~523.
[17] Ivar S.Ertesvag. Energy,exergy,and extended-exergy analysis of the Norwegian society 2000［J］.Energy 2005:30 649-657.
[18] G.Q. Chen, B. Chen. Resource analysis of the Chinese society 1980–2002 based on exergy—Part 1,2,3,4,5［J］. Energy Policy 2007:35(4) 2038-2095.
[19]E.Sciubba,L.Susani (E.B.P.Tiezzi.Exergy and extended exergy accounting of the province of Siena［J］.Ecosystem and Sustainable DevelopmentⅣ:367-376.
[20] Qian SH,Yang DH. An evaluating and a formula of chemical exergy in structurally complicated materials［J］. Journal of East China Institute of Chemical Technology.1986 Vol.12 No.1 ［钱三鸿、杨东华.复杂物质化学(火用)的计算模型及计算式.华东化工学院学报 ，1986，12（1）：95-105.］
[21] China textile industry statistics yearbook.China textile industry development report 2006/2007［Z］.［中国纺织工业年鉴编辑中国纺织工业发展报告2006/2007.］
注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”