中国城市能源供应系统需要创新

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
 

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20-30 W/m^2、，而中国则近100 W/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！

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。

表 1 我国建筑能耗各部分所占的比例

能耗构成	采暖通风空调	热水供应	电气	炊事
比率	65％	15％	14％	6%
	采暖        空调
目标温度/环境温度°C	18-20/-10      26/35	60/10
能级系数	0.099      0.0301	0.081	1.0

注1、佣计算以当时环境温度为基准；2、热水佣基准温度取年均值

    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1 MPa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。

表2 采暖用能的佣分析和优化改进方向

技术	小锅炉集中供热	热电机组(50MW)	余热辐射供暖（CC+WHB）
目标温度，℃ 能级系数ε	18-20/-10 0.099	18-20/-10 0.099	18-20/-10 0.099
热媒温度，℃ 能级系数ε	1Mpa,250-180 0.329	80-60 0.233	38-42 0.132
热源 能级系数ε	煤/天然气 1.0	1Mpa,250-180，℃ 0.329	凝汽器，0.01MPA,50，℃               0.186
供热/热媒佣效率，%	30.1	42.5	75.0
供热/热源佣效率，%	9.9	47. 1	60.6
一次能源利用总效率，%	50	60 （包括发电30%）	80 （不包括烟气用于热水）

备注：1、“目标温度”指室内温度。
          2、CC+WHB：天然气联合循环+余热锅炉

          3、能级系数是以冬季平均的环境温度为基准温度计算的（-10℃）。

表3 空调用能的佣分析和优化改进方向

技术	分体空调	中央空调	区域供冷+DES	独立新风+辐射供+DES
目标温度，℃ 能级系数ε	26/35 0.0301	26/35 0.0301	26/35 0.0301	26/35 0.0301
冷媒温度，℃ 级系数ε	7--12 0.09	5-12 0.094	4--15 0.09	4-12，12-22 0.045
一次能源 能级系数ε	电 1.0	电 1.0	电，0.1MPa抽汽               1.0， 0.329	电，0.1MPa抽汽               1.0， 0.329
供冷/冷媒佣效率，%	33.4	32.0	33.4	66.9
COP， 供冷/一次源佣效率，%	3.0,  9.03	4.0, 12.04	4.7,  14.14	5.5,  16.56
天然气一次能源制冷总能效℃，%	94.5 电按31.5%计	126 电按31.5%计	225 电按50%计	275 电按50%计

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。

表4 生活热水用能的佣分析和优化改进方向

技术	电热水器	燃气热水器	烟气、低压凝汽潜热
目标温度/环境温度，℃ 能级系数ε	60/10 0.081	60/10 0.081	60/10 0.081
热媒温度 级系数ε	>1000 1.0	>1000 1.0	烟气120-50，潜热70 0.163， 0.175
供热/热媒佣效率，%	--	--	49.7， 46.3
供热/热源佣效率，%	8.1	8.1	65.6
一次能源利用总效率，%	50	60 （包括发电30%）	>90 （包括烟气、潜热用于热水）

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。

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。

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。

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/CCHP 1999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。

表5 各国人均GDP达到1万美元的人均能耗

国家	美国	英国	日本	韩国	中国
实现GDP1万美元时间	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	预计2.5--3

    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、NO_X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，1 MPa 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。

参考文献：