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【关键词】课后习题;学生实验;探究意识
一、问题的提出
(一)基于化学课程标准与年报对实验要求的探讨
《义务教育化学课程标准》(2011年版)在教学建议中提到要精心设计科学探究活动,加强实验教学。2020年广州市初中毕业生学业考试试题分析与教学建议中也提到要克服实验教学障碍,培养学生科学探究能力。以上要求可以说是与学科核心素养中提到的实验探究与创新意识是一致的。
(二)基于目前九年级化学实验教学存在的问题分析
1.由于我校属于一所城乡接合部的学校,实验室的条件不好,部分药品和仪器不能得到及时补充,导致有些实验的完成率偏低,学生动手实验的机会也不多,实验技能和动手能力偏弱,脱离了直观性强的化学实验,从而导致学生学习化学的兴趣不高。2.现阶段仍然存有部分教师实验意识和科学探究意识相对比较薄弱、知识结构老化、采用较为传统的“灌输式”教学模式等现象,忽略了对学生知识点的形成过程和课后拓展意识的培养,更谈不上培养学生探究方法和探究能力、实验意识和实验探究意识了。3.在现有实验室条件和教师观念意识的影响下,有部分教师会忽略学生实验,觉得做实验浪费时间,还不如多做两道题,所以学生进入实验室做实验的机会是比较少的,实验能力得不到锻炼,更不要说提高实验探究的能力了。也有个别教师直接用实验视频代替了课堂演示实验或学生实验,不能充分发挥实验教学的育人作用。
(三)基于九年级教材中化学实验素材来源
新课标重视开展以素养为本的教学,倡导开展以化学实验为主的多种探究活动,让学生有更多的机会主动地体验科学探究的过程。人教版九年级化学分为上、下两册[1],两册教材中的化学实验以教师演示实验、学生分组实验、探究实验为主,课外实验为辅。对于大部分教师来说,基本上都能充分利用好这些实验进行授课,但笔者觉得除了教材中原有的实验外,教师应从教材中发掘素材,设计成探究实验,这样既能锻炼学生的科学探究思维能力、实验动手能力,也能加深他们对该习题的理解。如教材中的一些课后习题(第六单元课题2的课后习题4、第八单元课题2的课后习题7、第八单元课题3的课后习题2、第十一单元课题1的课后习题4等)。
二、“二氧化碳制取的反应原理的探究”的教学设计与实施
(一)教材内容分析
有关气体的制备是历年中考的必考点,考查的内容是气体制取的原理、收集方法、装置的选择与组装、实验条件控制方法等。九年级化学教材中,在第二单元详细介绍了氧气的实验室制取,在第六单元二氧化碳实验室制取的学习是通过学生原有知识的基础上进行探究学习。但是在教材中却是直接地给出了一个关于制取二氧化碳的反应原理,感觉就像硬塞给了学生一样,导致很多学生不能理解为什么制取二氧化碳要用大理石或石灰石与稀盐酸,而不能用碳燃烧等反应。在本课题的课后习题中,就有一道习题是关于制取二氧化碳的反应的探究,所以教师在授课过程中可以充分利该习题介绍二氧化碳反应原理的探究,既能发展学生科学探究的思维,又能增强学生的实验动手能力,还能帮助学生更好地理解二氧化碳制取的反应原理[2-3]。
(二)课程标准中科学探究能力的八要素和布鲁姆的认知理论
《义务教育化学课程标准》(2011年版)课程内容中提道,义务教育阶段化学课程中的科学探究,是学生积极主动地获取化学知识,认识和理解化学问题的重要实践活动。科学探究包括提出问题、猜想与假设、制定计划、进行实验、收集证据、解释与结论、反思与评价和表达与交流等八要素。教育家布鲁姆的认知领域认为学生对知识的认知层次分为知道、理解、运用、分析、综合和评价六个层次,对于实验室气体的制备,教材中介绍了氧气和二氧化碳的制取,学生的认知过程可归纳如下表。
(三)二氧化碳制取探究的教学设计
环节一:知道、理解。(师生互动)回顾氧气的实验室制取:从制取氧气的反应原理、反应物状态、反应条件、发生装置、收集装置、验满方法和检验方法七个方面回忆氧气的实验室制取,学生完成学案上的表格。通过实验室氧气的制取你能得出实验室制取某种气体的思路和方法吗?设计意图:引导学生确定实验室制取气体的基本思路和方法。环节二:运用、分析。(新授课)【学生活动1】列举你所知道的能生成二氧化碳的反应,然后与同学讨论这些反应能否用于实验室里制取二氧化碳,并说明理由。师生共同回忆学过的能生成二氧化碳的反应:反应1.碳燃烧:C+O2====点燃CO2。反应2.碳还原氧化铜:C+2CuO====高温2Cu+CO2↑。反应3.蜡烛燃烧:蜡烛+氧气====点燃二氧化碳+水。反应4.碳酸钠与盐酸反应:Na2CO3+2HCl====2NaCl+H2O+CO2↑。设计意图:通过已学内容引导学生讨论实验室制取某种气体的反应原理时要考虑的因素。【学生活动2】分组实验:探究实验室制取二氧化碳的反应原理,学生完成三组对比分组实验,记录现象并分析原因和得到的结论。实验1:碳酸钠和稀盐酸——反应速率过快,不利于收集二氧化碳。实验2:大理石和稀盐酸——反应速率适中,可用于实验室制取二氧化碳。实验3:大理石和稀硫酸——反应生成的硫酸钙是微溶物,会覆盖在大理石表面,阻止反应的继续进行。综上所述,适合实验室制取二氧化碳的药品是大理石与稀盐酸。设计意图:通过学生分组对比实验确定实验室制取CO2的药品和原理。实验过程中教师引导学生关注实验的反应物状态、反应条件、反应速度等。【学生活动3】参考氧气的制取思路学氧化碳的实验室制取,从反应原理、反应物状态、反应条件、发生装置、收集装置、验满方法和检验方法七个方面归纳总结二氧化碳的实验室制取。设计意图:引导学生通过实验室制取氧气的研究思路,确定学习制取二氧化碳的实验装置,体现了学科知识间的迁移和学习模版的构建对学生类似知学习的作用。【学生活动4】请总结本节课的收获,完成下面的问题。实验室制取气体装置的选取原则:①实验室制取气体确定发生装置时应考虑哪些因素?②确定收集装置时应考虑哪些因素?设计意图:帮助学生巩固实验室制取气体装置选取的原则,有效突破难点。环节三:综合、评价。(当堂检测)练习:实验室部分装置如图所示,请回答下列问题。(1)实验室用CaCO3和稀盐酸制备CO2的化学方程式为______,能作为发生装置的是______、______(填字母,下同)。(2)加热氯化铵与氢氧化钠的固体混合物制取氨气,应选择的反应发生装置是______。(3)实验室通过加热亚硝酸钠和氯化铵的混合溶液制取并收集N2时,应选择的反应发生装置是______。
三、二氧化碳制取反应原理实验的探究设计及效果
(一)二氧化碳制取反应原理实验的探究设计
要制取一种气体,首先要考虑它的反应原理,本环节的教学设计是先让学生回顾已学的能生成CO2的反应并分组讨论这些反应能否用于实验室制取CO2,从而得出实验室制取某种气体的反应原理时要考虑的因素;通过三组对比实验(碳酸钠粉末与稀盐酸、大理石颗粒与稀盐酸、大理石颗粒与稀硫酸)的演示,引导学生关注其反应物状态、反应条件、反应速率等,从而通过实验确定实验室制取二氧化碳的反应原理和最适合药品。
(二)教学效果
与教材中直接把反应原理告诉学生相比,以上设计思路可以更好地让学生进行知识的迁移和归纳,将实验室制取气体的知识点形成一条知识链从而应用到其他气体的制取上,达到学以致用的效果。通过讨论、实验对比等探究式学习,充分让学生认识体会过程性的学习,逐渐形成科学的学习方法和探究意识。
四、教学反思
本节课的教学设计,以CO2的实验室制取为载体,重点在于探究CO2制取的反应原理,整个过程的设计符合教育家布鲁姆的知道、理解、运用、分析、综合和评价六个知识认知层次。充分利用了课后习题进行实验的渗透,既帮助学生更好地理解教材中的知识点,又使学生的实验能力和探究意识得到锻炼[4]。有关该教学设计中的三组对比实验,课后有学生也问道:如果用碳酸钠颗粒或大理石粉末行不行?首先,对同学们的课后反思,教师应当给予充分的肯定,至于行与不行,给出了以下回答:①建议学生上网或去图书馆查阅相关资料,了解碳酸钠的常见状态。②可以设计一个大理石颗粒和大理石粉末分别与稀盐酸反应的对比实验,通过实验事实判断行与不行。学生非常感兴趣,利用课余时间进行了讨论、实验等,发现大理石粉末与稀盐酸的反应速度很快,不利于收集气体。学生通过亲身做实验,不仅解决了之前提出的疑惑,实验设计能力和实验探究意识也再一次得到了锻炼。在后期的教学中,教师应当注重能更合理地将实验教学渗透在教材的各种素材中(如课后习题),有效提高学生的实验意识和探究意识,提升学生的化学核心素养。
【参考文献】
[1]人民教育出版社课程教材研究所,化学课程教材研究开发中心.义务教育教科书·化学·九年级上册[M].北京:人民教育出版社,2012.
[2]王聃.中学化学实验教学初探[J].科教导刊(电子版),2016(4):57.
[3]王磊.基于学生核心素养的化学学科能力研究[M].北京:北京师范大学出版社,2018.
一、文献回顾
IPCC第四次评估报告(IPCC-TAR,2007)②将国际上碳减排模型总结为自上而下(top-down)和自下而上(bottom-up)两种类型。前者能够较好地描述宏观经济的相互作用,可以分为宏观经济模型、一般均衡模型(CGE)和投入产出分析(IOA);后者侧重于分析微观数据和技术数据。要从宏观上分析各国减少碳排放的潜力,我们主要应该选择自上而下的类型。其中,一般均衡模型和投入产出分析是目前能够最有效地反映经济结构的系统分析方法。气候—能源—经济模型是于1980年和1990年集成了能源模型和经济模型而发展起来的一种新式模型①②③④⑤,该模型分为通过计量经济方法的AGE⑥以及通过文献校准的模型⑦,前者尽管可得到准确参数,但因碳排放数据可获得性较差和数据偏差,现有研究所用的模型都是后者。模型分析的问题包括研究污染物对经济的反馈效应⑧、技术进步对减排成本的影响⑨瑏瑠、环境税收和碳税对社会福利的影响瑏瑡瑏瑢,以及《京都议定书》的成本、对GDP所造成的损失分析等等。中国国务院发展研究中心的GAINS模型瑏瑣分析中国的污染控制法律、排放控制技术、成本效应战略、减少能源消耗、如何控制空气质量及减少温室气体排放。此外,基于CGE模型的其他课题组也进行了能源节约和环境保护政策分析,分别在全国水平对能源税和环境税的不同情景进行模拟分析,并且利用多区域CGE模型进行政策效果分析,发现不同排放权分配不会带来整体效率差异,但却存在政策公平性的差异,人均原则要优于历史原则。瑏瑤Leontief于1970年首次利用投入产出模型分析环境问题。与CGE模型相比较,这个模型更注重产业结构之间的关联。瑏瑥其后,很多经济学家不断完善该模型在资源环境领域的理论和应用研究。近年这个模型被用于分析能源和二氧化碳排放。MillerandBlair用它来分析由经济系统中最终需求引起的能源消费①,Lenzen(1998)用它来估计初次能源和在商品和服务中嵌入的温室气体。②HawdonandPearson(1995)研究了能源、环境和经济福利之间的复杂关系以及污染排放系数和硫排放矩阵。③Proopsetal.(1993)证明经济结构变化带来了大气中二氧化碳的浓度变化,并且经济结构变化可降低未来20年的二氧化碳排放。④最近一些研究在投入产出分析中利用结构分解技术和敏感度分析等新方法研究碳排放与产业结构和经济发展之间的关系。⑤在中国,静态投入产出模型在碳排放和环境研究方面已经有了较多文献,它们大多是利用全国投入产出表进行的。⑥⑦投入产出优化模型以及投入产出模型的动态化和非线性化是一个新的研究趋势。投入占用产出技术⑧将经济系统与国民经济各部门占用的自然资本、固定资本和人力资本联系起来,可以应用于能源、水资源、环境、教育、国际贸易等多个领域。夏炎⑨用能源—经济投入占用产出模型来研究哥本哈根会议之碳排放约束下产业结构调整潜力。空间投入产出模型为从地理空间上研究区域间和产业间的复杂关系提供了理论框架瑏瑠,但是因数据难以取得,限制了该模型的应用。瑏瑡一些学者用多区域模型或者其他简化模型作为替代模型来研究碳排放问题。瑏瑢但是,尚未有把投入产出模型与最优化模型结合起来以研究产业结构优化、寻求低碳经济发展道路的文献。
二、基于碳排放约束的投入产出优化模型
1.三种碳减排情景设定
碳排放目标的设定分为碳排放强度目标和碳排放绝对量目标两种。碳排放强度是单位GDP的二氧化碳排放量。假定碳排放都由化石能源消耗产生,其他非化石能源消耗和生态活动不产生二氧化碳的话,在假定GDP增长率的情况下,可以将碳强度目标和碳排放数量目标进行换算。中国政府承诺的碳强度目标在目前的GDP增长预期下,其碳排放数量是增长的。我们设定了三种碳减排情景,它们是两种碳排放目标下三个经济增长率对应的碳排放约束,是根据全国平均的碳强度目标,分别设定高、中、低三档,对应于不同的GDP增长率,并相应换算为碳排放数量。碳强度目标,即哥本哈根会议提出的碳排放强度下降目标,它规定到2020年我国单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降40%—45%,由此我们可以计算每年碳强度约束指标。令碳排放强度I等于能源消耗所产生的二氧化碳总量C除以国内生产总值GDP,则公式表示为:也就是说,按照哥本哈根会议碳排放强度下降目标,经过计算,我国国民经济各个行业的总体碳排放量应减少在(5.93%,6.76%)的范围内。为了更细致分析,取碳排放目标中间值,则碳排放强度降低指标有高(5.93%)、中(6.35%)、低(6.76%)三档。为研究产业结构调整潜力,我们把GDP年增长率分为三种情景,即GDP增长率按照快速发展(9%)、正常发展(8%)和较慢发展(7.5%)三种情况,则可以得到碳排放总量和强度变化在不同的经济增长率条件下的三种情景(见表1)。
2.产业结构调整潜力
我们研究这种产业结构调整对碳排放减少的影响。国家可以通过调整产业结构将碳排放系数低的产业在国民经济中的比例提高,从而降低整个国家的碳排放量。产业结构调整反映了由于不同产业部门在国民经济中的比例变化所带来的整个国民经济中二氧化碳排放量的变化。一种比较好的研究方法是通过投入产出方程将各部门之间(包括能源在内)的各种投入与国民经济各部门的产出联系起来。每个部门的产出对应于所消耗化石能源排放的二氧化碳,用碳排放系数反映各个产业产出与二氧化碳排放的比例关系。发展中国家的产业结构变化很大。中国2009年三次产业国内生产总值比重是10.3∶46.3∶43.4,其中第一产业、第二产业国内生产总值总和为19.3万亿元,仅次于美国,超过日本。第一产业劳动生产率低下,第二产业主要采取高污染、高排放的方式,第三产业碳排放系数较低、利润率较高。预计2020年中国GDP达到或者接近美国,各个产业将进一步调整,使得高排放的产业减少而低排放与促进产值增加的产业在国民经济中的比例提高,进而使全国的总碳排放量减少。我们分析在经济增长速度达到预定目标的情景下,使得总碳排放量小于预定目标之各产业结构调整的潜力,以及这种产业结构调整所带来的碳排放减少量。产业结构调整潜力是指现有产业结构中各个产业产值与优化产业结构各个产业产值的差异。通过设定产业结构调整的各种情景,在规定的减排情景下,不同行业的调整潜力是有差别的。产业结构调整潜力在此被定义为要达到减排目标,现有行业产值水平与实现排放约束后的产业结构优化产值之间的差距:负值表示该产业产值缩小潜力,即该产业产值向减少的方向调整;正值表示该产业产值扩大潜力,即该产业产值向增加的方向调整。潜力越大,说明该行业可以改进和优化的空间越大,绝对贡献大;潜力越小,表明该行业可以改进和优化的空间越小,绝对贡献小。实际行业减排潜力和结构调整潜力可以表示为:ΔSi=Sti-S0i(4)[Si]=[xi/X],表示第i部门的产业总产值xi在全部产业总产值X中的比例,Sti和S0i分别表示优化前后第i部门的产业优化结构和结构初始值。
3.能源—碳排放—经济投入产出表编制
由于碳排放主要来自于能源消耗,不同品种的能源所排放的二氧化碳不同,而且不同行业所消耗的能源品种不同,因此我们编制了一个区分能源类型、真实反映不同行业能源消耗量和使用量的能源—碳排放—经济投入占用产出表。通过该表,我们可以研究在碳排放过程中分行业分品种能源消耗量,以及对应的二氧化碳排放量。根据该表我们可以计算分行业碳排放强度(单位国内生产总值二氧化碳排放量),建立优化模型,测算分行业减排潜力。该表编制的主要困难在于各种类型能源的碳排放系数不同,而且电力和热力等二次能源涉及到一次能源的加工转换问题。因此,编制能源品种划分详细的分行业能源—碳排放—经济投入产出表。该表的最大优势是可以通过投入产出技术,将经济系统的价值量和不同品种能源消耗的实物量和碳排放实物量联系起来,刻画不同行业和不同能源品种的直接和间接的能源消耗和使用情况,以及直接和间接排放的二氧化碳数量。该表的编制方法参考了夏炎(2010)的能源—经济投入占用产出表。
4.能源结构调整潜力
这里进行能源结构和效率变化对碳排放的影响研究。假设二氧化碳由各种化石能源产生,其碳排放量统一计量为标准煤所排放二氧化碳,则煤炭碳排放量最大,石油次之,天然气最小;而可再生能源(包括生物燃料),以及水电、太阳能、风能和地热能发电等,不产生二氧化碳。计算能源活动的二氧化碳排放,需要通过能源消费量与二氧化碳排放量的转移来实现。二氧化碳排放系数的估算,主要根据《IPCC(2006)温室气体排放清单》和国家统计局编制的《能源统计年鉴》中公布的计算公式和相关数据。CO2排放系数=含碳量×净热值×氧化率(5)由各行业的分品种能源终端消费可以得到实物型碳排放系数矩阵C,它表示为各行业对各类能源的单位产值的碳排放量,如能源—碳排放—经济投入产出表中所示。未来世界能源发展趋势是减少化石能源的消耗,增加再生能源的比例,并且提高能源效率。预计2020年可再生能源在能源结构中的比例达到15%。2009年,中国是以煤炭消费为主的高碳排放的能源结构,煤炭占能源消费总量的70%,石油占17.8%,天然气占2.9%,水电与核电等占8.3%。因此,可再生能源将从2009年的8.3%提升到2020年的15%,我们可以假设每年可再生能源提高比例为上一年度的5.4%。①假设每个部门所需要的可再生能源替代化石能源的比例是一致的,即投入产出假设中存在结构影响的部门间一致性。我们可以估算出新的分部门二氧化碳排放系数。我们研究的是:在保证经济增长的条件下,为保障能源安全和保护环境而改变能源结构和提高能源效率对减少二氧化碳排放的潜力。
5.投入产出优化模型
我们在此建立投入产出优化模型。优化模型的目标是使国民生产总值最大化,约束条件包括投入产出数量关系式和碳排放约束以及其他资源约束和变量的上下界。A表示投入产出表中直接消耗系数矩阵,X表示各部门总产出列向量,Y表示最终需求列向量,E表示单位行向量,U和M分别表示出口和进口,CZ表示生产领域碳排放,CY表示生活领域碳排放。TC0表示基期的碳排放量,r表示本期碳排放量与基期相比的增长率,它是根据高、中、低三个碳排放强度下降目标和预设的高、中、低三个GDP增长率而得到的碳排放量增长率,V表示增加值率行向量,GDP0是基期国内生产总值,m表示本期GDP与基期相比的增长率,对应于表1中的三种情景下的GDP增长率。上标l和上标u分别表示下界和上界,对于产出和出口来说没有下界,而对于进口来说没有上界,其中产出的上界为各部门上一年产出的125%。对模型的各约束解释如下:投入产出方程表明各部门产出用于满足各部门的中间需求、最终需求、进出口;目标减排约束可以统一设定为碳排放量约束的三种情况,经济增长约束分别对应于表1中的三种情况。根据三种情景设定的碳排放总量减少率约束和经济增长率约束,分别是模型(7)的m和r的系数值,这里的m表示本期GDP与基期相比的增长率,r表示本期碳排放量与基期相比的增长率,见表1中的三种情景下的碳排放总量(r)。第二个约束条件表明碳排放量需要小于情景中规定的碳排放量,即较基期碳排放量变动r比例。第三个约束条件表明经济增长量需要大于情景中规定的经济增长量,即较基期国民生产总值变动m比例。这样,前三种情况就能保证碳排放强度在各种经济增长率下低于哥本哈根会议承诺目标。这里需要注意的是,m和r之间具有互相制约的关系。例如,在情景一的条件下,在碳排放强度固定为减少5.93%的情况下,GDP增长率大于9%(这里m=9),意味着碳排放量增长率小于2.53%(这里r=2.53),反之亦然。因此,只需要其中一个约束条件就可以了。由于目标函数求GDP最大值,因此我们略去GDP约束。在这种情况下,给出的碳绝对量减排约束是0.4%,因此将对应于一个优化结果。虽然针对实际GDP增长率可以得到不同的碳排放强度约束,但是实际碳排放强度约束由目标函数(GDP)的最优值来确定。可分别求解在三种情景下碳减排之产业结构的优化潜力,由优化模型的最优产出值确定产业结构调整潜力。
三、数据和研究结果
模型的数据基础是我们编制的实物价值型中国能源—碳排放—经济投入产出表。价值部分来自2007年中国投入产出表,计算各行业对应的能源和碳排放数据来自国家统计局编制的《能源统计年鉴》,利用2007年能源平衡表和工业分行业能源终端消费表可以编制该表的实物部分。这样就得到15个部门的实物价值型能源—碳排放—经济投入产出表,部门分类如表3所示。根据该投入产出表,我们可以得到能源结构调整前后的碳排放系数,并且在此基础上运用最优化模型得到15个产业的最优结构,将这个结构与原有的结构进行对比,我们可以知道每年如何进行产业结构调整,才能保证目标年度实现二氧化碳减排目标。我们根据投入产出表可以计算能源结构变化前后的各个行业的二氧化碳排放系数,并将此与2007年各行业生产总值占整个国民经济总产出的比例进行比较,在此基础上研究优化的产业结构。优化模型的结果就是在保证二氧化碳排放系数与产业结构调整后的产值之和小于预定的二氧化碳排放约束的条件下,达到国民生产总值最大的各行业总产出。各行业的总产出占国民经济总产出的比例与原有各产业总产值占全部总产出的比例之间的差距就是我们的产业结构调整方案的依据。
1.碳排放强度和现有产业结构
调整前的各个行业的二氧化碳排放强度与现有各行业的产出占总产出的比例如图1所示。从图1中我们可以发现,二氧化碳排放强度较高的基本上是重工业,如金属加工及制品业(行业9)、建材及非金属矿物制品业(行业8)和化工及医药制造业(行业7),以及第三产业的交通运输、仓储及信息服务业(行业13)。查看调整前的产业结构,我们发现高科技行业如机械、电子设备及其他制造业(行业10)、金属加工及制品业(行业9),房地产、金融及其他服务业(行业15)的产出占总产出中的比例最高。这种产业结构决定了中国的二氧化碳排放减排潜力还有很大的空间。简而言之,就是碳排放强度大的行业减少其产出在总产出中的比例,增加碳排放强度小的行业在总产出中的比例。但是我们是否应该完全按照碳排放强度从高到低的顺序来减少其产业比例呢?根据我们前面的优化方法,可以看出,这只是应该考虑的约束条件之一,还需要考虑这个行业对国内生产总值的贡献,所以不能完全对等地按照各个行业的碳排放强度大小来调整产业结构。
2.三种情景下的产业结构调整
我们分三种情景设定中国2020年的碳排放强度目标,分为高、中、低三档,设定经济增长率分别为9%、8%和7.5%,这样总共9档碳排放绝对量约束,然后分别设计各个行业的产业结构调整方案,结果见表4和表5所示。与表4相比,表5考虑了非化石能源占一次能源消费的比重达到15%的约束,即能源结构变化使得每年可再生能源提高比例为上一年度的5.4%。在这些方案中,正号表示该产业在总产出的比例调增,负号表示调减。从分行业角度研究各个行业调整潜力,除了碳排放系数高的少数行业,如金属加工及制品业外,大部分行业的产出都调增。碳排放系数较低的高科技行业和服务业应该最大幅度地调增其在整个国民经济中的比例。在不考虑能源结构调整约束时,高科技行业如机械、电子设备制造业,应调增幅度最大,达到1.72%—1.85%,房地产、金融及其他服务业的调增幅度次之,应该调增1.17%—1.26%。在那些产出调增的部门中,随着碳排放约束程度的加大与经济增长速度的减缓,其调增程度也应加大。例如,机械、电子设备制造业,随着碳排放约束从情景一,也就是碳排放强度年降5.93%,然后到情景三,也就是碳排放强度年降6.76%,在经济增长率都为9%时,碳排放量绝对约束分别为2.53、2.08、1.63,这时该行业的产值占总产出的比例分别调增1.72%、1.74%、1.77%。对于经济增长率分别为9%、8%和7.5%时,在碳排放强度约束年降5.93%时,该行业的产值占总产出的比例分别调增1.72%、1.77%和1.80%。对于碳排放系数较高的行业,其产出应该调减,调减最多的是碳排放系数高的重工业,如金属加工及制品业,应调减8.13%—8.74%。该产业结构调减的部门,随着碳排放约束从情景一到情景二,再到情景三,也就是碳排放强度年降5.93%,在经济增长率都为9%时,碳排放量绝对约束分别为2.53、2.08、1.63,其产业结构分别调减8.13%、8.25%、8.37%。对于经济增长率分别为9%、8%和7.5%时,在碳排放强度约束年降5.93%时,该行业的产业结构分别调减为8.13%、8.38%和8.50%。考虑能源结构变化后,即非化石能源消耗年增5.4%的情况下,从分行业角度研究各个行业的调整潜力,结果发现情况与前面相似,只是增加或减少的幅度比前面小。首先看调增的部门,碳排放系数较低的高科技行业如机械、电子设备制造业,应调增幅度最大,达到1.4%—1.53%,房地产、金融及其他服务业的调增幅度次之,应该调增0.95%—1.04%。在那些产出调增的部门中,随着碳排放约束程度的加大与经济增长速度的减缓,其调增程度也加大。例如,机械、电子设备制造业,随着碳排放约束从情景一,也就是碳排放强度年降5.93%,然后到情景三,也就是碳排放强度年降6.76%,在经济增长率都为9%时,碳排放量绝对约束分别为2.53、2.08、1.63,其产业结构分别调增1.4%、1.42%、1.45%。对于经济增长率分别为9%、8%和7.5%时,在碳排放强度约束年降5.93%时,该行业的产业结构分别调增为1.4%、1.45%和1.48%。对于碳排放系数较高的行业,其产出应该调减,调整最多的是碳排放系数高的重工业,如金属加工及制品业,应调减6.62%—7.24%。该产业结构调减的部门,随着碳排放约束从情景一到情景二,再到情景三,也就是碳排放强度年降5.93%,在经济增长率都为9%时,碳排放量绝对约束分别为2.53、2.08、1.63,其产业结构分别调减6.62%、6.74%、6.86%。对于经济增长率分别为9%、8%和7.5%时,在碳排放强度约束年降5.93%时,该行业的产业结构分别调减为6.62%、6.87%和7%。
关键词:低碳经济 风险投资 分析 预测
中图分类号:F830.59 文献标识码:A
文章编号:1004-4914(2010)10-039-02
一、引言
“低碳产业”是以低能耗低污染为基础的产业。在全球气候变化的背景下,“低碳经济”、“低碳技术”日益受到世界各国的关注。低碳技术涉及电力、交通、建筑、冶金、化工、石化等部门以及可再生能源及新能源、煤的清洁高效利用、油气资源和煤层气的勘探开发、二氧化碳捕获与埋存等。正是因为“低碳产业”的可持续性优势,走向低碳化时代是大势所趋。一直以来,人类对碳基能源的依赖,导致CO2排放过度,带来温室效应,对全球环境、经济,乃至人类社会都产生巨大影响,严重危及人类生存,这比经济危机更为可怕。解决世界气候和环境问题,低碳化是一条根本途径,也是人类发展的必由之路。2007年12月3日,在印尼巴厘岛举行的联合国气候变化大会为全球进一步迈向低碳经济起到了积极的作用,继此之后,“低碳产业”在世界范围内开始普及,低碳行业的公司企业也像雨后春笋般涌现,不少投资者见其发展迅猛频频将手中的资金投向该行业,其中不乏大型的机构投资者。
二、低碳经济模式研究文献综述
在《低碳经济的若干思考》一文中作者阐释了低碳经济的内涵和发展的必要性、可能性以及发展势态。并指出近年来我国在调整经济结构、发展循环经济、节约能源、提高能效、淘汰落后产能、发展可再生能源上取得了显著的成果。在对我国低碳经济的发展确实进行预测和分析后,作者提出了中国发展低碳经济的相关措施。
什么是低碳经济,为什么要发展低碳经济,我国发展低碳经济条件如何,怎样发展低碳经济。《低碳经济研究综述》一文就中国如何既遵循经济社会发展与气候保护的一般规律,顺应发展低碳经济的潮流和趋势,同时立足于中国的基本国情和国家利益,寻求长期和短期利益的均衡的角度对中国发展低碳经济进行了分析,旨在引导中国低碳经济迈入科学发展的轨道。
同样是对低碳经济的研究,《低碳经济与环境金融创新》一文跳出了低碳经济本身,将低碳经济与环境金融联系起来,从环境金融的角度,总结了国内外研究与实践经验,探讨了环境金融创新的各种途径,并针对我国实际存在的问题提出了一些建议。作者就低碳经济的背景下如何实现环境金融的创新提出了一些见解,对低碳经济和环境金融的相互促进做出了贡献。
在《中国的低碳经济选择和碳金融发展问题研究》一文中,作者提出低碳经济是中国可持续发展的必然选择,金融是现代经济的核心,面对低碳经济时代的要求,我国必须尽快构建与低碳经济发展相适应的碳金融体系,包括金融市场体系,碳金融组织服务体系和碳金融政策支持体系几大方面。作者支持目前中国碳金融的发展只能说是初露萌芽,发展相对滞后并存在诸多问题。
对低碳经济的相关文献进行研究和综述后,低碳经济的发展是大势所趋,但如何科学地发展低碳经济,如何将低碳经济同其他行业合理的结合,如何引导投资者正确地投资于低碳行业,这些都是亟待解决的问题。本文研究的是低碳行业的风险投资,通过对目前低碳行业风险投资的分析及预测,希望能科学地引导低碳行业的发展。
三、低碳经济模式下的风险投资现状分析
“低碳经济”提出的大背景,是全球气候变暖对人类生存和发展的严峻挑战。随着全球人口和经济规模的不断增长,能源使用带来的环境问题及其诱因不断地为人们所认识,不止是烟雾、光化学烟雾和酸雨等的危害,大气中二氧化碳浓度升高带来的全球气候变化也已被确认为不争的事实。
“低碳经济”是以低能耗、低污染、低排放为基础的经济模式,是人类社会继农业文明、工业文明之后的又一次重大进步。是国际社会应对人类大量消耗化学能源、大量排放二氧化碳和二氧化硫引起全球气候灾害性变化而提出的能源品种转换新概念,实质是解决提高能源利用效率和清洁能源结构问题,核心是能源技术创新和人类生存发展观念的根本性转变。低碳经济定义的延伸还含有降低重化工业比重,提高现代服务业权重的产业结构调整升级的内容;其宗旨是发展以低能耗、低污染、低排放为基本特征的经济,降低经济发展对生态系统中碳循环的影响,实现经济活动中人为排放二氧化碳与自然界吸收二氧化碳的动态平衡,维持地球生物圈的碳元素平衡,减缓气候变暖的进程,保护臭氧层不致蚀缺。广义的低碳技术除包括对核、水、风、太阳能的开发利用之外,还涵盖生物质能、煤的清洁高效利用、油气资源和煤层气的勘探开发、二氧化碳捕获与埋存等领域开发的有效控制温室气体排放的新技术,它涉及电力、交通、建筑、冶金、化工、石化、汽车等多个产业部门。
当前世界面临的一个最大的环境问题就是全球气候变暖,而其原因正是以二氧化碳为主的温室气体的大量排放。现在人们已充分认识到这个问题,并且已开始减少二氧化碳排放的进程。工业正是二氧化碳排放的一个重要来源。而想要减少工业排放二氧化碳,发展低碳行业无疑是一种解决之道。低碳行业泛指任何以低碳排放或者致力于减少碳排放为特征的行业,如可再生能源发电、核能、能源管理、水处理和垃圾处理企业。这个行业是符合保护自然的规律的,因此具有很光明的前途。在2009年的金融危机中,低碳行业产值不降反升,表明这个行业正是一个很有潜力的行业。图1是来自省略的2009年2月到2010年2月中国低碳能源行业创投市场月度投资规模,从图中可以看出投资者越来越多地关注低碳行业。
哥本哈根会议虽然未能达成成果,但低碳环保风潮已经在风投之间劲吹。正如前面对低碳行业的分析,低碳经济以“低能耗、低排放、低污染”为主要特征,以此为中心衍生出较多的投资主线,主要包括:节能、减排、清洁能源领域。中国现在很多新的产业都跟这些领域有关。而事实上,越来越多的企业也将发展方向往这些领域方面靠拢。经历了金融危机后的风险投资再度热了起来;而比风投更热的,则是低碳经济。根据中国风险投资研究院(CVCRI)对556家风投机构的调查显示,2009年VC对能源环保领域共投资了35亿元;VC投资的项目中,每10元钱中就有1.1元投向了能源环保领域。在很多的风投机构看来,节能环保、新能源等既属于产业政策扶植范畴、又对经济周期不敏感,这种低碳行业特殊的特性也是迎来风投广泛关注的原因。
历时3个月、访问了556家风险投资机构后,民建中央下属的中国风险投资研究院(CVCRI)得出结论:2009年中国VC/PE市场募资、投资规模均逐步回升,迎来了复苏和发展。CVCRI指出,由于经济的复苏和创业板的推出,2009年下半年的投资热情增加。上半年投资案例数为229个,占总案例数的38.10%,投资总额为120亿元,占全年投资总额的40.43%;而下半年的投资案例数为372个,明显高于上半年,投资金额也占到了全年投资总额的59.57%。另一个可以观察到的现象便是低碳能源环保行业的崛起。据CVCRI数据,2009年风投对能源环保的投资项目数为99项,总金额为34.99亿元;仅次于狭义IT行业的135项和43.29亿元,成为继传统行业、狭义IT行业之后的第三受宠行业。另外更加值得关注的就是556家风投机构将能源环保行业评为了最具投资价值行业。其次是医药保健和消费服务行业;而传统产业、狭义IT则甚至没有进入前十名。2009年度风险投资总额为315.34亿元。除此之外,不少风司也对低碳行业发表了自己的看法,其中中国风险投资有限公司总裁王一军表示低碳经济是大势所趋,而核心则在于节能减排和发展新能源。以我国过去走的粗放型经济增长方式来看,节能减排在技术、推广等领域都有很大的发展空间。而中国对石油的需求日益增长也在驱使着新能源的发展。
对于“两高六新”的公司,即具有成长性高、科技含量高、新经济、新服务、新农业、新材料、新能源和新商业模式的公司,是风投关注的重点,而这些特点也是低碳行业所具备的。基于上述对低碳行业前景的分析,对于低碳行业的风险投资无疑成为了一个热点话题。但凡是投资都存在着风险,众多的投资者在投资低碳行业之前也会对该行业的众多上市公司进行综合评估,通过行业数据和公司相关的各方面指标选出最具发展潜力和盈利能力的公司进行投资。
在对低碳行业风险投资概况进行综述之后,从投资价值的角度将低碳行业和其他行业进行比较,图2是2009年统计的最具投资价值行业分布情况,从中我们不难看出低碳能源和环保列居首位。
四、低碳经济模式下的风险投资前景预测
前面通过对低碳行业的风险投资数据和图表的分析,低碳经济模式由于其得天独厚的可持续发展潜力受到了投资者们的青睐。风险投资是众多投资方式的一种,风险投资不仅仅是一种简单的权益投资,投资者们为了获得公司上市和退出时的高额收益,还要为初创期的公司提供技术支持。前面说到了低碳经济模式的可持续性发展优势,这一点是风险投资决策时的一个主要决策因素。所以,在后金融危机时代,将会有越来越多的风险投资者涉足低碳领域,既促进了低碳行业的高速发展和繁荣,同时也为风险投资者提供了一片全新的投资领域。由于低碳经济是一种绿色经济,不仅促进了经济的高速发展,同时也为环境保护和可持续发展做出了贡献,所以,在今后几年中政府必将会持续出台相关政策推动低碳经济在我国的发展,这些政策也将为投资者的资金进入低碳领域敞开了大门。综上所述,在未来几年里,风险投资与低碳经济模式的结合将是投资领域一道亮丽的风景线。
[基金项目:江苏省社科基金项目(08EYA002)]
参考文献:
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Abstract: China is the world's largest carbon dioxide emission country, facing the enormous pressure of the international community to reduce emissions. Based on the concept of total GHG emissions, this paper discusses the categories of GHG emission control targets, namely, "absolute amount reduction or increase limit target", "reduction compared to BAU scenario " and "peak target". Based on the study of the total GHG emission measurement method, the typical model of GHG emission forecast in China is summarized, and a forecast model of total carbon emission based on greenhouse gas inventory is proposed.
关键词: 温室气体排放;总量控制目标;模型法
Key words: greenhouse gas emission;total control target;model method
中图分类号:X511 文献标识码:A 文章编号:1006-4311(2017)12-0246-02
0 引言
近年来,全球极端气候事件频发,与之密切相关的气候变化和温室气体排放问题越发受到关注。2016年4月,全球共有170多个国家共同签署了《巴黎协定》[1]这一迄今为止最复杂、最敏感也是最全面气候谈判的结果,表明了各国面对气候变化采取全球行动的坚定决心。
作为全球最大的二氧化碳排放国家,中国面对着国际社会的巨大压力。2015年,中国已经向国际社会明确了减排目标,承诺将在2030年达到碳排放峰值并争取尽早达峰。2016年,国务院印发了“十三五”控制厥移体排放工作方案,进一步明确了减排路径和主要任务。为了达到减排目标,我国已采取多种积极有效的措施来控制温室气体排放,包括行政手段――国家发改委对各省市进行碳排放强度降低目标责任考核,以及市场手段――我国即将在2017年启动运行全国碳排放权交易市场,多管齐下,协同减排。控制温室气体排放总量是我国积极应对全球气候变化的重要任务,也是实现绿色低碳发展的迫切需求。
1 温室气体排放总量目标制定
温室气体排放总量控制是指依据有关规定,将某一区域范围内(某个国家、地区或行业)、某一时间段内温室气体排放总量控制在设定的目标之内。目前,根据已有的实践经验及案例,总量控制目标可以分为三类,分别是“绝对量下降或增幅限制目标”、“相比BAU情景(趋势照常情景)下降目标”和“峰值目标”。
“绝对量下降或者增幅限制目标”是常见的总量控制目标形式,首先设定基准年和目标年,然后设定目标年排放在基准年排放的基础上下降的数量,或者在基准年排放基础上的增量限制。其典型案例包括《京都议定书》各缔约方的国家目标,例如,德国的目标是在基年基础上减排21%,瑞典的目标则是在基年基础上增排不能超过4%。此外,如伦敦、惠灵顿等的一些城市也采用这一目标形式,伦敦的目标是2025年在1990年的基础上减排60%,惠灵顿的目标是2020年和2050年分别在2000年的基础上减排30%和80%。
“相比BAU情景下降目标”是指根据基准年排放推算出目标年的趋势照常情景(BAU)排放,以此为标杆值设定目标年排放目标。根据下降目标的幅度,目标年排放可能低于基准年排放,也可能高于基准年排放。这一目标形式的应用案例较少,主要有巴西及里约热内卢。巴西的目标是2020年在BAU情景基础上减排36%-39%[2],里约的目标是2012、2016和2020年相比BAU情景需要实现一定数量的减排量,减排额分别为2005年排放量的8%、16%和20%。
“峰值目标”是设定排放达到峰值的年份,但达峰时的排放量并不体现在目标中,也不规定基准年。目前,我国采用这一目标形式。2015年6月,我国向《联合国气候变化框架公约》(UNFCCC)秘书处提交了应对气候变化国家自主贡献文件,其中提到的行动目标是二氧化碳排放2030年左右达到峰值并争取早日达峰。我国一些城市也制定了峰值目标,如宁波预计将在2020年前达峰,是全国首个明确二氧化碳峰值预期时间的城市。
2 温室气体排放总量测算方法
目前,温室气体排放总量的测算方法主要分为实测法、物料衡算法和排放系数法、模型法等[3-4]。
实测法一般是指通过规定的连续计量设施或监测设备,测量排放气体的流速、流量和浓度,采用实测数据来计算气体排放总量。该方法具有较高的精度,但目前来说,对二氧化碳进行连续监测的成本非常高,而且监测范围有限,难以覆盖所有排放源,实用性较差[3-4]。
物料平衡法是指基于质量守恒定律(即原料消耗量为产品量与物料损失量之和),对于生产过程中的物料进行定量分析,进而计算温室气体排放量,具体计算方法分为总量法或定额法。总量法是以原材料总量、主副产品和回收产品总量为基础进行物料衡算,来计算物料流失总量;定额法是以原材料消耗额为基础先计算单位产品的物料流失量,再求物料流失总量。目前,物料平衡法应用于大部分的碳源温室气体排放量估算以及基础数据的获取,主要有表观能源消费量估算法和详细的燃料分类为基础的排放量估算法[3-4]。
排放系数法指在正常技术经济和管理条件下,生产单位产品所排放的气体数量的统计平均值,排放系数也称为排放因子,可通过实测、物料衡算或调查得到。使用排放系数法的不确定性较大,但适用于统计数据不够详尽的情况,比如我国一些小规模企业较多的采用排放系数法估算其温室气体排放量[3-4]。
考虑到温室气体排放几乎涉及到与人类生产生活相关的各个方面,在宏观层面进行多维度温室气体排放总量分析时,研究对象是更为复杂的系统,涉及的因素、变量很多,采用模型分析法是最为有效的研究手段[3],也是目前国内外相关研究人员主要采用的方法。
3 温室气体排放总量目标预测模型
采用模型法对温室气体排放总量进行预测分析时,主要工具包括包括模型和情景。模型描述了影响温室气体排放总量的经济、社会和技术因素的作用机制,以及表征这些因素的参数。情景是对未来经济、社会和技术发展路径的预期,不同预期通过赋予模型参数不同数值实现,将参数输入模型,就可以进行碳排放总量的预测,进而实现总量目标的控制[5]。
目前我国对于温室气体排放总量的预测分析多是集中于能源消费的峰值预测,主要模型包括LEAP模型、STIRPAT模型、EKC曲线、MARKAL-MACRO模型等。LEAP模型是一种基于情景分析的能源―经济―环境综合模型,多应用于国家层面的中长期能源规划以及行业能源需求与排放预测,基于覆盖所有能源消费品种的能源需求模型形成一个闭合、平衡的能源与碳排放系统,可以预测不同情景下的温室气体排放总量[6]。
姜克隽等基于IPAC模型, 设计了基准情景、低碳情景与强化低碳情景,预测分析了我国未来中长期的能源需求与温室气体排放情景,并探讨了低碳发展路径[7];渠慎宁等利用STIRPAT模型对多种情景模式下未来的中国碳排放峰值进行相关预测,提出保持碳排放强度不断下降对尽快达峰至关重要[8]。林伯强等利用传统的环境库兹涅茨模型模拟与在二氧化碳排放预测的基础上的预测两种方法,对中国的二氧化碳库兹涅茨曲线做了对比研究和预测,结果表明人均收入、能源强度、产业结构以及能源消费结构都对二氧化碳排放有显著影响[9]。周伟等利用MARKAL-MACRO模型,预测了中国(2010-2050年)未来能源消费产生的二氧化碳排放总量,并预测了可能的达峰时间以及实现路径[10]。翟石艳等采用IPCC 2006年版碳排放计算公式、经济-碳排放的动力学模型和水泥碳排放模型,提出了区域碳排量算框架和研究方法,并预测广东省2008-2050年能源消费碳排放量、水泥消费量和碳排放量、森林碳汇值[11]。
能源活动领域是温室气体的主要排放源,但其碳排放并非是全社会的碳排放总量。基于温室气体清单的碳排放总量控制目标研究涵盖了全社会各领域的主要排放源,包括能源消费、工业生产过程、农业、土地利用变化和林业以及废弃物处理等活动所导致的温室气体排放,通过清单提供的历史排放信息以及清单与其他分析相结合对未来减排潜力的预测,为制定温室气体总量控制目标提供依据[12],这也是一种更新、更全面的模型分析方法。
4 小结
从碳强度控制向碳排放总量控制过渡是我国低碳发展的必然要求。我国已提出2030年二氧化碳排放总量达峰这一减排目标,如何合理的设定温室气体排放总量控制目标是关键问题。目前已有的研究成果多是基于能源消费的碳排放峰值预测,采用的方法主要为基于多种情景分析的模型法。本文提出一种基于温室气体清单的碳排放总量预测模型,进一步优化模型覆盖的排放源范围。
参考文献:
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【关键词】作业设计;学生作业;以人为本
作业是课堂教学的延伸,是巩固和消化课堂知识,培养学习能力提高学生素养的最佳载体。因此作业的设计应以生为本,具有趣味性、层次性、反思性、开放性和实践性。从而来激发学生的学习兴趣,挖掘学生的内在潜能,发展学生的创新思维。
一、化学作业的作用和现状
作用:作业是检验、巩固教学的有效手段。教师可通过检查作业了解学生对新知识的掌握,学生通过做作业来巩固知识、灵活运用知识举一反三、触类旁通、融会贯通。作业对教师和学生都是检验自我能力的重要途径,有利于思维的观察、分析、推理、综合自我反思能力。教师可通过作业发现学生的特长和差异,对症下药,因材施教。合理的开放的作业有助于自身教育,有助于发现自身不足及时自我诊断。化学作业应成为教师和学生共同进步、共同成长的催化剂。
现状:目前作业过分注重答案的标准化、客观化,形式内容单一化,思维训练定势化,做表面文章多,作业整齐干净,量大质低死记硬背作业多,机械训练多。造成优生吃不饱,中等生吃不消,差生吃不到,教师给学生“鱼”而不是“渔”,教师批改作业只有对与错,无批语,不能产生师生情感共鸣。
二、化学作业的设计
1、作业设计的原则
习题要在内容和题型上有所创新,内容要求:来自于①课本、教辅资料、历年中、高考题。②对选出的习题进行变换情景,设问,推陈出新。③在生活中选化学素材自编习题④重科学性(无错),关注时代性(联系实际),突出科学探究性,增强开放性,加强学科渗透性。题型要求:题型创新是指设计的题型要创造性使用已有题型,构建具有创新意义的答案方式和途径。以标靠本,保留现有的常见的题型,应多设计一些讨论、辩论、角色扮演、调查研究等作业。这样的化学作业,不仅有利于基础的落实,更有利于减轻学生负担,提高教学质量,拓宽知识眼界,增强面向未来的适应能力。基于以上的认识,为更好地实现教育目标,认真对待作业的编撰组合和精选。
2、作业的设计
(1)作业应有趣味性
结合现行教 材与生活、生产、医学、环境保护有很大的联系,且内容丰富有趣,教师可根据实际,编些贴近生活、有趣的习题,以增加化学与生活联系,从而提高学生学习趣味,还可提供学生讨论,使学生成为做作业的主人。
例1.把一只新鲜的鸡蛋放入水中,鸡蛋沉入水底,加入浓盐酸(在家中做可用洁厕灵)鸡蛋会出现上浮、下沉、在下浮、在下沉的现象,反复几次。
设问:①鸡蛋壳的主要成分是什么?
②用物理和化学知识解释鸡蛋上浮、下沉反复多次现象的原理?
③自己在家中用食醋代替浓盐酸试一试(先放鸡蛋后倒醋),观察实验现象,并与用浓盐酸和鸡蛋实验现象进行比较?
(2)作业应有层次性
教师可根据班级中不同学习层次的学生,布置不同要求层次的作业。对大部分学生要求完成习题“A”(基础题),而对掌握得较好的学生,可免做或少做已会的基础题,对他们 布置习题“B”(提高题)或“C”(综合题)。以利在提高。对实验作业中的必做实验作业、选做实验作业和课外兴趣实验作业也分别分层要求,这样能让基础差的学生“吃到”,好的学生“吃饱”。
例2.学完高一年级人教版第六单元《氧族元素》后,布置总结提高性作业。
设问:①说出二氧化碳和二氧化硫的物理性质和化学性质 (A)
②鉴别二氧化碳和二氧化硫两瓶气体 (B)
③设计实验除去二氧化碳中混有的少量二氧化硫 (B)
④设计实验检验某混合气体中存在二氧化碳和二氧化硫 (C)
这样“分层推进”作业,针对性强,突出知识的基础性环环相扣,使不同层次的学生都有所收获、有所提高、有所发展、基础得到保证,负担得到减轻,各层次学生学习的积极性得到调动。
(4)作业应有开放性
开放问题是一种探索问题,学生并不能完全依靠所学的知识或模仿教师传授某种现成的方法马上就能回答,而要求学生从多方面、多角度、多方位分析思考问题,善于打破常规寻找新的解决问题的途径,使思维活动具有独创性。开放性习题作业可以使学生经历思考,从而开阔学生的眼界与思维,认识到世界的多样性,形成开放的头脑;帮助学生存认差异,克服怕犯错误的心理;可以培养学生独立自主、充满自信乐于思考,不迷信书本和权威,尊重他人等批判精神。
例4.①有两种白色粉末,其中一种是碳酸钠,另一种是碳酸氢钠,区别它们的方法有多种,请你简要写出其中的三种方法。(答案开放题)
方法一: 方法二: 方法三: 。
②某同学在做细铁丝在氧气中燃烧实验时,细铁丝在瓶中未能持续燃烧,请同学们分析原因?(情景过程开放题)
③调查小河被污染的原因?(条件开放题)
过程开放或结论开放的习题能是学生积极探究的问题情景,鼓励学生从多方面、多角度、多方位分析思考问题有助于充分调动学生的潜在能力。
(5)作业应有实践性
要使学生的学习有乐趣,必须使学生认识到自身的能力和知识的价值,学生自身由“要我学”转变为“我要学”“我乐学”。知识的价值体验来源于生活,实践活动探究可以使学生完全参与到学习活动去。探究活动是学生最难忘的、是触动学生心灵的学习体验。让学生在做事中明白道理,在艰辛中体验坚强,在失败中获得成功。作业的设计具有实践性(探究性),作业必须从学生的生活经验和社会发展的现实中取材,即从实际问题中引出化学作业的内容,也可以让学生在实际情景中展开讨论,将化学知识应用于实际情景。
例5.(预习性作业)在充满神奇变化的物质世界里,燃烧是我们经常接触到的一种化学变化,它与我们生活密切相关,我们天天和燃烧打交道,但你是否知道:①燃烧的利与弊?②燃烧在什么条件下发生,怎样灭火?③当你帮妈妈生了一次煤炉的炉火后,你的体验是什么?④你能帮老师设计实验来证明燃烧的条件吗?
2013年一月,北京仅有五天没有被浸没在雾霾里,北京气象台同时也发出了北京气象史上首个尘霾橙色预警。事实上迄今为止,在没有大风的日子里,北京城仍然处在雾霾的笼罩中,网友形容“在户外往往是先听到迎面汽车的发动机声,过几秒才能看见汽车的轮廓。”碰巧的是与此同时,“北京咳”这个在江湖上流传十余年的词汇被白纸黑字的写入了某些旅行指南。
在雾霾事件之前,该地区政府一直在宣传其“蓝天计划”近年来所取得的巨大进步。现在来看,这无疑是具有讽刺意味的。或许这个令人尴尬的事实能够使一些当地部门认识到,单纯以一年中蓝天的天数作为治理空气污染是否有成效的标尺是有很大局限性的。大肆宣传一个不足以为凭的数据,同时却对频频爆表的PM2.5值不做正面回应是不可取的。
雾霾顾名思义就是雾和霾,实际上雾和霾是有所区别的,雾是由大量悬浮在近地面空气中的微小水滴或冰晶组成的气溶胶系统,而霾则是由空气中的灰尘、硫酸、硝酸、有机碳氢化合物等粒子组成的。据学者研究,雾霾的主要成分是二氧化硫、氢氧化物以及可吸入颗粒物,这三种污染物与雾气结合后就使得空气一片灰黄。雾霾对人体的心肺功能会产生极大的威胁,若长时间吸入可能会威胁生命,如臭名昭著的伦敦烟雾事件造成了4,000人丧生。本次北京雾霾事件与伦敦烟雾事件成因虽有共同点但却并不完全相同,二者的相同之处在于季节,冬季的扩散条件不好,容易形成逆温层(简单的说就是地表温度低于上空温度,使污染物不能扩散),而不同点在于污染物的种类不同,伦敦烟雾事件主要是煤烟污染,而北京雾霾事件的污染物成分则要复杂得多,既包括煤烟污染,也包括通过大气化学过程形成的二次颗粒物等。
在北京雾霾事件中,汽车尾气无疑是极重要的污染源之一。至2012年9月,北京共有机动车512万辆,这是一个极为庞大的数字,这些车辆除给北京的交通造成巨大压力外,每日所排放的污染物固体悬浮微粒、一氧化碳、二氧化碳、碳氢化合物、氮氧化合物、铅及硫氧化合物等本身对环境而言是不可承受之重,这些气态污染物遇到雾气又会再次转化为二次颗粒污染物,加重雾霾。很显然北京政府已经意识到了问题的严重性,并出台一系列政策来抑制北京汽车持有量增长速度,或减少道路上所行驶的机动车辆,例如摇号或是限行,但在北京对汽车巨大的需求量的基础上,这些政策显然并不能够起到决定性作用。
清洁发展机制,简称CDM(Clean Development Mechanism),是《京都议定书》中引入的灵活履约机制之一。CDM允许附件1缔约方(如日本、英国等发达国家)与非附件1缔约方(如中国、印度等发展中国家)联合开展二氧化碳等温室气体减排项目。这些项目产生的减排数额可以被附件1缔约方作为履行他们所承诺的限排或减排量。换句话说,附件1缔约方可以通过对非附件1缔约方提供资金与技术,帮助非附件1缔约方减少二氧化碳排放量,以解决在本国为履行约定造成的成本困难。据研究数据显示,西方发达国家每降低一吨二氧化碳的排放,其成本高达200美元,而中国、印度等发展中国家,通过产业升级等方式降低一吨二氧化碳排放,成本仅为几美元到几十美元,这就使得国家碳交易市场对发展中国家节能减排项目趋之若鹜,也使得发展中国家通过CDM项目可以获得部分资金援助和先进技术。
但是,中国CDM市场发展情况却不容乐观。从国家发展和改革委员会2006年2月15日的《关于规范中国CDM项目咨询服务及评估工作的重要公告》看来,目前在国家发改委清洁发展机制网上注册的咨询公司已经达到52家。而未在发改委注册,但从事CDM中介服务的公司,更是多如牛毛。据知情人士透露,仅在北京CBD商圈内从事CDM服务的公司,就多达上百家。这些公司为 “跑马圈地”,忽视前期的市场调研,盲目与中国企业签订合同,置签约企业的利益于不顾,导致合作过程中,企业浪费了大量时间和精力。
尽管CDM咨询机构如雨后春笋,但是我们可以看到真正有能力处理文件、审定、核证、监测等工作的咨询人才屈指可数,真正娴熟CDM国际商务的人才则更是凤毛麟角,缺乏专业的PDD(项目设计文件)开发人才,PDD开发时容易遗漏细节性的东西,对对方法律研究不透彻,造成了DOE(由清洁发展机制理事会授权的经营实体)核查核证乃至注册时的拒绝。
一些咨询公司还在盲目地进行市场扩展,他们没有认真对待业主托付的项目,严重耽误了项目的开发进度,在日后必定会面临更大的审定和注册风险,其最终结果是浪费中国有限的CDM项目资源。
从国际经验上来看,目前各发展中国家都积极推动本国CDM项目的发展,努力形成与国际CDM市场接轨的体制。因此,尽管目前中国在CDM市场占据着优势,但是相信在未来的3-5年中,随着其他发展中国家资源市场的不断成熟,中国的资源优势将不再明显。因此,采取多种手段推进我国CDM项目的发展速度,将是中国从CDM项目中获得持续发展动力的关键因素。笔者认为以下几点是需要引起相关方面注意的。
第一是要出台明确的鼓励政策,制定明确的政策鼓励私营企业投资者的信心。成立专门管理CDM项目开发的部门,出台鼓励、支持企业和中介服务机构发展CDM项目的政策,在政府内部,设立专门的CDM机构负责项目的推进工作。政府应积极寻求适合本国可持续发展的道路,对CDM持积极的态度。
另外,建立完善的CDM机制不可或缺,各级政府和科研设计院校应加紧CDM项目能力建设和人才培训,设立CDM相关课程和专业,政府应尽快推出CDM专业资格认证规则,建立CDM项目开发培训组织,制定相关从业人员从业标准和规范,形成职业培训、资格考试、资格认定制度,从总体上提高从业人员标准;整顿中介机构,建立资质系统,给符合条件的中介机构和各级省级CDM开发机构颁发资格证书;发改委建立国内混合评审制度,评审公开公正,允许旁听,允许其他有资质机构进行评论;建立中介机构淘汰机制;通过制定相关的法律法规来规范行业,并成立专门的民间行业机构,设立行业准入壁垒。通过这些手段,解决目前CDM从业机构水平参差不齐、从业人员素质不高、项目执行能力差的局面。
同样,相关方面也应该重视“三效益”结合的CDM项目,以促进可持续发展。CDM项目应重视社会效益和环境效益,寻求能兼顾经济利益、社会利益、环境利益的项目。参与的行业和形式应多种多样,除了经济利益外,应更看重技术方面的支持。特别是对我国环境影响显著的技术引进工作,应作为CDM项目发展的重要方面。
做好项目宣传工作也是重要一环,开展各式各样的宣传活动,让地方政府和企业了解CDM运作,消除企业实施CDM的质疑,进行正确的引导。加强从业人员的专业知识。通过培训或提供一些技术交流会,促进CDM技术服务中介的能力提高,组织专门机构对中国CDM项目在注册过程中所出现的问题进行总结,给中国CDM项目的开发人员提供借鉴。最终形成全社会对于通过CDM项目提升我国社会经济环境发展的普遍意识。
关键词:低碳城市,低碳型景观设计,园林景观
一、引言
随着社会的发展,环境恶化、气候变暖等问题的日益严峻,人们逐渐认识到人类活动对生态的影响,开始重视对气候环境变化的控制。人类通过研究发现人类活动产生的过量二氧化碳对生态环境有着巨大的影响,于是便提出了低碳的概念。2003年英国政府在政府能源白皮书中首先提出了低碳经济的概念,2007年联合国气候变化大会制订的“巴厘岛路线图”,2009年中国在联合国气候变化峰会及哥本哈根联合国气候变化大会上向全世界作出了明确承诺。低碳逐渐深入人心,成为未来发展的方向。在城市建设、景观设计中生态低碳型景观设计成为一种趋势。
二、低碳与城市园林景观的关系
低碳包括低碳社会、低碳经济、、低碳生活、低碳城市等等。其中低碳经济和低碳生活是其核心内容。低碳经济,是以低能耗、低污染、低排放为基础的经济模式。低碳生活,是把生活作息时间所耗用的能量要尽量减少,从而减低二氧化碳的排放量。低碳城市是指城市在经济发展的前提下,保持能源消耗和二氧化碳排放处于较低水平。低碳城市的主要思路包括减排和碳汇(既收集和固定大气中的温室气体)。而城市绿色园林景观系统作为城市中最主要的碳汇必然成为低碳城市的重要组成部分。城市绿色园林景观具有固碳释氧、降低城市热岛效应、美化环境等作用,同时又可作为为重要的低碳教育与展示基地。如何在园林景观设计中充分发低碳效应,是实现低碳城市发展目标的重要保障。
从目前现状来看,城市建设对园林景观设计的认识性正逐步深入,可持续发展的绿色景观和可观赏性的城市发展思路也已经得到方方面面的确认和肯定,低碳园林城市是城市发展的大势所趋;设计师对项目的设计及材料运用也非常重视,而城市市民也在不断追求物质生活条件以外的绿色生态感观。改善城市绿色生态环境,打造城市绿色生态名片,建设宜居的生态低碳城市是当前景观设计师的一项艰巨任务。
三、低碳概念在城市园林绿地中的应用
1、城市雨洪管理
我国城市的雨洪管理技术相对落后,雨水多直排入排水管网,这对城市排水系统和污水处理系统造成较大的压力,许多城市一下大雨便是泽国一片。现在人们还没有意识到雨水资源的流失所造成的损失。在缺水的城市,大量的雨水通过市政管网排出,而雨水过后又会出现城市大量缺水的情况。城市中的园林景观通过合理的设计可以达到较好的排水、储水、净水和补充地下水源的作用。例如城市园林中的绿地系统可以对雨水进行收集、调蓄和净化,并使之通过自然渗透补充地下水源。这样不仅可缓解城市排水和污水处理的巨大压力,减少巨大的人力、物力消耗,同时还可以丰富城市景观,为人们提供更加舒适的生活空间。
2、缓解城市热岛效应
绿地减小,建筑和硬地增加是造成城市热岛效应的主要原因。气温的升高会使城市的耗电量加大,从而导致更多的碳排放。园林绿地通过植被的蒸腾作用和遮荫可以降低城市的地面和空气温度,形成明显的城市“冷岛”。通过合理的布局,使园林的“冷岛”穿插于城市“热岛”之间,可有效地减少城市的热岛效应,大量减少城市耗能,并为居民提供更为舒适的生活空间。
3、生产性景观的应用
生产性景观通常既可以起到可以提供能源,又能起到装饰性景观的效果,如风能、太阳能发电场、家庭园艺园、生态农业观光园等。这些景观多是自然资源与人类活动相结合的产物,既显人工之美又显自然之美。风能和太阳能发电厂通常可以看做一个大地景观的作品,其设备优雅的外形和有序列的排列可以成为城市中富有标志性的景观。同时它们提供的可再生、可持续的能源也可提供城市能源的消耗,减少城市二氧化碳的排放。城市农业景观可以满足城市居民参与、体验农业生产活动的需要,也有一定的产出功能,提供满足部分城市农产品的需求,减小产品的运输成本、运输路程,从而减少碳排放。
四、城市风景园林的低碳措施
下文在微观层面列举几个具体的低碳措施。
1、森林城市建设
碳排放量和吸收量,与当地的自然地貌、自然资源和生态效应息息相关。因此,城市森林不单只停留在美化城市的功能,城市森林的碳汇功能在打造低碳城市过程中,显现出它的作用。陆地生态系统中储存了2.48万亿的二氧化碳,其中1.15万亿储存在森林生态系统当中,所以说森林是陆地生态系统最大的碳库。此外,森林城市在降低城市温度和热岛效应方面效果明显,从而降低能源的消耗。
2、城市景观照明系统
随着城市绿色基础设施的完善,相应的景观照明耗电量也激增。LED灯以“低碳、低能耗、低污染”的特点,广泛应用于景观照明灯,适合一些功率较低的景观灯。此外,广泛应用于发达城市的太阳能景观照明也是很好的低碳措施。
3、鼓励公共交通
相关部门应该完善公共交通基础设施的建设,让轨道交通和公交交通成为市民乐意实用的出行工具。此外,自行车的公用化,将是实现低碳城市重要的推动力。如果能推广到城市范围,能够极大的降低私人机动车的使用率,从而降低碳的排放量。
4、清洁能源与风景园林
低碳城市将逐步摆脱对与石油的依赖,革新城市的能源供应系统。风能、太阳能和水里发电将被广泛使用。相关能源收集设施,如风车和太阳能将可以与结合景观设施造景,风车和太阳能板的放置场地既可以作为发电场地,也可以作为绿地,供人游玩和观赏。
5、生态措施与水
雨水收集、污水处理和沙漠化防治都与景观息息相关。屋顶花园将加大雨水收集的绿地;生态湿地将净化工业和生活产生的污水;沙漠化的防治与风沙抵御将依赖更多的防护绿地。
五、低碳概念在园林景观设计中的实践初探
在对园林景观的低碳设计进行了初步的研究分析之后,并总结实际项目操作,得出以下几点低碳设计原则:
1、尊重当地的自然环境与人文环境
认真全面的考察项目环境,充分了解当地的自然条件及民俗民情。不同地域都保持着各自的民族文化与居住习惯,因此我们在设计中就要充分的了解他们,并结合项目所在具体环境进行合理的设计研究,不能盲目的设计规划。
2、遵循项目所在地块本身的生态特性,合理开发利用资源,并对其加以保护
例如美国景观设计师协会(ASLA)公布了年度专业奖项,2010上海世博园后滩公园获本年度最高设计奖――杰出奖。上海世博园后滩公园是上海世博会的重要组成部分, 它倡导生态之美、丰产与健康的作物与野草之美,生动地注解了“城市,让生活更美好”的世博理念。
3、生态景观、低碳设计
有专家表示,明年中国经济关注的焦点之一极有可能是中国能否走上一条低碳的转型之路。而景观设计中的节能环保型材料应用和设计理念的加入必将受到市场的青睐。这样的环境,这样的可持续发展前景才是我们未来完美生活的追求目标。
4、合理控制成本,合理低碳化。
合理控制项目成本,不要为了低碳而低碳。因此,景观设计师必须有景观成本控制概念。
六、现状问题
现在越来越多的城市规划被打上了低碳城市的标签,但是真正实现低碳城市的目标并不是短期内可以达到的,需要经过长期而艰巨的实践,需要更多的基础设施的投入,需要更多的科学研究。
现今,城市园林绿地的建设中存在着许多有悖于低碳原则的设计值得警惕。过分追求精致化的园林导致园林景观的高维护率,植物种植时过于追求其观赏性而忽略其生态性;大量兴起湿地公园的建设,却只关注于其游览观赏性而忽略其真正的生态价值;不合理的材料使用,导致现在的园林使用年限远低于设计预期。这些无疑都降低城市园林绿地作为“碳汇”的功能,有时甚至使其成为“碳源”。希望通过更多的关于低碳设计的探索,使低碳的概念成为每个设计师设计时的一把标尺,真正地将低碳落实到实际设计中。
关键词:工业革命;技术创新;技术创造;社会变革
1 工业革命的概念和特征
工业革命应该是人类历史上具有划时代意义的伟大革命。一百多年来,学者们就工业革命的定义争论不休,研究的问题越来越深入。但研究者即使对一些基本问题也很少形成共识,“究竟什么是工业革命”这一问题往往人言人殊。
从学术角度分析工业革命的字面,包含“工业”和“革命”两个部分。根据百度百科:工业(industry)是指采集原料,并把它们加工成产品的工作和过程。工业是社会分工发展的产物,经过手工业、机器大工业、现代工业几个发展阶段。革命,则是指推动事物发生根本变革,引起事物从旧质变为新质的飞跃,是一种实现社会变革的历史过程。
因此,本文认为工业革命就是造成工业过程、工业规模、工业技术等和工业息息相关的诸多领域均发生突变,对工业产生巨大影响、,引起跨越式进步和发展的一场社会、产业变革。
国内外学者把工业革命定义的研究分为社会变革学派、工业组织学派、宏观经济学派、技术学派、能源学派和消费学派等,这些研究分别从不同侧面去抓工业革命的特征。本文也根据这一百多年来工业革命的发展历程和发展成果,从工业的第二产业的实业属性出发,总结归纳出一些工业革命明显应具有的特征:
1.社会影响规模
工业革命引起社会发生广泛的变革,影响到工业和工业相关的各行各业的发展变化,不局限于某一单一领域或者少数几个领域;
2.市场经济价值
一场工业革命的发生,必然在相当长的时间里持续影响社会生产总值的大幅度增长,甚至要大到难以估量的地步;
3.技术理论进步
工业领域发生重大的理论突破和进步,这些系统、全面的新理论、新认识的应用,引起工业过程发生前所未有的变化,全社会产生强大的变革发展的内在动力;
4.生产力的发展
真正的工业革命必然带来人类社会生产力的巨大的、飞跃式的发展,同时也推动生产关系的巨大变化;
5.历史因果关联
新工业革命不应该是缓慢、渐进、累加式的发展,几乎没有和历史的渐进性关联,是一种在现有的工业发展过程中产生新的爆炸式增长、突变式发展。
这些都是一场工业革命应该同时具有的特征。人类已经经历过的第一次工业革命(动力机械的诞生和发展)、第二次工业革命(电的发现和应用)都具有上述这些特征。被社会普遍接受的已经发生甚至接近完成的“第三次工业革命”、“第四次工业革命”观点、说法,就不太符合上述特征。
第一次工业革命引起了从手工劳动向动力机器生产转变的重大飞跃。这场革命的过程一直延续到今日,我们人类离不开的各种机器设备,特别是动力设备,几乎都和这场革命的开始而同时诞生,并在这100多年中不断、循序渐进的发展和完善。即便是刚刚退出历史舞台的蒸汽机车,仍在极少数的应用场合发挥着作用。第二次工业革命则让人开始使用“电”,这是和蒸汽机、内燃机完全不同的一次新领域的突破,从电灯、电话,有线电、无线电,电脑、互联网,都是“电”在发挥神奇的作用,都是人类随着对“电”的认识不断深入,“电”的应用领域不断扩展的过程。这个渐进、发展过程中没有哪一个阶段能单独称其为新的“工业革命”,充其量也只能是在某个小领域、小行业产生局部的“小革命”。应该说第一次工业革命、第二次工业革命从革命开始一直延续至今,还在不断进行中;能与之匹敌的新的“工业革命”还没有开始。
2 新的工业革命的基础和条件
到了今天,人类社会的生产力已经高度发达,生产关系也达到较高水平,体现在经济繁荣、社会稳定。通俗的说法就是到了几乎什么需要的东西都能造出来,但是社会不知道该造什么了。到处都是“产能过剩”、“产品过剩”,整个社会消费需求乏力,人们对工业品的需求似乎都得到了满足,没什么大的需要了。偶尔出现一个新的市场,转瞬间就又饱和或过剩了,
找不到新的需求、新的增长点,现有的原材料“蛋糕”、半成品“蛋糕”、产成品“蛋糕”有限,一些曾经发达、现在落后的国家眼看吃不到、不够吃了,竞争不过我们,则开始“耍赖”,惩罚性关税、贸易制裁、编造谎言欺骗等手段纷纷出笼,目的就是减缓我们的发展,让发展先进的国家慢下来、走入歧途。我们则开始改进“供给侧”,按照西方的忽悠“去产能”,在提升“品质”上下功夫,这一定就能让社会产生新的需求?难道人类生产力发展到了一定阶段就要“挥刀自宫”?真是“出头的椽子先烂”?我们现在大幅度消减全世界公认的重要战略物资煤炭、钢铁的产能,努力淘汰低水平产能。劣质煤停产,低标号水泥停产,低品质钢材停产,但如果哪天都到了高水平产能,都提升变成优质煤、高标号水泥、高品质钢材,再“过剩”了,又怎么办?生产出来高品质的、超越需求的“过剩产品”,能保证卖掉吗?
“引发工业革命的必要性是市场!”今天,实体经济发展却遇到瓶颈,能源危机也已经迫在眉睫。如果找不到“更大的蛋糕”,各个阶级、各种利益集团对现有“蛋糕”的争夺和分配的斗争将不断加剧,因此人类亟需再来一场真正的工业革命。
但什么才是工业革命?工业革命从哪里开始?靠什么实现工业革命?有人说靠模式、有人说靠信息、有人说靠智能化。依据本文总结的工业革命的特征可以得出,能称之为革命的,一定是大动作,一定是让人们生产、生活发生巨大变化的东西,一定是在经济规模上占据主要地位的部分,是“基础硬件”,不是“应用软件”。能源、动力每个人都离不开,每个国家都高度重视,第三次工业革命、新工业革命,一定还是从关乎人类生存、发展的基础产业:能源和动力开始。
如果选择了液态空气这种-196℃的无色液体作为工质,自然界里常温的空气、河水、海水,都是相对“高温”的物质,都可能成为给它加热的“热源”和能量提供者,成为能源物质。只要将环境的热量传递给液态空气,它就能沸腾、膨胀、做功,就不再需要消耗其他石化燃料或生物质燃料来获取热量了。
我们提出一个用液态空气作为“工质”的系统方案。首先,制备液态空气的过程是热泵制冷输出热能的过程,可以用热泵技术得到高温热水或蒸汽输出利用,“副产品”就是被“冷却”成液体的液态空气;使用时,从液态空气汽化开始,就从环境空气、水、土壤中吸热获取能量变成势能,形成高压、常温的气体,然后适时、适量地进入现有内燃机的气缸等膨胀做功环节,模拟实现原来靠燃烧释放热量、介质吸热膨胀得到的同等压力环节,后续输出动力的过程则完全一样。
以汽车为例,改造前,汽车是带着能源物质,吸入不需要付费的环境空气,燃烧后释放的热量让反应后的混合气体猛烈升温、膨胀,势能在发动机内转换为动能,带动车辆运动,做功后尚有余热的废气被排放到环境中;改造后,汽车是带着超低温的工作介质,通过换热器,吸收不需要付费的常温空气的热量,沸腾、汽化、气化,升温膨胀,最后是高压常温气体推动发动机运转,带动车辆运动,膨胀释放内能后大幅度降温的空气则被重新排放到空气中。这个过程已经在实验中得到验证。初步估算,让发动机输出同样的动力消耗的“工作介质”体积是原来燃料消耗的2~5倍,而系统成本是使用燃料时的近十分之一!
创新使用液态空气作为工作介质,吸收环境热、发动机抛弃的余热、废热做功,会让飞机发动机不再喷火、火箭发动机没有尾焰,将使以热量形式丢弃的能量降到最低,使能量利用率、环境热利用率达到新高。近期英国空天飞机发动机研究工作取得较大进展,从中央电视台13频道2014年12月17日相关新闻消息中看到的发动机工作动画和同时公布的三种燃料成份,已经明确说明液氮是除了液氢、液氧之外的第三种“燃料”介质成份,明确说明空天飞机发动机用它确保发动机内部工作在较低温度,同时发动机仍然保持较高效率。
更有意思的是,如果汽车发动机的工作温度是从常温到低温,塑料就可以成为发动机的原材料,重量、成本会发生怎样的变化?原来不符合排放标准的旧车,把火花塞换为喷气塞,马上变成“零”排放,超欧N标准;如果飞机发动机内部工作温度下降,我们国家在耐高温材料、高温散热系统设计加工方面的短板就不复存在,发达国家的那部分优势也就体现不出来了,我们的大飞机发动机就可以来一次“弯道超车”,至少可以通过“抄近路”大大缩小差距。还有,如果火箭增加液态空气“辅料”,将“火舌”带走扔掉的热量,变成膨胀势能,全部喷射常温气流。根据能量守恒定律,热没有扔掉,只能转化为动能,推力是否增加、成本是否下降、环境污染是否减少先放一边,没有了红外、紫外特征,战略导弹防御体系就变成了“睁眼瞎 ”。
我们需要重新认识一下膨胀做功,不要把工作起点、工作温段限制在常温到高温,而从超低温到常温、超低温到超高温膨胀也完全符合基本的热力学定律。不能因为瓦特那个时候只有水能可用,没有见过液态空气,我们今天就也对液态空气视而不见。使用液态空气,就是另类的蒸汽机,虽然谈不上创造,但肯定是创新!是一个能引起动力机械发生一次大的变革的应用创新!
3.3 让排放变资源,减排理论创新
今天,工业领域和人们日常生活中都把排放二氧化碳当成一件理所当然的事,如化工厂、水泥厂、酒厂、火电厂等均是排放二氧化碳的集中“大户”。进行环境评价的时候,排放物里面如果没有特殊化合物,如硫化物、氮氧化物、粉尘即达到清洁排放的标准,排放物含有二氧化碳、水蒸气、热量其实都是局部环境空气的增量和干扰,也将影响局部环境指标,本应同样得到处理。
每个锅炉都有烟囱,煤炭燃烧后碳排放成为人类数千年养成的习惯,但是仔细分析一下,煤炭的燃烧过程是一个化学反应过程,在生成近4倍重量二氧化碳的同时,释放燃烧热。排放的二氧化碳其实是比燃烧过程释放的热更有价值的资源,目前国内生产成本价每吨150元左右,欧盟公布的成本每吨18欧元;市场批发价每吨高达500~800元,淘宝零售价更达到每吨一万元。化学产物的价值比释放的热能价值高2~3倍,人们长期以来都是抓了燃烧热这个“芝麻”,扔了燃烧化学产物这个“西瓜”。回收的二氧化碳则是光合作用的“三要素”之一,将收集的碳排放换个地方,喷施到农田、森林、草原、海洋则成为“气肥”,可以让绿色植物大幅度、成倍增产!
造成这个结果也有其历史原因,倒退几十年,烟气中二氧化碳几乎无法回收,回收了也没有什么太多用途,人类当时也没有减少碳排放的环境保护压力。但是今天则完全不同了,回收烟气二氧化碳的技术已经成熟,回收成本低廉,回收的二氧化碳用途广泛。人们也已经认识到碳排放对环境的危害,到了应该彻底处理碳排放、必须处理碳排放问题、可以从根本上解决碳排放问题的时候了。
我们在“脱硫脱硝”的过程中,习惯采用各种化学反应的方法,而没有用冷凝回收的技术。超低温技术在以前是不成熟的,人们习惯在各种“冷凝”工艺中,将“常温”作为冷凝的的最低温度,现在热泵技术非常成熟,低温、超低温都可以很方便的、低成本、高效率获得,在回收利用烟气热量的同时,也能实现烟气中热能回收、污染物直接“冷凝”回收,实现真正意义上的节能、减排、增效!
如果对我们人类普遍使用的燃煤、燃油、燃气过程进行改革,让每一台锅炉、每台燃烧装置像化工厂的反应设备那样工作,既利用燃烧反应释放的热量,还要利用化学反应产生的化学产物,把化石资源的价值“吃光榨净”,在减少环境污染物排放的同时,实现效益的大幅度增加,实现低碳、减排、增效的有机统一。
套用前文所述的工业革命的五个特征来衡量,“让能量动起来”如能实现全社会能源消耗下降到现有水平的几分之一,几乎所有高耗能设备、生产系统都要改变用能模式,改变后的工艺、装备可以带来很好的经济效益,那么这个变革足够广,规模足够大;“让热机冷下来”将影响几乎所有消耗燃料的机械装置,包括车、船、飞机等,仅仅全世界汽车保有量就达到10亿,用这个理论对车辆进行改装就是一个巨大无比的市场,全世界都行动起来,也难以在几十年内改完;“让排放变资源”则理清了碳排放、碳循环的几个关键环节,让人们从大自然获取资源和回馈的过程变得合理、经济、自然。虽然这几个理论、理念非常简单,有“历史因果关联”,但带来的影响是人们长期忽视、长期积累的问题,得到彻底的泄放处理,结果是“爆炸性”的。虽然理论没有发展,但对成熟理论的认识则大大加深,某种意义上返璞归真、彻底到位。这应该可以带来一场新的工业革命!这场二十一世纪的工业革命,将是第一次、第二次工业革命的深化、继续,也将是在此基础上的一场彻底的工业革命
看看周围,100年左右一成不变的东西太多了,别说工业领域,小到生活中常见的空调、冰箱、灶具,大到锅炉、汽车、轮船、飞机、火箭等等,除了少数产品在细节上有些进步以外,关键环节、高耗能环节几乎没有变化。或许因为不知道怎么变,或许因为不想变,或许因为不敢变,今天都该变变了!我们发展的机会、空间还少吗?
我们对诞生于100多年前的许多公理、定理已经熟知,但往往还带了一些前人、老师的偏见去理解和认识,“需要对基础理论进行清醒的再认识”;早期的一些应用理论由于受到当时本学科或其他学科发展的限制,存在一些“历史局限性”造成的落后和不足,“需要对重要的应用理论进行大胆的再发展”;以前信息交流不畅,一个人穷其一生能精通一门学科就实属不易,而现在,分分钟就能找到其他学科的信息、理论、专家进行学习交流,技术人员应该一专多能,“需要我们放手进行跨学科交叉应用创新”!