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摘要本文在對上海市住宅能耗現狀及空調使用情況調研的基礎上，分析了上海市住宅空調及住宅能耗的發展趨勢及其對城市能源和環境造成的影響，指出今后住宅空調的能源和形式將日趨多樣化。新建集合式住宅或住宅小區，將以DHC和BCHP為主，以天然氣為燃料或以電力蓄能技術平抑負荷峰谷；獨立式住宅將以燃氣發動機驅動熱泵或多聯變頻熱泵的戶式空調為主；而在單生公寓、SOHO住宅和舊有住宅中還會以房間空調器為主。從住宅能源的綠色化做起，促進"綠色住宅"的發展。

關鍵詞住宅空調能源區域供熱供冷（DHC）冷熱電聯供（BCHP）

1上海住宅建設的現狀與前景

上海是中國發展最快的城市之一。2000年，中國的城市化水平為36.9%，而上海已達到88.3%，為全國城市化水平最高的地區。在2000的全國第五次人口普查中，上海的戶籍人口為1321.63萬人，而實際人口（加上常住外來人口）為1673.77萬人。1999年，上海在世界十大城市中名列第六位（世界十大城市分別是：東京、墨西哥城、孟買、圣保羅、紐約、上海、拉各斯、洛杉磯、漢城、北京）。但上海在城市形態上有許多先天不足：

（1）2000年，上海總面積只有6340.5km2，不到北京市的零頭（北京面積約16800km2），發展空間較小；

（2）2000年，上海人口密度全市平均3296p/km2，市中心的黃浦區（CBD地區）高達53326p/km2。

（3）由于人口密度大，用排放密度、人均負荷和大氣污染指數來衡量區域環境水平，上海排在全國各省市的最后一位。

為如此高密度的城市居民解決住房問題成為歷屆上海市人民政府的頭等大事。上海曾經以其居民住房狹小而聞名全國。現在，上海市區人均居住面積已經從1978年的4.2m2提高到2000年末的11.8m2。人均公共綠地面積1999年還只有3.62m2，2001已經提高到5.5m2，上了一個很大的臺階。

居住條件的改善得益于經濟的發展。上海經濟近年一直保持兩位數的經濟增長率，2001年人均GDP已經達到4500美元。有經濟學家按購買力平價PPP（purchasingpowerparity）計算，1999年上海人均GDP為15516美元，明顯高于中等收國家平均水平（8320美元）。因此，上海每年竣工的住宅面積一直保持在全國各城市之首，"九五"期間共建成住房7810萬m2。同時，住宅質量有了明顯提高，住宅功能有了明顯改善。

上海市政府制定的住宅建設發展目標是：2005年人均居住面積13.8m2，實現戶均一套房；2015年人均居住面積18m2，實現人均一間房；同時要有優越的居住環境（室內環境和室外環境）和完善的功能，還要實現"四化"，即投資多元化、建設工業化、管理現代化和住宅生態化。房地產業將成為上海的支柱產業之一，在GDP中的貢獻率將由4%～5%提高到10%左右。普通住宅將成為房地產業中的投資主體。

我們在考慮上海住宅空調今后發展時，不能離開上海的現狀和條件。可以預測：

（1）由于人口密度大、土地資源緊缺，上海的住宅建設還將以"三高（即高層、高密度、高容積率）"集合式住宅為主。獨立式住宅（俗稱"別墅"）或聯體住宅（townhouse）會有一定程度增長，以滿足一部分富裕人群的需求。但任何時候都不會像美國那樣成為住宅建設的主體。

（2）隨著居民經濟收的增長和生活質量的提高，住宅消費的重點將從"硬件（裝修和耐用消費品）"消費轉向"軟件（功能和環境品質）"消費。上海的氣候特點決定了僅靠自然能源不可能完全解決室內環境品質問題。因此，保障室內環境品質所需要的能耗（空調、通風、采暖、熱水供應）將會迅速增長。

（3）2000年上海60歲以上人口已經占到17%，平均期望壽命達到78.77歲，超過中等發達國家的平均水平。說明上海已經率先進入老齡化社會。因此，在研究住宅空調時，必須考慮老年人的需求和特點。另外，隨著社會就業結構的變化，新的自由職業的SOHO族和單向族的興起，也是必須認真對待的特點。

2上海住宅能耗的現狀與前景

住宅能耗，主要指運行能耗或終端能耗（enduseenergy）。運行能耗中又可分為使用能耗和固有能耗（standbyenergy）兩部分。

圖1中的橫坐標表示"需求"，縱坐標表示"能耗"，余線稱為"服務曲線"。很明顯，需求越大或提供的服務越多，能耗就越大。提供服務的能耗就是使用能耗。如果我們能夠提高能源轉換效率，即減小服務曲線的斜率，使服務曲線更平坦，就能夠以較小的代價（能耗）提供更多的服務。服務曲線并不是從原點出發。其起點與原點之間的距離即固有能耗。在建筑物里，固有能耗就是通過圍護結構的冷熱損失以及各種耗能以及各種耗能設備（如電腦、電視機等）的待機損失。我們應該盡量減少固有能耗，最好達到零損失。

圖1使用能耗與固有能耗

研究住宅能耗，也應從使用能耗和固有能耗兩方面著手。在使用能耗中，占比例最大的當數空調耗電。目前上海住宅空調使用的能源百分之在是電力。而在電力空調中又以分體熱泵型家用空調占絕對主導地位。根據國家統計局的統計，2000年上海每百戶家庭擁有的空調器臺數已經接近100臺如圖2所示。上海共有400萬個家庭，就是說，按國家統計局數字，上海居民擁有400萬臺空調器，裝機功率為350萬kW。

圖2上海每百戶居民擁有空調器臺數的增長

我們在2001年夏季動用80余名學生在上海780戶家庭進行了一次隨機意味著調查。調查結果統計如下（國統局是抽樣調查500個家庭的2000年數據）：

上海每百戶家庭的主要耗能設備擁有量（有效數據780戶）表1

設備名稱每百戶擁有量（臺）設備名稱每百戶擁有量（臺）設備名稱每百戶擁有量（臺）

同濟數據國統局同濟數據國統局同濟數據國統局

電熱水器34.963.6

(熱水淋浴器)微波爐88.778烘干機10.9-

燃氣熱水器74.1電飯煲94.5-除塵器61.3-

太陽能熱水器2.7脫排油煙機92.8-音響66.231.8

電熱飲水機81.9-燃氣灶93.2-臺式電腦65.925.6

冰箱104.3102.2洗衣機10193.4筆記本電腦14.2-

空調器18196.4電視機177.7147

我們調查的空調器擁有量遠高于國家統計局數據。這可能是因為我們的調查對象主要是新建小區和收相對較高的白領。在780戶家庭中，沒有空調的僅21戶，即空調的普及率達97.2%；安裝家庭中央空調（即戶式空調）的只有兩戶，占總數的0.26%；而擁有家用空調最多的一戶有7臺（獨立式住宅）。將調查情況與美國能源部1997年的統計數據（見表2）做比較。

1997年美國住宅空調的普及率表2

地區電力空調平均

年能源費用支出（美元）每百戶家庭電力空調

的普及率（%）有中央空調的

家庭百分比（%）

全美1407247.1

東北部746322.2

中西部817851.4

南部2019369.7

西部1284127.6

南大西洋地區19593

如果單從住宅空調的普及率來看，上海超過美國的任何一個地區。而美國由于是以獨立式住宅為主，因此中央空調（戶式空調）普及率要遠高于上海。上海很多家庭還僅限于只有一個房間安裝房間空調器（RAC），解決"有"和"無"的問題，還談不追求更舒適的室內環境品質。

另一方面，上海很多家庭空調使用時間很少。圖3和圖4是調查得到的空調使用情況。

圖3夏季空調使用情況調查（748戶）

圖4冬季空調使用情況調查（726戶）

按表3的條件判別，并按上述調查結果加權平均，可以估算出上海住宅空調的全年平均使用小時數為800～900小時。

判別空調開啟與否的溫度頻段和同時使用系數表3

夏季（同時使用系數0.5）冬季（同時使用系數0.4）

有人即開感覺熱才開很熱才開有人即開感覺熱才開很熱才開

室外氣溫頻段（BIN）℃2628321062

2000年上海人均耗電量為4004.4kWh，是1998年經合組織（OECD）國家人均水平的86.4%，是世界人均水平的2.44倍。但上海人均生活耗電量只有402.53kWh，占總耗電量的10%，約為香港人均生活耗電量的30%。上海家庭平均人口數為2.8人，2000年上海家庭平均年用電量應為1127kWh.如果每臺家用空調平均功率為0.8kW，啟停系數為0.7，可估算出上海每個家庭空調耗電量為450kWh，為家庭總耗電的40%。每個家庭花在空調上的電費為275元。可以將上述情況再同美國相比較（見表4）。

1997年美國家用空調使用情況表4

地區從不開少數白天以及夜間相當多整個夏季

全美2.451.225.121.3

東北部3.661.521.510.4

中西部2.953.729.613.7

南部0.333.326.240.1

西部3.759.821.814.7

南大西洋地區54

如果把上海調查中"有人即開"對應于美國的"相當多"一項，而把"感覺熱才開"和"很熱才開"兩項對應于"少數白天以及夜間"一項。則可發現，上海的空調雖然普及率高，但應用并不廣泛。

從圖5可以看出，廣州的人均居民用電量一直是四城市中最高的，這明顯地與廣州空調使用頻繁有關。面北京的居民用電量后來居上，2000年超過上海。這可能是由于近年來北京夏季多次出現持續高溫，同時北京的居民電價要明顯低于上海（0.39元/kWhvs.0.61元/kWh）。圖6是我們調查得到的居民反映家庭能源費用開支最大項目的百分比。

圖5國內四城市人均居民用電量比較

圖6家庭能源消費開支最大的項目（691戶）

有待機損失方面，根據美國LBNL在北京和廣州157戶家庭的調查，平均為37W。上海家庭的家電擁有量與北京和廣州基本相同，因此可以認為待機損失也在37W左右。就是說，每個家庭每天有近0.9kWh、每年約320kWh的電是白白浪費掉了。上海全市每年浪費掉的電力達12.8億kWh，是2000年上海全年用電量的2.3%。

根據上述分析，可以預測今后上海能耗趨勢：

（1）家用空調擁有量將進一步提高，從一戶一機向一室一機發展。以"十五"期間新增住宅面積7000萬m2計算，假定入住率為70%、每平方米裝機冷量50W、家用空調平均COP為2.5，可以估計約需要50萬kW裝機功率。再假定現有家庭每百戶空調器擁有量以平均每年10臺的速度增加，5年后可達150臺（按國統局數據）。則約需增加200萬臺RAC，裝機電功率約160萬kW。就是說，5年后僅居民空調就需要增加電力供應200萬kW。

（2）上海是典型的夏熱冬冷氣候。計劃經濟時代沒有采暖，北方采暖地區的人冬天很不情愿到上海，因為忍受不了室內溫度比室外還要低的環境。我們的調查發現，冬季基本不用空調的家庭比例占28%以上，多數人還是靠增加穿衣量來保暖御寒。這種狀態可以解釋為一種生活習慣或適應性，但可能更重要的原因是能源費高（上海的居民電價基本與美國的平均水平相同）。如果考慮到冬季是各種老年性疾病的高發時段，老年人冬季死亡率也較高，可以認為，隨著人們生活水平的提高和老齡化社會的到來，上海冬季采暖的能源需求逐年上升。而目前普遍使用的熱泵型分體空調在嚴寒條件下很難使室溫達到舒適標準。因此必須關注上海住宅采暖問題。

（3）人們的健康意識和環境意識是社會文獻程度和經濟水平的標志。目前沒有新的RAC不可能保證良好的室內空氣品質。假定一間全密閉的15m2的雙人臥室，CO2初始濃度600ppm，經過一夜會使濃度升高到1200ppm。而上海地區夏季溫度和相對濕度都較高，不可能完全利用自然通風。國外有部分學者認為，解決住宅室內空氣品質的根本措施只能是機械通風。因此，今后上海住宅夏季空調能耗趨勢必然是：使用時間處長、空調負荷增大、帶有新風和空氣凈化裝置。

（4）近來"戶式空調"逐漸成為消費時尚。為了迎合消費者節約一次投資的需要，現在的戶式空調（尤其是末端用風機盤管的水-空氣形式）由于多了一道換熱程序，又沒有自控，其系統能效比只會低于RAC。戶式空調比較適合美國的獨立式住宅，如果輔以自控和新風，是能夠得到較好的室內環境品質的。但它并不完全適合中國的高密度住宅和目前的經濟水平。2000年夏季，我們曾在深圳某高檔住宅樓（安裝風機盤和加新風的戶式空調）進行調查，盡管室內熱環境遠未達到舒適標準，但平均耗電量卻仍為0.279kWh/（人·m2），高昂的電費（平均月電費1280元）使這些高收住戶都感到難以承受。多數人家與上海普遍情況一樣，在感到很熱時才開啟空調。戶式空調并未達到改善室內環境品質的初衷。

3上海住宅空調對城市能源和環境的影響

上海同中國其他沿海大城市一樣，電力供應主要依靠自有火力發電能力，不足部分從華工電網購入。上海的發電效率較

高，2000年發電煤耗332g標煤/kWh，如果算上廠自用電和線損，供電煤耗約372g標煤/kWh，效率為33%。由于夏季空調的大量使用，近幾年高峰負荷和峰谷差不斷加大。2000年用電高峰為1042萬kW，2001年更達到1089萬kW。2000年最大電力峰谷差434.6萬kW。

從表5可以看出，以煤為燃料的火力發電廠會給大氣質量和地球環境帶來很大的破壞。因此，在考慮住宅空調能源時，一定要把環境影響考慮在內。在上海等沿海大城市中，無節制地發展風冷型的電力會造成嚴重的電力供應緊張和環境污染。

火電廠每發電1度所產生的污染表5

燃料SO2

（g/kWh）NO2

（g/kWh）TSP

（g/kWh）CO2

（kg/kWh）灰渣

（g/kWh）

燃煤9.143.320.571.58663.01

燃油6.750.680.300.8600

燃氣00.400.060.6050

2000年以來，美國加州出現了電力危機。我們可以注意到，加州三次大范圍分區停電，都是出現在氣候反常的當口，或是寒流、或是熱浪侵襲。這說明，空調或電力采暖給電網帶來的不均衡負荷或沖擊性負荷，是造成加州電力危機的主要原因之一。所幸今夏加州并未出現人們所擔心的高溫，使加州電力供應躲過一劫。"9·11"以后，媒體和公眾的注意力轉移，加州電力危機的陰影似乎已被淡忘。但必須指出，加州出現電力危機的條件，如家庭和樓宇空調的日益普及、高新技術企業對建筑環境依賴性的增加等，在上海都是存在的，只不過上海的經濟發展和居民收入還沒有達到加州的水平，因此這種危機對上海還是潛在的，但又是可望而可及的。

以上海市現在的家用空調器擁有量估算，其總功率已占上海自有發電能力的37%。如果這些空調器按年平均滿負荷運行1000小時計算，則將產生3萬噸二氧化硫，占2000年上海全年排放總量的6.4%，幾乎是1997年海地全省一年排放量的一倍；并將排放510噸CO2，相當于格魯吉亞或波黑一個國家1998年全年排放量。家用空調器成為家庭中最大的溫室氣體排放源。

4上海城市能源綠色化前景

2001年是"中國年"，北京申奧成功、上海舉辦APEC會議、中國入世，給上海帶來前所未有的發展機遇。東部地區能源結構的調整，成為國家可持續發展戰略中的重要一環。西氣東輸、西電東送，上海都是受益者。清潔的天然氣、清潔的水電資源將源源不斷供應上海，同時也會推進我國西部地區的發展。2000年末，東海天然氣日供氣量已達到120萬m3,浦東地區已經普及天然氣。城市能源的綠色化已成為不可逆轉之勢。

作為住宅空調的能源，今后的發展第一是要增加燃氣空調的比例，充分利用天然氣；第二是要平抑電力負荷峰谷，第三是要逐步推廣所謂"第二代能源系統"。

燃氣負荷與電力負荷正好出現顛倒的峰谷（見圖7）。可以實現互補。燃氣空調的應用形式有很多，但最適合戶式空調使用的燃氣發動機熱泵（GHP）在我國還是空白。所以目前燃氣空調的主流形式還是直燃機。家用直燃機還處在研制階段。因此以直燃機為冷熱源的燃氣空調比較適合的應用方式是小區集中供冷供熱（供熱水）。

圖7上海2000年供氣供電趨勢

有人提出用天然氣發電再用電力空調的方案。這確是解決平衡燃氣和電力負荷峰谷、改善城市環境的途徑之一。但從經濟角度分析，天然氣聯合循環發電的供電效率可達43%～46%，如果末端用風冷熱泵（COP=2.5），則制冷的一次能效率約在1.2左右，基本與直燃機持平。但聯合循環電廠的投資為8000元/kW，風冷熱泵冷熱水機組的投資6000元/Rt,折算每kW冷量投資約在5000元左右。而直燃機的投資僅為每kW冷量1500元（包括冷卻塔，均不包括輸配管投資）。有人可能會產生疑問：建電廠并不需要建筑業主直接投資，為什么要算在冷量投資之中？的確，電廠的投資并不直接體現在業主一次投資中，但會以電價形式體現在運行成本即二次投資中。天然氣與優質低硫煤的能量成本比大約是3.47。這種高成本的電力很難被傳統工業產業接受，只能由電力的高端市場，即建筑空調來消化。而這樣一來又解決不了空調所造成的不均衡電力負荷問題，使發電設備年利用小時數進一步下降（1999年全國平均為4350小時），制冷效益更差。與其這樣，不如直接用天然氣實現空調和采暖。因此，用直燃機實現集合式住宅小區或住宅樓的集中供冷供熱是上海住宅空調能源綠色化的可行方向之一。

當然，無論今后燃氣空調怎樣發展，電力始終還將是住宅空調能源的"半壁江山"。夏季用蓄冰空調是平抑晝夜電力負荷峰谷的有效措施。同樣，目前家用蓄冰空調裝置還沒有進入市場。所以蓄冰空調也只能用于小區或樓宇的集中供冷。還可以將制冷機的冷凝熱回收作為衛生熱水供應的熱源。

電力直接加熱采暖是不合理用能方式，不能提倡。但一旦西部優質的水電成為上海電力供應的主要來源，而且價格也低廉時，住宅中可以考慮輻射式電采暖等有利于改善室內環境品質的采暖方式。在目前情況下，蓄熱式電采暖（水蓄熱或相變材料蓄熱）可以起到平抑電力負荷的晝夜峰谷差的作用，是正在研究發展中的技術。另外，提高風冷熱泵在冬季的運行效率和季節能效比，也是利用電力在冬季采暖的可行方法。例如，利用燃氣燃燒加熱熱泵室外機，可以提高熱泵的效率。

第二代能源系統是以氣態燃料為主、以可再生能源為輔，實現能源供應的小型化、分散化和綜合化。第二代能源系統在建筑中的應用就是實現建筑冷熱電聯供（BCHP或Trigeneration）。由于將發電過程中的排熱加以回收利用，經余熱鍋爐供熱（供熱水）、經吸收式制冷機供冷，因此BCHP的綜合一次能效率可以達到80%以上。較之常規火力發電效率高一倍數多。由于是就地發電輸電，大大減少線損。還有人提議將余熱鍋爐最后排出的100℃左右的低品位煙氣通入植物暖房，其熱量供暖房加熱、CO2供植物光合作用、氮氧化物和水蒸汽供植物吸收，最終實現污染物的零排放。

用于BCHP的形式主要有三種：內燃機、微型燃氣輪機（Microturbine,MTG）和燃料電池。

三種BCHP方式的比較表6

100kW機組電效率

（%）熱效率

（%）溫度范圍

（℃）系統效率

（%）熱電比

T/E燃料消耗比

熱電分供/熱電聯供

內燃發動機355590～120熱水、低位蒸汽901.571.65

燃料電池453580～100熱水800.781.97

微燃機3050>500中位蒸汽801.661.67

建設以天然氣為燃料的燃氣冷熱電聯供系統,以替代常規的鍋爐采暖和電力空調制冷系統,不僅一次能效率高、實現能量的梯級利用、緩解夏季制冷用電高峰、大大減少污染物和溫室氣體排放、有利于環保，而且從能源安全的角度看，無論是北約轟炸南斯拉夫還是臺灣大地震都證明了分散的"微電力"是提供不間斷電源最有效的方法。1997年2月，由日本"創造生活價值的住宅開發項目"研究組開發的60kW燃氣發動機熱電聯產系統在一個有132個住戶、平均面積78m2/戶的住宅小區建設完畢并開始運行。勿庸置疑，冷熱電聯供是上海集合式住宅空調冷熱源的發展方向。

5結論

上海住宅空調發展空間很大，環境能耗需求還會進一步增加。今后，清一色用電力房間空調器的住宅空調格局將被打破，住宅空調的能源和形式將日趨多樣化。新建集合式住宅或住宅小區，將以DHC和BCHP為主，以天然氣為燃料或以電力蓄能技術平抑負荷峰谷；獨立式住宅將以燃氣發動機驅動熱泵或多聯變頻熱泵的戶式空調為主；而在單身公寓、SOHO住宅和舊有住宅中還會以房間空調器為主，但RAC的能效比、自控水平、可靠性等應有較大提高。

住宅能源綠色化是"綠色住宅（又可稱生態住宅、可持續住宅、環境共生住宅等）"的重要一環。我國的住宅正從"生存"型向"舒適型"和"健康型"轉化，這是發達國家走過的老路。我們能不能跨越式發展，直接向"綠色住宅"轉化呢？希望能從上海住宅空調發展的現狀和前景中做出理發的判斷，從住宅能源的綠色化做起，盡早實現住宅的"綠色化"。

參考文獻

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