[科普中國]-能耗

單位能耗是反映能源消費水平和節(jié)能降耗狀況的主要指標，一次能源供應總量與國內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）的比率，是一個能源利用效率指標。該指標說明一個國家經(jīng)濟活動中對能源的利用程度，反映經(jīng)濟結(jié)構(gòu)和能源利用效率的變化。

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

美國每年的能耗約為94.3夸德，根據(jù)1998年美國地質(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。核裂變反應時，放射性物質(zhì)的原子核發(fā)生衰變，所以核裂變是化學能。太陽電池的工作原理是，在陽光的作用下，電子飛入并飛出硅的最外價電子層，所以它是化學能。其他能源是物理能：水電、地熱、風能。1

最小能耗控制系統(tǒng)能在指定時間內(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)廣泛應用于各類工程實際問題中。例如，對直流他激電機施加反向電流進行制動，要求在指定時間內(nèi)把電機控制到完全停轉(zhuǎn)，并使控制過程中消耗的電能為最少。這種控制問題就可采用最小能耗控制方式來實現(xiàn)。下圖是用開環(huán)方式構(gòu)成的最小能耗控制系統(tǒng)。計算機通過計算提供每一時刻的各個最優(yōu)控制變量的函數(shù)值，經(jīng)過信號放大和功率放大驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)，對被控對象以最小能耗方式進行控制。

線性被控對象的最小能耗控制問題通常采用極大值原理來求解。設(shè)被控對象的狀態(tài)方程和初始狀態(tài)（見狀態(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）的各個分量滿足下面的約束：

-Mi≤ui（t）≤+Mi （i=1，2，…，m）

則使被控對象在指定時刻τ達到終態(tài)x（τ）=0，并使表示耗能值的性能指標

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)定被控對象的協(xié)態(tài)變量方程。2

一次能耗盡管經(jīng)濟效益在增長，但德國的一次能耗在東、西德統(tǒng)一后卻適度地下降，主要得益于由于重新統(tǒng)一后的德國在經(jīng)濟和能源相關(guān)領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)調(diào)整。從1995年以來，除了隨著氣溫和經(jīng)濟的改變而發(fā)生的波動，德國的能源需求是相對穩(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年能源價格的強進增長和后續(xù)的金融危機。

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

德國嚴重依靠進口來滿足能源需求，所需化石燃料的凈進口份額由1990年的53%增加到2010年的77%。德國最重要的外國能源供應商是俄羅斯，份額幾乎占到整個能源進口的30%。3

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

這樣大幅度的增長要歸因于生物質(zhì)能，該物質(zhì)主要用于產(chǎn)生熱，今后會用于生物質(zhì)燃料，生物質(zhì)能和生物垃圾處理的份額將超過可再生能源的78%。另外10%主要是風能，從2000年起風能增長勢頭很高。利用太陽熱量和光伏電池使用太陽能的形式在過去幾年中也明顯增加，但其對能源供給的貢獻率仍然非常低，地熱能的情況也一樣。水電能源的利用份額在1995年已達到約77PJ，之后未能再增加。3

我國能耗狀況我國能耗特點1．南方和北方能耗差異大

我國處于北半球的中低緯度，地域廣闊，南北跨越嚴寒、寒冷、夏熱冬冷、溫和及夏熱冬暖等多個氣候帶。夏季最熱月大部分地區(qū)室外平均溫度超過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℃·，而嚴寒地區(qū)冬季室內(nèi)外溫差可高達50℃，全年5個月需要采暖；我國北方地區(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

我國城鄉(xiāng)住宅使用的能源種類不同，城市以煤、電、燃氣為主，而農(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．我國目前城鄉(xiāng)居民平均每年消費性支出差異較大，城鄉(xiāng)居民各類電器保有量和使用時間差異較大，這也是城鄉(xiāng)住宅能耗差異的原因。

3．面積能耗差異大

當單棟面積超過2×104 m2，采用中央空調(diào)時，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．長江流域住宅采暖能耗

長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)以及一些以燃氣、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2×104 m2但沒有配備中央空調(diào)的公共建筑，包括普通辦公樓、教學樓、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

與建筑能耗相對應，建筑節(jié)能也有兩個層次的概念。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）的開采、生產(chǎn)、運輸，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，達到降低能源消耗、減輕環(huán)境負荷。

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

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)，降低建筑物通過外圍護結(jié)構(gòu)的能量損失，同時充分利用可再生能源，在保證建筑功能和要求的前提下，達到降低能源消耗、減輕環(huán)境負荷的目的?！睹裼媒ㄖ?jié)能條例》中對民用建筑節(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，降低其使用過程中能源消耗的活動。

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在技術(shù)的支撐上。從目前專業(yè)技術(shù)工種的劃分來看，節(jié)能技術(shù)的保障體系大致可以分為以下兩個方面。

（1）建筑規(guī)劃與設(shè)計節(jié)能

合理的建筑規(guī)劃和設(shè)計，可以結(jié)合當?shù)氐乃募練夂蛱攸c，為建筑創(chuàng)造一個良好的風環(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、水體和山體的合理利用等，可以為合理應用自然環(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）建筑圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能

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

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

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地位，成為主要的控制對象。

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)計往往是以滿負荷運行為假設(shè)條件的，而實際上，設(shè)備和系統(tǒng)往往運行在非滿負荷條件下，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)不同負荷特點對有關(guān)設(shè)備和系統(tǒng)進行自動或人工調(diào)節(jié)，避免大馬拉小車現(xiàn)象。用能控制與管理對于建筑運行能耗的節(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)是一個有機的整體，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)動技術(shù)等。綜合節(jié)能技術(shù)體現(xiàn)了未來節(jié)能工作的主流方向。4

具體應用該指標說明一個國家經(jīng)濟活動中對能源的利用程度，反映經(jīng)濟結(jié)構(gòu)和能源利用效率的變化。

本詞條內(nèi)容貢獻者為:

張靜 - 副教授 - 西南大學