美國分散建筑能源消費及清潔取暖綜述

趙恒誼，高屹峰，黃艇

（銅聯(lián)商務咨詢（上海）有限公司，上海 200021）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟發(fā)展和人民生活水平提高，居民采暖日益成為供熱行業(yè)的熱點，居民對取暖設備的選擇有多種路徑[1]。分散建筑居民采暖是我國CO2排放和粉塵等顆粒物排放的主要來源之一，特別是我國廣大的北方地區(qū)主要采用小型燃煤鍋爐[2-5]。因此，做好我國分散建筑居民采暖的清潔能源轉(zhuǎn)化，是降低CO2排放、實現(xiàn)2030 碳達峰和2060年碳中和的關鍵途徑之一[6-7]。

中美兩國處于太平洋兩側(cè)，無論是國土面積、人口及氣候分布均有較多的相似之處。美國作為世界最大的發(fā)達國家，其在分散建筑（住宅）清潔取暖方面已經(jīng)進行了大量的探索和實踐。因此調(diào)研美國分散建筑（住宅）的能源消費結(jié)構(gòu)、美國住宅房屋特征及能耗、美國住宅用能費用、美國采暖設備、美國住宅使用情況和行為習慣等，對我國分散建筑的清潔取暖技術(shù)的研究推廣和室內(nèi)居住環(huán)境、室外大氣環(huán)境的改善有較大的借鑒意義。

能源消費結(jié)構(gòu)包括美國住宅的不同種類的能源消耗、不同氣候地區(qū)和年代的建筑能耗密度以及不同家用終端設備的能耗分布和不同終端的能耗比例。住宅房屋特征包括不同氣候地區(qū)的房屋面積及能耗密度、典型美國房屋的基本布局和終端設備的使用情況。住宅用能費用包括美國不同地區(qū)住宅的能源花費及基本的能源價格。住宅采暖設備包含以天然氣、電以及生物質(zhì)為主要能源的采暖設備。住宅建筑和行為習慣包括居民的主要居住行為習慣，為提高建筑能源建模的準確性及評估耗能設備的節(jié)能潛力提供依據(jù)。本文將從以上5 個方面介紹美國住宅建筑取暖的發(fā)展情況。

1 美國住宅建筑能源消費結(jié)構(gòu)

美國住宅的一次能源消費中，天然氣占35%以上、煤占35%左右、核能占15%、可再生能源占10%左右（其中水能約占50%）[8-9]。可再生能源的直接使用方面，美國主要使用木料，占可再生能源消費的80%以上[8]。一次能源消費中，約70%的一次能源轉(zhuǎn)化成電力，剩下約25%為天然氣[8]。

美國家庭電能及一次能耗巨大[9]。以電能為例，單個家庭每年終端的能源消費約為30,000 kW·h；考慮一次能源與電能的轉(zhuǎn)化和傳輸效率，單個家庭一次能源的總消費量約為60,000 kW·h。總體而言，每戶的能耗呈下降趨勢，但是總能源消耗量呈上升趨勢，這主要是因為房屋的總數(shù)呈不停的上漲趨勢。

按照終端設備統(tǒng)計，美國家庭能耗最大的終端為采暖、生活熱水和空調(diào)[10-11]。其中采暖約占45%，如圖1所示。

圖1 美國家用設備的能源消耗占比

分地區(qū)來看，采暖占東北部地區(qū)及中西部地區(qū)能源消費的50%以上，每戶家庭每年平均分別達到20,603 kW·h 和16,588 kW·h；對于南部和西部地區(qū)，采暖所占比例大幅縮小至25%左右（表1）。其主要原因是美國東北部地區(qū)和中西部地區(qū)的冬季都較為寒冷，而南部地區(qū)和西部地區(qū)的冬季都相對暖和。

表1 美國分地區(qū)每戶家庭的終端設備用年平均能耗統(tǒng)計[11]

按照單位面積來計算，全美住宅的平均能耗約為185(kW·h)/m2，其中采暖約為75.3(kW·h)/m2。全美能耗最高的是東北部地區(qū)，平均能耗約為231(kW·h)/m2，其中采暖約為133(kW·h)/m2，是全美平均水平的2 倍左右，如圖2所示。由此可知，相對于全美平均水平，東北部地區(qū)能耗上升主要是因為采暖，其他方面的能耗各地區(qū)差別不大。

圖2 美國不同地區(qū)房屋的能耗使用情況

美國不同年代的住宅用能顯著不同，如圖3所示。1980年以前的房屋用能明顯高于1980年以后的用能，特別是建于1950年以前的房屋。1980年以前的房屋的保有量非常大，超過了全美房屋總保有量的50%。1980年以后建造的房屋，每平方英尺的能耗下降約10%左右，但由于房屋在逐步變大，而單戶房屋居住的人口基本不變，因此折合到每人的能耗、以及每個房屋的能耗基本保持不變。

圖3 1950年至2005年美國住宅家庭的能源消耗分布[10]

美國房屋的采暖負荷主要來自于屋頂、墻、地基、窗戶（導熱）及熱滲透。其中窗戶（導熱）和空氣滲透占比最高，分別占采暖負荷的26%和28%。對于制冷負荷而言，還是上述幾個方面，但是制冷負荷占比較大的為窗戶（熱輻射）和熱滲透，分別占比32%和16%。

2 美國住宅房屋特征及與能耗

美國房屋70%以上都是自有住房，且自有住房的類型基本90%均為獨棟，公寓只占很小一部分。對于租住房屋，接近2/3 為公寓，總體而言，有71.7%的房屋是獨棟[11]。美國房屋的單套平均面積約為214 m2，扣除車庫、閣樓和地下室等不需要供暖的面積外，平均需要供暖的面積約為150 m2。其中中西部地區(qū)房屋面積和供暖面積最大，達到182 m2，而西部太平洋沿岸的房屋的供暖面積最小，約為126 m2。按照房屋類型而言，獨棟的平均面積約為263 m2，公寓的平均面積約為84 m2，獨棟的面積是公寓面積的3 倍左右。特別是2000年以后新修的房屋，獨棟的面積達到了公寓面積的3.6 倍。自1980年代以來，總體上人口和房屋的數(shù)量呈增加的趨勢，但是每棟房屋中居住的人口數(shù)量基本保持不變，維持在2.7 人/房的狀態(tài)[10]。

按照美國住宅房屋類別來分，美國住宅的主要能源消耗是單戶住宅（獨棟住宅），其占美國住宅能源消耗的65%，如圖4所示。

圖4 美國不同房型的能源使用統(tǒng)計

按照住宅房屋類型而言，獨棟的能源消耗占所有能源消耗的80.5%，而公寓僅占15%。單位能耗方面，獨棟的單位能耗約為174(kW·h)/m2，而公寓能耗高達245(kW·h)/m2。公寓單位能耗較高的主要原因是大部分公寓的建筑年代比較早，保溫材料使用不足；另外獨棟住宅的房屋面積一般都顯著大于公寓，除了采暖和空調(diào)與房屋面積高度相關外，熱水、食品制冷和照明等大多與使用的人數(shù)相關。由于獨棟的面積較大，雖然單位面積能效小，但房屋的總能耗，獨棟別墅比公寓大30%左右。

典型的美國單戶住宅一般居住的人數(shù)為3 人，供暖面積約為180 m2，空調(diào)面積為139 m2。房屋的地基一般采用混凝土地基，房間數(shù)6 個，其中3 個臥室。窗戶的面積大約占總房屋建筑面積的11.5%，約為20.6 m2，數(shù)量大約15 組。窗戶大多采用雙層玻璃窗。房屋的供熱一般采用天然氣爐加熱空氣，然后通過風道系統(tǒng)送到各個房間中；夏天制冷一般采用中央空調(diào)系統(tǒng)[10]。

美國住宅采用的供暖設備50%以上是天然氣燃氣爐，其中1995—2005年之間修建的房屋，70%以上都配備天然氣燃氣爐供暖設備。早期的房屋，如1980年代修建的房屋，配備各種形式的電加熱的比例較高，接近15%左右；但進入2000年以后，新建住宅很少采用直接電加熱進行供暖。美國住宅采用熱泵采暖的比例為30%以上，從2005年開始新建的房屋，采用熱泵采暖的比例在逐年升高，到2010年，新建的房屋，有接近40%的房屋都采用了熱泵采暖。1995年以后新建的房屋，接近80%～90%的房屋都配備了中央空調(diào)系統(tǒng)。

3 美國住宅用能費用

美國住宅主要能源為電和天然氣，其中電價基本維持在每千瓦時0.65 元～0.78 元（人民幣兌美元按照1:6.5 匯率），天然氣的價格相當于2.06 元/m3。主要的電力、天然氣等價格變動幅度不大。

美國年度家庭平均能源消耗費用，近30年來一直在人民幣13,000 元左右波動，隨著年份變動不大，主要原因是美國的家庭能源消耗變動不大。分地區(qū)來看，東北地區(qū)的家庭能源使用費用最高，達到17,180 元，比全美國平均水平高20%以上，如表2所示。美國東北部地區(qū)能源花費比較高的主要原因是采暖費用比其他地區(qū)都高，導致總能源費用比其他地區(qū)都高。除去采暖使用費以外，其他能源消耗的費用，整個美國基本相當。

表2 美國分地區(qū)和終端家庭年度平均能源消費統(tǒng)計（2010）[10]

按照房屋的使用類型來看，獨棟的能源使用費用比公寓的高70%左右，但平均到單位面積來看，獨棟的能源使用費用比公寓的低40%。按照房屋建造年代來看，單位面積的能源消費價格是逐漸下降的，但按照單位人口的能源消費來看，近50年美國的單位人口的能源消費基本不變。

4 美國住宅采暖設備

美國的采暖設備的熱源主要來自于天然氣、電、油、LPG 和木材[12]，其中天然氣供熱占49%，電供熱（含熱泵）占34%，兩者合計占到整個供熱能源消耗的83%，如圖5所示。

圖5 美國家用供熱能源使用分布[12]

美國家用常見的供暖系統(tǒng)包括：熱風爐、空氣源熱泵、電加熱、木材和顆粒加熱等，如圖6所示。美國市場使用量較大的主要供暖方式為熱風爐和空氣源熱泵，其中熱風爐是熱泵發(fā)貨量的2 倍左右。從時間來看，自2000年來，火爐總體上呈減少的趨勢，而空氣源熱泵呈增加的趨勢。

圖6 美國主要的采暖設備

熱風爐通過燒天然氣加熱空氣，并通過管道將加熱的空氣分配到整個房間。熱風爐的效率是通過年度燃料利用效率（Annual Fuel Utilization Efficiency，AFUE）來衡量的。具體而言，AFUE 是爐膛或鍋爐年輸出熱量與爐膛或鍋爐年消耗化石燃料總能量的比值。美國2010年以后的熱風爐的AFUE 普遍達到了90%以上。

空氣源熱泵通過蒸氣壓縮式制冷循環(huán)，將室外環(huán)境中空氣的熱量轉(zhuǎn)移到室內(nèi)。當室外環(huán)境溫度越低，空氣源熱泵的效率越差，因此空氣源熱泵在美國一般廣泛應用于冬季氣溫高于0 ℃的南部地區(qū)；隨著能效升級和空氣源熱泵的技術(shù)進步，空氣源熱泵逐漸用于較長期處于零度以下溫度的地區(qū)，成為一種高效的供暖方案來替代寒冷地區(qū)的其它供熱熱源。美國空氣源熱泵的主要供應商主要有Carrier、Goodman、Trane、York、Nordvne 和Rheem 等。

5 美國住宅建筑使用情況和行為習慣

住宅建筑的能耗，高度依賴于居住者是否在建筑中居住，以及他們與耗能設備的相互作用。住宅建筑的典型入住時間表必須針對建筑能源建模等應用以及與使用入住傳感技術(shù)和入住相關控制的節(jié)能評估進行定義。

研究者[13-14]研究美國住宅建筑的使用習慣通常基于美國時間使用調(diào)查[15]（American Time Use Survey，ATUS）和住宅能耗調(diào)查[16-17]（Residential Energy Consumption Survey，RECS）。ATUS 由美國勞工統(tǒng)計局支持，美國人口普查局每年開展一次，自2003年以來，獲取了近19 萬訪問者的數(shù)據(jù)。RECS 調(diào)查的重點是收集美國住宅建筑的特征、整體住宅和能源使用能耗的數(shù)據(jù)。收集數(shù)據(jù)是為了支持對不同氣候區(qū)和地理區(qū)域這些特征的理解（美國環(huán)境影響評估，2015年）。這項由美國能源信息管理局管理的研究始于1978年，數(shù)據(jù)通常每6年通過調(diào)查收集一次。

MITRAL 等[13]結(jié)合ATUS 和RECS 的調(diào)查結(jié)果，給出了不同年齡組的住宅在工作日和周末的入住情況，如圖7所示。人口比例為1.0 表示該組中所有被調(diào)查的居住者報告居住在家中，人口比例為0.0 表示沒有居住者報告居住在家中。橫坐標數(shù)值與相應的時刻相對應，如3 h 對應03:00。

圖7 按年齡組劃分的住宅建筑平均居家率（與《美國能源部參考建筑》[19]和《美國建筑協(xié)議》[20]中時間表對比[13]）

由圖7 可知，工作日和周末，居民的居住時間表之間存在顯著差異，并且時間表也因居住者年齡而異。在工作日和周末的清晨，幾乎所有的居住者都呆在家里，直到大約06:00。隨著個人開始離開住所，不同年齡組的居家率存在差異。對于美國的年輕人和工作年齡組（即不到65 歲），離開住所的人的比率（工作日為0.56～0.68，周末為0.38～0.44）遠遠高于老年群體（工作日為0.30～0.38，周末為0.28～0.36）。

此外，居住者在早上離開住所的比率和百分比在周末要少得多，特別是對較年輕的年齡組。在工作日，對于55～64 歲及以下年齡組的人，居家率顯著降低，直到大約9:00，然后保持幾乎不變，直到大約15:00。此后，人們開始返回住所，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。這表明人們通常在相似的時間離開家，但返回的時間因人而異。周末與工作日相比，所有年齡組的居家率更相似，盡管55 歲以下的人的居家率的最小值更低。25～34 歲、35～44 歲和45～54 歲年齡組的人在周末也顯示類似的特征，最大和最小居家率之間的差異分別為0.396、0.387、0.411 和0.390。對于65 歲以上的人而言，居家率與工作日幾乎相同。與25～74 歲的人相比，25 歲以下的人在17:00 之前全天的居家率更高。在一天的剩余時間里，與25 歲以下的人相比，中年人呆在家里更常見。與其他年齡組的人相比，25 歲以下的人傾向于在一天中更早離開住所。

比較工作日和周末時間，有幾個顯著的區(qū)別。所有年齡組的最低居家率在工作日達到0.3 左右，而在周末則接近0.7。在所有年齡組中，25～34 歲、35～44 歲和45～54 歲的人在一天的中間時段居家率最低，說明這些年齡組中相對較多的人白天不在家。在周末，不同年齡組之間的占用率差異較小，居家率差異約為0.2，而在工作日，這一差異要大得多，居家率差異約為0.4。此外，對于大多數(shù)年齡組，在10:00—15:00 時間范圍內(nèi)，居家率保持在最低水平，而在周末，居家率值僅在大約12:00 非常小的時間跨度內(nèi)達到最小值。

MITRAL 等[13]根據(jù)ATUS 和RECS 調(diào)查得出的平均居家情況與基于ASHRAE 標準[18]的美國能源部參考建筑[19]和美國建筑協(xié)議中[20]居家的情況總體趨勢相同，但具體存在較大的差異。根據(jù)ATUS和RECS 調(diào)查得出結(jié)論，不同年齡組的居家情況因年齡組以及工作日和周末而異。然而，美國能源部參考建筑和美國建筑協(xié)議在工作日和周末對所有年齡組使用單一的平均數(shù)據(jù)。美國能源部參考建筑和美國建筑協(xié)議中的居家率與MITRAL 等[13]的研究中獲得的數(shù)據(jù)相似。但是，在5:00—8:00 時間范圍內(nèi)，居家率被高估；在19:00—22:00 時間范圍內(nèi)，居家率值被低估。同樣，美國能源部參考建筑和美國建筑協(xié)議中給出的數(shù)據(jù)低估了白天的居家率。因此基于ATUS 和RECS 調(diào)查的研究結(jié)果可以提高能源建模的準確性，以及評估耗能設備的節(jié)能潛力，特別是那些基于占用的設備。

6 結(jié)論

本文研究了美國住宅的能源消費結(jié)構(gòu)，分析了地域、住宅房屋類別、使用情況和行為習慣等相關因素，得到如下結(jié)論：

1）按終端設備統(tǒng)計，采暖是美國家庭能耗最大的終端，約占到總能耗的45%；按住宅房屋類別來分，單戶住宅是主要的能源消耗，占到總消耗的65%；

2）美國住宅采用的供暖設備50%以上是天然氣燃氣爐；2010年后新建的房屋，有接近40%的房屋都采用了熱泵采暖；天然氣和電供熱（含熱泵）占到整個供熱能源消耗的83%；

3）美國住宅建筑能源消費高度依賴于居住者是否在建筑中居住，與居家率值密切相關，而居家率與不同時段及不同年齡段相關。