[科普中國(guó)]-能耗

單位能耗是反映能源消費(fèi)水平和節(jié)能降耗狀況的主要指標(biāo)，一次能源供應(yīng)總量與國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）的比率，是一個(gè)能源利用效率指標(biāo)。該指標(biāo)說(shuō)明一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)活動(dòng)中對(duì)能源的利用程度，反映經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)和能源利用效率的變化。

簡(jiǎn)介能耗的一種衡量單位叫做夸德（quad），1夸德=1015英熱單位（Btu）。一個(gè)英熱單位代表的數(shù)量相當(dāng)于在1個(gè)大氣壓下將1磅水加熱到1華氏度所需的熱量（1 Btu=1 055 J）。

美國(guó)每年的能耗約為94.3夸德，根據(jù)1998年美國(guó)地質(zhì)勘探局的數(shù)據(jù)，這一數(shù)字還將逐漸升高。

今天人們使用的大部分能源是通過(guò)礦物燃料（石油，天然氣，煤）燃燒得到的，乙醇、木材和植物材料也可以燃燒。核裂變反應(yīng)時(shí)，放射性物質(zhì)的原子核發(fā)生衰變，所以核裂變是化學(xué)能。太陽(yáng)電池的工作原理是，在陽(yáng)光的作用下，電子飛入并飛出硅的最外價(jià)電子層，所以它是化學(xué)能。其他能源是物理能：水電、地?zé)帷L(fēng)能。1

最小能耗控制系統(tǒng)能在指定時(shí)間內(nèi)以最少的能量消耗完成規(guī)定控制作用的最優(yōu)控制系統(tǒng)。這種控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于各類工程實(shí)際問(wèn)題中。例如，對(duì)直流他激電機(jī)施加反向電流進(jìn)行制動(dòng)，要求在指定時(shí)間內(nèi)把電機(jī)控制到完全停轉(zhuǎn)，并使控制過(guò)程中消耗的電能為最少。這種控制問(wèn)題就可采用最小能耗控制方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。下圖是用開(kāi)環(huán)方式構(gòu)成的最小能耗控制系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)通過(guò)計(jì)算提供每一時(shí)刻的各個(gè)最優(yōu)控制變量的函數(shù)值，經(jīng)過(guò)信號(hào)放大和功率放大驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對(duì)被控對(duì)象以最小能耗方式進(jìn)行控制。

線性被控對(duì)象的最小能耗控制問(wèn)題通常采用極大值原理來(lái)求解。設(shè)被控對(duì)象的狀態(tài)方程和初始狀態(tài)（見(jiàn)狀態(tài)空間法）為

λ（t）=Ax（t）+Bu（t）

x（0）=x0

式中A和B是由被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)所決定的系數(shù)矩陣，x（t）是狀態(tài)向量，u（t）是控制向量；控制向量u（t）的各個(gè)分量滿足下面的約束：

-Mi≤ui（t）≤+Mi （i=1，2，…，m）

則使被控對(duì)象在指定時(shí)刻τ達(dá)到終態(tài)x（τ）=0，并使表示耗能值的性能指標(biāo)

取極小值的最優(yōu)控制向量u*（t）必須具有如下的形式：

式中λj（t）（j=1，2，…，n）是系統(tǒng)的協(xié)態(tài)變量。最優(yōu)控制向量u*（t）是協(xié)態(tài)變量λ（t）的非線性函數(shù)（飽和特性）。在最小能耗控制系統(tǒng)的構(gòu)成中，為了求解最優(yōu)控制向量u*（t），需要在系統(tǒng)中設(shè)定被控對(duì)象的協(xié)態(tài)變量方程。2

一次能耗盡管經(jīng)濟(jì)效益在增長(zhǎng)，但德國(guó)的一次能耗在東、西德統(tǒng)一后卻適度地下降，主要得益于由于重新統(tǒng)一后的德國(guó)在經(jīng)濟(jì)和能源相關(guān)領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)調(diào)整。從1995年以來(lái)，除了隨著氣溫和經(jīng)濟(jì)的改變而發(fā)生的波動(dòng)，德國(guó)的能源需求是相對(duì)穩(wěn)定的，如圖所示，2007年的一次能耗在14000PJ左右。

2009年一次能耗的明顯降低主要是由于2008年能源價(jià)格的強(qiáng)進(jìn)增長(zhǎng)和后續(xù)的金融危機(jī)。

化石燃料在一次能耗中仍占主導(dǎo)地位，其市場(chǎng)占有率從1990年的87%減少到2010年的78%：煤炭和褐煤市場(chǎng)占有率下降，同時(shí)期天然氣的占有額由15%上升至22%：2010年主要在交通行業(yè)的推動(dòng)下，石油產(chǎn)品的需求幾乎又回到1990年的水平-在過(guò)去幾年巾核能的占有率稍微下降，2010年降到約1530PJ。

德國(guó)嚴(yán)重依靠進(jìn)口來(lái)滿足能源需求，所需化石燃料的凈進(jìn)口份額由1990年的53%增加到2010年的77%。德國(guó)最重要的外國(guó)能源供應(yīng)商是俄羅斯，份額幾乎占到整個(gè)能源進(jìn)口的30%。3

可再生能源在一次能耗中的貢獻(xiàn)由1995年的275PJ（1.9%）上升至2010年1322PJ（9.4%），如圖所示。

這樣大幅度的增長(zhǎng)要?dú)w因于生物質(zhì)能，該物質(zhì)主要用于產(chǎn)生熱，今后會(huì)用于生物質(zhì)燃料，生物質(zhì)能和生物垃圾處理的份額將超過(guò)可再生能源的78%。另外10%主要是風(fēng)能，從2000年起風(fēng)能增長(zhǎng)勢(shì)頭很高。利用太陽(yáng)熱量和光伏電池使用太陽(yáng)能的形式在過(guò)去幾年中也明顯增加，但其對(duì)能源供給的貢獻(xiàn)率仍然非常低，地?zé)崮艿那闆r也一樣。水電能源的利用份額在1995年已達(dá)到約77PJ，之后未能再增加。3

我國(guó)能耗狀況我國(guó)能耗特點(diǎn)1．南方和北方能耗差異大

我國(guó)處于北半球的中低緯度，地域廣闊，南北跨越嚴(yán)寒、寒冷、夏熱冬冷、溫和及夏熱冬暖等多個(gè)氣候帶。夏季最熱月大部分地區(qū)室外平均溫度超過(guò)26℃，需要空調(diào)；冬季氣候地區(qū)差異很大，夏熱冬暖地區(qū)的冬季平均氣溫高于10℃·，而嚴(yán)寒地區(qū)冬季室內(nèi)外溫差可高達(dá)50℃，全年5個(gè)月需要采暖；我國(guó)北方地區(qū)的城鎮(zhèn)約70%的建筑面積冬季采用了集中采暖方式，而南方大部分地區(qū)冬季無(wú)采暖措施，或只是使用空調(diào)器、小型鍋爐等分散采暖方式。

2．城鄉(xiāng)住宅能耗差異大

我國(guó)城鄉(xiāng)住宅使用的能源種類不同，城市以煤、電、燃?xì)鉃橹鳎r(nóng)村除部分煤、電等商品能源外，在許多地區(qū)，秸稈、薪柴等生物質(zhì)能仍為農(nóng)民的主要能源；另外．我國(guó)目前城鄉(xiāng)居民平均每年消費(fèi)性支出差異較大，城鄉(xiāng)居民各類電器保有量和使用時(shí)間差異較大，這也是城鄉(xiāng)住宅能耗差異的原因。

3．面積能耗差異大

當(dāng)單棟面積超過(guò)2×104 m2，采用中央空調(diào)時(shí)，其單位建筑面積能耗是小規(guī)模不采用中央空調(diào)的公共建筑能耗的3～8倍，并且其用能特點(diǎn)也與小規(guī)模公共建筑不同。因此，將公共建筑分為大型公共建筑與一般公共建筑兩類。4

我國(guó)民用能耗分類1．北方城鎮(zhèn)建筑采暖能耗

黃河流域以北地區(qū)，包括黑龍江、吉。林、遼寧、內(nèi)蒙古、新疆、青海、甘肅、寧夏、山西、北京、天津、河北的全部城鎮(zhèn)及陜西北部、山東北部、河南北部的部分城鎮(zhèn)，這些地區(qū)采暖能耗與建筑物的保溫水平、供熱系統(tǒng)狀況和采暖方式有關(guān)。

2．長(zhǎng)江流域住宅采暖能耗

長(zhǎng)江流域一帶冬季也有短期出現(xiàn)0℃左右的外溫，但日均溫很少低于0℃，一年內(nèi)日均溫度低于10℃的天數(shù)一般不超過(guò)100天。歷史上這些地區(qū)都不屬于法定的建筑采暖區(qū)，除少數(shù)高檔建筑外，一般都采用局部采暖方式。傳統(tǒng)上這一地區(qū)采用木炭烤火，改革開(kāi)放后，城鎮(zhèn)建筑的采暖方式變成電暖氣、電熱毯、熱泵式空調(diào)以及一些以燃?xì)?、燃油為燃料的采暖裝置。

3．城鎮(zhèn)住宅除采暖外能耗

城鎮(zhèn)住宅除采暖外能耗包括照明、家電、空調(diào)、炊事等城鎮(zhèn)居民生活能耗。除空調(diào)能耗因氣候差異而隨地區(qū)變化外，其他能耗主要與經(jīng)濟(jì)水平有關(guān)。

4．大型公共建筑除采暖外能耗

大型公共建筑是指單體面積在2×104 m2以上且全面配備中央空調(diào)系統(tǒng)的’高檔辦公樓、賓館、大型購(gòu)物中心、綜合商廈、交通樞紐等建筑。其能耗主要包括空調(diào)系統(tǒng)、照明、電梯、辦公用電設(shè)備、其他輔助設(shè)備等。

5．一般公共建筑除采暖外能耗

一般公共建筑是指單體建筑面積在2×104 m2以下的公共建筑或單體建筑面積超過(guò)2×104 m2但沒(méi)有配備中央空調(diào)的公共建筑，包括普通辦公樓、教學(xué)樓、商店等，其能耗包括照明、辦公用電設(shè)備、飲水設(shè)備、分體式空調(diào)等。

6．農(nóng)村建筑能耗

農(nóng)村建筑能耗包括炊事、照明、家電等用能。農(nóng)村秸稈、薪柴等非商品的消耗量很大，而且此類建筑能耗因地域和經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平不同而差異很大。4

建筑節(jié)能技術(shù)1．建筑節(jié)能的概念

與建筑能耗相對(duì)應(yīng)，建筑節(jié)能也有兩個(gè)層次的概念。建筑節(jié)能目的是在建筑全壽命周期內(nèi)，從建筑材料（建筑設(shè)備）的開(kāi)采、生產(chǎn)、運(yùn)輸，到建筑壽命期終止銷毀建筑，在保證建筑功能和要求的前提下，達(dá)到降低能源消耗、減輕環(huán)境負(fù)荷。

廣義的建筑節(jié)能是指在民用建筑的建設(shè)、改造、使用過(guò)程中，以及在工業(yè)建筑和城市基礎(chǔ)設(shè)施的施工過(guò)程中，按照有關(guān)法律、法規(guī)、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求，采取有效措施，降低能源消耗，提高能源利用效率的活動(dòng)。

狹義的建筑節(jié)能是指在建筑物正常使用期限內(nèi)，提高建筑設(shè)備的能效系數(shù)，降低建筑物通過(guò)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的能量損失，同時(shí)充分利用可再生能源，在保證建筑功能和要求的前提下，達(dá)到降低能源消耗、減輕環(huán)境負(fù)荷的目的。《民用建筑節(jié)能條例》中對(duì)民用建筑節(jié)能的定義是：在保證民用建筑使用功能和室內(nèi)熱環(huán)境質(zhì)量的前提下，降低其使用過(guò)程中能源消耗的活動(dòng)。

2．節(jié)能技術(shù)的保障體系

建筑節(jié)能的核心是提高建筑能源的使用效率，而效率的提高最終將落實(shí)在技術(shù)的支撐上。從目前專業(yè)技術(shù)工種的劃分來(lái)看，節(jié)能技術(shù)的保障體系大致可以分為以下兩個(gè)方面。

（1）建筑規(guī)劃與設(shè)計(jì)節(jié)能

合理的建筑規(guī)劃和設(shè)計(jì)，可以結(jié)合當(dāng)?shù)氐乃募練夂蛱攸c(diǎn)，為建筑創(chuàng)造一個(gè)良好的風(fēng)環(huán)境、水環(huán)境、光環(huán)境、熱環(huán)境和潔凈環(huán)境等。比如朝向的選擇、植被體系的選擇與設(shè)計(jì)、水體和山體的合理利用等，可以為合理應(yīng)用自然環(huán)境、降低建筑能耗、提高室內(nèi)人工環(huán)境的舒適度和健康水平奠定基礎(chǔ)。

（2）建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能

建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)能措施體現(xiàn)在對(duì)熱工參數(shù)的控制上。在建筑實(shí)體墻部分，利用保溫隔熱技術(shù)，在冬季采暖季節(jié)，降低通過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)向外的熱損失；在夏季空調(diào)季節(jié)，降低通過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)向外的冷損失；在過(guò)渡季節(jié)，充分利用自然通風(fēng)，調(diào)節(jié)室內(nèi)環(huán)境。

在建筑物透明結(jié)構(gòu)部分，主要控制的是太陽(yáng)能的熱流方向。通過(guò)選擇合適的窗戶結(jié)構(gòu)及遮陽(yáng)技術(shù)，在冬季采暖季節(jié)，增加太陽(yáng)能向室內(nèi)的滲透，阻止室內(nèi)熱量通過(guò)透明結(jié)構(gòu)輻射到室外；在夏季空調(diào)季節(jié)，熱流的控制過(guò)程與冬季恰好相反；過(guò)渡季節(jié)則根據(jù)實(shí)際情況，在上述兩個(gè)過(guò)程中選擇。

3．能耗設(shè)備與系統(tǒng)的節(jié)能

建筑內(nèi)的能耗設(shè)備與系統(tǒng)主要包括建筑的空調(diào)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、熱水供應(yīng)系統(tǒng)及電梯設(shè)備等。其中空調(diào)系統(tǒng)和照明系統(tǒng)在大多數(shù)的民用建筑能耗中占主導(dǎo)地位，成為主要的控制對(duì)象。

4．用能控制與管理

由于建筑內(nèi)部設(shè)備與系統(tǒng)的設(shè)計(jì)往往是以滿負(fù)荷運(yùn)行為假設(shè)條件的，而實(shí)際上，設(shè)備和系統(tǒng)往往運(yùn)行在非滿負(fù)荷條件下，這就要求配備優(yōu)良的控制和調(diào)節(jié)系統(tǒng)以及具備敬業(yè)精神和專業(yè)技能的專門管理人員，根據(jù)不同負(fù)荷特點(diǎn)對(duì)有關(guān)設(shè)備和系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)或人工調(diào)節(jié)，避免大馬拉小車現(xiàn)象。用能控制與管理對(duì)于建筑運(yùn)行能耗的節(jié)約具有特殊的意義。

5．綜合節(jié)能技術(shù)

由于建筑及其設(shè)備系統(tǒng)是一個(gè)有機(jī)的整體，在建筑節(jié)能方面，往往需要多工種的協(xié)調(diào)工作，從而產(chǎn)生一些綜合的節(jié)能措施。例如，可再生能源利用的建筑一體化技術(shù)、多能耗系統(tǒng)之間的聯(lián)動(dòng)技術(shù)等。綜合節(jié)能技術(shù)體現(xiàn)了未來(lái)節(jié)能工作的主流方向。4

具體應(yīng)用該指標(biāo)說(shuō)明一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)活動(dòng)中對(duì)能源的利用程度，反映經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)和能源利用效率的變化。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

張靜 - 副教授 - 西南大學(xué)