摘要：本文對占建筑能耗80%的暖通和熱水供能模式進行了熱力學第二定律分析，指出了把傳統(tǒng)模式的傭效率從不到10%提高到65%以上的理論依據(jù)和新技術途徑。主要是：在圍護結構優(yōu)化節(jié)能的配合下，采用低傭損耗的空調(diào)末端新技術，規(guī)?；膮^(qū)域供冷技術，以及冷熱電多聯(lián)供的新一代城市能源供應系統(tǒng)。文章提出了借鑒國外成熟經(jīng)驗，實現(xiàn)中國城市建筑物能源供應系統(tǒng)創(chuàng)新的挑戰(zhàn)和機遇；指出主要的障礙是觀念和機制；分別提出了新建城區(qū)和現(xiàn)有區(qū)域的實施步驟，以及政府應起的主導作用。

關鍵詞：  城市能源系統(tǒng)  熱力學分析  冷熱電聯(lián)供  集成創(chuàng)新
 

經(jīng)濟持續(xù)快速發(fā)展使我國能耗以10%左右的速度增加。2006年，GDP占世界5%的中國耗用了占世界15%的近25億噸標煤能源。換句話說，單位GDP 能耗是世界平均值的3倍。能源利用效率33.5%，遠世界平均水平。世界能源終端利用分布大體上是工業(yè)、建筑物、交通各占3成左右。而還處于工業(yè)化發(fā)展階段的中國則是：工業(yè)60%多、建筑物20%多、交通10%多。低能效在建筑物方面的表現(xiàn)是：單位建筑面積能耗比同氣候條件的發(fā)達國家高2-3倍。以空調(diào)能耗來說，發(fā)達國家住宅單位空調(diào)耗電20-30 W/m^2、，而中國則近100 W/m²。

據(jù)建設部統(tǒng)計，我國近年來新增建筑的95%是不節(jié)能的?？梢钥吹剑阂粋€個新興的城市，到處是玻璃幕墻，落地飄窗，分體（或樓宇中央）空調(diào)，室內(nèi)末端都是風機盤管，電或燃氣熱水器；北方則還有大量小鍋爐-金屬散熱片供暖，水溫80-60℃或更高，采暖費用多仍按每年每平方米繳納---還是30年前石油1美元/桶時候的局面。城市發(fā)展規(guī)劃只考慮功能區(qū)塊、交通、供電、上下水和綠化，沒有城建能源規(guī)劃；新建房屋以“毛坯房”交工，能源供應設施任業(yè)主隨意而為---還是30年前的模式。盡管近30多年來，隨著能源價格成十倍上漲，能源利用，包括建筑節(jié)能技術日新月異：節(jié)能建材、新型圍護結構和系統(tǒng)節(jié)能技術、冷熱電多聯(lián)供、分布式能源、集中供熱、區(qū)域供冷、蓄冷、新型空調(diào)末端技術等，許多都是革命性的進展。我國北京、上海等大城市的若干項目也都有采用。然而并沒有像家電、計算機和汽車制造那樣，很快地被我國所掌握、推廣和創(chuàng)新，取得建筑節(jié)能效果。其原因并不是技術問題，而是觀念和機制問題。現(xiàn)代城市的建筑節(jié)能，決不是個體行為，而是由市政當局的觀念、政策、體制和規(guī)劃所驅動的系統(tǒng)工程。因此，當我們看看30年來的歐洲，再展望30年后16億中國人的90%將會居住的城市建筑的能源狀況時；我們會意識到：改變必須從現(xiàn)在開始！

根據(jù)建設部的統(tǒng)計，我國建筑用能各部分所占比例如下表.表中給出了反映各種終端用能品位的能級系數(shù)。

表 1 我國建筑能耗各部分所占的比例

能耗構成	采暖通風空調(diào)	熱水供應	電氣	炊事
比率	65％	15％	14％	6%
	采暖        空調(diào)
目標溫度/環(huán)境溫度°C	18-20/-10      26/35	60/10
能級系數(shù)	0.099      0.0301	0.081	1.0

注1、傭計算以當時環(huán)境溫度為基準；2、熱水傭基準溫度取年均值

    建筑物采暖空調(diào)和生活熱水用能是為人提供一個舒適的環(huán)境,而這個舒適環(huán)境的溫位是非常接近于室外大氣和水體環(huán)境的。它們所需求的是非常接近于環(huán)境溫度的低品位的能量，其能級系數(shù)均在0.1以下。然而，傳統(tǒng)的、也是目前我國為建筑物提供能源服務的系統(tǒng)的實際模式是：北方采暖主要以直接燃煤的小供暖鍋爐和熱電廠的1 MPa蒸汽；空調(diào)絕大部分用電，熱水則是用電或燃氣，都是能級系數(shù)為1.0的高品位能源；能源轉換和傳遞的溫差很大，也就是有效能（即傭）損失大，傭效率低。

   隨著技術的不斷進步和化石能源加速消耗導致剩余儲量減少，能源和設備的比價必然地逐步升高。增加投資和換熱面積以減少傳熱溫差和傭損失的節(jié)能和經(jīng)濟效益十分顯著。近30年工業(yè)中液相流體間的傳熱溫差來已從80-100℃降低到20℃左右，深冷情況下低至1℃。在建筑物采暖和空調(diào)系統(tǒng)的末端也有同樣的趨勢。表2、3和4分別給出了采暖、空調(diào)和熱水能源供應的傳統(tǒng)模式與高能價下經(jīng)濟合理的模式的第二定律效率即傭效率分析比較。

表2 采暖用能的傭分析和優(yōu)化改進方向

技術	小鍋爐集中供熱	熱電機組(50MW)	余熱輻射供暖（CC+WHB）
目標溫度，℃ 能級系數(shù)ε	18-20/-10 0.099	18-20/-10 0.099	18-20/-10 0.099
熱媒溫度，℃ 能級系數(shù)ε	1Mpa,250-180 0.329	80-60 0.233	38-42 0.132
熱源 能級系數(shù)ε	煤/天然氣 1.0	1Mpa,250-180，℃ 0.329	凝汽器，0.01MPA,50，℃               0.186
供熱/熱媒傭效率，%	30.1	42.5	75.0
供熱/熱源傭效率，%	9.9	47. 1	60.6
一次能源利用總效率，%	50	60 （包括發(fā)電30%）	80 （不包括煙氣用于熱水）

備注：1、“目標溫度”指室內(nèi)溫度。
          2、CC+WHB：天然氣聯(lián)合循環(huán)+余熱鍋爐

          3、能級系數(shù)是以冬季平均的環(huán)境溫度為基準溫度計算的（-10℃）。

表3 空調(diào)用能的傭分析和優(yōu)化改進方向

技術	分體空調(diào)	中央空調(diào)	區(qū)域供冷+DES	獨立新風+輻射供+DES
目標溫度，℃ 能級系數(shù)ε	26/35 0.0301	26/35 0.0301	26/35 0.0301	26/35 0.0301
冷媒溫度，℃ 級系數(shù)ε	7--12 0.09	5-12 0.094	4--15 0.09	4-12，12-22 0.045
一次能源 能級系數(shù)ε	電 1.0	電 1.0	電，0.1MPa抽汽               1.0， 0.329	電，0.1MPa抽汽               1.0， 0.329
供冷/冷媒傭效率，%	33.4	32.0	33.4	66.9
COP， 供冷/一次源傭效率，%	3.0,  9.03	4.0, 12.04	4.7,  14.14	5.5,  16.56
天然氣一次能源制冷總能效℃，%	94.5 電按31.5%計	126 電按31.5%計	225 電按50%計	275 電按50%計

備注：1、能級系數(shù)是以夏季平均的環(huán)境溫度為基準溫度計算的（35℃）。2、網(wǎng)電按全國平均發(fā)電效率35%，輸變總損失10%計；DES 按聯(lián)合循環(huán)就地直供計。3、設在大區(qū)域內(nèi)抽汽吸收制冷能效與電壓縮制冷相當。4、采用鹽水、膜除濕技術時，獨立新風+輻射供+DES系統(tǒng)的傭效率更高。

表4 生活熱水用能的傭分析和優(yōu)化改進方向

技術	電熱水器	燃氣熱水器	煙氣、低壓凝汽潛熱
目標溫度/環(huán)境溫度，℃ 能級系數(shù)ε	60/10 0.081	60/10 0.081	60/10 0.081
熱媒溫度 級系數(shù)ε	>1000 1.0	>1000 1.0	煙氣120-50，潛熱70 0.163， 0.175
供熱/熱媒傭效率，%	--	--	49.7， 46.3
供熱/熱源傭效率，%	8.1	8.1	65.6
一次能源利用總效率，%	50	60 （包括發(fā)電30%）	>90 （包括煙氣、潛熱用于熱水）

上述熱力學分析指出的改變“高能低用”模式，提高傭效率的方向和途徑是：一、末端設施創(chuàng)新，減少傳遞傭損、在技術經(jīng)濟優(yōu)化條件下，使供冷（熱）媒溫度盡可能接近目標溫度；二、冷熱電聯(lián)供：優(yōu)化一次能源轉換傳遞全過程；按“溫度對口，梯級利用”的科學用能原理，先作功發(fā)電，再用低品位的煙氣和蒸汽冷凝潛熱供低品位的建筑物用能。三、擴大系統(tǒng)規(guī)模，發(fā)揮大機組、滿負荷高效運行、不同用戶負荷在時間和空間上互補的優(yōu)勢，提高轉換效率。四、采用熱泵等各種先進技術，進行柔性的、能適應外部經(jīng)濟、技術、氣象等條件變化的大系統(tǒng)集成優(yōu)化規(guī)劃設計。這樣，就可以使一次能源利用的傭效率大幅度提高。

在上述熱力學分析指導下，相應的各種技術一直不斷在應用中創(chuàng)新。包括：

1、空調(diào)末端的新技術：正在國外興起的獨立新風的空調(diào)系統(tǒng)已把降溫和除濕兩個功能分開。降溫是通過埋設在混凝土地板或天花板中的交聯(lián)聚乙烯管通循環(huán)的冷水輻射供冷。由于傳熱面積很大和連續(xù)運行，供水溫度與目標溫度之差只需4-5℃左右。以21-22℃左右的水溫，保持26℃的室溫，傭耗很小；而且人體的感覺也更舒適。除濕可以采用鹽水除濕、吸附除濕、膜分離除濕等多種方法降低耗能^【2】。即使仍然采用傳統(tǒng)的冷水除濕，也能夠藉除濕與降溫設施分開，實現(xiàn)冷水的“梯級利用”而把循環(huán)制冷水的溫度差拉大到15-18℃；從而大幅度提高制冷的能效（COP），降低長距離輸送的投資、功耗和冷損。對不適宜采用輻射供冷、還須用風機盤管的建筑，采用這項技術也有拉大溫差，冷能梯級利用的效果^【3】。

地板或天花板輻射供暖也有同樣的效果。只不過由于供暖負荷更大，（目標溫度與環(huán)境溫度差夏季9℃，冬季29℃,相差3倍多，散熱也多），供水溫度與目標溫度之差也就需要大些，在20℃以上；即水溫40℃左右。由于熱媒水溫低，就有可能利用汽輪機冷凝潛熱（38-42℃）的廢熱源；而且腐蝕、結垢等問題也可基本消除。

歐洲很多國家早已逐步大規(guī)模采用地板或天花板輻射供暖、供冷。我國東北、西北一些城市采用地板輻射供暖的小區(qū)也在迅速增加。不過有的缺乏集成配套，有的參數(shù)不合理，如供水溫度高達50℃，或仍采用1Mpa蒸汽加熱熱水等等。建設部已經(jīng)頒布了地板輻射供暖標準^【4】。某地產(chǎn)項目采用歐洲設計，采用低品位能源小溫差天花板輻射供暖供冷；能耗很低。財務核算表明，建設和運行成本并不比傳統(tǒng)的供暖和1Mpa蒸汽散熱器/風機盤管電空調(diào)高。

3、冷熱電多聯(lián)供---新一代城市能源系統(tǒng)：我國北方典型的以集中供暖為基礎的“熱電聯(lián)產(chǎn)”是在高壓鍋爐--汽輪機基礎上抽出1MPa蒸汽供暖（“熱電比”2.9）。這比小鍋爐集中供熱的傭效率高了許多。而在采用天然氣聯(lián)合循環(huán)+抽汽供暖條件下，由于發(fā)電效率高，“熱電比”只有1.2。此時，按“以熱定電”原則滿足“熱電比”為5.7的建筑供熱需求，必須“聯(lián)產(chǎn)”比需求多4倍的電。這就需要在發(fā)揮“熱電聯(lián)產(chǎn)”的高轉換效率的同時，再加上各種先進制冷、制熱的技術，例如各種地源、水源熱泵系統(tǒng)，利用煙氣的余熱加熱生活熱水的系統(tǒng)；以及利用太陽能作為供暖和空調(diào)的輔助能源等，并加以優(yōu)化集成，達到最高效、經(jīng)濟的“冷熱電多聯(lián)供”的目標。這就是30年以前開始發(fā)展，現(xiàn)已很成熟的分布式冷熱電聯(lián)供能源系統(tǒng)（DES/CCHP）。^【5】。按照美國商務部的統(tǒng)計，DES/CCHP系統(tǒng)比傳統(tǒng)的技術節(jié)能46%，減少CO₂排放30%。不僅如此，DES 還大幅度減少輸變電設施的投資、損耗和運營費，幫助電網(wǎng)“削峰填谷”，增強供電的可靠性。發(fā)達國家能源利用效率在52-55%，比中國高近20個百分點，DES/CCHP對此是有重大貢獻的.

 4、圍護結構節(jié)能的配合：建筑物用能優(yōu)化是一個系統(tǒng)工程。顯然，圍護結構的優(yōu)化是能源供應系統(tǒng)優(yōu)化的基礎。適當增加投資用于改善熱工性能；如采用優(yōu)良的隔熱材料、合理的設計參數(shù)（如窗墻厚度、面積比、通風、采光、遮陽設施等）優(yōu)化的小區(qū)規(guī)劃等；會使單位建筑面積的能耗顯著降低^【6】。按照當前的能源價格，增加的投資回收期在10年左右，都是合理的。因為建筑物的經(jīng)濟壽命可達60年以上；并且今后能源價格肯定還會逐漸上漲?，F(xiàn)在的開發(fā)商為了少投入資金而致單位面積能耗過大的短期行為，不僅直接浪費能源，而且最終浪費大量資金。因為當能源價格上漲到“浪費不起”的時候再投入圍護結構改造的資金將比起初建設時多得多。

1、建筑物能源系統(tǒng)改進國外進展^【7】：自70年代的第一次能源危機開始推動上述建筑節(jié)能技術以來。發(fā)達國家，特別是歐洲，不斷在進行從建筑物的圍護結構到能源供應系統(tǒng)的改造。到現(xiàn)在，丹麥和荷蘭全國40％以上的電力都來自DES/CCHP。英國2000年新CCHP項目共1536個,總裝機容量達到4.76GW;計劃到2010年達到10GW，增加一倍多.美國DES/CCHP至2003年總裝機容量為56GW，占全美電力總裝機容量的7％;計劃2010年裝機容量達到92GW，占全國總用電量的14％；7年增加一倍.日本全國DES/CCHP 1999年僅142座。至2003年初已達4292座，總裝機容量6.5GW。近年來，隨著石油價格再一次飛漲，各國更進一步加大了發(fā)展DES/CCHP力度。還推出了各種節(jié)能投資公司帶資投入節(jié)能改造項目，業(yè)主以所節(jié)約的能源費用償還的機制。值得我們借鑒。

2、中國建筑物節(jié)能既有嚴峻挑戰(zhàn)，也有極好的機遇：2006年，中國總能耗已經(jīng)接近25億tec,人均1.8tec/a。按照表5的歷史數(shù)據(jù)，對中國人均能耗做保守的推算，到2030--50年我國人口達16億時，總能耗將達到40--48億tec/a。

表5 各國人均GDP達到1萬美元的人均能耗

國家	美國	英國	日本	韓國	中國
實現(xiàn)GDP1萬美元時間	60年代	70年代	80年代	90年代	2030--50年
人均能耗tec	8	6	4.1	3.9	預計2.5--3

    站在目前“95%的建筑都不節(jié)能”的起點，中國面臨著極其嚴峻的挑戰(zhàn)：將有6-8億人口陸續(xù)從農(nóng)村進入城市，使城市耗能倍增；石油對外依存度2007年已達到50%，還將繼續(xù)增加；CO₂、SO₂、NO_X等排放已經(jīng)超過了環(huán)境容許的70%。迄今的“沒有城市建筑能源規(guī)劃，新建房屋能源供應設施由業(yè)主隨意而為，單位能耗比歐、日高2-3倍”的模式，是不可能再繼續(xù)下去的。但是，怎么辦？

中國的國情特點是：城市規(guī)模大、人口密集、居住集中；隨著城市化進程和生活水平提高，空調(diào)負荷迅速增加，生活熱水需求快速上升；地處北溫帶，冷暖負荷兼有；大部分住在住宅小區(qū)高層公寓，與商業(yè)、辦公建筑交織。這是建設以DCS和集中供熱（DHS）為基礎的大型DES/CCHP的極好條件。多聯(lián)供的經(jīng)濟范圍合理半徑是：電10kV, 2公里左右，空調(diào)冷水3-5公里，1 MPa 蒸汽：1--2公里，40℃左右的采暖和60℃生活熱水4-5公里。相應的經(jīng)濟供應面積：5-12平方公里。其實，國外的DES 并不都是小型的。美國1999年的統(tǒng)計，980座DES中，平均容量78MW的大型系統(tǒng)只有27座，但卻占總容量的42.8%^【7】。

中國建筑節(jié)能同時也恰逢極好的機遇：正處于城市化的高潮，大量新城鎮(zhèn)、新城區(qū)正在規(guī)劃；每年耗用全世界一半的水泥，新建16-20億m²房屋；新建比改造更容易采用最先進的技術；各種建筑節(jié)能集成配套技術均已成熟可用；能源結構調(diào)整、大力發(fā)展天然氣剛剛開始剛起步；大型DES/CCHP是天然氣最高效利用的最廣闊的市場；相應的制造業(yè)已有強大基礎。這些都是比西方30年前好得多的歷史條件^【8】。筆者主持規(guī)劃的幾個5km²左右的DES/CCHP項目的財務分析表明：天然氣價格在2.5-3.0￥/m³條件下，投資回收期可在10年左右。而這是使用同樣價格天然氣的大型聯(lián)合循環(huán)電站所達不到的^【9】。

3、推進的障礙和步驟：建設部提出中國建筑能耗在1985年基礎上降低50-65%的目標已經(jīng)10年，然而實際進展并不盡人意。分析起來，最大的障礙乃在于觀念和機制。在觀念上，許多人把建筑節(jié)能看作一些離散和孤立的普通工程問題，并用行政辦法來解決。各個城市的“墻改辦”和“熱改辦”等機構就是代表。不同專業(yè)的人士也會只強調(diào)某一個側面。然而實際上，建筑節(jié)能是根植于深厚的理論基礎上的復雜的大系統(tǒng)工程，并且需要以技術經(jīng)濟優(yōu)化為目標，靠多學科交叉集成來以實現(xiàn)。目前我國的社會運作機制和政府內(nèi)部各部門職能分割的狀況，較難于協(xié)同解決這類復雜系統(tǒng)優(yōu)化問題。然而現(xiàn)實的挑戰(zhàn)已經(jīng)到了非解決不可的地步了。下面分兩類情況列出推進的主要步驟：

新建城區(qū)或城鎮(zhèn)：（1）制定區(qū)域能源規(guī)劃，主要是建筑物冷熱電三聯(lián)供的詳規(guī)和實施機制-構建區(qū)域能源服務公司；（2）與城區(qū)規(guī)劃，包括功能區(qū)塊劃分、電力、燃氣、道路、給排水等在內(nèi)的其他各項規(guī)劃逐一協(xié)同落實；（3）制訂地方建筑節(jié)能標準實施細則，規(guī)定圍護結構設計標準，空調(diào)末端型式、冷熱水管線入室等具體規(guī)范，強制推行；（4）按照新區(qū)開發(fā)建設時間進程，制定具體實施方案和進度。

現(xiàn)有城區(qū)：（1）把城中心區(qū)現(xiàn)有的熱電廠、調(diào)峰電站、擬搬遷出去的大型企業(yè)自備電站改造為大型DES/CCHP的能源服務基地；（2）以附近大型酒店、商廈、機關、醫(yī)院為初期主要冷用戶，以酒店和居民住宅為熱水用戶；依靠城建部門協(xié)同解決管線敷設問題；這可以立即開展；（3）逐步推行現(xiàn)有建筑圍護結構的節(jié)能改造，同時擴大冷、熱用戶；（4）隨天然氣供應逐漸充足，按規(guī)劃逐步布設新的DES/CCHP站點。后者可能需要10-15年的時間。

4、政府的主導作用：世界各國的經(jīng)驗證明，建筑節(jié)能絕對必須依靠政府的主導和推動。這決不是要政府包辦一切，也不須用納稅人的錢。從上述的實施內(nèi)容中可以清楚看到：政府的作用，首先是制訂城市建筑物能源利用發(fā)展規(guī)劃，并與其它各方面規(guī)劃仔細協(xié)調(diào)；其次是制訂各種落實節(jié)能減排規(guī)劃、實施內(nèi)容的法規(guī)、規(guī)范；第三是出臺相關的優(yōu)惠、激勵、懲罰等支撐或遏制政策和措施；第四是牽頭組織、協(xié)調(diào)、檢查、督促。在強勢政府的態(tài)勢下，要是它不作為，這類協(xié)調(diào)綜合的事就很難推進；要是它按照客觀規(guī)律真抓實干，就一定能干成。

致謝：本文工作受到國家重點基礎研究規(guī)劃項目“高效節(jié)能的關鍵科學問題”（編號：G20000263）資助，并承左政博士和王小伍博士協(xié)助校閱中、英文稿，特此致謝。

參考文獻：