中外建筑能耗比较分析-secret

中外建筑能耗比较分析清华大学 张声远 杨秀 江亿摘要：本文首先定义了用于建筑能耗比较的统计数据边界，并阐述了本文数据的主要计算方法,在此基础上对几个主要国家的建筑总体能耗数据进行比较分析，认为中国建筑能耗人均水平与面积平均水平均低于发达国家，随着社会进步与人们生活方式的改变，中国建筑能耗有急剧增长的空间；并进一步对各国建筑能耗数据进行用能项目拆分，通过对各国住宅用热、住宅用电与公建用电项目能耗的比较分析，认为中外建筑能耗的差别，主要是由中外建筑内部环境营造模式以及居住者用能模式的差别所决定。关键字：建筑能耗，住宅建筑，公共建筑，建筑用能项目1 引言建筑能耗随着人们采暖、空调、采光等基本需求和娱乐、工作等过程产生。随着经济发展与社会进步，人们对建筑使用的要求也将越来越高；这种变化直接体现在建筑能耗的逐年增加上。截至2004年，建筑能耗占全球总能耗的比例已达30%1。随着能源供应的日益紧张，与人类生活息息相关的建筑节能，也受到越来越广泛的关注和重视。能源消耗数据是开展建筑节能工作的基础：面对各国建筑能耗现状进行横向比较，分析数据差异及原因，有利于发现我国建筑用能的特点和存在的问题，找出节能潜力，为确定节能战略和工作重点提供依据和参考。目前，许多国家开展了针对本国建筑能耗的数据统计：比如美国的能源信息部（Energy Information Administration，EIA）以及美国能源署（the US Department of Energy）都建立起了建筑能耗统计数据库，并分别出版了世界能源展望（International Energy Outlook）和建筑能源数据手册（Building Energy Data Book）等年度报告展现世界主要国家和地区以及美国的建筑能耗数据；日本的节能中心（Energy Conservation Center）也同样开展了本国的建筑能耗数据统计和分析，并出版了日本能源经济统计手册（Handbook of Energy& Economic Statistics in Japan）一书，提供日本的建筑能耗数据等等。我国的能源统计起步于20世纪80年代，建筑能耗长期被分割在能源消费的各个工业部分或消费领域，如住宅能耗的大部分归入城乡居民生活能源消费，而公共建筑能耗归入交通运输、仓储和邮政业以及批发零售住宿餐饮业等。近年来，不少研究单位及个人开展了针对我国的建筑能耗研究，在建筑节能调查统计方面做了大量的有益工作，较为清楚地描述了我国建筑能耗现状。本文基于各公开统计资料，对我国和世界主要国家与地区的建筑能耗进行比较，进而分析我国的建筑节能重点和节能潜力。2 本文的能耗数据引用和处理方法说明1. 本文中用于比较的建筑能耗数据为建筑入口处的能源消耗，如图1所示。特别地，对中国的北方城镇采暖，由于大部分采用了集中供热系统，除建筑入口处的耗热量，还给出采暖的一次能耗（集中供热系统热源的能源输入处）进行比较。2. 本文对不同种类能源消耗量的换算方法如下：a) 将石油、天然气、煤炭等一次商品能源消耗按其低位发热量折合为标煤。b) 将电耗按发电煤耗法（1kWh=354kgce，即2004年中国平均火力发电煤耗）折合为标煤。c) 中国能耗数据中对可再生能源数据的计算方法与国家能源统计保持一致，即大型水力、风力与核能发电纳入建筑电力消耗数据；而与建筑物结合的太阳能风能利用，和农村初级生物质能就地燃烧等可再生能源未计入商品能耗中。d) 当二次能源为热时，直接按其热源效率折算为标煤。3. 各国统计数据对建筑与用能项目分类各有不同，在本文中：a) 按照国际惯例，将建筑分为住宅建筑与公共建筑。由于我国城乡建筑的能耗水平与用能方式存在较大差异，而农村住宅能耗远低于城镇住宅，本文仅用我国城镇住宅能耗数据与发达国家进行比较。b) 建筑用能项目，通常包括采暖、空调、热水、炊事、照明以及用电设备等等。在本文中，将其分为用热项目与用电项目：i. 用热项目，指的是以热的形式直接为人类提供服务的用能项目，包括采暖、生活热水与炊事，可以是直接利用化石燃料，也可以是用电能驱动相关产热设备获得；ii. 用电项目，则指通过电网直接输入建筑内部，供各种用电设备使用，如空调、电视机、电脑、洗衣机等，以声、光、功等形式为人类提供服务的用能项目。在分析数据时要特别注意以上问题，如果错误理解数据的本来含义，可能会导致几倍的差异。图1 建筑能源转换及利用过程23 建筑总体能耗比较图2：2004年度各主要国家和地区终端能耗按产业部门百分比134图3：日本各产业部门的终端能耗比例逐年变化56图2是各国2004年建筑（包括住宅建筑与公共建筑）、工业与交通运输三大产业部门终端能耗占各国社会终端总能耗的比例；图3是日本从1965-2004年，三个产业部门终端能耗占日本社会终端总能耗的比例的逐年变化图。由图可见：1) 发展中国家的工业能耗比例普遍高于发达国家，而建筑能耗比例低于发达国家。2) 日本从1965年到2004年，经历了工业能耗比例不断降低，住宅与公建能耗比例不断提高的过程，到近几年，建筑能耗比例稳定在30%以上。3) 中国建筑能耗占社会总能耗的比例为24.3%，能耗构成情况与日本1981年类似。图4是2004年几个主要国家建筑能耗比例与各国人均GDP的关系图，印证了发展中国家建筑能耗比例普遍低于发达国家的现象。可以预测，随着技术进步与产业结构的进一步调整，我国工业生产的能耗比例会有所降低；随着经济发展、生产进步与人民生活方式的持续变化，人们对建筑提供服务的需要也会不断增长，带来建筑能耗比例持续增长。图5是2004年各国的人均住宅建筑与公共建筑面积图。由图易见，中国的人均住宅建筑面积与人均公共建筑面积均小于各发达国家；而随着中国城市化进程的进行，城市规模不断扩大，对建筑量的需求也将持续增长。目前中国建筑面积保持每年10亿平方米的速度急剧增长，这势必带来建筑能耗的增长。图4 2004年人均GDP和建筑能耗比例的关系17图5 2004年各国家地区人均建筑面积1357894 建筑分项能耗比较4.1 住宅建筑能耗图6 各国住宅建筑能耗总量、人均值与面积平均值13578910注：图中国名后面的数字，表示的是该国的能耗总量，单位：Mtce。如图6所示，中国城镇住宅能耗的总量已经与发达国家接近；但是，无论是人均能耗还是单位面积平均能耗，中国城镇住宅都远低于发达国家；下面试从住宅用热和用电分别比较，分析原因。4.1.1 住宅用热住宅用热包括了采暖、生活用水与炊事三项；这里比较建筑实际获得的热，即不管通过何种能源，通过何种能源转换方式，建筑内部实际消耗的热量。它是由建筑物性能、气候条件和居住者能源消费方式决定的。由于美国、日本与中国是南北跨度较大的国家，包含多个气候区，全国平均的采暖能耗不能反映其特点，本文采用单个气候区的采暖能耗数据与欧洲国家进行横向比较（美国暂无分气候区数据，故不纳入比较），如图7所示。图7 各国住宅建筑热量消耗比较135891112注：1) 欧洲国家的采暖耗热量数据，可能其中一小部分是热泵采暖消耗的电能。2) 德国、荷兰与希腊的采暖能耗包括了热水与炊事能耗；法国的炊事能耗分别统计入采暖与热水能耗中，无法单独拆分出来；香港的炊事能耗包括了采暖能耗；北京的炊事能耗包括了热水能耗，特别的：“北京”表示建筑物入口处统计获得的热量消耗数据（统计边界与发达国家的一致），而“北京*”的能耗为集中供热系统入口处的一次能耗。3) 各国的采暖度日数基准温度，各国的规定不同：中国北京为1811（当基于14时，北京的采暖度日数计算值为1978degree.day），日本（札幌和仙台）为145，德国（柏林）、法国（巴黎）、荷兰（阿姆斯特丹）和希腊（罗马）65F（18.3）12。由图易见，北京的单位面积城镇住宅的建筑耗热量低于发达国家；而考察一次能耗，北京则与欧洲国家水平接近、甚至超过了气候类似的日本地区的能耗。1） 住宅采暖能耗西欧国家和日本的住宅有很多是小型住宅楼，采暖大多数采用分散方式，包括燃气和燃油壁挂炉、热泵、直接电热采暖等。因此，这些国家的采暖能耗统计数据即可表示建筑物实际获得的热量。而我国北方城镇70%以上的面积采用集中供热系统，供热系统热源输入处的一次能耗包括了集中供热热源损失、管网输送损失和公寓楼内的供热失调损失，这些损失约占采暖能耗的204013。因此不能简单地将“北京*”20kgce/(m2.a)的采暖一次能耗与欧洲的统计数据进行比较。而在建筑物入口处统计得到的采暖耗热量，直接与气候条件、建筑物性能以及居住者用能模式相关。如图7，“北京”的单位面积住宅建筑采暖耗热量低于西欧发达国家，分析其影响因素如表1所示。表1 影响采暖能耗的因素分析影响因素气候条件建筑物性能用能模式采暖度日数51112围护结构传热系数1415建筑体形系数16通风模式通风换气次数采暖季长度室内设定温度影响趋势度日数大，能耗高系数大，能耗高系数大，能耗高次数多，能耗高时间长，能耗高温度高，能耗高单位国家Degree.dayW/(m2.K)-次/时-德国31260.450.50.8机械通风12有需要就采暖1822法国27470.50.50.8机械通风12有需要就采暖1822荷兰2784-0.50.8机械通风12有需要就采暖1822仙台16960.420.20.5- -希腊1565-0.50.8机械通风12有需要就采暖1822北京24500.60.20.5自然通风不开窗，0.51；开窗，310固定为120天1820综合所述，我国北京的气候与上述几个西欧发达国家相近，虽然建筑整体保温水平较差，但由于建筑体形系数相对较小，采暖季相对较短，冬季室内设定温度相对较低，城镇住宅建筑采暖耗热量低于类似气候的西欧国家。2） 住宅炊事与生活热水能耗炊事与生活热水能耗直接为人提供报务，其能耗量与各国的生活方式（炊事模式，生活热水使用模式等）以及技术水平（设备产热效率，新能源利用等）密切相关。几个国家的人均炊事与生活热水耗热量如图8所示。图8 各主要国家的人均炊事与生活热水能耗3589注：图中法国、丹麦与中国的炊事能耗与热水能耗无法单独拆分出来。由图8易见，我国生活热水能耗远低于发达国家水平，人均值仅为美国的1/5、日本的1/4、欧洲国家的近1/2，分析原因在于：1） 西方国家通常住宅保证二十四小时生活热水；此外多采用浴缸洗浴，耗热水量通常在300L/次以上。中国生活用水大量使用冷水；并且大多数居民采用淋浴式洗浴，一次耗热水量为60L左右。2） 中国的就餐方式和中餐的复杂性决定了中国的炊事能耗会高于西餐，使中国与美国、日本的炊事能耗相近。总的说来，中西方生活方式的差异决定了目前中国与发达国家的能耗水平差别；随着社会进步，中国居民的生活方式也在不断发生变化，选择何种生活方式以全面实现舒适、健康与节能的多重目标，值得研究。4.1.2 住宅用电图9 2004年各国住宅建筑用电与人均GDP关系3589由图9可见，中国住宅建筑单位面积用电量低于发达国家，为发达国家的1/41/2左右。住宅电耗与建筑的使用模式直接相关，具体说来与家庭收入、生活方式（人口数、着衣量、通风换气状况等）、住宅设备使用状况、热舒适度（室内温湿度舒适感、对环境满意程度）等各种因素有关；分析导致发达国家住宅用电量高于中国的因素，如表2所示。表2 各国住宅用电影响因素分析耗电项目设备占有量建筑使用模式2004年能耗比较16(kWh/(m2.a)发达国家中国发达国家中国北京日本美国通风-机械通风优先自然通风-57.328.0家电设备以烘干机为例25.9%（日本20045）0烘干机烘干衣物利用阳光、风力等晾干衣物6.3以电脑为例95.8台/百户（日本20045）33.1台/百户（中国200417）-照明300500lx（美国18）100300lx19电力照明优先自然采光6.811.2空调248.6台/百户（日本20045）69.8台/百户（中国城镇200417）全空间全时段空调局部空间局部时段空调2.73.810.4中美住宅家电能耗差别近4倍，这与各国的家电的占有量与使用量密切相关；仅电烘干机烘干衣物这一项，“一家一年就差出1000度电”20。中美住宅空调能耗差别也近4倍；考虑到空调能耗还受气候条件影响，由于美国幅员辽阔，涵盖了多个气候区，表2中的数据是全国平均数据，包括了大量人口聚集的东、西海岸等属于温带海洋性气候、冬暖夏凉，全年不用开空调的地区。实际上，在和北京（空调度日数11为794 degree.day，基于18.3）气候相近的美国城市纽约、费城（空调度日数21为594 degree.day，基于18.3），调查得到住宅空调能耗均大于80 kWh/(m2.a)；分析其原因如下：1) 局部空间部分时段空调：中国全年空调时段200500小时，并且只在有人居住的房间开启空调；美国全年空调时段20003000小时，全空间空调。2) 室内设定温度：中国随室外温度变化，多在2628；美国夏季恒定为2224。3) 利用天然冷源：中国外窗可开启，在外温条件合适时能通过开窗通风维持室内合适的热湿环境，根据统计，北京全年有近3000小时适合自然通风，全年有超过4000小时的时间适合自然通风；美国大量住宅全年全天依靠机械通风，能耗较高。4.2 公共建筑电耗图10 各国公共建筑人均能耗与单位面积能耗13578910注：图中国名后面的数字，表示的是该国的能耗总量，单位：Mtce。如图10所示，无论以人均能耗指标或是单位面积能耗指标，中国的建筑能耗均低于发达国家。但实质上，2004年我国公共建筑面积为53亿平米，能耗约2600亿度电以及2330万吨标煤；其中5亿平米为单栋建筑面积大于两万平米的大型公共建筑，电耗约500亿度电。中国一般公共建筑的电耗仅为48kWh/(m2.a)；而大型公共建筑的平均电耗则高达112kWh/(m2.a)；虽然中国人均GDP水平仍远低于发达国家，然而大型公共建筑电耗水平已与欧洲国家的公共建筑电耗水平接近，如图11所示。图11各国公共建筑用电（除采暖外）与人均GDP3589 同前所述，人均GDP一定程度上可以反映人们使用建筑物的要求高低，影响其能耗水平的其它因素分析如下表3所示：1） 自然通风，不仅可以利用室外空气这个天然冷源，节省空调能源消耗；而且可以利用室内外气压差代替风机，满足室内新风要求，节省动力消耗；2） 分体空调便于个体灵活调节，避免过冷、过热与无人房间空调的浪费；而且，制备的冷量可以就地使用，节省冷量输配能耗；3） 根据清华大学建筑节能研究中心实时监测结果，在北京大型写字楼中电梯电耗占总电耗的3%5%；而在人流量大的商场等公共建筑中，该比例更高；4） 在体量小、进深小、内区小的一般公共建筑中较容易实现优先自然采光和自然通风，而大部分大型公共建筑由于内区大，很难实现自然采光和自然通风，必须依靠人工照明和空调系统来实现。表3 公共建筑用电差别的分析比较项目建筑使用模式单位面积能耗通风空调电梯照明kWh(m2.a)中国一般公共建筑优先自然通风分体空调，局部空间局部时段空调未广泛使用优先自然采光48中国大型公共建筑外区优先自然通风，内区机械通风中央空调，全空间局部时段空调；建筑体量大，内区需全年供冷使用外区优先自然采光，内区电力照明112美国外窗不可开启，全年机械通风中央空调，全空间全时段空调使用大部分电力照明250综上所述，我国的公共建筑总体平均单位面积能耗低于发达国家水平，这是由不同的建筑室内环境营造模式造成的。一方面，能耗低的我国一般公建占总公建的比例高达90%。这类建筑优先依靠自然条件营造室内光、热环境；而发达国家主要依靠机械手段满足公共建筑内部采光、空调与交通等要求。另一方面，我国大型公共建筑的用能模式与发达国家类似，2004年其建筑面积占公共建筑总面积比例仅为9%，而其电耗占公共建筑总电耗比例已达19%，且呈持续增长趋势。5 结论1） 目前我国的建筑能耗占社会总能耗的比例低于发达国家，各产业部门的终端能耗占社会总能耗比例与日本1981年水平类似。2） 无论从单位建筑面积能耗，还是人均建筑能耗，中国城镇住宅能耗都远低于发达国家水平。3） 在相同气候条件下，中国的建筑实际采暖耗热量低于欧美发达国家，造成这种差别的因素包括围护结构、建筑体形系数以及采暖方式等等。4） 中国的住宅生活热水能耗量也远低于发达国家水平，甚至不到美国的1/5，这主要由各国不同的用能方式决定。5） 中国建筑用电，无论是住宅建筑还是公共建筑，都低于发达国家，这主要与中国建筑室内环境营造模式、建筑用电模式与发达国家有所差别所决定。6） 然而中国大型公共建筑的用能模式与发达国家类似，主要依靠机械手段来满足人类对建筑居住和使用的要求，能耗水平较高。参考文献：1 Energy Information Administration. 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