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，指出了把傳統模式的傭效率從不到10%提高到65%以上的理論依據和新技術途徑。主要是：在圍護結構優化節能的配合下，采用低傭損耗的空調末端新技術，規?；膮^域供冷技術，以及冷熱電多聯供的新一代城市能源供應系統。文章提出了借鑒國外成熟經驗，實現中國城市建筑物能源供應系統創新的挑戰和機遇；指出主要的障礙是觀念和機制；分別提出了新建城區和現有區域的實施步驟，以及政府應起的主導作用。
    關鍵詞：  城市能源系統  熱力學分析  冷熱電聯供  集成創新

一、現狀和問題

    經濟持續快速發展使我國能耗以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、建筑物、交通各占3成左右。而還處于工業化發展階段的中國則是：工業60%多、建筑物20%多、交通10%多。低能效在建筑物方面的表現是：單位建筑面積能耗比同氣候條件的發達國家高2-3倍。以空調能耗來說，發達國家住宅單位空調耗電20-30 W/m2、，而中國則近100 W/m2。

    據建設部統計，我國近年來新增建筑的95%是不節能的?？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，室內末端都是風機盤管，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。城市發展規劃只考慮功能區塊、交通、供電、上下水和綠化，沒有城建能源規劃；新建房屋以“毛坯房”交工，能源供應設施任業主隨意而為---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，包括建筑節能技術日新月異：節能建材、新型圍護結構和系統節能技術、冷熱電多聯供、分布式能源、集中供熱、區域供冷、蓄冷、新型空調末端技術等，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、推廣和創新，取得建筑節能效果。其原因并不是技術問題，而是觀念和機制問題?，F代城市的建筑節能，決不是個體行為，而是由市政當局的觀念、政策、體制和規劃所驅動的系統工程。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：改變必須從現在開始！

二、熱力學分析指出的創新方向

    根據建設部的統計，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。 
    建筑物采暖空調和生活熱水用能是為人提供一個舒適的環境,而這個舒適環境的溫位是非常接近于室外大氣和水體環境的。它們所需求的是非常接近于環境溫度的低品位的能量，其能級系數均在0.1以下。然而，傳統的、也是目前我國為建筑物提供能源服務的系統的實際模式是：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；空調絕大部分用電，熱水則是用電或燃氣，都是能級系數為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能和經濟效益十分顯著。近30年工業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系統的末端也有同樣的趨勢。表2、3和4分別給出了采暖、空調和熱水能源供應的傳統模式與高能價下經濟合理的模式的第二定律效率即傭效率分析比較。

    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、末端設施創新，減少傳遞傭損、在技術經濟優化條件下，使供冷（熱）媒溫度盡可能接近目標溫度；二、冷熱電聯供：優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、擴大系統規模，發揮大機組、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、能適應外部經濟、技術、氣象等條件變化的大系統集成優化規劃設計。這樣，就可以使一次能源利用的傭效率大幅度提高。

三、實現創新的技術集成系統【1】

    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新。包括： 

    1、空調末端的新技術：正在國外興起的獨立新風的空調系統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聚乙烯管通循環的冷水輻射供冷。由于傳熱面積很大和連續運行，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?。欢胰梭w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】。即使仍然采用傳統的冷水除濕，也能夠藉除濕與降溫設施分開，實現冷水的“梯級利用”而把循環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也在迅速增加。不過有的缺乏集成配套，有的參數不合理，如供水溫度高達50℃，或仍采用1Mpa蒸汽加熱熱水等等。建設部已經頒布了地板輻射供暖標準【4】。某地產項目采用歐洲設計，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的供暖和1Mpa蒸汽散熱器/風機盤管電空調高。
    2、規模化的區域供冷技術：與城市冬季集中供熱相似，區域供冷系統（DCS）近年來在國外發展很快。DCS集中多臺大型制冷機組，用開工臺數適應變化負荷，因此總能保持高制冷效率；加上系統內各類建筑物，如住宅、辦公室、商業建筑等冷負荷多不同時，所以總裝機容量可以大大減少。DCS的缺點是冷水輸送距離大，管網投資，冷損和循環泵功耗費用占系統總費用比例較中央空調大。采用前述的末端新技術，循環冷水溫差拉大到15-18℃，比傳統的5--7℃增大3倍，而且回水溫度高達20℃以上，就可以克服這個缺點；使泵功耗、冷損、和管線投資都成倍降低【3】。近年我國DCS項目正不斷增加。
    3、冷熱電多聯供---新一代城市能源系統：我國北方典型的以集中供暖為基礎的“熱電聯產”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。而在采用天然氣聯合循環+抽汽供暖條件下，由于發電效率高，“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“聯產”比需求多4倍的電。這就需要在發揮“熱電聯產”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，利用煙氣的余熱加熱生活熱水的系統；以及利用太陽能作為供暖和空調的輔助能源等，并加以優化集成，達到最高效、經濟的“冷熱電多聯供”的目標。這就是30年以前開始發展，現已很成熟的分布式冷熱電聯供能源系統（DES/CCHP）?！?】。按照美國商務部的統計，DES/CCHP系統比傳統的技術節能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“削峰填谷”，增強供電的可靠性。發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、圍護結構節能的配合：建筑物用能優化是一個系統工程。顯然，圍護結構的優化是能源供應系統優化的基礎。適當增加投資用于改善熱工性能；如采用優良的隔熱材料、合理的設計參數（如窗墻厚度、面積比、通風、采光、遮陽設施等）優化的小區規劃等；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。現在的開發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。

四、借鑒國外經驗創新中國城市能源供應系統
    
    1、建筑物能源系統改進國外進展【7】：自70年代的第一次能源危機開始推動上述建筑節能技術以來。發達國家，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的改造。到現在，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展DES/CCHP力度。還推出了各種節能投資公司帶資投入節能改造項目，業主以所節約的能源費用償還的機制。值得我們借鑒。

    2、中國建筑物節能既有嚴峻挑戰，也有極好的機遇：2006年，中國總能耗已經接近25億tec,人均1.8tec/a。按照表5的歷史數據，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。 

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

    中國的國情特點是：城市規模大、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高層公寓，與商業、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。多聯供的經濟范圍合理半徑是：電10kV, 2公里左右，空調冷水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年的統計，980座DES中，平均容量78MW的大型系統只有27座，但卻占總容量的42.8%【7】。

    中國建筑節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、新城區正在規劃；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；各種建筑節能集成配套技術均已成熟可用；能源結構調整、大力發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合循環電站所達不到的【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。不同專業的人士也會只強調某一個側面。然而實際上，建筑節能是根植于深厚的理論基礎上的復雜的大系統工程，并且需要以技術經濟優化為目標，靠多學科交叉集成來以實現。目前我國的社會運作機制和政府內部各部門職能分割的狀況，較難于協同解決這類復雜系統優化問題。然而現實的挑戰已經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：

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

    現有城區：（1）把城中心區現有的熱電廠、調峰電站、擬搬遷出去的大型企業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；依靠城建部門協同解決管線敷設問題；這可以立即開展；（3）逐步推行現有建筑圍護結構的節能改造，同時擴大冷、熱用戶；（4）隨天然氣供應逐漸充足，按規劃逐步布設新的DES/CCHP站點。后者可能需要10-15年的時間。
    4、政府的主導作用：世界各國的經驗證明，建筑節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展規劃，并與其它各方面規劃仔細協調；其次是制訂各種落實節能減排規劃、實施內容的法規、規范；第三是出臺相關的優惠、激勵、懲罰等支撐或遏制政策和措施；第四是牽頭組織、協調、檢查、督促。在強勢政府的態勢下，要是它不作為，這類協調綜合的事就很難推進；要是它按照客觀規律真抓實干，就一定能干成。

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

參考文獻：

[1] 華賁　集成創新可使中國建筑物能效加倍　建筑科學　2007　2　23（2）：9-14

[2] 王子介，輻射冷暖加置換通風，一種新型節能的建筑空調方式，中國建筑業協會建筑節能專業委員會2006年年會論文集，pp.138-140.2006年9月，杭州

[3]中國發明專利：一種區域供冷系統及其冷量梯級利用方法 申請號：200610122795.9 

[4] 中國行業標準 JGJ 142--2004: 地板供暖設計標準，中國建筑工業出版社，2004

[5]龔婕 華賁， 分布式能源系統：聯產和聯供 沈陽工程學院學報 2007 1 3（1）：1-5

[6]Hua, B; Hu, WB; Yin QH; Zhang, ZG. Integrated hierarchical modeling of compound building energy system.. Energy Conversion and Application, 2001, VoliandⅡ：960-963

[7] 左政 華賁 葉國棟，分布式冷熱電聯供在我國建筑中的應用前景，廣州能源，（將發表）

[8]華 賁  龔 婕，分布式能源與天然氣產業在中國協同發展的歷史機遇，WADE 中國分布式能源論壇論文集，2007年6月22日，廣州）

[9]華賁 龔婕  分布式冷熱電聯供系統經濟性分析 天然氣工業 2007 9：118-120