中外建筑节能能耗对比与节能潜力分析

中外建筑节能能耗对比与节能潜力分析

通过比较国内外建筑能耗的统计数据，深入研究不同能耗的原因，有助于更好地分析中国建筑能现状和发展趋势，制定相关政策和经济激励政策，引导建筑节能的发展。根据国际上对建筑能耗统计的惯例,本文中的建筑能耗均指民用建筑运行使用过程中消耗的能源,不包括建筑材料生产用能、建筑材料运输用能、房屋建造和维修过程中的用能。即研究民用建筑物内照明、采暖、空调和各类建筑内使用电器的能耗。1民用建筑分类建筑能耗数据统计是建筑节能工作的基础,而根据建筑能耗特点对建筑的分类又是能耗统计工作的基础。欧美发达国家在进行建筑能耗统计时,将民用建筑分类为居住建筑(ResidentialBuilding)和商业建筑(CommercialBuilding)。建筑细分中,居住建筑按体量分为单体住宅/别墅(singlehouse)和公寓楼(multi-house);商业建筑按功能细分为办公(office)、商场(shoppingcenter)、酒店/旅馆(hotel)、医院(hospital)、学校(school),等等。在统计结果中,根据建筑需求,分列采暖、空调、生活热水、炊事、照明、其他电器等项各自的能源消耗。而我国幅员辽阔、气候复杂、地区经济发展不平衡,如果也按照发达国家的分类方法来统计和分析建筑能耗,将南北方采暖和非采暖建筑、城乡经济差异大的建筑混为一谈,无法清楚认识各类建筑能耗特点,很可能造成混淆,更无法有针对性地开展节能工作。根据我国建筑能耗南方和北方地区气候差异大,仅北方地区有采暖、城乡住宅能耗使用差异大、不同规模的公共建筑除采暖外的单位建筑面积能耗差别大的总体特点,将我国民用建筑可分类如下:(1)北方城镇建筑采暖能耗;(2)农村建筑能耗;(3)城镇住宅除采暖外能耗;(4)一般公共建筑除采暖外能耗;(5)大型公共建筑除采暖外能耗。2%是测定项目,即当机时长为6.2004年,我国建筑能耗为1.7亿tce加5900亿kWh电,折合人均能耗937kWh/a,占我国社会总商品能耗的18.8%。目前主要发达国家的建筑能耗均已占社会总能耗的1/3左右,如图1所示。将我国建筑能耗与其他发达国家相比(见图2和3),可以发现,无论是单位面积能耗还是人均能耗,我国都远低于发达国家水平。此外,我国城乡用能存在很大差异,即使只看我国城镇的建筑能耗,还是大大低于发达国家的平均水平。这主要是与我国建筑用能设备的数量、种类和使用方式与发达国家不同有关。以下就各类建筑能耗分别进行中外对比和分析。3北方建筑的供暖能3.1分散建筑分散锅炉燃气、燃油、电采暖气候与我国北方相似的欧洲国家中,有很大比例的采暖依靠建筑物内的分散锅炉(燃气、燃油)或电采暖,而使用集中采暖方式的建筑物,也多在建筑物入口处安装热量计量装置。在欧洲国家,无论是建筑设计标准还是能耗统计数据,一般都指建筑物内的实际耗热量。3.2建筑形式对建筑耗热量的影响其“d不同国家有不同的气候、建筑和采暖形式,不同的采暖行为。简单地说,建筑采暖能耗与建筑冬季的实际耗热量、采暖管网效率和热源效率有关。当建筑物采暖耗热量一定时,采暖系统效率和热源效率越高,实际的建筑采暖能耗就越小。建筑耗热量与采暖方式无关,由气候、建筑形式和采暖行为决定。(1)气候对建筑耗热量的影响气候对建筑耗热量的影响可反映于采暖期度日数(指室内基准温度与采暖期室外平均温度之间的温差,乘以采暖期天数的数值,单位℃·d)。采暖期度日数越大,即天越冷,在同样建筑保温条件下,要达到同样的室温就要消耗越多的能源。各国的度日数基准温度各国的规定不同,中国北方为18℃,美国为65F(18.3℃),芬兰15℃,见表1。建筑形式对建筑耗热量的影响主要体现在围护结构保温性能和体形系数(指建筑物与室外大气接触的外表面积和其所包围的体积之比,它实际是指单位建筑体积所分摊到的表面积)方面。保温越好的建筑,体形系数越大,耗热量越低。两者的乘积决定建筑耗热量。我国的建筑围护结构保温水平与北欧国家相比差距大,平均保温水平仅为北欧国家的1/2~1/4。建筑形式上多为体形系数0.2~0.5的公寓楼,而在北欧占很大比例的别墅体形系数大于0.5,甚至有些高达0.8以上。这样,围护结构传热系数与体形系数的乘积,我国与北欧水平相当。通风换气次数越小,耗热量越低。北欧的建筑大多有通风设备,一般控制在1~2次/h。我国的建筑绝大多数没有设置通风设备,若不开窗则换气次数0.5~1次/h;若开外窗,可造成3~10次/h的换气,带来额外的热量损失。从采暖季和室温来看,我国北方城镇集中供热的采暖期为120d(东北为170d),室温一般在18~20℃;北欧的建筑根据气候供热,多长于我国,室温18~22℃,并保证室内舒适性。综合以上各项分析,我国北方采暖季建筑耗热量低于类似气候的北欧国家。3.3供热能耗的比较前面比较了建筑物实际耗热量。但若要考虑总的采暖能耗,还应加上投入供热系统的能源消耗。从系统效率上看,我国北方城镇大多采用集中供热系统,系统的供热效率多在50%~60%。北欧国家一部分采用分散式采暖(电采暖,燃气、燃油小锅炉),效率大于90%;即使是部分采用了集中供热的国家,其系统效率也由于能源种类和调节技术的先进而高于我国的集中供热系统。因此,总的采暖能耗,我国与发达国家水平相当。实际上,各国采暖的能源种类不同,我国北方采暖能源主要为煤,北欧国家大量使用电力、燃气、燃油,采暖能源种类的区别使得实际能耗方面存在数据计算上的争议。本文对采暖能耗的比较均基于热量法,即把电、煤、气等的实际消耗按低位发热量折合为统一的单位进行比较,不考虑采暖耗电的一次能源问题。若考虑一次能源,或考虑不同种类能源的能源品位,有其他的折算方法,这样得到的我国采暖总能耗低于发达国家水平。除了我国北方城镇采暖外,传统无采暖的夏热冬冷的长江流域地区近年来也开始提出采暖需求,采暖形式主要以户式空调和分散式电采暖为主。长江流域地区冬季潮湿寒冷,采暖期短。由于气候差别,室内舒适性不高,长江流域目前的采暖能耗远低于发达国家水平。4城市住宅的能耗4.1我国城镇住宅能耗中外城镇住宅总能耗对比见表2。由表2的对比可发现,与日美相比,我国城镇住宅除采暖外能耗占建筑总能耗比例偏低,我国城镇住宅单位面积能耗小于日本,仅为美国的不到1/3,人均住宅能耗也大大小于日本和美国。4.2家电、空调和照明能耗住宅能耗特点与住宅特性(建设时期、构造、建筑物高度、建筑使用面积、窗户阳台设置状况等)、家庭情况(家庭成员构成、家庭收入等)、生活方式(在家人数、团聚时间、穿衣量、空调设备使用状况、通风换气状况)、住宅设备(HVAC的相关设备等)、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。其能耗包括炊事、生活热水、空调、照明和其他家电,见表3。表3的家电、生活热水数据的各国差别原因可由城镇居民用能模式上的区别造成。比如,白天自然光线充足时,是优先使用自然光照明还是拉上窗帘开电灯;天气晴朗时选择晾干衣服还是使用电烘干机;室外空气温度适宜时利用自然通风降温还是关门窗开空调;夏季室内无人时是关闭空调还是全天所有房间开空调。而对于空调能耗,除使用模式的差别外,气候差异为主要的影响因素。美国大量人口聚集的东、西海岸属于温带海洋性气候,冬暖夏凉,全年不用开空调,这样全国空调能耗平均之后仍有13.8kWh/m2·a。实际上,在和北京气候相近的美国城市纽约、费城,调查得到住宅空调能耗均大于80kWh/m2·a。同样的问题存在于日本空调能耗数据,由于日本中部沿海和北部大部分地区夏季并不炎热,空调使用时间短,南部地区空调使用时间较长,但其能耗对全国建筑面积平均后就很小了。5空调系统的设置公共建筑包括写字楼、酒店、商场、体育馆、交通枢纽、医院等各种非住宅性建筑。与公寓楼型住宅不同的是,公共建筑通常是一座楼由固定的一方(建筑用户或物业公司)来管理,而不是分散管理。根据能源消耗特点,我国的公共建筑分为单栋建筑面积大于两万平米的大型公共建筑和一般公共建筑。据大量调查的结果,大型公共建筑的单位面积能耗成倍高于一般公共建筑。目前在我国,大型公共建筑占公共建筑总量的比例小于10%,而在发达国家,即使单栋体量并不大的建筑也多采用不可开启外窗和集中空调系统,运行模式类似于我国的大型公共建筑,因此单位面积的能耗也远大于我国的大多数公共建筑。因此,目前我国公共建筑的能耗水平低于发达国家,见表4。在我国,大型公共建筑多采用集中空调系统,一般公共建筑多采用分体空调的形式,外窗可开启。发达国家的公共建筑一般都采用集中的空调系统,无开启外窗,主要靠机械通风来解决室内新鲜空气的问题,见表5。由表5看出,是否使用集中空调系统、建筑体量大小和是否有可开启外窗等是影响公共建筑能耗的重要因素。具体的说,“一般公共建筑”,体量较小,日光照射不到的内区面积小,白天可以通过外窗采光,同时避免了夏天由于灯光散热增加的空调能耗;春秋季开窗通风,夏季采用分体空调。空调的运行模式可以做到只有当室内有人,并且室外温度过高时,关闭外窗,开启空调。而对于“大型公共建筑”,由于建筑体量大,大部分内区依靠人工照明;即使是在室外气候适宜的春秋季节,新鲜空气也要靠机械通风换气保证;采用中央空调系统,全年需要通过中央空调维持室内热湿环境,相比于分体空调,不仅增加了冷热在楼内输送的能耗,而且当部分房间无人时,为了保证有人房间的室内温湿度,也要开启空调,延长了空调时间;由于是高层建筑,电梯也是不可或缺的建筑内垂直交通手段。通过对不同建筑的现场能耗检测和模拟计算可以得出类似的结论:相同使用功能、相似人员密度和办公设备的公共建筑,大型公共建筑的单位面积“照明+空调+电梯”能耗高达一般公共建筑的2~3倍。6与能量比比较中的其他影响因素6.1空调和冬季采暖人们对室内环境的需求是基本相同的,但世界各地气候不同,建筑在利用能源营造室内温度环境方面也存在很大差异。比如,在冬暖夏凉,全年湿润的美国西海岸,几乎全年不用空调也能保持良好的室内热环境;而在我国北方的哈尔滨,冬夏季温差可高达70℃,即使加强建筑保温,也必须投入大量能源用于夏季空调和冬季采暖。因此,我们在比较不同地区建筑能耗差别时,应注意气候差异对建筑能耗的影响,避免片面根据能耗数据来简单判断建筑的节能与否。6.2美国建筑能耗现状世界各国建筑能耗数据统计标准和体系不同,如各种能源转化方法不同,建筑相关的基本概念不同,反映在能耗结果上,不同国家“同一类”建筑的“同一项”能耗所代表的含义也可能存在不同的差异。比如,同样是2003年美国的建筑能耗占社会总能耗比例,根据美国能源局(U.S.DepartmentofEnergy)对统计终端能耗(SiteEnergy)的统计数据,建筑终端能耗为19.8quads,占全国终端能耗的比例为27.5%;而根据他们对一次能耗的统计结果显示,建筑一次能耗为38.8quads,比例为39.5%。此外,这些对煤、电、油等终端能源的统计为低位发热量法,若对其数据按照等效电法进行换算,得到的建筑能耗比例则为30.7%。6.3建筑内二次能源在建筑能耗统计方面,一直存在统计终端能源还是一次能源的争议。前者着眼于建筑内的实际消耗,包括电、热、煤、气和油等;而后者把电、热这些建筑内使用的二次能源均转化为产生它们的一次能源。因此,终端能耗和一次能耗数据在电和热上存在很大差异。6.4外墙表面量起各国对建筑面积的统计方法存在差异。我国的“建筑面积”指从外墙外表面量起,日本指外墙的中轴线量起的面积;欧洲一些国家则由外墙内表面之间面积来表示。这样,计算单位面积能耗时要注意面积的一致性,注意不同计算方法对结果的影响。7我国城镇采暖能耗(1)在对我国和发达国家建筑能耗进行比较的过程中,需注意不同来源数据的代表意义是否一致。应注意气候差异、能源换算和一些基本概念等差异对建筑能耗数据的影响,避免“盲人摸象”,断章取义地对两个孤立的数据进行比较分析。(2)目前我国建筑总体能耗低于发达国家水平,主要是由建筑形式和能源使用方式决定的。我国北方城镇采暖单位建筑面积耗热量低于同气候北欧国家,而总的采暖能耗水平与北欧国家相当;住宅和公共建筑能耗远低于发达国家水平,其中大型公共建筑能耗略低于发达国家水平。(3)通过与其他国家能耗数据的比较及对差别原因的分析,可确定我国的建筑节能潜力和工作重点所在:我国北方城镇采暖有较大节能潜力,大型公共建筑通过节能管理仍有节能潜力。而长江流域采暖能耗、住宅与一般公共建筑用电能耗,虽然现阶段能耗水平远低于发达国家水平,但应避免其盲目在用能方式上与发达国家接轨,造成能耗的大幅增长。在我国,建筑总能耗的约40%用于北方城镇的冬季采暖,采暖地区约70%的面积采用集中供热系统。按照北方65亿m2采暖建筑的平均能耗计算,单位面积的能耗约为20kgce/m2·a,按低位发热量折合162kWh/m2·a。这里的能耗是指热源处的实际耗热,即建筑物所耗热量与各种损失之和(这里损失包括热源处损失、管网输送损失、建筑间失调损失,在我国约占采暖能耗的40%~50%