环境保护第七章.docx

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环境保护第七章

环境保护第七章

第五章环境友好的能源利用技术

提要：

能源生产、消费与资源和环境的关系非常密切，可以说目前主要的全球性环境问题几乎都与能源利用有关，而且已受到世界各国的普遍关注。

本章的目的是基于我国国情讨论如何使我国的能源利用技术“绿色化”的问题。

本章的学习要点是：

了解我国能源发展面临的挑战与基本对策；在掌握能量利用的热力学基本原理的基础上，了解基本的节能方法与技术；基于总能系统的概念，结合多联产技术学习能量集成的方法；了解以洁净煤技术为主要内容的化石能源清洁利用技术；并了解未来能源利用前景。

第一节能源发展的机遇与挑战

一、世界化石能源消费需求

过去10年间．全球一次能源消费量年均增长1.65％，其中石油为1.1％，大然气为3.1％，煤炭为0.7％。

据分析，20世纪90年代美、日等24个世界经济合作与发展组织（OECD）国家所消费石油的一半靠进口，预计2010年进口量可能增加到70％。

为了维持世界经济平稳增长，21世纪初期石油市场依然强劲、供求旺盛。

近年来天然气发展十分迅猛，与石油、煤炭比较，天然气是更为清洁、更便了利用的燃料，在维护全球环境意识的推动下．未来20～30年将是天然气的发展历史上最为有利的时期。

首先，根据专家对世界一次能源的需求形势做出估计。

假定世界一次能源需求量的增长速度，]997～2000年为1.8％。

2001～2010年为1.5％，2011—2020年为1.2％，2021～2030午为9.0％。

则2000年、2010年、2020年及2030年世界一次能源需求量分别为90.0、104.4、117.7及130.0亿吨油当量。

据近期预测，1997～1998年全球石油需求量将稳定增长。

1997年日均增加200万桶、1998年增加约190万桶、需求量达到日均7560万桶。

其中，OECD国家1997年石油需求量增长1.5％，1998年增幅达1.6％，日均增加70万桶。

未来两年中国石油需求量的增幅将达到6％，其他亚洲国家为7％，拉美国家入3.5％；前苏联地区对石油的需求开始趋向稳定，估汁日均450万桶左右。

对常规石油资源量的估计。

有两种可能：

—是乐观的估计，新增储量继续扩大，后备资源充足，市场供求依然平稳，需求呈上升态势，近10年来新增石油储量的趋势可以证明存在这种可能性；二是悲观的估计，新增储量不多，到2015年左右总的剩余可采储量不足1000亿吨，从这时起油价可能出现剧烈波动。

研究认为，这两种情况都有可能出现，按照市场运行规律和在全球环境意识的推动下，21世纪初期也将成为替代能源最为有利的切入时机。

世界替代能源进入能源市场的有利时机。

根据对油气可采储量及其价格的估计，2015年以前世界对石油和天然气的需求量继续逐年增长，在一次能源结构中仍将占据重要位置，是主要能源之一。

此后世界油气消费量在能源结构中的比重将呈逐年下降趋势。

由于常规

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石油可采储量可能出现逐年递减、油价剧烈波动以及人们环保意识的逐渐加强，致使替代能源开始有利可图，并逐步进人规模开发和商业利用时期，在能源结构中石油的地位将被逐年削弱。

二、能源消费引发的环境问题

我国面临的能源环境问题主要有两方面：

一是燃煤过程中排放的SO2造成严重的酸雨污染；二是化石燃料燃烧产生的CO2排放引起的全球气候变化。

关于CO2排放控制的问题在第二章里，结合国际公约（《联合国气候变化框架公约》和“京都议定书”）已经作了较多的讨论。

下面主要结合化石能源利用中引起的另一个重大环境影响问题——SO2排放控制的问题进一步展开分析。

随着经济的快速发展，我国燃煤排放的SO2急剧增加。

据监测计算，1995年我国SO2排放量达到2370万吨，超过欧洲和美国，居世界首位。

由于我国部分地区燃用高硫煤，燃烧设备未采取脱硫措施，SO2排放量不断增加，造成严重的大气污染。

据国家环保局对全国2177个环境监测站1981～1993年13年监测数据表明，大气环境中SO2浓度超标城市不断增加。

目前已有62.3％的城市SO2年平均浓度超过国家二级标准，日平均浓度超过三级标准。

SO2年平均二级标准值为0.06mg/m3，表示人群在环境中长期暴露不受危害的基本要求；日平均浓度三级标准值为0.25mg/m3，表示人群在环境中短期暴露不受急性健康损害的最低要求。

我国SO2排放引起的酸雨污染范围不断扩大，已由20世纪80年代初的西南局部地区，扩展到西南、华南、华中和华东的大部分地区，目前年平均降水pH值低于5.6的地区已占到全国整个国土面积的40％左右。

我们一般将pH值小于等于5.6的降水称为酸雨。

研究表明，降水pH值小于等于4.9时，将会对森林、农作物和材料产生损害。

西方发达国家多将降水pH值小于等于4.6作为确定受控对象的指标。

酸雨和SO2污染危害居民健康、腐蚀建筑材料、破坏生态系统，已经对国民经济造成了巨大的损失。

为了实行SO2排放的总量控制，国家划定了酸雨控制区与SO2控制区，简称双控区。

划定的酸雨控制区面积约为80万km2，占国土面积的8.4％，包括上海、江苏、浙江、安徽、福建、江西、湖北、湖南、广东、广西、四川、贵州、云南等地；SO2控制区包括137个地方，分布在北京、天津、河北、山西、山东、河南、陕西、内蒙古、江苏、辽宁、吉林、甘肃、宁夏、新疆等省市区内，总面积约为29万km2，占国土面积的3％。

双控区合计面积109万km2，占国土面积的11.4％左右。

1995年，全国SO2排放量2370万t、双控区范围内的排放量1400万t，约为全国排放量的60％。

因此，重点控制占国土面积11.4％的双控区可以基本控制全国酸雨和SO2污染恶化的趋势。

为了控制双控区SO2排放及酸雨污染，到2010年双控区SO2排放将控制在2000年的排放水平。

根据酸雨控制区SO2控制目标，2010年SO2的排放量将控制在2000年的水平。

预测表明，若不加控制，2010年将达到2897万t。

这样，到2010年，酸雨控制区应削减S02排放量1223万t，或装备足够多的脱硫设施，或削减相当于5.3亿t的煤炭使用量。

如此才能使该地区酸雨治理达到最基本的目标。

这一目标的实施对该区域以至全国经济发展与能源消费都具有巨大的影响。

能源引起的环境污染治理已成为我国国民经济发展中必须考虑的重大问题，并将制约未

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来我国的社会经济和能源发展。

一、我国的能源战略对策

（一）积极开发国际市场

资源有国界，资本、技术无国界。

许多园家均利用后者融入国际之间的交流与合作，抢占世界油气市场的主动地位，这是当今世界石油工业的一大潮流。

20世纪90年代，世界石油企业风行兼并、联合，扩大企业规模，竞争十分激烈，首要目标是以追求最大利润为主的商业行为。

当前，世界上石油企业规模越来越大，走向国际化和跨国化。

这些企业集团以共享资源，进行着激烈而公平的竞争，进而追求占有或垄断石油市场的目标。

当今世界，国家之间十分注重交流与合作，特别是对那些油资源短缺的国家，有助于促进联合开发油气资源和跨国经营石油企业，首要目标是为了提高其自身石油供应的安全性。

自1993年来，中国在海外石油勘探开发项目已达5个，预计在21世纪最初的几年可形成原油生产能力2800万t，获得份额油1200万t。

我国的期望目标值是力争两个在国外合作开发的油气田，一个获得份额油5000万t，另—个引进天然气500亿m3。

（二）推进发展替代能源技术

其战略意义是大约自2l世纪初期起，替代能源可以补偿石油在世界一次能源结构中的比重逐年下降的缺口。

从长远看可以改善、提高环境质量和最终取代石油。

这里，替代能源主要分为三大类。

首先是清洁能源。

主要是指无碳或低含碳的可再生能源、新能源，包括水能、太阳能、风能、地热能等，此外还包含核电。

其次是洁净煤。

主要指经过特定技术处理的原煤与洁净煤技术。

有经洗选的煤、型煤、水煤浆及轨道输煤、煤炭气化和液化，此外还有洁净煤技术，如先进的燃烧技术、先进的发电技术、燃烧及烟气净化技术等。

由于世界煤炭资源丰富，至少可供入类利用2个世纪以上，是有效的替代能源之一。

第三是非常规油气资源。

这是指地球永久冻土带和海洋冷水区深部存在的大量甲烷气体水合物。

据估计，地球永久冻土带蕴藏的甲烷气体水合物达到5×1016m3，而海洋深部的储量至少还要高出100倍。

现已查明，俄罗斯西西伯利亚盆地的气体水合物资源量为1000万亿m3，伏尔加～乌拉尔盆地为140万亿m3，美国墨西哥湾沿岸盆地达2699万亿m3。

我国曾对43个含油气盆地估算，甲烷气体水合物远景地质储量为19万亿m3。

另外，今后的能源发展必须实行可持续发展节能战略、可持续发展洁净煤技术战略、可持续发展新能源与可再生能源战略。

即：

1．节能战略

必须加大节能的力度，用较少的能源供应创造同样的经济产值。

预测酸雨控制区2000年单位GDP万元产值煤耗为3.35t，到2010年如果能降低到2.49t时，即2000～2010年期间年均节能率达到2.8％时，可削减煤炭使用量2.5亿t，相当于削减SO2排放量554万t。

节能对整个SO2削减的贡献为45％。

2．洁净煤技术战略

必须注重洁净煤技术的发展，减少煤炭使用过程中的SO2排放。

煤炭洗选、民用与工业型煤、烟气脱硫、煤炭气化等是我国2010年以前较为适用的洁净煤技术。

根据酸雨控制

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区洁净煤技术应用的最大可能性以及煤电装机容量范围，到2010年煤炭洗选应达到2亿t，民用与工业型煤应达到3800万t，煤电装机容量烟气脱硫应达到6400万kW，煤炭气化应达到1200万t。

这样，减排SO2排放共为360万t。

洁净煤技术对整个SO2削减的贡献为29％。

3．新能源与可再生能源战略

必须加快能源替代的步伐，用污染物含量较少或不含污染物的能源替代煤炭的使用。

专家经过研究分析认为，酸雨控制区2000～2010年期间年均节能率达到2.8％时，可削减SO2排放量554万t。

洁净煤技术推广如煤炭洗选、民用与工业型煤、烟气脱硫、煤炭气化应用能力分别达到2亿t、3800万t、6400万kW、1200万t时，可减排S02排放360万t。

上述分析是在最大可能与适用范围内进行的。

但实施了上述措施后，仍应再削减309万t的SO2，即相当于削减1．4亿t煤炭使用量，才能达到其控制目标。

这样，这部分的煤炭使用只能通过新能源、可再生能源以及其他优质能源的替代，降低其排放量。

能源替代在整个SO2减排的贡献将达到26％。

第二节能能源的有效利用

有效利用能源，顾名思义就是节约能源消费，从能源生产开始，一直到最终消费为止，在开采、运输、加工、转换、使用等各个环节上都要减少损失和浪费，提高其有效利用程度。

我国节约能源法给节能赋予了更科学的定义，指出节能“是指加强用能管理，采取技术上可行、经济上合理以及环境和社会可以承受的措施，减少从能源生产到消费各个环节中的损失和浪费，更加有效、合理地利用能源”。

科学家甚至把”节能”称之为开发“第五大能源”，与煤、石油与天然气、水能、核能等四大能源相并列，可见节能意义之重要。

一、能量利用的基本原理

（一）资源的量守恒定理

对于我们的考察对象，从量（数量，quantity）和质（品位，quality）的角度，应该如何分析能量利用系统中能量的数量与质量、转化资源与能源的规律呢?

首先可以发现，这样一个系统存在资源的量的守恒关系。

即资源的质量守恒与能量守恒。

1.质量守恒

不考虑相对论的影响，系统的质量是守恒的，可以得出

（进人体系的质量）—（离开体系的质量）＝（体系中质量的变化）

min-mout=△msvs（5-1）

若为稳流流动体系，△msvs=0，则有

min-mout=0（5-2）

质量守恒关系表明，任意体系都具有对资源和能源的传递、利用和损失的物质数量总量

维持不变的特性。

2．能量守恒

根据热力学第一定律可以得出体系的能量是守恒的，即

（进入体系的能量）—（离开体系的能量）＝（体系中能量的变化）

Ein-Eout=△Esvs（5-3）

若为稳流流动体系．△Esvs＝0，则有183

Ein-Eout=0（5-4）

能量守恒关系表明，任意体系都具有对资源传递、利用和损失的能量数量总量维持不变的持性。

例如，含1000kJ化学能的天然气发电400kJ，随排烟、冷却水等废物排放至环境的600kJ能量依然存在，只是存在形式改变了，变成了低品位热。

然而，600kJ的低品位热与600kJ的天然气化学能是不同的。

为了搞清楚其中原因，需要了解新的概念。

（二）能量品位概念

能以多种形式（内能、位能或动能等）存在或以功或热的形式传递。

某种形式能的“品质”取决于它向其他形式转换的能力。

这个转换的能力受到热力学第二定律的限制。

根据热力学第二定律：

热不可能全部转变为功。

工作于较高温度为T0的环境，与温度为T的热源之间的卡诺热机循环，可能转换为有用功的仅是传入卡诺热机中热量Q的一部分，这也是理论上的极限，即W=Q（1-T0／T）（5-5）

而另一部分（T0／T）Q则以热的形式排弃于环境。

如果，设想一个理论上的环境状态，该状态下的能量不再具有作功能力。

那么，任意一个偏离这个环境状态的体系所具有的能量可以分成两个部分，一部分是可以转化为功的部分，另一部分是不能转化为功的部分。

前者称做㶲（exergy）后者称做火无（anergy）。

㶲代表了能量中“量”与“质“统一的部分。

不论哪种形态的能量，其中所含的㶲都反映丁各自能量中“质”与“量”相统一的部分。

按照对㶲与火无的这样一种理解，可以把各种能量E看成是由㶲ε与火无α所组成，即E=ε+α（5-6）

对于某种形态的能量，其㶲或火无可能为零，例如机械能、电能的火无为零，全部为㶲；而环境所贮存的内能，其㶲为零，全部为火无、不同形态的能量，其中包含㶲与火无的比例可以各不相同。

因此，可以以㶲来评价和比较各种不同形态的能量。

换句话说，㶲所具有的这样一种互比性，提供了评价能量的统一尺度。

显然，能量中含有的㶲越多，其转换为有用功或“可无限转换能量”的能力越大，也就是其“质”越高，动力利用的价值越大。

这样，能的品质也就可以定量地用下式描述

λ=ε/E（5-7）

式中，λ称为“能质系数”，它表示单位能量中含有㶲的多少，为无因次量。

（二）资源的质不守恒定理

从㶲的观点看，一切实际过程（不可逆过程）都不可避免地导致能的“贬值”或变质，㶲的总量将有所减少，而退化为火无，火无总量将有所增加。

由于㶲一旦退化为火无之后，再也无法重新转换为燃。

因而这种退化是无法补偿的，称之为“㶲损失”。

只有这种㶲损失．才真正意味着能量转换中的损失。

资源的质不守恒定理可以表述为：

“在能量转换的过程中，孤立系的㶲值不会增加只能减少，火无值不会减少只能增加。

只有可逆过程，孤立系的㶲值和火无值才分别保持不变”。

换言之，孤立体系发生的实际过程的㶲不守恒。

对敞开体系，可以得出

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（进人体系的㶲）—（离开体系的㶲）＝（体系中㶲损失）+（体系中㶲的变化）

εin-εout=Iint+△εsvs（5-8）

若为稳流流动体系△εsvs=0，则有

εin-εout=Iint≥0（5-9）

因为实际过程消耗效应的存在，总有㶲损失大于0，即进人体系的㶲总是大干离开体系的㶲。

或者说，实际过程总是导致体系作功能力减少。

敞开体系的㶲不守恒关系更普遍地揭示了资源与能源利用过程的不可避免的品质贬值和退化现象。

㶲的概念是能量分析的重要工具，进一步的应用分析将在后面的章节展开。

可以说资源与能源的“枯竭”不仅是数量上的“减少”，更是品质上的贬值。

我们追求的资源与能源的利用效率，就是要充分和有效地发挥资源与能源中所含拥的作用，尽可能减少那些不必要和不合理的㶲损失，尽量避免让宝贵的㶲轻易地、白白地退化为火无。

能源梯级利用（energycascadeuse）是合理利用能源的方式。

无论是一次能源还是余能资源．均按其品位逐级加以利用。

例如,化石燃料应尽可能先用于发电或制造化学品，而为了获得温度要求不高的取暖供热，百接燃烧化石燃料就可惜了。

比如，取暖供热可以利用电厂或化工厂的余热解决。

梯级利用可以提高整个系统的能源利用效率，是节能的重要途径。

虽然，理论上只要允许利用烟，系统“废物”的回收利用——资源再循环就可以是无限的。

例如排烟中的CO2还可以回收利用、低品位的余热还可以用各种余热回收技术予以利用等。

然而限于技术、经济的因素，资源再循环技术的实施还只能在一定的水平和范围内进行。

一切能源的利用过程本质上都是能量的传递和转换过程。

这两个过程在理论上和实践上都存在着限制，存在着一系列物理的、技术的和经济方面的限制因素。

如热能的利用首先要受热力学第—定律（能量守恒）和第二定律（能量贬值）的制约。

能量在传递和转换过程中由于热传导、对流和辐射，能量的数量要产生损失。

能的品质也要降低。

因此能源有效利用的实质是在热力学原则的指导下提高能量传递和转换效率。

整体上，使所有需要消费能源的地力做到最合理、最经济地利用能源，充分发挥能源的效用。

所以，能源节约是整个用能系统的多因素最优化问题。

（四）过程能量分析与评价

1．能量平衡

能量平衡是指一定时间内所研究的体系中，能量在数量上的收支平衡。

体系是人为划分的研究对象，它可以是一台设备，也可以是一个企业，还可以是一个地区，乃至一个同家。

能量是指一次能源（如煤炭、石油制品等）、二次能源（电、蒸汽、煤气、焦炭等）和耗能工质（压缩空气、氧气及工业水等）所提供的焓。

能量平衡能够全面地反映出对象能量消耗系统的客观情况，并通过对其生产中的能量利用状况进行的分析，找到台理利用能源的途径。

为了对用能系统进行能量平衡及计算分析，首先要根据能量平衡的目的要求，确定能量平衡测试与计算的体系，并按有关习惯规定画出能量平衡模型方框图，用箭头标在框图四周表示能量流向（包括物流流向）。

例如图5—1所示。

进入体系的全部能量包括：

动力用输人的消耗动力和原料物流带入的能量。

离开体系的全部能量包括：

产出动力，产品物流带出能量、进行资源再循环后获得的副产品物流带出能量以及体系无法利用的废弃物物流带出能量损失和各种形式的能量损失。

根据能量守恒原

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理，以输入对输出的平衡关系得到该体系的能量平衡。

通常以热力学性质焓来进行能量平衡的计算。

许多国家和一些国际组织采用煤当量或油当量作为各种能源的统一计量单位。

煤当量又称标准煤，是按标准煤的热当量值计算各种能源量时所用的综合换算指标。

煤当量迄今尚无国际公认的统一标准。

联合国、中国、俄罗斯、日本、西欧大陆等国际组织和国家规定：

1kg标准煤的热当量值按29．3MJ（7000kcal）计算。

原煤换算成煤当量时，按平均热值20.9MJ/kg（5000kcal/kg）计算，换算系数为0.714；原油热值按41.87MJ/kg（10〔10000kcal/kg）计算，换算系数为1.429；天然气热值按38.98MJ/m3（9310kcal/m3）计算。

考虑动力转换时，1kw·h的电换算成煤当量的系数是0.123。

2．能源的利用效率和能源消费系数

能源利用效率是衡量能量利用技术水平和经济性的—项综合性指标。

通过对能源利用效率的分析，可以有助于改进企业的工艺和设备，挖掘节能的潜力，提高能量利用的经济效果。

能源利用效率是指能源中具有的能量被有效利用的程度。

通常以η表示，其计算公式如下：

除了用能源利用效率来衡量能量利用的技术水平和经济性外，通常还用所谓“能源消费系数”来评价能源利用的优劣。

能源消费系数是指某一年或某一个时期，为实现国民经济产值，平均消耗的能源量，其表达式为：

式中E——能源消费量，kg标准煤；

M——同期国民生产总值，元或美元（与国外比较）。

由此可见能源消费系数是一个从整个社会经济效益去考察能源有效利用的指标。

二、能源有效利用的策略

广义上，节能就是要降低能源消费系数，也就是使实现同样的国民经济产值M所消耗的能源量E最少。

节能可以从管理和技术两个方面着手。

基于管理的角度，可以从局部着手，通过各种节能规章制度和节能工艺方法的实施以减少能耗；亦可以从宏观着手，通过调整工业结构和产品构成，发展耗能少的产业来降低能源

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消费系数。

基于技术的角度，可以从局部着手。

通过采用节能技术措施和节能设备，提高单元设备的能源利用效率，以减少能耗；亦可以从宏观着手，通过采用新工艺来降低整个系统的能耗。

两者是间接的节能策略，后者是直接的节能策略。

据初步估计，我国节能潜力中，直接节能潜力占1／3，间接节能潜力占2／3。

间接节能，即节能的组织和管理措施包括以下几方面。

（一）结构节能

我国的单位产值能耗之所以高，除技术水平和管理水平落后外，经济结构不合理也是重要的原因、经济结构包括产业结构和产品结构等。

1．产业结构

各种工业的耗能量是不向的，有些耗能高，有些耗能低。

钢铁工业耗能大，但产值较低；而纺织、仪表、电子等轻工业能耗较少，而产值较高。

若增加省能型产业（如仪表、电子等）的比重，减少耗能型产业（如钢铁、化肥等）的比重，全国的产业结构就会朝省能的方向发展。

在不影响全局的情况下，可以适当调整轻、重工业的比例。

因此有条件的话．适当降低冶金工业的比重，发展高技术的电子产业和生物工程将会降低能源消费系数。

但国民经济的发展，各产业之间存在着一定目标指导下的适宜比例关系。

其中能源问题是优化产业结构的重要因素之一。

2．产品结构

随着产业结构向省能型的方向发展，产品结构也应努力向高附加值、低能耗的方向发展。

在化学工业中，西方20世纪80年代开始着重发展能耗少、附加值高的精细化工产品。

早征20世纪80年代中期，一些发达国家的精细化工产业产值占化学工业产值的53％～63％，到20世纪90年代一般在60％以上，而我国才只有35％。

石油化工、精细化工、生物化工、医药工业及化工新型材料等能耗低而附加产值高的行业应大幅度增长。

3．企业结构

调整生产规模结构是节能降耗的重要途径。

新建厂应当有适度经济规模和适宜结构的规划。

与大型企业相比，中、小企业一般能耗较高，经济效益通常较差。

应该有计划、有步骤地调整。

4．地区结构

主要是指资源的优化配置，调整部分耗能型工业的地区分布。

能源生产与能源消费在地区分布上常常很不均衡，例如我国能源分布主要集中在西部、西南和华北，而能源消费则主要集中在东部和南部，因此“北煤南运”，“西电东送”，耗费了大量运输能力和电能，增加了能源消耗。

将部分耗能型工业的工厂转移到能源富裕地区或矿产资源就近地区，从全局看，可以节省很多能源。

例如，乙烯生产基地应靠近产区或港口；我国东部地区集中了不少油田，沿海便于进口石油，可以发展石油化工；我国中部地区是煤炭主要产地，可以发展煤化。

因此根据能源资源分布的特点，在调整工业结构时，合理布局工业也是间接节能的主要措施。

（二）管理节能

1．宏观调控

首先是完善法制建设。

1997年10月我国颁布了《中华人民共和国节约能源法》，为加

强节能管理提供了法律依据。

该法案于1997年11月1日第八届全国人大常委会策28次会

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议通过，1998年1月1日起正式施行，首次赋予节能以法律地位。

节约能源法共6章50条，内容涉及节能管理、能源的合理使用、促进节能技术进步、法律责任等。

该法明确了我国发展节能事业的方针和重要原则，确立了合理用能评价、节能产品标识、节能标准与能耗限额、淘汰落后高耗能产品、重点用能单价管理、节能监督和检查等一系列法律制度。

节约能源法指出：

节能是国家发展经济的一顶长远战略方针，并重申了能源节约与能源开发并举，把能源节约放在首位的能源政策、节约能源法规定，固定资产投资工程项目的可行件研究报告，应当包含合理用能的专题论证。

达不到合理用能标准和节能设计规范要求的项日，依法审批机关不得批堆建设；项目建成后达不到合理用能标准和节能设计规范的，不予验收。

把固定资产投资项