我国的能源结构

我国的能源结构 论我国住宅中的能源结构及 自然能源在住宅中的应用 陈滨 杨波 丁颖慧 华南理工大学 摘 要 1 引言 住宅建设是建筑工业永恒的主题，近年来由于人口的高速增长和人民生活水平的提高，据不完全统计，我国住宅建筑已超过200亿m2，其中1979年至1995年城乡共建住宅129亿m2，并且据世界银行预测，今后我国住宅建筑仍会以每年建成16~19亿m2的速度增长，住宅建筑的快速增长使得人民居住条件有了一定的改善，城镇人均居住面积已由1979年的 3.6m2提高到1990年的6.7m2和1995年的7.9m2;农村1995年的人均居住面积更达到21m2以上，据预测到2010年，城镇人均居住面积将达到26m2，农村人均居住面积将达到30m2[1]。住宅建筑作为人类的基本居住空间，对人类的生活环境有着直接、重要的影响，居住空间环境的优劣直接影响着人们的生活质量，而要维持良好的生活环境，就必须人为地创造出舒适的环境，这就势必会导致建筑中空调、采暖等设施的大量使用以及能源的大量消耗，随着住宅建筑的快速增长，住宅用能已经成为一个严峻的不可忽视的问题。因此，必须对我国住宅中的用能基本情况有一个清楚的认识，认真地思考今后的发展方向，未雨绸缪，促进建筑、能源、环境协调发展。 2 我国的能源问题 中国是世界上人口最多的国家，也是世界上能源生产和消费大国之一。从1980年起，中国开始进入经济起飞阶段，GDP总量迅速成倍增长，2020年将成为世界上最大的经济实体和出口国，总人口由1980年的10亿人增加到1995年的12亿人，到2020年将上升为14亿人，这对能源消费特别是对石油和天燃气的消费形成持久的巨大需求。如图1、2所示，到目前为止，中国的能源消耗已经达到世界总能源消耗的11.5%，中国已成为世界上仅次于美国、俄罗斯的第三大能源生产国和仅次于美国的第二大能源消费国。从1997年开始，中国已经由能源出口国转变为能源进口国，随着中国经济的进一步增长，中国对能源的需求将会进一步增加。按目前的水平预测，到2020年中国的能源消耗会达到1500Mtoe(百万吨油当量)，是1995年的2倍多，中国已经面临很严峻的能源危机。与此同时，中国占世界1/5的人口仅消费世界能源的1/9，人均耗能大约为世界平均水平的1/3;而且发电效率较高的日本和美国的能源结构中石油占的比例相对较大，而中国的能源消费结构中，煤炭占有近2/3，而且发 1 电效率远低于世界平均水平。总的看来，我国能源系统的特点是[2]: (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、能源生产与经济布局不协调，80%的能源资源分布在西部和北部地区，而 60%的能源消费在经济比较发达的东部和南部地区。 (3) 消费结构不合理，能源结构仍以煤为主，煤炭消耗占能源总消耗的60%以上;第二产 业仍然是能源消费的主要部分，这导致了能耗高、能源利用率低(只有大约32%，美国50%以上)、能源浪费和严重的环境污染。 (4) 能源消耗中几乎全部依靠常规能源。 耗能的迅速增长与能源结构的不合理使我国面临严峻的环境压力，其中与暖通空调业关系最直接的、影响最大的就是温室气体排放和臭氧层破坏。据估计，到2020年中国将成为世界上最大的温室气体排放国[5]，在这一问题上中国将会面临越来越大的压力。因此，能源问题已经成为阻碍中国经济、社会发展的瓶颈。 3 我国住宅中的能源问题 建筑能耗有两种定义方法[10]: 广义建筑能耗是指从建筑材料制 造、 建筑施工 建筑施工总承包合同建筑施工企业管理制度建筑施工合同书建筑施工合同协议书房屋建筑施工合同 ，一直到建筑使用的 全过程能耗。 是狭义的建筑能耗，即建筑的运行 能耗，就是人们日常生活用能，如 采暖、空调、照明、烹饪、洗衣等 能耗，它是建筑能耗中的主导部分。 随着居民经济收入的增长和生活质 量的提高，住宅消费的重点将从“硬件(装修和耐用的消费品)”转向“软件(功能和环境品质)”耗(将会迅速上升。 计数字，如图3占总能耗的比例大约为27%，呈现出明显的上升趋势。并且，建筑能耗占总能耗的百分比比世界发达国家要低，日本的建筑能耗占总能耗的三分之一左右，而美国的建筑能耗更多，占总能耗的35%以上。近年来我国经济形势喜人，2003年GDP增长率达到了历史性的9.1%，人均收入首次超过了1000美元，按目前的经济发展速度，据预测，不久的将来中国的经济实力将会超过欧洲等一些 2 发达国家，达到中等发达国家水平。国家富强，人民生活水平的提高，必然会对住宅建筑的舒适度提出更高的要求，建筑能耗必将大幅度增加，在经济腾飞的同时，我国的建筑能耗占总能耗的比重也会越来越大。 图3 我国的建筑能耗及占总能耗的比例 由于消费观念的改变，人们将越来越多的精力花费到如何创造良好的室内环境上，住宅智能化、电气化将是一股不可逆转的潮流，随之而来的问题就是暖通空调能耗在建筑能耗中所占的比例将会越来越多。据笔者的调查，在我国不同的地区，虽然由于气候、经济水平以及人们的生活方式的影响，冬季采暖、夏季降温所采取的方式各不相同，但是用于暖通空调的能耗已占建筑总能耗的55%以上[6]。 以我国首都北京为例，北京地区主要的建筑能耗是冬季的采暖耗能和夏季的空调用电量，住宅中的用能情况比较复杂。据统计[7]，北京市住宅每年每人的平均耗能量为12.4GJ，用于采暖的平均能耗为7.1GJ，占住宅总能耗的57%。燃煤的大量采用与北京的大气环境质量要求是很不相称的，北京市已对燃煤作为供暖、供热方式的做法作了相应的限制，并鼓励用天然气、电等能源替代煤炭燃料。但是，能源形式改变仅仅是减少了环境污染，总的用能量不会变化，而且会消耗大量的电能这种高品位的能源。夏季，住宅中使用空调的比例也相当高，在调查的北京市某地区410户居民的用电情况中显示，每百户居民拥有空调器的数量为44台，北京市夏季的空调用电负荷已经达到总负荷的38%，住宅中空调用能占总用能的12%左右。而在我国采暖重地三北地区，采暖能耗占总能耗的比例更大，同时，由于我国北方地区普遍采用燃煤式的集中供热方式，对大气的污染相当严重，就笔者所在的沿海开放城市大连而言，集中供暖方式占供暖总面积的95%以上，每年仅住宅建筑供热一项就需要消耗155万吨煤。 位于南方地区的上海、广州等地区，全年大部分时间都需要使用空调降温，空调的使用率很高，另一方面这些地区住宅内空调的普及率很高，因此主要的建筑能耗是夏季的空调能耗。近几年来，上海每百户居民拥有的房间空调器台数急剧增加，1999年底每百户拥有家用空调85.2台，到2001年底增至100.4台，而广州地区每百户居民拥有的空调数量为 3 127.6台，居民对空调的使用已经由原来的每户一台向每室一台的方向转变。据统计，广州地区空调住宅的年平均用电量由1997年的18.23kWh/m2上升到1999年的23.26 kWh/m2，增长了27%，全年平均空调的耗电量占住宅总用电量的40.3%，在7月份，住宅中空调的用电量占住宅总用电量的70%以上[8]。有一种观点认为[11]:随着人均GDP达到4000美元，炎热地区和夏热冬暖地区城市中空调将成为夏令生活、工作的必需品，成为建筑物的基本设施，就像北方地区的采暖。1999年，我国沿海开放城市和经济特区城市总人口有9186万，总的人均GDP约2000美元。按照这些城市GDP每年10%以上的增长率，只需6,7年时间便可达到人均4000美元，估计到时仅这些城市家庭拥有的家用空调器便可达2240万台，总耗电量估计在2000万kW以上，占我国1999年总发电能力的18%左右。近年来由于用电量的剧增，全国上下均不同程度出现了电力危机，2003年底长沙市所有企、事业单位和居民区、城区将首次实施“开三停一”的用 电原则。湖南省每天实际需电量1.3亿千瓦时，其供电能力只能满足1.1亿千瓦时，每天2000万千瓦时的用电缺口只能靠 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 用电来平衡。福建、浙江等省的拉闸限电工作一直没有断过。进入冬季，由于煤炭供应、天气等原因，山西、四川、贵州、上海、河北、广东等省市频亮缺电红灯，电荒再袭华东、华中、华南 00万千瓦时，甘肃电网和西南等地区，据统计，上海市今年冬天的用电缺口是2 不得不每天向陕西等外地电网购电300万千瓦时，福建省的购电量则达到每天400多万千瓦时。 由于我国能源结构的特殊性，不管采暖还是用电都要以燃煤为主。2000年我国发电能源构成中煤电占77.18%，水电17.77%，油电3.78%，核电1.22%。据不完全统计，由于建筑耗能而产生的温室气体排放量已占全国温室气体排放总量的四分之一左右。目前我国北方地区城镇的采暖总耗煤量比德国全国总耗煤量还多，导致每年排放3.5亿吨CO2，相当于法国和波兰年温室气体排放总量。据估算[9]，建筑采暖和空调在全国温室气体排放中的贡献率约在15 %以上。 通过上面的论述，不难看出我国住宅中存在的严峻问题。我国住宅建筑能耗上升很快，但是与发达国家相比无论是人均能耗还是建筑能耗在总能耗中的比例都处在比较低的水平，仍然有很大的发展空间。由于我国各地区有不同的气候条件、经济水平、生活习惯，住宅中的能源结构也各不相同，虽然暖通空调方面的能耗占住宅总能耗的一半以上，但北方地区的住宅建筑能耗以采暖为主，南方地区的住宅建筑能耗则主要是以空调的用电为主。由于我国特殊的能源结构，不论是集中供暖还是空调用电都注定会消耗大量的煤，这必然 4 导致CO2等温室气体的大量排放，造成严重的环境污染。 4 绿色建筑与自然能源在住宅中的应用 解决住宅中的能源问题有两条途径:一是节流，即提高供暖(空调)系统效率和减少建筑本身所散失的能源，国家对于建筑节能工作非常重视，在《中华人民共和国节约能源法》、《中国节能技术政策大纲》、《建筑节能九五计划与2010年规划》和一系列有关建筑节能 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 等政策法规中都对建筑界节能工作做了详细的 规定 关于下班后关闭电源的规定党章中关于入党时间的规定公务员考核规定下载规定办法文件下载宁波关于闷顶的规定 。但只是节能不能从根本上解决能源紧缺以及能源污染问题，不符合可持续发展的战略要求;二是开源，即在住宅建筑中开发利用太阳能、土壤能、余热能等自然能源。笔者认为住宅建筑应该有效利用能源而不局限于节能，要以最少的一次能源达到最佳的居住条件，发挥能源的最大效率，不因节能而牺牲居住品质。建筑节能做得好，减少了建筑本身对能源的需求，这是住宅中采用新能源的前提。住宅中新能源的利用减少了一次能源的消耗，同时降低了一次能源消耗对环境的破坏作用，可谓一举两得。 在人口不断膨胀，地球环境被破坏，资源枯竭等问题困扰人类的今天，可持续发展这一课题引起全世界范围的关注，把可持续性发展的思路用到建筑工程中去已成为人们迫切的要求。可持续发展理论的提出，使人们开始反思，此前的建筑 发展历程实际上是人类在不断的与自然界抗衡，是人类以不可再生的能源作为武器与自然界作斗争，其结果是人与自然两败俱伤。于是，学者们提出“绿色建筑”(或曰“可持续建筑”)的概念。这种建筑是充分利用可再生的材料和能源、亲和自然(利用自然通风和天然采光)、尽量不破坏环境和文化传统、保护居住者的健康，充分体现了可持续发展和人类回归自然的理念。因此，“绿色住宅”将成为人类运用科技手段谋求与自然和谐共存，达到可持续发展的理想建筑模式，在国外，已建起一些绿色住宅建筑和“零能耗”住宅建筑的示范建筑和样板房。 近年来，国外在节能建筑对太阳能的利用方面进行了大量的试验研究与开发利用[12]。英国在节能建筑中采取的技术措施主要有三个方面:一是采用构造措施提高墙体、屋面及门窗的保温性能;二是利用太阳能;三是改进供热系统。他们推广的被动式太阳房，以建筑吸热保温材料为媒介，利用冷热空气的自然交换，达到对太阳能的利用。据统计分析，被动式太阳能住宅由太阳能供给的能源占其总耗能量的30,。美国在1997年6月宣布了“百万太阳能屋顶计划”，计划到2010年，在100 万座建筑物上安装太阳能发电系统。日本提 出的“零能源住宅”已于1993年技术开发成 功，1998年商品化推广成功。“零能源住宅” 包括以下几部分:高隔热高气密性;屋顶建 材型太阳能发电系统;太阳能热水系统;无 源空调系统;住宅用的全能空调系统;长期 居住的“高耐久性可变空间”;考虑生命线或 储藏食物等。日本通产省的新太阳能计划 (1993,2010年)中提出2600万户太阳能住宅 图6 利用自然能源所带来的节能效应[12] 的推广计划，预计到2010年将生产43亿W太 5 阳能电池，并要求新建房屋要用太阳能供电。 1997年，日本学者在北海道大学建造了一座面积为192m2的低能耗住宅实验房[13]，该实验房充分利用了太阳能、土壤热、排热回收和通风换气等技术。实验房总能量的80%是由太阳能电池、太阳能集热器、地源热泵和排热提供的。如图6，在测试期间，全年所购买的能量只有北海道普通住宅的12.5%。从比较中也可以看出，保温性能极好的住宅节能量是有限的，只有充分有效的利用自然能源才能从根本上减少对一次能源的消耗。 希腊学者根据希腊国图7 低能耗住宅购买能源的年消耗[14] 都是十分明显的，由图7可知，这些住宅建筑的节能率一般都在40%以上，有些住宅节能率可以达到90%以上。遗憾的是，在所统计的66所低能耗住宅中，中国仅有一所被选入比较，但在统计图中没有列入中国的数据。 5 住宅中自然能源利用的对策与展望 面对我国住宅中能源结构的不合理性，近年来，国内很多地区开始鼓励住宅中采用电采暖，笔者认为这是一种“杀鸡取卵”的做法，用电直接加热无论从一次能效还是从能级利用来分析绝对属于能源的不合理利用，这是没有争议的基本概念。我国电力供应是一种结 6 构性的矛盾，峰电不足而谷电有余，因此应该合理地利用好电能，充分利用新技术提高能源转换率，而不是简单的认为采用了电采暖就会改变住宅中的能源消耗结构，因为从本质上说，我国电力的主要来源仍然是以燃煤为主，如此推算住宅中用电的增加将会进一步导致能源结构的不合理。所以，在住宅中引进利用新能源是改变现状的唯一出路。 从国外先进绿色住宅的研究成果来看，低能耗的“绿色住宅”必然是一种趋势。纵观我国的产业化住宅，不难看出存在的一个普遍性问题就是住宅中的技术含量偏低，人们在追求高品质生活的同时没有可持续发展的观念。新技术的应用具有较高的初投资和较长的年投资回收率，即高技术含量的住宅运行成本非常低，而我国的住宅开发商在考虑工程造价时，仅考虑初投资，却忽视了与其利益不相关的运行费用、环境效应、能源结构等，应该说这是制约我国住宅中自然能源利用水平的重要因素。要使老百姓接受可持续发展的概念，决策者必须建立节能意识和环境保护的紧迫感，具有可持续发展的政策水平和大局观。这里我们可以借鉴美国推行“能量之星建筑(Energy Star Building)”计划的经验。这一计划面向公共建筑和工业建筑，在政府(EPA)和建筑业主之间建立一种合作伙伴关系。业主可以按照“能量之星建筑”计划的5个步骤一步一步地改造自己的建筑。由于执行“能量之星建筑”计划始终可以得到专家的指导，因此，业主完成改造的投资并不多，却可以立竿见影地节省能源费支出。公共建筑业主原来每年花去能源费约11,33美元/ m2，而执行“能量之星建筑”计划后可以减少到6.5,16美元/ m2。因此，老百姓从建筑节能中可以得到实实在在的好处，他们不再认为节能只是政府的事，而是主动参与积极配合。美国政府试图通过“能量之星建筑”计划将全国工业建筑和商业建筑每年1100亿美元的能源费减少250亿，每年减少CO2排放量510万吨，每年节省254亿kWh的能量。所以，正确的政策引导，对于在住宅中积极推广利用自然能源技术、实现可持续发展的战略目标是至关重要的。 住宅能源结构调整是缓解能源问题和改善大气环境质量的关键。然而，值得注意的是，英国等西方发达国家实现这一结构转变用了30多年的时间，而我国开始大规模实行能源结构调整时间很短。所以，要想在短时间内完成能源结构的调整任务，当然是一靠政策，二要有足够的资金支持，但最重要的是必须开发并依靠高新能源环境技术，只有依靠高新技术才能解决我国在能源结构调整中所遇到的问题，才能保证在较短的时间内完成西方发达国家30年才完成的任务。我国住宅在利用自然能源方面是不足的，这种不足体现在很多方面，但最重要的就是同发达国家相比我国在研究自然能源利用技术领域的落后。2002年7月，在德国科隆市召开了第7届世界再生能源大会，大会收到了来自88个国家的758篇 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 ，其中德国188篇、英国88篇、日本40篇、澳大利亚22篇、美国和印度各21篇、瑞典16篇、新西兰14篇、加拿大、马来西亚和阿尔及利亚各13篇、土耳其、埃及和亚美利亚各10篇、其它国家属于0~9篇的范畴，通过以上的数据从一个侧面可以了解到，中国在再生能源应用研究方面所存在的差距[17]。 我国许多学者在自然能源在建筑中的应用方面做了大量的工作，尤其在农村地区推广普及被动式太阳房及风力发电等方面取得了很大的成绩。但是在耗能量大的城市地区，除了太阳能热水器得到了较为广泛地推广和应用外，其他形式的自然能源技术应用水平还很低，相应的研究水平和深度远远没有达到实际应用的程度。应该清醒地认识到建筑物室内环境的改善不能仅依靠机械设备，应该通过绿色住宅设计来提高居住品质，所以要以可持续发展思想为前提，将设备、建筑、自然与环境很好的结合起来。我国的民用住宅以多层 7 建筑为主，照搬国外自然能源的利用方法往往是不合适的。充分吸收国外的先进经验，根据中国住宅的特点，研究开发自然能源利用方法，才能提高其实际应用水平。 8 参考文献 1. 俞善庆，国内外建筑节能现状，; 2. 金晶，世界及中国能源结构，能源研究与信息，第19卷，第1期，2003年; ; 3. International Energy Agency，Key World Energy Statistics，2003 4. 中国能源基本情况评价，; 5. Eric D，Larsona，Wu Zongxinb，Future implications of China’s energy-technology choices， Energy Policy 31，2003:1189–1204; 6. 郎四维，中国建筑环境设备发展动向，上海2003中日建筑环境设备高级论坛论文集， 2003.11，上海; 7. Qiu Daxiong，MaYuqing，Household Energy Consumption in Beijing and Nanning, China， Energy，Vol.19，No.5，1994:529-538; 8. 任俊，广州地区住宅空调能耗分析与研究，中美清洁能源技术论坛，2001年; 9. 龙惟定，试论我国暖通空调业的可持续发展，第29卷，第3期，1999年; 10. 龙惟定，国内建筑合理用能的现状及展望，能源工程，第2期，2002年; 11. 龙惟定，中国住宅空调的未来发展，暖通空调，第32卷，第4期，2002年; 12. 苑金生，国内外对太阳能的开发利用，建材产品与应用，2003年; 13. 白鳥和彦、住宅における自然エネルギー利用技術の動向、空気調和衛生工学、第, ,巻、第8号、平成13年8月; 14. A.Argiriou，Active solar space heating of residential buildings in northern Hellas-a case study，Energy and Building，26，1997:215-221; 15. 苑金生，国外节能建筑对太阳能的利用，节能，第5期，1996年; 16. Yasuhiro Hamada，Makoto Nakamura，Development of a database of low energy homes around the world and analyses of their trends，Renewable Energy，28，2003: 321–328; WREN newsletter，Final Report of the World Renewable Energy Congress ?，Renewable Energy，28，2003:667-682。 9