第2章　节能降耗的内涵及基本方法

2.1　能源概论

2.1.1　能源概况

2.1.1.1　能源与能

能源（energy sources）是自然界中能为人类提供某种形式能量的物质资源，是人类赖以生存的物质。通常凡是能被人类加以利用以获得有用能量的各种来源都可以称为能源。能源亦称能量资源或能源资源。

能源是能量的来源或源泉，是能量的载体。能量，简称为能，是物质的属性，是作功的能力，是物质运动的度量。任何物质都离不开运动，如机械运动、分子热运动、电磁运动、化学运动、原子核与基本粒子运动等，相应于不同形式的运动，能量分为机械能、热能、电能、光能、磁能、化学能、声能、分子内能、原子能等。

当物质的运动形式发生转换时，能量的形式同时发生转换，能量可以在物质之间发生传递，这种传递过程即作功或传递热量。例如，河水冲击水力发电机的过程，就是河水的机械能传递给发电机，并转换为电能。能量是一种标量，常用单位为尔格、焦耳、千瓦小时等，和功的单位相同。

能源是物质，因它们自身的物质结构和组成的不同，而具有不同的能量，这些能量是由组成物质的属性所决定的。

2.1.1.2　能源特性

各种能源都有着各自的特性，若从整体及能源的使用与管理角度上看，能源有以下共同特性。

（1）必要性和广泛性。能源是人类进行一切活动所必须消耗的（包括直接的和间接的）物质。随着社会的发展，能源的用途将越来越多，人们使用能源的必要性和广泛性也就越来越突出。

（2）连续性和波动性。能源不同于其他物质资源，它在生产过程中必须保证供应连续性，即不可间断性，如电力、自来水等。如果供应中断，即使是短暂时间，也会迫使生产停顿，甚至造成严重事故。此外，能源的使用又具有波动性，使用量的多少，会随着生产负荷的大小、气温的变化等因素而变化。

（3）一次性和辅助性。一般来讲，能源只能使用一次，使用过后，原来的实体立即消失，通常不能反复使用，这就是能源的一次使用性，它是由过程的不可逆性所决定的。能源作为燃料动力来说，在产品生产中的作用是改变物质的形态和性能，满足生产工艺所要求的条件，而并不构成产品的实体，在生产过程中发挥辅助性功能。

（4）替代性和多用性。无论哪种能源都可产生能，各种能源形态之间在一定的条件下可以相互转换，因而各种能源在使用上具有替代性。对于同一种生产活动，可以选用不同的能源。

多用性是能源的又一特点，大多数能源既可作为燃料动力使用，又可作为原料、辅助材料使用，而同一能源的不同用途，所得到的经济效果是不同的。

（5）不易储存性。某些经过加工后的能源，如电、蒸气等，由于它们的生产过程就是使用过程，在目前的技术条件下储存的手段有限。因此，它们在生产和使用过程中，具有不易储存的特点，这就要求它们的生产、输送、使用等过程在时间上一致，数量上基本平衡，否则，就会造成能源的浪费。

2.1.1.3　能源分类

世界上能源的种类很多，为了便于了解各种能源的形成、特点和相互关系，便于能源的利用和管理，有必要从不同的角度对能源进行分类。

能源的分类方法一般有以下几种。

（1）按能源的利用方式分类。按能源的利用方式可将能源分为一次能源和二次能源两大类。一次能源是指直接取自自然界未经加工转换而直接加以利用的能源，它包括：原煤、原油、天然气、核能、太阳能、水能、风能、波浪能、潮汐能、地热能、生物质能和海洋温差能等。一次能源可按其来源的不同划分为来自地球以外的、地球内部的、地球与其他天体相互作用的3类。来自地球以外的一次能源主要是太阳能。

（2）按能源利用的反复性分类。按能源利用的反复性，一次能源又可分为再生能源和非再生能源。非再生能源将随着不断地开发利用，总有一天会消耗殆尽。目前，世界各国的能源总产量和总消费一般均指一次能源而言。一次能源的分类见表2.1。

凡由一次能源经过转化或加工制造而产生的能源称为二次能源，如电力、蒸汽、煤气、汽油、柴油、重油、液化石油气、酒精、沼气、氢气和焦炭等。水力发电虽是由水的落差转换而来，但一般均作为一次能源。

2.1.1.4　能源消费

1.能源的计量单位

世界各国各行各业所消费的能源品种繁多，计量单位也各不相同。国际上常用的能源计算单位有焦耳（J）、英热单位（Btu）、千卡（kcal）、吨标准煤（tce）、桶油当量（boe）、吨油当量（toe）、标准立方米天然气当量（m3 gas）、千瓦小时（kW·h）、千瓦年（kW·a）等。

能量单位的定义如下。

焦耳——米·千克·秒制中的能量单位。1千克物体按1米每秒速度移动时，具有1/2焦耳的动能，同样，1牛顿的力移动1米距离时，所消耗的能量（所做的功）为1焦耳，符号为J。

卡路里——计算热能的单位。卡路里有两种量值：千卡（kcal）和克卡（cal）。1千克水温度升高1℃时，所需要的能量称为1千卡，亦称为大卡。1克水温度升高1℃时，所需要的能量称为克卡。

英热单位——类似卡路里的英制单位。1磅水温度升高1℉时，所需要的能量称为1英热单位，符号为Btu。

千瓦小时、千瓦年——根据功率乘时间确定的一种能量单位。如果1千瓦的速率持续消耗能量1小时，那么消耗能量的总数为1千瓦小时，简记为kW·h；如果1千瓦的速率持续消耗能量1年，那么消耗能量的总数为1千瓦年，简记为kW·a。

燃料单位——使用某种单位，即煤以吨计、石油以吨或桶计、天然气以立方米计，来表示单位燃料的有效能含量。吨煤当量（吨标准煤，英文简写为tce）、桶油当量（英文简写为boe）、吨油当量（英文简写为toe）、标准立方米天然气当量（英文简写为m3 gas）都是为了便于宏观统计，人为假设的“标准煤”“标准油”和“标准气”由于燃料质量等因素影响，各国标准有些差别。

为便于实际使用，表2.2～表2.6列出了常用能量单位换算表以及能量与能源之间的换算，便于彼此折算。

2.能源的储量、生产及消费

能源储量数据对人类未来的发展及能源政策的制定有着重要的参考意义，但根据对各种资料的研究分析，关于四大常规能源石油、煤炭、天然气、水能的储量数据不同的资料会有不同的表述，必须对此引起注意，否则会引起数据的矛盾。尤其是有些资料对储量没有作特别的说明，更会引起不同资料之间数据上的互相矛盾。一般而言，对石油、煤炭、天然气的储量常有地质储量、探明储量、技术可采量、经济可采量、剩余可采量等数据。地质储量的数据最大，是地质范围内可能存在的储量；探明储量是目前已经探明的储量，和地质储量相比数据大大缩小；技术可采量是在地质储量中凭目前的技术可以开采的量；经济可采量是指经济合理条件下可以开采的量，和技术可采量相比，数据也有所下降，因为有许多尽管技术上可以开采，但经济上不合理。如埋藏深度过深的煤炭，尽管技术上开采没有问题，但为开采这些煤炭付出的代价比获取的煤炭价值还大，这在经济上是不合理的，不属于经济可开采的储量。石油和天然气的经济可采量的含义和煤炭经济可采量的含义相仿。

对于水能储量主要有理论蕴藏量、技术可开发量、经济可开发量。对于水能理论蕴藏量世界各国有不同的计算方法和标准，中国和苏联等国家水能理论蕴藏量是按河流平均年径流量和河道落差进行计算，但有些国家是按平均降水量和地面坡降计算。两种不同的方法得到的水能理论蕴藏量是不同的，有时甚至有较大的差别。例如，日本的水能理论蕴藏量，若按平均降水量和地面坡降进行计算，其水能理论蕴藏量为717.6（TW·h）/a；若按河流平均年径流量和河道落差进行计算，其水能理论蕴藏量为284.6（TW·h）/a，前者为后者的2.5倍，可见不同的计算方法，数量相差较大。经济可开发水能资源是指在经济合理的条件下可开发利用的水能资源，一般在技术可开发水能资源的基础上，根据造价、淹没损失、输电距离等条件，选择技术上可行、经济上合理的水电站进行统计，可以得出经济可开发水能资源。经济上的合理性并不是一成不变的，是随各国的能源资源状况、能源价格、技术水平、电力市场和政府对可再生能源的政策的变化而变化，因此经济可开发水能资源的统计各个时期会有所不同。

从历史的进程来看，目前埋于地下的石油、天然气、煤炭等一次能源均来自太阳能，而在再生能源中太阳能占99.44%，而水能、风能、地热能、生物能等占不到1%。在非再生能源中，利用海水中氘资源聚变产生的核能（人造太阳能）几乎占100%，煤炭、石油、天然气、裂变核燃料加起来也不足以千万分之一。因此，世界能源储量最多的是太阳能，从长远的角度看，人类使用的能源归根到底要依靠太阳能，太阳能是人类永恒发展的能源保证。

目前人类使用的能源最主要的还是不可再生能源，如煤炭、石油、天然气和裂变核燃料等，它们约占能源总消费量的90%，再生能源如水能、植物燃料等只占10%左右。

3.世界一次能源总体分布格局

目前世界一次能源总体分布格局是长期不断发展而形成的，这种格局在短期内会有局部变化，但不会有大的改变。世界各种能源的储量、产量和消费量分布极不平衡，主要集中在某些地区和少数国家。从剩余可采储量看，石油主要分布中东地区，天然气主要分布在苏联和中东地区，煤炭大多分布在亚太、北美和欧洲地区。从产量看，石油产量中东地区占有优势，天然气主要产自北美和苏联地区，煤炭主要产自亚太和北美地区。从消费看，石油消费以北美、亚太和欧洲地区为主，天然气消费量主要集中在北美和苏联地区，煤炭消费以亚太和北美地区为主。核电消费主要在欧洲和北美地区，水电消费主要在北美、欧洲和亚太地区。位于世界前十位国家的含量和消费量在世界总量中占有较大份额，其中有些国家占明显优势，如委内瑞拉、沙特阿拉伯的石油储量、俄罗斯的天然气储量、美国的能源消费量等。中国煤炭储量在世界上排名第三，仅次于美国和俄罗斯，中国是目前世界上最大的煤炭生产和消费国，但中国的天然气无论储量、产量还是消费量都处在相对落后的位置。

2009年，世界一次能源消费结构为石油32.9%、煤炭27.2%、天然气20.9%、水电2.3%、核电5.8%。但是不同地区或不同国家的能源消费结构有较大差异，反映了各地区的能源结构及经济发展程度。

据BP最新发布的《世界能源统计回顾2011》数据显示：2010年，中国一次能源消费总量超过美国，跃居世界第一。一次能源消费总量世界前十位的国家依次是中国、美国、俄罗斯、印度、日本、德国、加拿大、韩国、巴西、法国。从总量来看，中国是能源消费大国，但是人均消费量低，而且消费结构不合理，一次能源以煤为主，油气在一次能源结构中的比例偏低。据国家统计数据库的资料，2000—2010年中国能源消耗结构详见表2.7。

按照国际可比口径统计，2009年，我国一次能源消费结构中煤炭所占比重比美国高约45%，比日本高约46%，比世界平均水平高约40%；油气所占比重比美国低42%，比日本低39%，比世界平均水平低约34%，我国与世界主要国家和地区一次能源消费结构对比见表2.8。

尽管中国的煤炭、石油和水能的储量在总量上居世界前十的地位，其中水能储量居世界第一，但中国的人均能源储量低于世界平均水平，如石油大约是世界人均储量的9.7%，煤炭为世界人均储量的61%，天然气仅为世界人均储量的6.3%。即使是在世界上总是遥遥领先的水能理论蕴藏量，中国的人均蕴藏量也不及世界人均水平，只有世界人均蕴藏量的72.7%。由此可见，中国整体的人均能耗储量在世界上属于偏低水平。总的看来，我国能源系统有以下特点。

（1）能源资源总量多，人均少，人均耗能及人均电力都大大低于世界平均水平。

（2）能源资源赋存分布不均，能源资源、能源生产与经济布局不协调。煤炭资源主要赋存于华北、西北地区，水力资源主要分布在西南地区，石油、天然气资源主要赋存于东部、中部、西部地区和海域。而我国主要能源消费区集中在东南沿海经济发达地区，资源赋存与能源消费地域存在明显差别。因此，北煤南运、西电东送、西气东输成了长期格局。

（3）消费结构不合理，能源结构仍以煤炭为主，煤炭消耗占能源总消耗的60%以上；而且第二产业仍然是能源消费的主要部分，这导致了能耗高、能源利用效率低（只有大约33%，美国为50%以上）、能源浪费和严重的环境污染；电力峰谷差日益增加，能源供应系统抗风险能力不足。

（4）能源消耗中几乎全部依靠常规能源，石油的消费与发达国家相比相差很大。

（5）煤炭生产以地方和集体煤矿为主，原煤入选率低，大多数煤炭未经洗选，高灰分、高硫分的煤直接加以使用，而且掺杂含假严重，造成严重污染。

作为以煤炭为主要消费能源的中国，应该合理调能源结构，控制煤炭消费总量，控制发电用煤，减少炼焦用煤，减低煤炭直接燃烧比例。扩大天然气利用，用燃气锅炉替代燃煤、燃油锅炉。必须大力发展煤的高效、清洁、低碳排放转换技术。积极发展燃气联合循环发电，超临界、超超临界蒸汽参数发电技术，热电联产及多联供技术。另外，还要积极探索新的安全堆型发电关键技术，提高核废料处理的安全性及再利用性。推广风力发电技术，解决大容量新型风电机组研制与国产化。推广燃料电池发电技术，低价、高效、长寿新型光伏发电技术；生物质气化、液体燃料、发电技术；太阳能、沼气技术；光热利用新技术（发电、制冷等）；中低温能源利用、热泵等节能技术。

4.水能

水能是自然界广泛存在的一种能源，也是常规能源中唯一的可再生能源，但它一般不能被直接使用，需通过建立水电站将其转换为二次能源——电能。水能资源和其他能源相比，具有许多优势，如水能资源地理分布广泛，大约150个国家拥有水能资源，全世界约70%经济可行的水能资源尚未开发，其中大部分位于发展中国家；水电开发技术成熟，能源转换率高，一般超过90%；水电的峰荷发电特征使得作为基本荷载的其他电力能够得到更加充分的利用；尽管与其他电站替代方案相比较而言，水电站的早期投资较大，但其具有运行成本最低和使用寿命长的优势；作为多功能综合水利项目的一部分，水力发电可以对诸如灌溉、供水、航道改善和娱乐等水利项目的其他重要功能和设施等提供资助。尽管水能资源具有以上优势，但水能资源的利用必须建坝，而建坝可能所产生的各种问题必须加以高度重视，否则可能带来严重问题，如移民问题、对泥沙和河道的影响、对大气的影响、水体变化带来的影响、对鱼类和生物物种的影响、对文物和景观的影响、地质灾害、溃坝等民生与生态问题都必须预先加以重视和解决。

人类利用水能资源修坝发电的过程经历了4个阶段：第一阶段为技术制约阶段；第二阶段为投资制约阶段；第三阶段为市场制约阶段；第四阶段为生态制约阶段。目前世界上有一股公众反对水电项目开发建设的潮流，这股潮流尤其针对的是水库蓄水式大型水坝建设项目。对此，有专家提出了生态水电概念，做到“人天和谐”，使水电成为更好的可再生的永不枯竭的清洁能源。

水能储量问题相对于石油、煤炭、天然气要困难和复杂一点，并且其不同年份数据的变化也相对较大，不同资料由于统计口径的不同也会有较大的变化。水能储量主要有理论蕴藏量、技术可开发量、经济可开发量。我国国土辽阔，河流众多，径流丰沛，落差巨大，蕴藏着丰富的水能资源。不管是水能资源的理论蕴藏量，还是可能开发的水能资源，中国在世界各国中均居第一位。我国对水能资源理论蕴藏量进行过5次调查研究工作：1950年第一次公布的数字为1.49亿kW、1300TW·h；1955年第二次公布的数字为5.445亿kW、4760TW·h；1958年第三次公布的数字为5.8326亿kW、5110TW·h；1980年第四次公布的数字为6.76亿kW、5922TW·h；2005年第五次公布的数字为6.944亿kW、6082.9TW·h。应当说中国水能资源理论蕴藏量的计算从一开始就比较规范，是统一按河流平均年径流和河道落差进行计算的，几次普查数字的增加都是由于增加了河流的条数和河流的长度，另一个因素是河流径流量资料的增加相应的精度提高。目前我国水能资源开发利用程度较低。根据2005年我国水能资源复查的结果，我国水电经济可开发装机容量为4亿kW，技术可开发容量为5.4亿kW。发达国家水电开发率一般在60%以上，而截至2011年年底，我国水电开发率仅为43%左右，开发潜力巨大。

我国从1949年到如今的60多年中，水电在世界水电界的地位发生了巨大的变化。从一个水电小国一跃而成为世界水电第一大国。据2005年我国公布的数据，我国水能理论蕴藏量60829亿（kW·h）/a，技术可开发量24740亿（kW·h）/a，经济可开发量17534亿（kW·h）/a，三项指标均居世界第一位。60多年来中国在水电建设上也取得了举世瞩目的成就，赢得了许多世界第一，中国常规水电站的装机容量居世界第一，中国小水电装机容量居世界第一，中国微水电的发展规模居世界第一，中国长江三峡水电站的建设规模居世界第一，中国目前正在建设的水电站总规模居世界第一，中国水电勘测、设计、科研、施工力量居世界第一。中国已公布的技术可开发、经济可开发水能资源已经遥遥领先于世界所有国家，从发展趋势来看，中国水电稳居世界水电第一的地位是稳固的，中国水电的一举一动对世界水电起着举足轻重的影响，中国应当以世界第一水电大国的形象引领世界水电建设的新潮流。

2.1.1.5　能源消费与国民经济发展

能源是国民经济发展的基础，同时也是提高人民物质生活的重要条件。能源消费随着国民经济的发展不断增长，社会生产和生活对能源的依赖日益加强。现代化的企业、城市和乡村，如果没有能源，生产就要停顿，社会生活便会陷入瘫痪状态。

近几十年来，世界经济发展很快，许多国家高速度地实现了现代化，与能源的大规模开发及充分有效利用分不开。一般来说，一个国家的国民生产总值的增长和它的能源消费量的增加大致成正比关系。1950—1975年，在工业发达国家中，日本能源消费量增长最快，平均每年增长8.8%，它的国民生产总值也增长最快，平均每年增长8.7%；英国的能源消费增长最慢，平均每年为1.2%，它的国民生产总值也增长最慢，平均每年只有2.6%。就同一个国家来说，不同时期也是如此。日本在20世纪60年代能源消费量增长速度最快，平均每年为12.2%，国民生产总值的增长速度也最快，平均每年为10.8%；70年代由于能源危机，能源消耗量增长最慢，平均每年为3%，国民生产总值的增长速度也最慢，平均每年只有5.4%。我国1953—1978年这一期间，能源消费增长速度高于国民经济的增长速度，年平均的能源消耗系数为1.24。第一个五年计划时期为1.54；第二个五年计划时期为18.8；国民经济调整时期（1962—1966年）为0.32；“文化大革命”时期（1966—1976年）为1.25；粉碎“四人帮”后的经济恢复时期（1976—1978年）为0.81。因此，能源的生产水平和消费水平，是衡量一个国家的国民经济发展情况和人民生活水平高低的重要指标。

为便于实际运用对比，常常需要对国民经济发展与能源消费量的关系进行定量分析。例如，用平均生产1t钢、1kW·h电、1t合成氨、1t塑料等的单位综合能耗来表示。像生产1t合成氨需要2.5～3.0 tce，生产1t塑料则平均需要3.0tce。这就是工业生产与能源消费之间最综合、最简单的一种定量关系。因为它反映了一种产品在生产过程中直接消耗的能量，而这些能量，不论消耗的是煤、是电或是油，一般都折合成标准煤来计算。

生产一种产品除直接消耗能量外，还间接消耗能量。例如，生产电扇，在制造电动机、风扇叶片、外壳、支架、开关以及喷漆和电镀时，所消耗的煤、电、石油制品等各种能源，都是在生产过程中直接消耗的能源，但制造电扇是需要硅钢片、生铁、铜线、铝、塑料、油漆、绝缘材料等，其他部门生产这些产品时，都需要消耗一定数量的各种能源，这些均属于间接消耗的能源。直接能耗量加上间接能耗量就等于生产一种产品的全部能耗量。

能源消费量与国民经济发展的关系，一直是国内外学者广泛关注的问题。新的研究成果不断涌现。研究能源消费与国民经济发展之间的关系，通常采用能源消耗量与国民经济总产量两个指标作对比。能源消耗系数和单位产值能耗都是反映能源消费与总产值相对关系的指标。我国的国民经济总产值指标是指国民经济中物质生产领域一定时期内的产品价值，其计算范围包括农业、工业、建筑业以及流通领域中有关产品运输、保管、分类、包装等经济活动价值，并不包括不创造新价值的服务性行业的收入。因此，同总产值对比的能源消费量指标，应该相应地采用生产性能源消费量指标。如果采用包括非生产性能源消费在内的总能源消费量指标，必然会影响计算数据的可靠性。非生产性能源消费在能源消费中占的比重越大，则其可靠性就越差。引用国外的数据必须注意指标计算范围与我国的差别性。西方资本主义国家采用的与总产值进行对比的能源消耗指标包括生产性能源消耗和非生产性能源消耗两部分；总产值的计算范围，即包括了产品生产的价值，又包括了服务性行业的收入。显然，指标含义和计算范围不同，口径不一，计算出来的结果是不能相比的。

为了研究分析国民经济发展和能源消费量之间的相互关系，常常使用单位产值能耗、能源消费弹性系数等指标。

1.单位国内生产总值（GDP）能耗

单位GDP能耗是指一定时期内一个国家或地区的全社会综合能耗与生产总值之比，一般用“tce/万元GDP”，通常用式（2.1）表达：

式中：Q为某期间单位产值能耗；E为某期间能源消费量；P为某期间国民经济产值。

不同年份进行比较研究时，需将GDP进行折算，一般以某一年的不变价进行折算，表2.9是2006—2011年我国能源生产、消费与GDP增长速度，表2.10是2005年及“十一五”期末各省（自治区、直辖市）的GDP及万元GDP能耗数据。

单位生产总值综合能耗越低，说明使用能源所产生的经济效益越高。单位GDP能耗是利用外汇汇率折算的单位GDP能耗对能源使用效率进行比较的基本指标，是一国发展阶段、经济结构、能源结构和设备技术工艺和管理水平等多种因素形成的能耗水平与经济产出的比例关系。它可从投入和产出的宏观比较来反映一个国家（或地区）的能源经济效率，具有宏观参考价值。

改革开放以来，我国能源利用的经济效益得到大幅度的提高。按2000年不变价计算，我国每万元GDP的能耗从1980年的4.28tce下降到了2000年的1.45tce，20年时间单位产值能耗下降66%。但是与国外发达地区相比，差距还很大，按照2001年我国单位GDP消耗能源计算，能耗强度约为日本的6.58倍，德国的4.49倍，美国的3.65倍，巴西的2.35倍，与世界平均水平相比，中国单位GDP能耗是世界的3.4倍，是世界上产值能耗最高的国家之一。

随着技术的进步和新型工业化战略的实施，我国的能源利用效率将进一步提高。预计到2020年，按2000年的价格计算，我国万元GDP能耗可达到0.5tce，与目前世界的平均水平相当。

2.能源消费弹性系数

能源消费弹性系数是指某期间能源消费量的平均增长率与某期间国民经济产值的平均增长率之间的比值，通常用式（2.2）表达：

式中：C为能源消费弹性系数；ΔE为某期间能源消费增加量；ΔP为某期间国民经济产值增长量。

能源消费弹性系数是反映单位国民经济产值增长率的变化所引起能源消费增长率变化的状况，这个数值若等于1，说明能源消费增长率与国民经济产值增长率相等；若大于1，说明能源消费增长率大于国民经济产值增长率；若小于1，说明能源消费增长率小于国民经济产值增长率。以上为常规现象。

如果出现C＝0，即能源消费量不增加，而国民经济产值继续增长，或者C为负数，即能源消费量下降而国民经济产值还继续增长的情况，则是一种非常规现象。

这种非常规现象可由下述一些原因引起。

（1）调整了经济和产品结构，或者调整了重工业与轻工业比例。

（2）采取了创造性的能源利用措施。

（3）前期的技术落后，管理水平低下，能源消耗或浪费很大，此后抓了节能工作，填补了管理漏洞，于是出现能耗不增加产值却上升的现象。

能源消费弹性指数是一个使用方便，综合性强，能概括多种因素的指标。它与经济结构、能源利用效率、生产产品的质量、原材料消耗、运输以及人民生活水平需要等因素相关。因而通过对能源消费弹性系数的分析，可以探讨能源消费增长速度与国民经济发展中的一些规律。

能源消费与经济增长关系的研究一直是能源经济学的一个热点问题。近30年来，国内外学者在这一领域做了大量的实证性工作，但是迄今为止依然没有形成共识，许多分歧和争议仍然存在。

3.协整分析方法和Granger因果检验

国内有学者以1978—2005年间我国能源消费总量和GDP的数据为基础，运用协整分析方法和Granger因果检验对中国能源消费与经济增长的关系进行的实证研究表明：

（1）能源消费和GDP之间存在着协整关系，也就是说尽管在短期内，能源消费与GDP之间存在波动关系，但是从长期来看，能源消费与经济增长之间存在长期稳定的均衡关系。

（2）通过Granger因果关系检验可知，能源消费EC是国内生产总值（GDP）的Granger原因，我国能源消费的增加直接导致GDP的增加。但是，GDP并不是能源消费EC的Granger原因。这说明在最近几年，国家能源政策的调整取得了重大成绩，能源利用效率在不断提高，经济增长对能源的依赖也在逐渐减小。

1980—2000年，我国实现了GDP翻两番而能源消费仅翻一番的成就。这20年期间中国GDP年均增长率高达9.7%；而相应的能源消费量年均仅增长4.6%，远低于同期经济增长速度，能源消费弹性系数仅为0.47。但是近年来，由于钢铁、水泥、电解铝等高耗能行业迅速扩张，2002年，我国能源消费弹性系数提高至0.660，2003年和2004年，能源消费弹性系数进一步上升，分别为1.528和1.598。2005年我国提出：到2020年，力争能源消费翻一番甚至更低的水平，实现国内生产总值比2000年翻两番的目标。因此，应加强节能措施，提高能源利用效率，把能源消费弹性系数控制在0.5以下。

2.1.1.6　能源的转换

能源转换应该说仅指能量形式的转化，如热能转化为机械能、机械能转化为电能、电能又转化为热能、机械能等。也就是说能源在一定条件下能够转换成人们所需要的各种形式的能量。例如，煤炭加热到一定的温度，就和空气中的氧气化合而燃烧，放出大量的热量。人们可以直接利用热来取暖，也可用热来生产蒸气，用蒸气推动蒸汽机转变为机械能或推动汽轮发电机转变成电能；电能又可通过电动机、电灯或电灶等转换为机械能、光或热量。又如太阳能，当阳光照射到集热器中，使水加热可供取暖或供应热水，也可产生蒸气发电；太阳能还可以直接通过光电池转换为电能。再如流水推动水轮机可产生机械能，也可以通过水轮发电机转换为电能；石油制品汽油、柴油，在内燃机中燃烧转换为机械能，可驱动汽车和拖拉机；风力吹动风力发动机，在农村可以拖动水泵抽水，也可以带动发电机发出电力。图2.1示出了各种主要能源的常规转换方式。

目前实际用量最大的3种能量形式——热能、机械能、电能，都是可以通过一定的设备，如热机等相互转化的。因为大多数一次能源都先经过热的形式，或直接使用或通过热机转化为机械能和电能使用。因而在能量转换系统中，各种炉子和热机是中心部分。炉子主要是锅炉、工业窑炉，热机主要是蒸汽机、汽轮机、内燃机等。

在上述3种能量形式中，电能是最理想的使用形式。电不仅比较容易通过电动机或电炉等再转化为机械能和热能，而且输送方便，污染小。但由于在大多数情况下，将能源转换为电能需要经过热能这样一个早间阶段，在转换过程中，能源损耗较大。例如，通过中间的热能阶段把矿物燃料转换为电能，其总效率只有50%。因而若将能源直接转换为电能的话，将大大提高能源的利用率。

石油和天然气由于它们易于处理，两种燃料所含的污染性杂质较少，而且排除这些污染杂质的方法也相对简单，因此这两种燃料得到了日益广泛的应用。但是这两种燃料的储量在日益减少，终会使用殆尽。鉴于石油这样的液态燃料和天然气这样的气态燃料所具有的优越性，人们企图将煤、油页岩和沥青砂转变为液态或气态燃料的兴趣越来越大。为此，这些新的能源转换方式将会使人类获得更多的可用能。

能源转换的几种形式及其效率见表2.11。

2.1.2　能源利用效率

能源是国民经济的命脉，能源与人民生活和人类的生存环境休戚相关，在社会可持续发展中起着举足轻重的作用。随着经济的快速发展和人民生活水平的不断提高，对能源的需求量也迅速增加，经济发展面临的能源约束矛盾和能源环境问题将更加突出。然而，当前我国能源利用效率低、能源消费结构不合理、可再生能源开发利用比例低、能源安全利用水平不高、能源使用所带来的环境污染等问题，严重制约了我国未来经济社会可持续发展的空间。

为了解决能源利用中存在的问题，实现能源和环境的可持续发展，国家制定了一系列能源战略和政策，而这些政策的制定，需要对我国能源利用现状有一个明确的认识。因此，开展能源利用效率的研究及综合评估显得尤为重要。

传统意义上的能源效率研究及评估只是就能源论能源，是单一的能源利用效率评价系统，忽视了能源—经济—环境之间的内在联系。因此，科学的能源利用效率的评价系统应将经济和环境作为评价因子纳入。

1.能源利用效率评价指标

目前国内比较常用的能源利用效率评价指标主要有以下几个。

（1）能源系统评价指标。

1）单位GDP能耗。相关概念及统计数据见本书2.1.1节。

2）能源结构指标。主要是指一定时期内，一个国家或地区煤炭、石油、天然气、电力等消耗量占一次能源消耗量的比重。另外与该类指标相类似的有“能源结构比例”，是指一定时期内消耗的煤炭、石油、天然气、核能、水电之间的比例。

一个国家或地区的能源消费水平及其结构特点也是衡量经济社会发展水平的一个重要标志。

2002年，世界一次能源消费构成中煤炭、原油、天然气、核能、水电之比为25.5∶37.5∶24.3∶6.5∶6.3，而我国一次能源消费构成中煤炭、原油、天然气、核能、水电之比为66.5∶24.6∶2.7∶0.6∶5.6。

我国以煤为主的能源结构，不仅是能源利用效率低下，经济效益差的重要因素之一，而且也是造成我国环境污染的主要原因。因此，我国提高能源利用效率要致力于改善能源结构，注重能源结构的调整和优化，优先发展水电、加快发展核电、积极发展新能源和可再生能源。

3）能源消费弹性系数。相关概念及统计数据见2.1.1节。

4）能源效率。目前，国际上用于比较分析的能源效率是能源生产、中间环节的效率与终端使用效率的乘积，这一方法是进行国际能源效率比较可比性较强又比较准确的方法。1980—2000年，我国包括能源加工、转换、储运和终端利用各个环节在内的能源效率由26%提高到33%，但仍比世界先进水平低10个百分点左右。

能源效率也是反映我国节能潜力的重要指标。我国能源效率与国外的差距表明，节能潜力巨大。根据有关单位研究，按单位产品能耗和终端用能设备能耗与国际先进水平比较，目前我国的节能潜力约为3亿tce。国家发展改革委编制的《节能中长期专项规划》提出：2003—2010年年均节能率为2.2%，形成的节能能力为4亿tce；2003—2020年年均节能率为3%，形成的节能能力为14亿tce。为了实现该目标，我国的能源效率必须大幅提高，到2020年达到或接近国际先进水平。

5）能源安全度。国家能源安全度i＝能源供给量/能源需求量。若i≥1，说明能源供给是安全的；若i＜1，说明能源供给不安全，应采取相应的对策，如增加投资、扩大生产能力、开发替代能源产品、发展新能源、控制进出口和节能等，确保能源的安全供应。

近年来，我国能源供给相对紧张，能源安全问题已经成为国家安全的重要问题。2002年，我国能源安全度为0.974，能源供给偏紧张。石油安全更是关乎中国能源安全的核心问题。我国从1983年开始使用进口石油，当年进口量为905万t，1994年转变为净进口国，进口量逐年增加，2001年原油产量1.65亿t，进口6490万t，占消费量的30%。根据有关专家预测，到2010年和2020年中国石油产需缺口将分别达到1.55亿～1.87亿t和2.4亿～2.95亿t，石油供应对外依存度分别为46.3%～52.3%和55.8%～62.1%。

（2）经济系统评价指标。

1）能耗减量化指标。

a.单位工业增加值能耗。单位工业增加值能耗指一定时期内，一个国家或地区每生产一个单位的工业增加值所消耗的能源，是工业能源消费量与工业增加值之比。

b.第三产业单位增加值能耗。第三产业单位增加值能耗指一定时期内，一个国家或地区每生产一个单位的第三产业增加值所消耗的能源，是第三产业能源消费量与第三产业增加值之比。

2）产业结构指标。

a.第二产业占GDP比重。第二产业占GDP比重指一定时期内，一个国家或地区第二产业增加值与同期内该国家或地区生产总值之比。

b.第三产业占GDP比重。第三产业占GDP比重指一定时期内，一个国家或地区第三产业增加值与同期内该国家或地区生产总值之比。

产业结构对能源消耗有很大影响，从2002年开始，我国的单位GDP能耗又出现了上升趋势，其主要原因是高耗能行业发展过快，第二产业所占比重过大。2004年，中国的国民生产总值达到了136515亿元，GDP增长率为9.5%，中国的经济总量正呈现出急剧增长的趋势。但是，在全部GDP中，中国第一产业、第二产业和第三产业的比例是15∶52∶33。低耗能的第三产业（产值能耗为第二产业产值能耗的43%）所占比重仅为33%，与发达国家产业结构比例2∶34∶64相比，存在相当大的差距。产业结构不合理是导致我国能源利用效率低的主要原因之一。近年来，第二产业占GDP比重为50%左右，所消耗的能源却达到70%左右，其中高能耗产业比例惊人，如冶金、化工、电力、有色、建材等5个高耗能行业，占到工业用电量的60%以上。2003年钢铁产量超过2.22亿t，水泥产量达到8.62亿t，中国是世界上钢铁铜的头号消费大国。

由以上数据分析表明，如果不改变产业结构，我国的能源利用效率将很难有所提高，由此引发的社会经济问题也会日趋严峻。

（3）环境系统评价指标。

1）污染物减量化指标。

a.单位工业增加值废气排放量。单位工业增加值废气排放量指一定时期内，一个国家或地区每生产一单位的工业增加值所排放的工业废气，是工业废气排放量与工业增加值之比。

b.工业二氧化硫去除率。工业二氧化硫去除率指一定时期内，一个国家或地区工业二氧化硫去除量与同期内该国家或地区工业二氧化硫排放量和去除量的和之比。

c.工业烟尘去除率。工业烟尘去除率指一定时期内，一个国家或地区工业烟尘去除量与同期内该国家或地区工业烟尘排放量和去除量的和之比。

2）污染物排放强度。污染物排放强度是指一定时期内，一个国家或地区的污染物排放量与生产总值之比。本指标选取二氧化硫和烟尘作为评价因子，是由于二氧化硫和烟尘主要来源于燃料（如煤和石油）的燃烧，据统计，2000年燃煤排放的二氧化硫和烟尘分别占全国总排放量（1995万t和1165万t）的90%和70%左右。因此，二氧化硫和烟尘排放强度是反映能源利用对环境污染程度的重要指标。本指标尚未选取氮氧化物因子作为评价指标，是因为目前我国对氮氧化物的研究还不够深入，也没有对氮氧化物排放量进行统计，今后，随着对氮氧化物研究的进一步深入，也将纳入指标体系。

随着我国环境保护力度的加大，近年来二氧化硫和烟尘排放强度呈逐年降低的趋势。2002年，二氧化硫和烟尘排放强度分别为18.3kg/万元和9.6kg/万元，与1999年相比，分别降低了19%和31.9%。但是由于高耗能行业的无序发展，2003年以来，我国大部分地区出现电力严重短缺的现象，于是各地纷纷上马火电项目，致使燃煤燃油消耗量大量增加，二氧化硫排放强度又出现反弹现象，2003年上升为18.4kg/万元。

3）废弃物再利用指标。工业固体废弃物综合利用率指一定时期内，一个国家或地区工业固体废物综合利用量与同期内该国家或地区工业固体废物产生量之比。

2.能源利用效率的综合评估系统

能源—经济—环境组成的能源利用效率综合评估系统中，能源系统的能源利用效率起着基础性和决定性的作用。只有能源结构得到优化，能源的加工转化率得到提高，能源资源本身才能真正得到有效利用。

但是如果仅局限于此，就是单纯地就能源论能源，忽视了能源在整个社会经济中的地位和作用，也忽视了能源利用对环境造成的影响。因此，我们还需要考虑经济系统和环境系统的能源利用效率。

经济系统的能源利用效率反映了能源作为一种生产要素，参与经济活动过程中的配置效率。这种配置效率不仅与各个产业的特征相关，即不同产业的增加值能耗不尽相同，而且还与产业结构相关，即不同的产业结构组合得到的总体能源利用效率也不尽相同。该系统跳出了能源单纯作为物理要素的范围，反映的是整个经济发展过程中能源的整体利用程度，与社会生产活动密切相关，进一步扩大了能源利用效率的评价范围。

能源的利用一方面推动了经济的发展，另一方面也造成了对环境的影响。因此，环境系统的能源效率从能源的环境效应角度出发考察了能源利用的结果，从而更加突出了能源—经济—环境系统的整体性。

可见，要想提高我国综合能源利用效率，就必须从能源、经济和环境等方面综合考虑，在重视优化能耗结构和创新能源利用技术的同时，还要十分重视产业结构的调整，重视经济结构对能源利用的影响，同时节能减排，减少能源利用对环境的负面影响，真正实现能源、经济、环境整体的可持续发展。

2.1.3　能源与污染

能源是人类赖以生存和发展最重要的一种资源，是一国经济社会发展和人民生活改善的重要物质基础，开发和利用能源资源始终贯穿于社会文明发展的整个过程。随着大规模工业化进程的开展，世界能源工业得到了迅速发展。特别是世界经济进入全新发展时代，能源工业无论从数量还是质量上都取得了空前的快速进步。然而，能源在其开采、输送、加工、转换、利用和消费的整个生命周期中，都直接或间接地改变着地球上的物质平衡和能量平衡，必然对生态系统产生各种影响，成为环境污染的主要根源，引起局部的、区域性的、乃至全球性的环境问题。

能源对环境的污染是指人类直接或间接地向环境排放超过其自净能力的物质或能量，从而使环境的质量降低，对人类的生存与发展、生态系统和财产造成不利影响的现象。能源污染可归纳为空气污染、水污染、热污染及放射性污染等。

1.空气污染

能源对环境污染最严重的是对空气的污染。由于化石燃料的大量消耗，全世界每年向大气排放各种污染物，如粉尘、二氧化硫、一氧化碳、氮氧化物、碳氢化合物、铅等。

上述各种污染物造成的危害有“酸雨”“温室效应”“城市热岛效应”“臭氧层破坏”“光化学烟雾”大气中粉尘及一氧化碳含量增加等。

煤燃烧后产生的气体（SO x、NO x、CO x）及烟尘排放到空气中造成空气污染，其中的SO x及NO x在云层中溶于水滴形成酸雨，落到地面使土壤及水源酸化，破坏水中及陆地上生态环境，影响人类及动植物生存与其他气体吸收红外线并反辐射到大气层中产生温室效应。

空气污染对人类特别是其呼吸器官产生极有害的影响，使人感到不舒适、生病甚至死亡。空气污染及酸雨对植物损害使农作物产量大减，包括直接影响及间接影响如土壤酸化。酸雨也使河、湖水源污染，如果水的pH值低到一定数值以下，将使水生动植物特别是渔业生产的产量大减。

汽车发动机的排气是城市空气污染的主要来源，而且其排放高度处于人的呼吸带对人类健康危害极大。排放物主要有CO、CO x、SO x、NO x、HC、甲醛和微粒等。某些化学活性较强的HC与NO x在太阳光照射下，会引起光化学作用而形成光化学烟雾，这种烟雾刺激眼睛和咽喉。微粒吸入肺部后会引起气管炎、肺炎、心脏病等疾病，微粒中还有致癌物质。排气中的铝对中枢神经起破坏作用，对儿童危害尤大。

空气污染影响房屋建筑，硫酸能腐蚀金属结构、电器及砖石，硝酸腐蚀涂料使油漆消失。大气污染降低能见度，影响交通及运输安全。CO x在大气中聚集产生温室效应，若排放量按照现有速度增长，到2030年全球大气温度将至少升高3℃，甚至可能达到6℃，造成气候变化、海平面升高及巨浪狂风等，并由此造成更多更大的经济财产等损失。

2.水污染

水是地球上最丰富的物质，也是重要用处最多的物质之一，它是生命组织不可缺少的成分，农业、工业和人类文明的分布也与它密切相关。

确定水污染源比确定空气污染源，通常要困难得多。水污染源可能来自地下管道、排出的废水、污水系统的地下渗漏，或者还可能来自雨水冲洗下来的空气污染物。而且，一旦污染物进入水体，它们常常和水本身，或与存在于水中的其他污染物中的某一种发生化学反应。

因为水有那么多的作用，所以我们对水污染物所下的定义，只与水的某种特定的应用有关。当水不适合作某种待定用途的时候，我们就定义它被污染了，如被定义为受污染的饮用水，只是不适合饮用完全可以用做灌溉用水或发电厂的冷却水。

油田勘探开采过程中的井喷事故、采油废水、钻井废水、洗井废水、处理人工注水产生的污水的排放；炼油废水排放；海上石油的大规模开采、储藏和运输，造成了海水的严重污染。

据有关资料统计，目前约有占全球地表水径流总量14%以上的水体遭到严重污染，而世界上约有20亿人的饮用水得不到保证。因此，人类面临的水污染问题是十分严重的，发展控制水污染的技术迫在眉睫。

3.热污染

热污染是指由于人类的活动给环境增加的热量。热污染会破坏自然水域的生态平衡。火电厂和核电站是热污染的主要来源。例如，火电厂煤中所含能量的60%左右是以热的形式释放到电厂附近的环境中去的，其中10%～15%排入大气，而另外的45%～50%则通过冷却水排入水体。而核电站能量中除35%左右转换为电能外，所有其余的65%左右都将进入冷却水中。

因此，能源的利用必然会带来大气和水体的热污染。提高电厂和一切用热设备的热效率，不仅能量有效利用率提高，而且由于排热量减少，对环境的热污染也可随之减轻。

目前消除热污染的方法主要是利用大气和海洋来进行稀释热量，对于大规模的热污染问题，唯一的解决办法是限制储存性能源利用的过分增长。

4.放射性污染

放射性是指不稳定原子核自发放出α、β、γ射线的现象。天然存在的放射性同位素能自发放出射线的特性，称为“天然放射性”；而通过核反应，由人工制造出来的放射性同位素的放射性，称为“人工放射性”。放射性在工业、农业和医疗各方面的应用，具有极重要的价值和很广泛的用途，但人类或其他生物受到过量的放射性物质辐射后，可能会引起各种放射病甚至死亡，必须加以保护。

过量辐射对于人体可能引起3类损伤：急性身体损伤、延迟性躯体损伤和遗传损伤。

核能的潜在危险极大，在开发利用过程中，核能对环境的污染主要来自两个阶段：核燃料生产和辐射后燃料的处理。由于人类无论何时何地都处于各种来源的天然放射性辐射之中，通常燃料生产过程的放射性污染较轻，一般不构成严重危害。但它毕竟对人体有害，故仍须予以充分注意。

目前核能利用的主要形式是裂变能。核燃料的基本原料是铀，铀的生产过程包括地质勘探、铀矿开采、选矿、水冶加工，最后精制得到浓缩铀。在核燃料生产中，铀矿山和铀水冶厂是主要污染源。从这里排出的废物，虽然放射性水平低，但排放量大，分布广。铀矿山产生的放射性废物有废水、废气、固体废物。铀矿山废水不仅含有氡、铀及其衰变子体，而且有其他共生的有害化学物质。水冶厂的废物性质随矿石成分、水冶流程、使用的化学药剂不同而变化，对环境的影响程度也随之不同。水冶厂的液体废物主要有贫铀溶液，其中放射性物质最危险的是镭。废水中还含有其他化学物质，如硫酸根、硝酸根、有机溶剂等。酸废水排入河流造成的危害往往比放射性物质更严重。

值得注意的是，人们最常关注的核能对环境的影响实际上是核事故问题。1986年4月26日发生的切尔诺贝利核事故，是核电发展史上一次惨重的灾难，对电站工作人员、事故抢救人员以及周围居民和环境造成严重损害。近年来很多国家都发展了新一代更加安全的核电站。当然，不论怎样，核电站的安全运行都是必须重点关注的问题。