294上海未来居住建筑能耗预测研究

上海未来住宅建筑能耗预测研究白玮1，龙惟定，刘仲英摘要：运用系统动力学方法，预测并分析了不同情景下上海未来住宅建筑能源需求，指出上海未来住宅建筑能耗的增长是必然的，通过制定合理的政策鼓励企业技术进步与引导用户的消费行为，可以减缓能耗的增长速度。但同时也指出，到2020年为止，上海住宅建筑耗电水平仍低于“夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准”中的限值。关键词：住宅建筑能源需求系统动力学情景分析0前言民用建筑能源系统与一个国家或地区的能源政策、环境政策息息相关，能源需求的预测也是制定整个行业发展战略，规划的基础与前提。以往，人们预测民用建筑能源需求，往往都是采用非常简单的线性回归模型，根据GDP等单一数据的推算来预测，或消费弹性系数的方法1-4。但实际上，由于能源需求受到社会经济、人口、科学技术的发展、政治体制改革，投资以及众多的因素影响，从而形成了一个非常复杂的系统。在这个复杂系统中，各因素之间的关系无法用简单的线性回归模型表达。任何一种数学模型都是对实际系统的抽象和简化，其所选定的影响因素及由此而确定的参数与变量必定十分有限。建立的模型无论是计量经济模型，还是时间序列模型等，都只能在某些范围内适用，往往是各具特点也各具不足。因此，本文考虑从住宅建筑未来空调器拥有水平、不同能效等级的空调器市场占有率、人们购买意愿、空调器使用习惯等方面出发，综合考虑社会经济发展水平、科技进步水平与人民文化意识的提高等众多因素的影响，按照复杂系统的特征，选择了专门研究复杂系统的工具——系统动力学，同时结合情景分析方法来对上海未来住宅建筑的能耗进行预测分析。1系统动力学模型构筑首先，通过分析住宅建筑能耗系统的因果分析，建立系统动力学架构模型，如图1所示。人口与经济的增长会带来房间空调器保有量的增加和居民使用空调时间的延长，后两者则使住宅空气能源需求增加，并进而带动住宅能源需求的增长。在传统能源资源拥有量有限的情况下，将导致人均能源资源拥有量下降，结果促使政府加强住宅建筑能源消费政策，如提高房间空调器能效的强制性标准。1白玮，女，1974年6月生，博士，讲师，同济大学中德工程学院，通信地址：上海市四平路1239号，邮编：200092，电话：[phone]，邮箱：[e-mail]人口房间空调器保有量房间空调器能效居民使用空调时间住宅空调能源需求住宅能源需求住宅建筑能源消费政策经济增长人均能源资源拥有量+++++－+－图1住宅建筑能耗系统动力学因果关系图由此，本文建立的住宅建筑能耗系统动力学模型如下：图2住宅建筑能耗系统动力学流图公式：CC＝人口/2.8×3I＝My/CCMy＝nqyqV＝Min{(a×人均GDPy＋b)，CC}rq（i）=1-Vqy+1（i）/Vqy（i）PL＝k·qiqiRiVQGA＝PL·nTG=vdeSSGA)1(21说明：CC——住宅空调器承载容量；单位：台I——住宅空调器承载强度；My——y年住宅空调器保有总量；单位：台rq（i）——i类空调器q品种能效级别保有量增长（淘汰）率；Vqy（i）——y年i类空调器q级能效级别产品保有量水平；单位：台Vqy+1（i）——y+1年q品种能效级别空调器保有量水平；单位：台PL——住宅空调器高峰负荷，单位：kWk——用户同时使用系数Qi——i类空调器制冷量，单位：kW；Riq——i类空调器制冷量范围内的q级能效比；单位：kW/kWGA——住宅空调器年能耗量，单位：kWhTn——不同年份的当量满负荷运行小时数，单位：hG——住宅建筑年能耗量，单位：万吨标准煤S1——空调年耗电量占全年住宅总耗电量的比重，按照文献7对上海800户家庭使用空调的调研统计结果，空调年耗电量占全年住宅总耗电量的17.36％计算7。S2——空调年耗电量占全年住宅总耗电量的比重，按照文献8对上海10000户家庭用电情况的调查统计，空调年耗电量占全年住宅总耗电量的比重为31％。vde)1(——考虑发电煤耗与线损率后的供电煤耗，v为单位换算系数。本论文中采用1kWh电力折合标准煤0.3266kg8，线损率6.33％5。未来小康社会的住宅，良好的室内热环境是提高生活质量的重要环节，住宅空调的普及是必然趋势。截止到2005年底，上海每百户家庭空调拥有量已达到168台，按照上海户籍人口数496.69万计算，2005年底上海家庭空调器保有量达到834万台5。经过对历史数据的统计发现，人均GDP与房间空调器保有总量的增长趋势高度线性相关（见图2），因此在建立住宅空调器增长模块时，引入了人均GDP和每百户居民空调器拥有量这两个指标，为简化模型，将人均GDP作为外生变量考虑。y=0.0146x-78.802R2=0.95750.0100.0200.0300.0400.0500.0600.0700.0800.0900.01000.010000200003000040000500006000070000人均GDP元RAM保有量万台1996图3上海1995~2005年10年间人均GDP与房间空调器保有总量线性相关住宅空调器冷量（1HP，1.5HP，2-2.5HP）的市场分布没有找到上海市的统计数据，故采用了中国市场的总体分布比例，1HP约为41%，1.5HP约为43%，2-2.5HP约为16%6。住宅空调器承载容量的考虑是基于建设部提出的小康社会的住房标准“2020年实现户均一套房，人均一间房”，假定每间房一个空调时承载容量基本达到饱和。2情景设计本文设计了三种情景，分别为基准情景，参考情景的政策强化情景。情景A又称为基准情景，以政府及各部门的“十一五”规划和未来十年展望为依据，假定政府所规定的主要社会经济目标能够实现。政府维持现阶段已制定的能源政策；大多数企业仅生产满足市场准入条件的设备，少部分企业生产节能产品；消费者仅购买和使用低成本的设备。情景B又称为参考情景，同样以政府及各部门的“十一五”规划和未来十年展望为依据，假定政府在所规定的主要社会经济目标能够顺利实现的基础上，会对能源的相关政策采取适当调整；企业除了生产满足市场准入条件的设备外，还愿意生产一部分节能产品；消费者在购买和使用用能设备时，适当考虑了能源和环境效应。情景C可称为强化政策情景。该情景在提高能效、经济和能源结构调整、环境保护和推动技术进步方面有重大举措，假定宏观调控和推动可持续发展的政策效果十分显著。同时外部环境也比较理想，使能源结构的调整取得实质性的进展。政府对能源的相关政策采取较大力度的调整；科学技术进步更加推动了企业生产节能产品或更高效率的产品；消费者在购买和使用设备时，充分考虑能源和环境效应。本文选择了人口数量、不同等级房间空调器市场占有率、空调器使用时间两个因素进行情景设定。12001300140015001600170018001900200019952000200520102015202020252030万人情景A情景B情景C图4人口情景子系统系统动力学计算结果本文给三个情景设置了不同人口增长率，在情景A中，若按照现在的自然增长率，到2030年，上海户籍总人口数依然能够控制在上海的人口容量2106万人以下。由于技术的限制，2003年以前的空调器没有能效等级的限制，市场上销售的大都是低能效的产品。笔者在2006年夏季针对上海5家电器连锁超市做了调查统计，4、5级房间空调器占到市场销售比例的57％，其次为3级，1、2级最少。因此可知，目前居民由于消费水平和认知水平的限制，对高能效等级的空调器需求较少。同时，文献8对上海市10000户居民住宅能耗和节能意愿的调研统计结果显示，定期清洗空调过滤网、提高制冷设定温度和减少待机时间是居民采用最多的三种减少空调能耗的方式，而购买节能空调的意愿并不是太强，品牌和价格依然是居民在购买空调时主要考虑的两大因素。文献9对我国22各省市、13125份有效问卷的建筑节能管理调研结果同样显示我国居民对节能产品的可接受程度还不是很高。5家电器连锁超市调研结果－房间空调器不同能效等级市场销售比例1级13%2级14%3级16%4级30%5级27%图5RAM不同能效等级市场销售比例（2007年5家电器连锁超市调研结果）表1节能产品的可接受程度9建筑节能产品的可接受程度Acceptabilitydegreeofenergyefficientbuildingproducts(%)高High中等Medium低Low居民Residents严寒与寒冷地区Verycoldandcoldzone3.246.250.6夏热冬冷地区Hotsummerandcoldwinterzone2.853.643.6夏热冬暖地区Hotsummerandwarmwinterzone1.638.160.3考虑到上述调研结果，在情景设定时，SA设定为人们对购买高能效等级的产品意愿非常低，以产品的价格为主要因素；SC设定为人们在宣传教育下有了较高的节能和环保意识，愿意主动购买和更换高能效等级产品（表2）。按照2005年95％的房间空调器能效比为5级，5％的房间空调器能效比为2级，计算2005年房间空调器的年能耗量约为20.95亿kWh，假若2010年不同能效等级的房间空调器市场份额不变，则按照SC计算的房间空调器保有量的增长以及人们使用空调器模式的改变，2010年房间空调器能耗量约为36.32亿kWh。假若按照《上海市能源白皮书》的“十一五期间上海建筑节能15％”的规划，情景C中2010年房间空调器能耗量同样节能15％，则应该是30.08亿kWh。以此计算，该情景中2010年房间空调器2级产品已占95％的市场份额。以此设计三个情景中不同品种能效级别空调器保有量的增长率和淘汰率。此处之所以选择情景C作为节能15％的标准，是考虑到情景A中政府没有额外的优惠和鼓励政策给予生产厂家和消费者，因此，从消费者理念更新和消费行为模式的转变上，情景C实现节能15％的目标可能性最大。表2不同能效等级的住宅空调器保有量增长情景设计情景类别情景描述情景设置情景A人们使用2005年以前购买的空调器产品直至产品寿命终期，新购买产品中低成本和低能效的空调器占80％，其余为节能产品。2020年5级产品占86.3％，其余为2级产品;2010年5级产品占94.62%,2级产品占5.38%。情景一部分人们在产品寿命终期前主动更换能效更高2010年5级产品占80％，2级产品占20％；2020B的产品，2010年节能产品的市场份额提高到20％，到2020年市场基本上被节能产品覆盖。年99％为节能的2级产品，1％为5级产品。情景C人们主动更换低能效级别的产品，购买高能效级别的产品。2010年住宅空调器实现年能耗量下降15％的目标。2010年95％的产品为节能的2级产品，仅有5％的产品为满足市场准入等级的产品；2020年80%的产品为更高能效的1级产品，其余为满足节能等级的2级产品。3计算结果分析3.1住宅空调器计算结果首先校验数据的有效性。从图6可以看到，住宅空调器总保有量的实际数据与模型计算结果有很好的吻合性，说明模型设置的较为合理，计算结果在一定程度上可以说明未来发展态势。0.0025.0050.0075.00100.00125.00150.00175.00200.00225.00250.00275.00300.00199520002005201020152020年每百户居民空调器拥有量台SASBSC实际统计数据图6每百户居民住宅空调器拥有量计算结果从图6还可以看到，在居民住宅建筑面积快速发展的情况下，居民住宅空调器保有量也呈现较高的增长趋势，在2005年到2010年之间，住宅空调器的保有总量平均增长率为4.5％，2010年到2020年期间，三个情景的增长速度在2012年之后趋于一致，平均增长率为1％，2012年之后每百户居民住宅空调器拥有量逐渐趋向饱和，饱和量为289.29台/百户。三个情景的住宅空调年耗电量增长平均速度分别为7.4％、5.7％和5.0％，除了快速增长的房间空调器保有总量导致住宅空调器年耗电量的增长之外，居民消费行