上海住宅空调能源的现状与发展

1 上海住宅建设的现状与前景
　　
　　上海是中国发展最快的城市之一。2000年，中国的城市化水平为36.9%，而上海已达到88.3%，为全国城市化水平最高的地区。在2000的全国第五次人口普查中，上海的户籍人口为1321.63万人，而实际人口（加上常住外来人口）为1673.77万人。1999年，上海在世界十大城市中名列第六位（世界十大城市分别是：东京、墨西哥城、孟买、圣保罗、纽约、上海、拉各斯、洛杉矶、汉城、北京）。但上海在城市形态上有许多先天不足：
　　（1） 2000年，上海总面积只有6340.5km²，不到北京市的零头（北京面积约16800km²），发展空间较小；
　　（2）2000年，上海人口密度全市平均3296p/ km²，市中心的黄浦区（CBD地区）高达53326p/ km²。
　　（3）由于人口密度大，用排放密度、人均负荷和大气污染指数来衡量区域环境水平，上海排在全国各省市的最后一位。
　　为如此高密度的城市居民解决住房问题成为历届上海市人民政府的头等大事。上海曾经以其居民住房狭小而闻名全国。现在，上海市区人均居住面积已经从1978年的4.2m²提高到2000年末的11.8m²。人均公共绿地面积1999年还只有3.62 m²，2001已经提高到5.5 m²，上了一个很大的台阶。
　　居住条件的改善得益于经济的发展。上海经济近年一直保持两位数的经济增长率，2001年人均GDP已经达到4500美元。有经济学家按购买力平价PPP（purchasing power parity）计算，1999年上海人均GDP为15516美元，明显高于中等收国家平均水平（8320美元）。因此，上海每年竣工的住宅面积一直保持在全国各城市之首，"九五"期间共建成住房7810 万m²。同时，住宅质量有了明显提高，住宅功能有了明显改善。
　　上海市政府制定的住宅建设发展目标是：2005年人均居住面积13.8 m²，实现户均一套房；2015年人均居住面积18 m²，实现人均一间房；同时要有优越的居住环境（室内环境和室外环境）和完善的功能，还要实现"四化"，即投资多元化、建设工业化、管理现代化和住宅生态化。房地产业将成为上海的支柱产业之一，在GDP中的贡献率将由4%～5%提高到10%左右。普通住宅将成为房地产业中的投资主体。
　　我们在考虑上海住宅空调今后发展时，不能离开上海的现状和条件。可以预测：
　　（1）由于人口密度大、土地资源紧缺，上海的住宅建设还将以"三高（即高层、高密度、高容积率）"集合式住宅为主。独立式住宅（俗称"别墅"）或联体住宅（town house）会有一定程度增长，以满足一部分富裕人群的需求。但任何时候都不会像美国那样成为住宅建设的主体。
　　（2）随着居民经济收的增长和生活质量的提高，住宅消费的重点将从"硬件（装修和耐用消费品）"消费转向"软件（功能和环境品质）"消费。上海的气候特点决定了仅靠自然能源不可能完全解决室内环境品质问题。因此，保障室内环境品质所需要的能耗（空调、通风、采暖、热水供应）将会迅速增长。
　　（3）2000年上海60岁以上人口已经占到17%，平均期望寿命达到78.77岁，超过中等发达国家的平均水平。说明上海已经率先进入老龄化社会。因此 ，在研究住宅空调时，必须考虑老年人的需求和特点。另外，随着社会就业结构的变化，新的自由职业的SOHO族和单向族的兴起，也是必须认真对待的特点。
　　
2 上海住宅能耗的现状与前景
　　
　　住宅能耗，主要指运行能耗或终端能耗（end use energy）。 运行能耗中又可分为使用能耗和固有能耗（standby energy）两部分。
　　图1中的横坐标表示"需求"，纵坐标表示"能耗"，余线称为"服务曲线"。很明显，需求越大或提供的服务越多，能耗就越大。提供服务的能耗就是使用能耗。如果我们能够提高能源转换效率，即减小服务曲线的斜率，使服务曲线更平坦，就能够以较小的代价（能耗）提供更多的服务。服务曲线并不是从原点出发。其起点与原点之间的距离即固有能耗。在建筑物里，固有能耗就是通过围护结构的冷热损失以及各种耗能以及各种耗能设备（如电脑、电视机等）的待机损失。我们应该尽量减少固有能耗，最好达到零损失。
　　　　　
　　　　　　　　　　　　图1 使用能耗与固有能耗
　　
　　研究住宅能耗，也应从使用能耗和固有能耗两方面着手。在使用能耗中，占比例最大的当数空调耗电。目前上海住宅空调使用的能源百分之在是电力。而在电力空调中又以分体热泵型家用空调占绝对主导地位。根据国家统计局的统计，2000年上海每百户家庭拥有的空调器台数已经接近100台如图2所示。上海共有400万个家庭，就是说，按国家统计局数字，上海居民拥有400万台空调器，装机功率为350万kW。
　　　　　　　　
　　　　　　　　　　图2 上海每百户居民拥有空调器台数的增长
　　
　　我们在2001年夏季动用80余名学生在上海780户家庭进行了一次随机意味着调查。调查结果统计如下（国统局是抽样调查500个家庭的2000年数据）：
　　
　　上海每百户家庭的主要耗能设备拥有量（有效数据780户） 　　　　　　　　　表1

　　我们调查的空调器拥有量远高于国家统计局数据。这可能是因为我们的调查对象主要是新建小区和收相对较高的白领。在780户家庭中，没有空调的仅21户，即空调的普及率达97.2%；安装家庭中央空调（即户式空调）的只有两户，占总数的0.26%；而拥有家用空调最多的一户有7台（独立式住宅）。将调查情况与美国能源部1997年的统计数据（见表2）做比较。
　　
　　　　　　1997年美国住宅空调的普及率　　　　　　　　　　　　　 表2

　　如果单从住宅空调的普及率来看，上海超过美国的任何一个地区。而美国由于是以独立式住宅为主，因此中央空调（户式空调）普及率要远高于上海。上海很多家庭还仅限于只有一个房间安装房间空调器（RAC），解决"有"和"无"的问题，还谈不追求更舒适的室内环境品质。
　　另一方面，上海很多家庭空调使用时间很少。图3和图4是调查得到的空调使用情况。
　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　图3 夏季空调使用情况调查（748户）
　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　图4 冬季空调使用情况调查（726户）
　　
　　按表3的条件判别，并按上述调查结果加权平均，可以估算出上海住宅空调的全年平均使用小时数为800～900小时。
　　
　　　　　判别空调开启与否的温度频段和同时使用系数 　　　　　　　　　　表3

　　2000年上海人均耗电量为4004.4kWh，是1998年经合组织（OECD）国家人均水平的86.4%，是世界人均水平的2.44倍。但上海人均生活耗电量只有402.53kWh，占总耗电量的10%，约为香港人均生活耗电量的30%。上海家庭平均人口数为2.8人，2000年上海家庭平均年用电量应为1127kWh.如果每台家用空调平均功率为0.8kW，启停系数为0.7，可估算出上海每个家庭空调耗电量为450kWh，为家庭总耗电的40%。每个家庭花在空调上的电费为275元。可以将上述情况再同美国相比较（见表4）。
　　
　　　　　1997年美国家用空调使用情况　　　　　　　　　　　　 表4

　　如果把上海调查中"有人即开"对应于美国的"相当多"一项，而把"感觉热才开"和"很热才开"两项对应于"少数白天以及夜间"一项。则可发现，上海的空调虽然普及率高，但应用并不广泛。
　　从图5可以看出，广州的人均居民用电量一直是四城市中最高的，这明显地与广州空调使用频繁有关。面北京的居民用电量后来居上，2000年超过上海。这可能是由于近年来北京夏季多次出现持续高温，同时北京的居民电价要明显低于上海（0.39元/kWh vs. 0.61元/kWh）。图6是我们调查得到的居民反映家庭能源费用开支最大项目的百分比。
　　　　　
　　　　　　　　　　　图5 国内四城市人均居民用电量比较
　　　　　　　　
　　　　　　　　　　图6 家庭能源消费开支最大的项目（691户）
　　
　　有待机损失方面，根据美国LBNL在北京和广州157户家庭的调查，平均为37W。上海家庭的家电拥有量与北京和广州基本相同，因此可以认为待机损失也在37W左右。就是说，每个家庭每天有近0.9kWh、每年约320kWh的电是白白浪费掉了。上海全市每年浪费掉的电力达12.8亿kWh，是2000年上海全年用电量的2.3%。

　根据上述分析，可以预测今后上海能耗趋势：
　　（1）家用空调拥有量将进一步提高，从一户一机向一室一机发展。以"十五"期间新增住宅面积7000万m²计算，假定入住率为70%、每平方米装机冷量50W、家用空调平均COP为2.5，可以估计约需要50万kW装机功率。再假定现有家庭每百户空调器拥有量以平均每年10台的速度增加，5年后可达150台（按国统局数据）。则约需增加200万台RAC，装机电功率约160万kW。就是说，5年后仅居民空调就需要增加电力供应200万kW。
　　（2）上海是典型的夏热冬冷气候。计划经济时代没有采暖，北方采暖地区的人冬天很不情愿到上海，因为忍受不了室内温度比室外还要低的环境。我们的调查发现，冬季基本不用空调的家庭比例占28%以上，多数人还是靠增加穿衣量来保暖御寒。这种状态可以解释为一种生活习惯或适应性，但可能更重要的原因是能源费高（上海的居民电价基本与美国的平均水平相同）。如果考虑到冬季是各种老年性疾病的高发时段，老年人冬季死亡率也较高，可以认为，随着人们生活水平的提高和老龄化社会的到来，上海冬季采暖的能源需求逐年上升。而目前普遍使用的热泵型分体空调在严寒条件下很难使室温达到舒适标准。因此必须关注上海住宅采暖问题。
　　（3）人们的健康意识和环境意识是社会文献程度和经济水平的标志。目前没有新的RAC不可能保证良好的室内空气品质。假定一间全密闭的15m²的双人卧室，CO₂初始浓度600ppm，经过一夜会使浓度升高到1200 ppm。而上海地区夏季温度和相对湿度都较高，不可能完全利用自然通风。国外有部分学者认为，解决住宅室内空气品质的根本措施只能是机械通风。因此，今后上海住宅夏季空调能耗趋势必然是：使用时间处长、空调负荷增大、带有新风和空气净化装置。
　　（4）近来"户式空调"逐渐成为消费时尚。为了迎合消费者节约一次投资的需要，现在的户式空调（尤其是末端用风机盘管的水-空气形式）由于多了一道换热程序，又没有自控，其系统能效比只会低于RAC。户式空调比较适合美国的独立式住宅，如果辅以自控和新风，是能够得到较好的室内环境品质的。但它并不完全适合中国的高密度住宅和目前的经济水平。2000年夏季，我们曾在深圳某高档住宅楼（安装风机盘和加新风的户式空调）进行调查，尽管室内热环境远未达到舒适标准，但平均耗电量却仍为0.279kWh/（人·m²），高昂的电费（平均月电费1280元）使这些高收住户都感到难以承受。多数人家与上海普遍情况一样，在感到很热时才开启空调。户式空调并未达到改善室内环境品质的初衷。
　　
3 上海住宅空调对城市能源和环境的影响
　　
　　上海同中国其他沿海大城市一样，电力供应主要依靠自有火力发电能力，不足部分从华工电网购入。上海的发电效率较
高，2000年发电煤耗332g标煤/kWh，如果算上厂自用电和线损，供电煤耗约372g标煤/kWh，效率为33%。由于夏季空调的大量使用，近几年高峰负荷和峰谷差不断加大。2000年用电高峰为1042万kW，2001年更达到1089万kW。2000年最大电力峰谷差434.6万kW。
　　从表5可以看出，以煤为燃料的火力发电厂会给大气质量和地球环境带来很大的破坏。因此，在考虑住宅空调能源时，一定要把环境影响考虑在内。在上海等沿海大城市中，无节制地发展风冷型的电力会造成严重的电力供应紧张和环境污染。
　　
　　　　　火电厂每发电1度所产生的污染 　　　　　　　　　　　　表5

　　2000年以来，美国加州出现了电力危机。我们可以注意到，加州三次大范围分区停电，都是出现在气候反常的当口，或是寒流、或是热浪侵袭。这说明，空调或电力采暖给电网带来的不均衡负荷或冲击性负荷，是造成加州电力危机的主要原因之一。所幸今夏加州并未出现人们所担心的高温，使加州电力供应躲过一劫。"9·11"以后，媒体和公众的注意力转移，加州电力危机的阴影似乎已被淡忘。但必须指出，加州出现电力危机的条件，如家庭和楼宇空调的日益普及、高新技术企业对建筑环境依赖性的增加等，在上海都是存在的，只不过上海的经济发展和居民收入还没有达到加州的水平，因此这种危机对上海还是潜在的，但又是可望而可及的。
　　以上海市现在的家用空调器拥有量估算，其总功率已占上海自有发电能力的37%。如果这些空调器按年平均满负荷运行1000小时计算，则将产生3万吨二氧化硫，占2000年上海全年排放总量的6.4%，几乎是1997年海地全省一年排放量的一倍；并将排放510吨CO₂，相当于格鲁吉亚或波黑一个国家1998年全年排放量。家用空调器成为家庭中最大的温室气体排放源。
　　
4 上海城市能源绿色化前景
　　
　　2001年是"中国年"，北京申奥成功、上海举办APEC会议、中国入世，给上海带来前所未有的发展机遇。东部地区能源结构的调整，成为国家可持续发展战略中的重要一环。西气东输、西电东送，上海都是受益者。清洁的天然气、清洁的水电资源将源源不断供应上海，同时也会推进我国西部地区的发展。2000年末，东海天然气日供气量已达到120万m³，浦东地区已经普及天然气。城市能源的绿色化已成为不可逆转之势。
　　作为住宅空调的能源，今后的发展第一是要增加燃气空调的比例，充分利用天然气；第二是要平抑电力负荷峰谷，第三是要逐步推广所谓"第二代能源系统"。
　　燃气负荷与电力负荷正好出现颠倒的峰谷（见图7）。可以实现互补。燃气空调的应用形式有很多，但最适合户式空调使用的燃气发动机热泵（GHP）在我国还是空白。所以目前燃气空调的主流形式还是直燃机。家用直燃机还处在研制阶段。因此以直燃机为冷热源的燃气空调比较适合的应用方式是小区集中供冷供热（供热水）。
　　　　　　
　　　　　　　　　　　　图7 上海2000年供气供电趋势
　　
　　有人提出用天然气发电再用电力空调的方案。这确是解决平衡燃气和电力负荷峰谷、改善城市环境的途径之一。但从经济角度分析，天然气联合循环发电的供电效率可达43%～46%，如果末端用风冷热泵（COP=2.5），则制冷的一次能效率约在1.2左右，基本与直燃机持平。但联合循环电厂的投资为8000元/kW，风冷热泵冷热水机组的投资6000元/Rt，折算每kW冷量投资约在5000元左右。而直燃机的投资仅为每kW冷量1500元（包括冷却塔，均不包括输配管投资）。有人可能会产生疑问：建电厂并不需要建筑业主直接投资，为什么要算在冷量投资之中？的确，电厂的投资并不直接体现在业主一次投资中，但会以电价形式体现在运行成本即二次投资中。天然气与优质低硫煤的能量成本比大约是3.47。这种高成本的电力很难被传统工业产业接受，只能由电力的高端市场，即建筑空调来消化。而这样一来又解决不了空调所造成的不均衡电力负荷问题，使发电设备年利用小时数进一步下降（1999年全国平均为4350小时），制冷效益更差。与其这样，不如直接用天然气实现空调和采暖。因此，用直燃机实现集合式住宅小区或住宅楼的集中供冷供热是上海住宅空调能源绿色化的可行方向之一。
　　当然，无论今后燃气空调怎样发展，电力始终还将是住宅空调能源的"半壁江山"。夏季用蓄冰空调是平抑昼夜电力负荷峰谷的有效措施。同样，目前家用蓄冰空调装置还没有进入市场。所以蓄冰空调也只能用于小区或楼宇的集中供冷。还可以将制冷机的冷凝热回收作为卫生热水供应的热源。
　　电力直接加热采暖是不合理用能方式，不能提倡。但一旦西部优质的水电成为上海电力供应的主要来源，而且价格也低廉时，住宅中可以考虑辐射式电采暖等有利于改善室内环境品质的采暖方式。在目前情况下，蓄热式电采暖（水蓄热或相变材料蓄热）可以起到平抑电力负荷的昼夜峰谷差的作用，是正在研究发展中的技术。另外，提高风冷热泵在冬季的运行效率和季节能效比，也是利用电力在冬季采暖的可行方法。例如，利用燃气燃烧加热热泵室外机，可以提高热泵的效率。
　　第二代能源系统是以气态燃料为主、以可再生能源为辅，实现能源供应的小型化、分散化和综合化。第二代能源系统在建筑中的应用就是实现建筑冷热电联供（BCHP或Trigeneration）。由于将发电过程中的排热加以回收利用，经余热锅炉供热（供热水）、经吸收式制冷机供冷，因此BCHP的综合一次能效率可以达到80%以上。较之常规火力发电效率高一倍数多。由于是就地发电输电，大大减少线损。还有人提议将余热锅炉最后排出的100℃左右的低品位烟气通入植物暖房，其热量供暖房加热、CO₂供植物光合作用、氮氧化物和水蒸汽供植物吸收，最终实现污染物的零排放。
　　用于BCHP的形式主要有三种：内燃机、微型燃气轮机（Microturbine， MTG）和燃料电池。
　　
　　　　三种BCHP方式的比较　　　　　　　　　　　　　　 表6

　　建设以天然气为燃料的燃气冷热电联供系统，以替代常规的锅炉采暖和电力空调制冷系统，不仅一次能效率高、实现能量的梯级利用、缓解夏季制冷用电高峰、大大减少污染物和温室气体排放、有利于环保，而且从能源安全的角度看，无论是北约轰炸南斯拉夫还是台湾大地震都证明了分散的"微电力"是提供不间断电源最有效的方法。1997年2月，由日本"创造生活价值的住宅开发项目"研究组开发的60kW燃气发动机热电联产系统在一个有132个住户、平均面积78m²/户的住宅小区建设完毕并开始运行。勿庸置疑，冷热电联供是上海集合式住宅空调冷热源的发展方向。
　　
5 结论
　　
　　上海住宅空调发展空间很大，环境能耗需求还会进一步增加。今后，清一色用电力房间空调器的住宅空调格局将被打破，住宅空调的能源和形式将日趋多样化。新建集合式住宅或住宅小区，将以DHC和BCHP为主，以天然气为燃料或以电力蓄能技术平抑负荷峰谷；独立式住宅将以燃气发动机驱动热泵或多联变频热泵的户式空调为主；而在单身公寓、SOHO住宅和旧有住宅中还会以房间空调器为主，但RAC的能效比、自控水平、可靠性等应有较大提高。
　　住宅能源绿色化是"绿色住宅（又可称生态住宅、可持续住宅、环境共生住宅等）"的重要一环。我国的住宅正从"生存"型向"舒适型"和"健康型"转化，这是发达国家走过的老路。我们能不能跨越式发展，直接向"绿色住宅"转化呢？希望能从上海住宅空调发展的现状和前景中做出理发的判断，从住宅能源的绿色化做起，尽早实现住宅的"绿色化"。
　　
　　

参考文献