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我国城市能源供应创新研究论文
我国城市能源供应创新研究论文 摘要：本文对占建筑能耗80%的暖通和热水供能模式进行了热力学第二定 律分析，指出了把传统模式的佣效率从不到10%提高到65%以上的理论依据和新 技术途径。主要是：在围护结构优化节能的配合下，采用低佣损耗的空调末端新 技术，规模化的区域供冷技术，以及冷热电多联供的新一代城市能源供应系统。文章提出了借鉴国外成熟经验，实现中国城市建筑物能源供应系统创新的挑战和 机遇；
指出主要的障碍是观念和机制；
分别提出了新建城区和现有区域的实施步 骤，以及政府应起的主导作用。
关键词：城市能源系统热力学分析冷热电联供集成创新 一、现状和问题 经济持续快速发展使我国能耗以10%左右的速度增加。2006年，GDP占世 界5%的中国耗用了占世界15%的近25亿吨标煤能源。换句话说，单位GDP能耗 是世界平均值的3倍。能源利用效率33.5%，远世界平均水平。世界能源终端利用 分布大体上是工业、建筑物、交通各占3成左右。而还处于工业化发展阶段的中 国则是：工业60%多、建筑物20%多、交通10%多。低能效在建筑物方面的表现 是：单位建筑面积能耗比同气候条件的发达国家高2-3倍。以空调能耗来说，发 达国家住宅单位空调耗电20-30W/m2、，而中国则近100W/m2。
据建设部统计，我国近年来新增建筑的95%是不节能的。可以看到：一个 个新兴的城市，到处是玻璃幕墙，落地飘窗，分体（或楼宇中央）空调，室内末 端都是风机盘管，电或燃气热水器；
北方则还有大量小锅炉-金属散热片供暖， 水温80-60℃或更高，采暖费用多仍按每年每平方米缴纳---还是30年前石油1美元 /桶时候的局面。城市发展规划只考虑功能区块、交通、供电、上下水和绿化， 没有城建能源规划；
新建房屋以“毛坯房”交工，能源供应设施任业主随意而为--- 还是30年前的模式。尽管近30多年来，随着能源价格成十倍上涨，能源利用，包 括建筑节能技术日新月异：节能建材、新型围护结构和系统节能技术、冷热电多 联供、分布式能源、集中供热、区域供冷、蓄冷、新型空调末端技术等，许多都 是革命性的进展。我国北京、上海等大城市的若干项目也都有采用。然而并没有 像家电、计算机和汽车制造那样，很快地被我国所掌握、推广和创新，取得建筑 节能效果。其原因并不是技术问题，而是观念和机制问题。现代城市的建筑节能， 决不是个体行为，而是由市政当局的观念、政策、体制和规划所驱动的系统工程。
因此，当我们看看30年来的欧洲，再展望30年后16亿中国人的90%将会居住的城市建筑的能源状况时；
我们会意识到：改变必须从现在开始！ 二、热力学分析指出的创新方向 根据建设部的统计，我国建筑用能各部分所占比例如下表.表中给出了反 映各种终端用能品位的能级系数。
建筑物采暖空调和生活热水用能是为人提供一个舒适的环境,而这个舒适 环境的温位是非常接近于室外大气和水体环境的。它们所需求的是非常接近于环 境温度的低品位的能量，其能级系数均在0.1以下。然而，传统的、也是目前我 国为建筑物提供能源服务的系统的实际模式是：北方采暖主要以直接燃煤的小供 暖锅炉和热电厂的1MPa蒸汽；
空调绝大部分用电，热水则是用电或燃气，都是 能级系数为1.0的高品位能源；
能源转换和传递的温差很大，也就是有效能（即 佣）损失大，佣效率低。
随着技术的不断进步和化石能源加速消耗导致剩余储量减少，能源和设备 的比价必然地逐步升高。增加投资和换热面积以减少传热温差和佣损失的节能和 经济效益十分显著。近30年工业中液相流体间的传热温差来已从80-100℃降低到 20℃左右，深冷情况下低至1℃。在建筑物采暖和空调系统的末端也有同样的趋 势。表2、3和4分别给出了采暖、空调和热水能源供应的传统模式与高能价下经 济合理的模式的第二定律效率即佣效率分析比较。
备注：1、能级系数是以夏季平均的环境温度为基准温度计算的（35℃）。
2、网电按全国平均发电效率35%，输变总损失10%计；
DES按联合循环就地直供 计。3、设在大区域内抽汽吸收制冷能效与电压缩制冷相当。4、采用盐水、膜除 湿技术时，独立新风+辐射供+DES系统的佣效率更高。
上述热力学分析指出的改变“高能低用”模式，提高佣效率的方向和途径 是：一、末端设施创新，减少传递佣损、在技术经济优化条件下，使供冷（热） 媒温度尽可能接近目标温度；
二、冷热电联供：优化一次能源转换传递全过程；
按“温度对口，梯级利用”的科学用能原理，先作功发电，再用低品位的烟气和蒸 汽冷凝潜热供低品位的建筑物用能。三、扩大系统规模，发挥大机组、满负荷高 效运行、不同用户负荷在时间和空间上互补的优势，提高转换效率。四、采用热 泵等各种先进技术，进行柔性的、能适应外部经济、技术、气象等条件变化的大 系统集成优化规划设计。这样，就可以使一次能源利用的佣效率大幅度提高。三、实现创新的技术集成系统【1】 在上述热力学分析指导下，相应的各种技术一直不断在应用中创新。包括：
1、空调末端的新技术：正在国外兴起的独立新风的空调系统已把降温和 除湿两个功能分开。降温是通过埋设在混凝土地板或天花板中的交联聚乙烯管通 循环的冷水辐射供冷。由于传热面积很大和连续运行，供水温度与目标温度之差 只需4-5℃左右。以21-22℃左右的水温，保持26℃的室温，佣耗很小；
而且人体 的感觉也更舒适。除湿可以采用盐水除湿、吸附除湿、膜分离除湿等多种方法降 低耗能【2】。即使仍然采用传统的冷水除湿，也能够藉除湿与降温设施分开， 实现冷水的“梯级利用”而把循环制冷水的温度差拉大到15-18℃；
从而大幅度提 高制冷的能效（COP），降低长距离输送的投资、功耗和冷损。对不适宜采用辐 射供冷、还须用风机盘管的建筑，采用这项技术也有拉大温差，冷能梯级利用的 效果【3】。
地板或天花板辐射供暖也有同样的效果。只不过由于供暖负荷更大，（目 标温度与环境温度差夏季9℃，冬季29℃,相差3倍多，散热也多），供水温度与 目标温度之差也就需要大些，在20℃以上；
即水温40℃左右。由于热媒水温低， 就有可能利用汽轮机冷凝潜热（38-42℃）的废热源；
而且腐蚀、结垢等问题也 可基本消除。
欧洲很多国家早已逐步大规模采用地板或天花板辐射供暖、供冷。我国东 北、西北一些城市采用地板辐射供暖的小区也在迅速增加。不过有的缺乏集成配 套，有的参数不合理，如供水温度高达50℃，或仍采用1Mpa蒸汽加热热水等等。
建设部已经颁布了地板辐射供暖标准【4】。某地产项目采用欧洲设计，采用低 品位能源小温差天花板辐射供暖供冷；
能耗很低。财务核算表明，建设和运行成 本并不比传统的供暖和1Mpa蒸汽散热器/风机盘管电空调高。
2、规模化的区域供冷技术：与城市冬季集中供热相似，区域供冷系统 （DCS）近年来在国外发展很快。DCS集中多台大型制冷机组，用开工台数适应 变化负荷，因此总能保持高制冷效率；
加上系统内各类建筑物，如住宅、办公室、 商业建筑等冷负荷多不同时，所以总装机容量可以大大减少。DCS的缺点是冷水 输送距离大，管网投资，冷损和循环泵功耗费用占系统总费用比例较中央空调大。
采用前述的末端新技术，循环冷水温差拉大到15-18℃，比传统的5--7℃增大3倍， 而且回水温度高达20℃以上，就可以克服这个缺点；
使泵功耗、冷损、和管线投 资都成倍降低【3】。近年我国DCS项目正不断增加。3、冷热电多联供---新一代城市能源系统：我国北方典型的以集中供暖为 基础的“热电联产”是在高压锅炉--汽轮机基础上抽出1MPa蒸汽供暖（“热电 比”2.9）。这比小锅炉集中供热的佣效率高了许多。而在采用天然气联合循环+ 抽汽供暖条件下，由于发电效率高，“热电比”只有1.2。此时，按“以热定电”原则 满足“热电比”为5.7的建筑供热需求，必须“联产”比需求多4倍的电。这就需要在 发挥“热电联产”的高转换效率的同时，再加上各种先进制冷、制热的技术，例如 各种地源、水源热泵系统，利用烟气的余热加热生活热水的系统；
以及利用太阳 能作为供暖和空调的辅助能源等，并加以优化集成，达到最高效、经济的“冷热 电多联供”的目标。这就是30年以前开始发展，现已很成熟的分布式冷热电联供 能源系统（DES/CCHP）。【5】。按照美国商务部的统计，DES/CCHP系统比传 统的技术节能46%，减少CO2排放30%。不仅如此，DES还大幅度减少输变电设 施的投资、损耗和运营费，帮助电网“削峰填谷”，增强供电的可靠性。发达国家 能源利用效率在52-55%，比中国高近20个百分点，DES/CCHP对此是有重大贡献 的. 4、围护结构节能的配合：建筑物用能优化是一个系统工程。显然，围护 结构的优化是能源供应系统优化的基础。适当增加投资用于改善热工性能；
如采 用优良的隔热材料、合理的设计参数（如窗墙厚度、面积比、通风、采光、遮阳 设施等）优化的小区规划等；
会使单位建筑面积的能耗显著降低【6】。按照当 前的能源价格，增加的投资回收期在10年左右，都是合理的。因为建筑物的经济 寿命可达60年以上；
并且今后能源价格肯定还会逐渐上涨。现在的开发商为了少 投入资金而致单位面积能耗过大的短期行为，不仅直接浪费能源，而且最终浪费 大量资金。因为当能源价格上涨到“浪费不起”的时候再投入围护结构改造的资金 将比起初建设时多得多。
四、借鉴国外经验创新中国城市能源供应系统 1、建筑物能源系统改进国外进展【7】：自70年代的第一次能源危机开始 推动上述建筑节能技术以来。发达国家，特别是欧洲，不断在进行从建筑物的围 护结构到能源供应系统的改造。到现在，丹麦和荷兰全国40％以上的电力都来自 DES/CCHP。英国2000年新CCHP项目共1536个,总装机容量达到4.76GW;计划到 2010年达到10GW，增加一倍多.美国DES/CCHP至2003年总装机容量为56GW， 占全美电力总装机容量的7％;计划2010年装机容量达到92GW，占全国总用电量 的14％；
7年增加一倍.日本全国DES/CCHP1999年仅142座。至2003年初已达4292 座，总装机容量6.5GW。近年来，随着石油价格再一次飞涨，各国更进一步加大了发展DES/CCHP力度。还推出了各种节能投资公司带资投入节能改造项目，业 主以所节约的能源费用偿还的机制。值得我们借鉴。
2、中国建筑物节能既有严峻挑战，也有极好的机遇：2006年，中国总能 耗已经接近25亿tec,人均1.8tec/a。按照表5的历史数据，对中国人均能耗做保守的 推算，到2030--50年我国人口达16亿时，总能耗将达到40--48亿tec/a。
站在目前“95%的建筑都不节能”的起点，中国面临着极其严峻的挑战：将 有6-8亿人口陆续从农村进入城市，使城市耗能倍增；
石油对外依存度2007年已 达到50%，还将继续增加；
CO2、SO2、NOX等排放已经超过了环境容许的70%。
迄今的“没有城市建筑能源规划，新建房屋能源供应设施由业主随意而为，单位 能耗比欧、日高2-3倍”的模式，是不可能再继续下去的。但是，怎么办？ 中国的国情特点是：城市规模大、人口密集、居住集中；
随着城市化进程 和生活水平提高，空调负荷迅速增加，生活热水需求快速上升；
地处北温带，冷 暖负荷兼有；
大部分住在住宅小区高层公寓，与商业、办公建筑交织。这是建设 以DCS和集中供热（DHS）为基础的大型DES/CCHP的极好条件。多联供的经济 范围合理半径是：电10kV,2公里左右，空调冷水3-5公里，1MPa蒸汽：1--2公里， 40℃左右的采暖和60℃生活热水4-5公里。相应的经济供应面积：5-12平方公里。
其实，国外的DES并不都是小型的。美国1999年的统计，980座DES中，平均容 量78MW的大型系统只有27座，但却占总容量的42.8%【7】。
中国建筑节能同时也恰逢极好的机遇：正处于城市化的高潮，大量新城镇、 新城区正在规划；
每年耗用全世界一半的水泥，新建16-20亿m2房屋；
新建比改 造更容易采用最先进的技术；
各种建筑节能集成配套技术均已成熟可用；
能源结 构调整、大力发展天然气刚刚开始刚起步；
大型DES/CCHP是天然气最高效利用 的最广阔的市场；
相应的制造业已有强大基础。这些都是比西方30年前好得多的 历史条件【8】。笔者主持规划的几个5km2左右的DES/CCHP项目的财务分析表 明：天然气价格在2.5-3.0￥/m3条件下，投资回收期可在10年左右。而这是使用 同样价格天然气的大型联合循环电站所达不到的【9】。
3、推进的障碍和步骤：建设部提出中国建筑能耗在1985年基础上降低 50-65%的目标已经10年，然而实际进展并不尽人意。分析起来，最大的障碍乃 在于观念和机制。在观念上，许多人把建筑节能看作一些离散和孤立的普通工程 问题，并用行政办法来解决。各个城市的“墙改办”和“热改办”等机构就是代表。
不同专业的人士也会只强调某一个侧面。然而实际上，建筑节能是根植于深厚的理论基础上的复杂的大系统工程，并且需要以技术经济优化为目标，靠多学科交 叉集成来以实现。目前我国的社会运作机制和政府内部各部门职能分割的状况， 较难于协同解决这类复杂系统优化问题。然而现实的挑战已经到了非解决不可的 地步了。下面分两类情况列出推进的主要步骤：
新建城区或城镇：（1）制定区域能源规划，主要是建筑物冷热电三联供 的详规和实施机制-构建区域能源服务公司；
（2）与城区规划，包括功能区块划 分、电力、燃气、道路、给排水等在内的其他各项规划逐一协同落实；
（3）制 订地方建筑节能标准实施细则，规定围护结构设计标准，空调末端型式、冷热水 管线入室等具体规范，强制推行；
（4）按照新区开发建设时间进程，制定具体 实施方案和进度。
现有城区：（1）把城中心区现有的热电厂、调峰电站、拟搬迁出去的大 型企业自备电站改造为大型DES/CCHP的能源服务基地；
（2）以附近大型酒店、 商厦、机关、医院为初期主要冷用户，以酒店和居民住宅为热水用户；
依靠城建 部门协同解决管线敷设问题；
这可以立即开展；
（3）逐步推行现有建筑围护结 构的节能改造，同时扩大冷、热用户；
（4）随天然气供应逐渐充足，按规划逐 步布设新的DES/CCHP站点。后者可能需要10-15年的时间。
4、政府的主导作用：世界各国的经验证明，建筑节能绝对必须依靠政府 的主导和推动。这决不是要政府包办一切，也不须用纳税人的钱。从上述的实施 内容中可以清楚看到：政府的作用，首先是制订城市建筑物能源利用发展规划， 并与其它各方面规划仔细协调；
其次是制订各种落实节能减排规划、实施内容的 法规、规范；
第三是出台相关的优惠、激励、惩罚等支撑或遏制政策和措施；
第 四是牵头组织、协调、检查、督促。在强势政府的态势下，要是它不作为，这类 协调综合的事就很难推进；
要是它按照客观规律真抓实干，就一定能干成。
致谢：本文工作受到国家重点基础研究规划项目“高效节能的关键科学问 题”（编号：G20000263）资助，并承左政博士和王小伍博士协助校阅中、英文 稿，特此致谢。
