美国分散建筑能源消费及清洁取暖综述

2021-08-18赵恒谊高屹峰黄艇

制冷技术 2021年3期

赵恒谊，高屹峰，黄艇

（铜联商务咨询（上海）有限公司，上海 200021）

0 引言

随着我国经济发展和人民生活水平提高，居民采暖日益成为供热行业的热点，居民对取暖设备的选择有多种路径[1]。分散建筑居民采暖是我国CO2排放和粉尘等颗粒物排放的主要来源之一，特别是我国广大的北方地区主要采用小型燃煤锅炉[2-5]。因此，做好我国分散建筑居民采暖的清洁能源转化，是降低CO2排放、实现2030 碳达峰和2060年碳中和的关键途径之一[6-7]。

中美两国处于太平洋两侧，无论是国土面积、人口及气候分布均有较多的相似之处。美国作为世界最大的发达国家，其在分散建筑（住宅）清洁取暖方面已经进行了大量的探索和实践。因此调研美国分散建筑（住宅）的能源消费结构、美国住宅房屋特征及能耗、美国住宅用能费用、美国采暖设备、美国住宅使用情况和行为习惯等，对我国分散建筑的清洁取暖技术的研究推广和室内居住环境、室外大气环境的改善有较大的借鉴意义。

能源消费结构包括美国住宅的不同种类的能源消耗、不同气候地区和年代的建筑能耗密度以及不同家用终端设备的能耗分布和不同终端的能耗比例。住宅房屋特征包括不同气候地区的房屋面积及能耗密度、典型美国房屋的基本布局和终端设备的使用情况。住宅用能费用包括美国不同地区住宅的能源花费及基本的能源价格。住宅采暖设备包含以天然气、电以及生物质为主要能源的采暖设备。住宅建筑和行为习惯包括居民的主要居住行为习惯，为提高建筑能源建模的准确性及评估耗能设备的节能潜力提供依据。本文将从以上5 个方面介绍美国住宅建筑取暖的发展情况。

1 美国住宅建筑能源消费结构

美国住宅的一次能源消费中，天然气占35%以上、煤占35%左右、核能占15%、可再生能源占10%左右（其中水能约占50%）[8-9]。可再生能源的直接使用方面，美国主要使用木料，占可再生能源消费的80%以上[8]。一次能源消费中，约70%的一次能源转化成电力，剩下约25%为天然气[8]。

美国家庭电能及一次能耗巨大[9]。以电能为例，单个家庭每年终端的能源消费约为30,000 kW·h；考虑一次能源与电能的转化和传输效率，单个家庭一次能源的总消费量约为60,000 kW·h。总体而言，每户的能耗呈下降趋势，但是总能源消耗量呈上升趋势，这主要是因为房屋的总数呈不停的上涨趋势。

按照终端设备统计，美国家庭能耗最大的终端为采暖、生活热水和空调[10-11]。其中采暖约占45%，如图1所示。

图1 美国家用设备的能源消耗占比

分地区来看，采暖占东北部地区及中西部地区能源消费的50%以上，每户家庭每年平均分别达到20,603 kW·h 和16,588 kW·h；对于南部和西部地区，采暖所占比例大幅缩小至25%左右（表1）。其主要原因是美国东北部地区和中西部地区的冬季都较为寒冷，而南部地区和西部地区的冬季都相对暖和。

表1 美国分地区每户家庭的终端设备用年平均能耗统计[11]

按照单位面积来计算，全美住宅的平均能耗约为185(kW·h)/m2，其中采暖约为75.3(kW·h)/m2。全美能耗最高的是东北部地区，平均能耗约为231(kW·h)/m2，其中采暖约为133(kW·h)/m2，是全美平均水平的2 倍左右，如图2所示。由此可知，相对于全美平均水平，东北部地区能耗上升主要是因为采暖，其他方面的能耗各地区差别不大。

图2 美国不同地区房屋的能耗使用情况

美国不同年代的住宅用能显著不同，如图3所示。1980年以前的房屋用能明显高于1980年以后的用能，特别是建于1950年以前的房屋。1980年以前的房屋的保有量非常大，超过了全美房屋总保有量的50%。1980年以后建造的房屋，每平方英尺的能耗下降约10%左右，但由于房屋在逐步变大，而单户房屋居住的人口基本不变，因此折合到每人的能耗、以及每个房屋的能耗基本保持不变。

图3 1950年至2005年美国住宅家庭的能源消耗分布[10]

美国房屋的采暖负荷主要来自于屋顶、墙、地基、窗户（导热）及热渗透。其中窗户（导热）和空气渗透占比最高，分别占采暖负荷的26%和28%。对于制冷负荷而言，还是上述几个方面，但是制冷负荷占比较大的为窗户（热辐射）和热渗透，分别占比32%和16%。

2 美国住宅房屋特征及与能耗

美国房屋70%以上都是自有住房，且自有住房的类型基本90%均为独栋，公寓只占很小一部分。对于租住房屋，接近2/3 为公寓，总体而言，有71.7%的房屋是独栋[11]。美国房屋的单套平均面积约为214 m2，扣除车库、阁楼和地下室等不需要供暖的面积外，平均需要供暖的面积约为150 m2。其中中西部地区房屋面积和供暖面积最大，达到182 m2，而西部太平洋沿岸的房屋的供暖面积最小，约为126 m2。按照房屋类型而言，独栋的平均面积约为263 m2，公寓的平均面积约为84 m2，独栋的面积是公寓面积的3 倍左右。特别是2000年以后新修的房屋，独栋的面积达到了公寓面积的3.6 倍。自1980年代以来，总体上人口和房屋的数量呈增加的趋势，但是每栋房屋中居住的人口数量基本保持不变，维持在2.7 人/房的状态[10]。

按照美国住宅房屋类别来分，美国住宅的主要能源消耗是单户住宅（独栋住宅），其占美国住宅能源消耗的65%，如图4所示。

图4 美国不同房型的能源使用统计

按照住宅房屋类型而言，独栋的能源消耗占所有能源消耗的80.5%，而公寓仅占15%。单位能耗方面，独栋的单位能耗约为174(kW·h)/m2，而公寓能耗高达245(kW·h)/m2。公寓单位能耗较高的主要原因是大部分公寓的建筑年代比较早，保温材料使用不足；另外独栋住宅的房屋面积一般都显著大于公寓，除了采暖和空调与房屋面积高度相关外，热水、食品制冷和照明等大多与使用的人数相关。由于独栋的面积较大，虽然单位面积能效小，但房屋的总能耗，独栋别墅比公寓大30%左右。

典型的美国单户住宅一般居住的人数为3 人，供暖面积约为180 m2，空调面积为139 m2。房屋的地基一般采用混凝土地基，房间数6 个，其中3 个卧室。窗户的面积大约占总房屋建筑面积的11.5%，约为20.6 m2，数量大约15 组。窗户大多采用双层玻璃窗。房屋的供热一般采用天然气炉加热空气，然后通过风道系统送到各个房间中；夏天制冷一般采用中央空调系统[10]。

美国住宅采用的供暖设备50%以上是天然气燃气炉，其中1995—2005年之间修建的房屋，70%以上都配备天然气燃气炉供暖设备。早期的房屋，如1980年代修建的房屋，配备各种形式的电加热的比例较高，接近15%左右；但进入2000年以后，新建住宅很少采用直接电加热进行供暖。美国住宅采用热泵采暖的比例为30%以上，从2005年开始新建的房屋，采用热泵采暖的比例在逐年升高，到2010年，新建的房屋，有接近40%的房屋都采用了热泵采暖。1995年以后新建的房屋，接近80%～90%的房屋都配备了中央空调系统。

3 美国住宅用能费用

美国住宅主要能源为电和天然气，其中电价基本维持在每千瓦时0.65 元～0.78 元（人民币兑美元按照1:6.5 汇率），天然气的价格相当于2.06 元/m3。主要的电力、天然气等价格变动幅度不大。

美国年度家庭平均能源消耗费用，近30年来一直在人民币13,000 元左右波动，随着年份变动不大，主要原因是美国的家庭能源消耗变动不大。分地区来看，东北地区的家庭能源使用费用最高，达到17,180 元，比全美国平均水平高20%以上，如表2所示。美国东北部地区能源花费比较高的主要原因是采暖费用比其他地区都高，导致总能源费用比其他地区都高。除去采暖使用费以外，其他能源消耗的费用，整个美国基本相当。

表2 美国分地区和终端家庭年度平均能源消费统计（2010）[10]

按照房屋的使用类型来看，独栋的能源使用费用比公寓的高70%左右，但平均到单位面积来看，独栋的能源使用费用比公寓的低40%。按照房屋建造年代来看，单位面积的能源消费价格是逐渐下降的，但按照单位人口的能源消费来看，近50年美国的单位人口的能源消费基本不变。

4 美国住宅采暖设备

美国的采暖设备的热源主要来自于天然气、电、油、LPG 和木材[12]，其中天然气供热占49%，电供热（含热泵）占34%，两者合计占到整个供热能源消耗的83%，如图5所示。

图5 美国家用供热能源使用分布[12]

美国家用常见的供暖系统包括：热风炉、空气源热泵、电加热、木材和颗粒加热等，如图6所示。美国市场使用量较大的主要供暖方式为热风炉和空气源热泵，其中热风炉是热泵发货量的2 倍左右。从时间来看，自2000年来，火炉总体上呈减少的趋势，而空气源热泵呈增加的趋势。

图6 美国主要的采暖设备

热风炉通过烧天然气加热空气，并通过管道将加热的空气分配到整个房间。热风炉的效率是通过年度燃料利用效率（Annual Fuel Utilization Efficiency，AFUE）来衡量的。具体而言，AFUE 是炉膛或锅炉年输出热量与炉膛或锅炉年消耗化石燃料总能量的比值。美国2010年以后的热风炉的AFUE 普遍达到了90%以上。

空气源热泵通过蒸气压缩式制冷循环，将室外环境中空气的热量转移到室内。当室外环境温度越低，空气源热泵的效率越差，因此空气源热泵在美国一般广泛应用于冬季气温高于0 ℃的南部地区；随着能效升级和空气源热泵的技术进步，空气源热泵逐渐用于较长期处于零度以下温度的地区，成为一种高效的供暖方案来替代寒冷地区的其它供热热源。美国空气源热泵的主要供应商主要有Carrier、Goodman、Trane、York、Nordvne 和Rheem 等。

5 美国住宅建筑使用情况和行为习惯

住宅建筑的能耗，高度依赖于居住者是否在建筑中居住，以及他们与耗能设备的相互作用。住宅建筑的典型入住时间表必须针对建筑能源建模等应用以及与使用入住传感技术和入住相关控制的节能评估进行定义。

研究者[13-14]研究美国住宅建筑的使用习惯通常基于美国时间使用调查[15]（American Time Use Survey，ATUS）和住宅能耗调查[16-17]（Residential Energy Consumption Survey，RECS）。ATUS 由美国劳工统计局支持，美国人口普查局每年开展一次，自2003年以来，获取了近19 万访问者的数据。RECS 调查的重点是收集美国住宅建筑的特征、整体住宅和能源使用能耗的数据。收集数据是为了支持对不同气候区和地理区域这些特征的理解（美国环境影响评估，2015年）。这项由美国能源信息管理局管理的研究始于1978年，数据通常每6年通过调查收集一次。

MITRAL 等[13]结合ATUS 和RECS 的调查结果，给出了不同年龄组的住宅在工作日和周末的入住情况，如图7所示。人口比例为1.0 表示该组中所有被调查的居住者报告居住在家中，人口比例为0.0 表示没有居住者报告居住在家中。横坐标数值与相应的时刻相对应，如3 h 对应03:00。

图7 按年龄组划分的住宅建筑平均居家率（与《美国能源部参考建筑》[19]和《美国建筑协议》[20]中时间表对比[13]）

由图7 可知，工作日和周末，居民的居住时间表之间存在显著差异，并且时间表也因居住者年龄而异。在工作日和周末的清晨，几乎所有的居住者都呆在家里，直到大约06:00。随着个人开始离开住所，不同年龄组的居家率存在差异。对于美国的年轻人和工作年龄组（即不到65 岁），离开住所的人的比率（工作日为0.56～0.68，周末为0.38～0.44）远远高于老年群体（工作日为0.30～0.38，周末为0.28～0.36）。

此外，居住者在早上离开住所的比率和百分比在周末要少得多，特别是对较年轻的年龄组。在工作日，对于55～64 岁及以下年龄组的人，居家率显著降低，直到大约9:00，然后保持几乎不变，直到大约15:00。此后，人们开始返回住所，居家率增加。居家率的上升速度比早上的下降速度要低得多。这表明人们通常在相似的时间离开家，但返回的时间因人而异。周末与工作日相比，所有年龄组的居家率更相似，尽管55 岁以下的人的居家率的最小值更低。25～34 岁、35～44 岁和45～54 岁年龄组的人在周末也显示类似的特征，最大和最小居家率之间的差异分别为0.396、0.387、0.411 和0.390。对于65 岁以上的人而言，居家率与工作日几乎相同。与25～74 岁的人相比，25 岁以下的人在17:00 之前全天的居家率更高。在一天的剩余时间里，与25 岁以下的人相比，中年人呆在家里更常见。与其他年龄组的人相比，25 岁以下的人倾向于在一天中更早离开住所。

比较工作日和周末时间，有几个显著的区别。所有年龄组的最低居家率在工作日达到0.3 左右，而在周末则接近0.7。在所有年龄组中，25～34 岁、35～44 岁和45～54 岁的人在一天的中间时段居家率最低，说明这些年龄组中相对较多的人白天不在家。在周末，不同年龄组之间的占用率差异较小，居家率差异约为0.2，而在工作日，这一差异要大得多，居家率差异约为0.4。此外，对于大多数年龄组，在10:00—15:00 时间范围内，居家率保持在最低水平，而在周末，居家率值仅在大约12:00 非常小的时间跨度内达到最小值。

MITRAL 等[13]根据ATUS 和RECS 调查得出的平均居家情况与基于ASHRAE 标准[18]的美国能源部参考建筑[19]和美国建筑协议中[20]居家的情况总体趋势相同，但具体存在较大的差异。根据ATUS和RECS 调查得出结论，不同年龄组的居家情况因年龄组以及工作日和周末而异。然而，美国能源部参考建筑和美国建筑协议在工作日和周末对所有年龄组使用单一的平均数据。美国能源部参考建筑和美国建筑协议中的居家率与MITRAL 等[13]的研究中获得的数据相似。但是，在5:00—8:00 时间范围内，居家率被高估；在19:00—22:00 时间范围内，居家率值被低估。同样，美国能源部参考建筑和美国建筑协议中给出的数据低估了白天的居家率。因此基于ATUS 和RECS 调查的研究结果可以提高能源建模的准确性，以及评估耗能设备的节能潜力，特别是那些基于占用的设备。