城市住宅能源消耗的国内外研究评述

◎ 郜晓雯 张霁阳 曹广忠

城市住宅能源消耗的国内外研究评述

◎ 郜晓雯 张霁阳 曹广忠

面对持续增长的能源压力，节能减排正在由工业领域扩展到社会生活的多个方面。城市居住区的能源消耗呈现突出的增长趋势，同时也是最具节能动力与潜力的环节，如何减少居民住宅能耗强度应当引起学术关注。家庭用能行为的复杂性、影响因素作用的不确定性以及数据获取的难度对清晰的研究思路与综合的研究方法提出了较高要求。本文试图梳理居民住宅用能领域的国内外进展，界定概念并细分研究领域，详述不同思维路径下的研究成果与研究方法，并提出未来可行的研究空间。

城市住宅 能源消耗 研究评述 家庭内部用能 公共区域用能

能源消耗与碳排放正在成为重要的全球议题。进入21世纪以来，在经济快速增长的同时，我国的总能源消耗量几近翻了一番，成为主要的能源消耗国之一。在能源利用结构中，煤炭仍然是我国最主要的能源消费品，占全部能源消耗量的70%左右，远高于世界平均水平，而能源利用效率却仅为世界平均水平的一半左右。庞大的煤炭消耗与低效使用模式加剧了碳排放压力，我国碳排放量长期处于增长态势，并于2008年首次超过美国，居世界首位。

建筑能耗是世界各国能源消耗的重要方面，其中用于居住建筑的能源消耗比重集中在16%～50%范围内，世界平均水平约为30%（Saidur R.,et al.,2007）。相比其他国家，我国目前人均居住能耗量较低，但随着居民收入、生活习惯与生活方式的改变，我国住宅领域的能源消耗量正在显著增加，与本世纪初相比已翻了一番（Zhou,et al.,2009）。从温室气体排放量上看，我国平均家庭住宅年CO2排放量为800千克，全国合计值达到10.1亿吨（Tonooka et.al,2003）。

城市化进程是居住能耗持续增长的重要驱动因素，城市化带来商品燃料逐渐取代生物燃料、产生更多的住宅建设活动以及提高家庭用能标准，进而导致能源消费量的增加（Zhou N.,et al.,2009），城市化水平与高居住能耗之间的正相关关系在相关研究中得到验证（Sathaye et al.,1989）。我国正处于快速的城市化进程中，城镇人均建筑面积持续上涨，住宅能源消耗与碳排放面临巨大的增长压力。为促进更为节能、高效的住宅运行模式，国家相继出台了《电器能效标准》、《民用建筑节能设计标准》等指导和约束家庭居住用能的规范，居住领域的节能减排正在国家政策议程中得到越来越多的重视。

居住领域节能减排对深入研究家庭用能的特征提出了要求。由于决策者分散、费用共担程度高、资料获取困难等因素制约，居住领域用能行为与商业、工业、交通等用能领域相比更为复杂，研究难度较大（Swan,et al.,2009）。本文试图对居民住宅用能领域已有研究成果进行系统回顾与总结，提出现有研究存在的问题和不足，并展望未来的研究需求与方向，以促进国内本领域研究的完善。

一、住宅能源消费概念界定与领域划分

（一）概念界定

生命周期评价（Life Cycle Assessment,LCA）是用来评估产品、工艺或活动整个生命周期阶段产生的环境负荷的普遍手段（王寿兵等,1998），在对住宅能源消耗与碳排放影响上也得到广泛应用。一个完整的住宅生命周期包括材料生产、施工、使用、拆除和废料回收处理五个阶段，使用阶段的能耗进一步包括运行与维持两部分，而其中建筑运行部分是整个生命周期中最主要的耗能活动。Blanchard（1998）曾对密歇根一栋两层住宅建筑的生命周期进行观测，发现运行能耗达到能耗总量的93.7%，二氧化碳排放量的92%。Duffy（2009）针对都柏林的四个居住区开展居住区层面的能耗生命周期研究后也得到类似结论。

狭义的建筑运行能耗主要指维持建筑日常功能运转的部分。事实上，仅考虑建筑层面的水热环境与电器使用情况是不够的，当居住建筑群体作为整体组成居住小区时，其运行能耗并不是多个建筑的简单加总，而应当将居住群体特征与建筑组合环境的影响考虑进去，这种广义的能耗规模才能全面反映出居住行为的耗能情况。

简单来说，我们可以根据发生区域将居民住宅能耗划分为家庭内部用能与公共区域用能两部分，前者为住户家庭内部为维持日常生活而产生的能源消耗，包括家庭照明、空调热水、炊事以及其他家用电器等方面，后者为发生在住户家庭外部为维持适宜的居住环境所需的能源支持，比如电梯、公共照明、供排水水泵以及公共区域温控等方面。

（二）居民家庭内部用能研究

家庭内部能源的消耗可根据能源类型或用能终端来划分，相关学者针对世界不同地区的家庭用能类型已开展了大量研究。采暖、空调、照明、厨房燃料等不同用途所占比重受到不同国家和地区气候条件、生活习惯以及建筑形式的影响而有所不同，地区经济发展水平的影响较为显著。

在发展中国家，传统的能源利用方式（主要是木材和煤）逐渐向现代能源类型转变，并引起学术关注（Alam,et al.,1998）。Tuan（1996）针对越南、巴西和肯尼亚的研究表明，由于家用电器较少、生活消费限制较高，这些地区的能源消耗量增长并不快，无论是在农村地区还是新城市居民，能源消费仍主要投入到维持基本生存需要的炊事用途中。Zhou（2009）对我国不同城市开展研究后发现，家庭能源消费均以热水供应和室温调节为主，其中约占79%的能源直接或间接来自煤炭的燃烧；但用能项目与能源类型在南北方不同气候区以及城乡之间仍存在较大差异（Zhang,et al.,2004）。众多学者都就此展开过相关研究并得到类似结论（冯小平,2006;Tso,et al.,2003）。

而在发达国家，美国家庭中电能是最主要的家庭能源，其次是燃油和天然气，超过50%的家庭能源消耗是用来调整室内温度和供应热水（EIA,2005）。Wilhite（1996）通过对比日本与挪威的家庭用能构成发现，两地家庭平均用能总量基本相当，而因生活习惯的影响，前者将大部分能源用于供应热水，后者主要是室内取暖和照明。

（三）住宅区公共空间用能研究

公共空间的能源消耗主要通过电力的形式，能耗终端具体包括小区智能化管理项目（电梯、水泵、公用照明、消防设备、事故及应急照明等）与公用建筑（商业、车库等）用电以及配电系统耗损。

已有研究多依托公共面积较大的建筑形式进行，高层的公寓式住宅中电梯、水泵都成为消耗能源的元凶，在高层建筑密集的大城市中心区尤为严重。Sachs（2005）认为电梯的能源消耗像是偶然随机事件，建筑模拟的结果不具有稳定的规律性。Al-sharif（2004）的研究将现代建筑中的电梯耗电占建筑总体的比重量化为3%-5%，而Enermodal公司2004年针对电梯效率的研究报告中进一步指出了电梯用能量在不同建筑形式间存在差异：负载较低的低层建筑电梯耗能为1900千瓦时/年，而高负载的高层建筑电梯用能高达15000千瓦时/年。在住宅供水水泵耗能方面的研究相对电梯要少，这与其耗能规模较小有关。Cheng（2002）研究了台北市一栋6层住宅的供水系统能源消耗后发现，水泵用能比重仅为2.7%，明显小于热水器（82.4%）和锅炉（14.9%）。

对于公共照明、公用建筑、供电系统耗损等方面的研究较少，基本停留在单个（或多个）项目（如路灯、楼道灯、对讲门铃等）的节能改造层面（贾广瑞等,2006;余文星,2008），或居住区供电系统设计方面（曹家来,2008;朱向东,2001）。已有的公共区域用能研究还远不能全面反映公共区域用能状况，可深入研究的空间较大。

二、住宅能源消费的研究路径

住宅能耗水平受到多层次因素的影响。Swan（2009）根据影响因素所处的层次与研究路径的差异将现有研究划分为两大类。自上而下的研究将全部家庭用能终端看作一个整体，关注气候变化、经济状况、技术改造、能源价格等宏观因素对供需关系的影响。而自下而上的研究更为关注每一个家庭终端，试图清晰地反映家庭用能活动特征，关注因素包括内在与外在两类，前者指家庭社会-人口学特征、家用电器使用量与使用者行为偏好等主观因素；后者指住宅建筑的物理属性以及城市形态等客观因素。

（一）基于能源供需关系的宏观研究

自上而下的研究思路建立在经济学理论的基础上，利用大规模数据构建能源市场的供需关系模型，研究气候状况、地区发展水平、节能技术、住房供给等宏观因素对居民家庭用能的影响关系与作用机制。这些研究将家庭用能视为一个能源消耗体，而并不关注具体的用能过程（Swan,et al.,2009）。

气候对于家庭采暖与制冷的影响已得到学术界广泛关注，昼夜温度、采暖度日数被认为是气候影响的主要方面（Hirst,et al.,1986;Jones,et al.,1980）。国家或地区的经济发展水平与居民家庭用能之间的相关关系也在多项研究中得到验证（Hirst,et al.,1977;Hirst,1978;Canyurt,et al.,2005）。Ozturk（2004）研究了土耳其家庭能源消耗量与GDP水平、人口总量以及进出口规模等指标之间的相关关系，并建立起遗传算法（Genetic Algorithms）模型对未来能源利用趋势进行预测。

伴随着建筑节能技术的发展，多位学者对节能改造技术的应用与家庭能耗降低之间的相关关系开展的研究表明，对现有住宅进行节能改造成为减少家庭能耗的有效手段（Siller,et al.,2007）。比如，Balaras（2007）选取希腊住宅案例进行研究后认为外墙隔热、双层玻璃、太阳能热水设备等是最为有效的节能措施。

此外，能源价格弹性也是重要的研究内容，已有多位学者利用不同国家的数据量化能源价格弹性，并探讨其与居民收入水平的关系（Nesbakken,1999;Haas,et al.,1998;Bentzen,et al.,2001）。比如，Bianco（2009）对欧洲居民用电的研究表明，电费价格弹性稳定在-0.06到-0.096之间。用于取暖的燃料价格弹性也表现出类似的规律，Scott（1980）研究认为1%的价格增长会带来0.4%的燃料消耗量下降。Nesbakken（1999）研究挪威居民家庭用能后提出，不同收入水平的家庭表现出相似的能源需求价格弹性。

（二）基于家庭自身因素的微观研究

居住者本身对家庭用能的影响不仅仅是人口基数对于能耗总量的直接影响，居住者的社会人口特征也会对能耗规模与结构产生影响（O’Neill,et al.,1996）。国内外很多学者对居民家庭开展了调查研究，试图揭示社会人口属性对单个家庭的用能行为的影响机制与程度。比如，家庭收入的差异在决定用能总量与能源结构上起到明显作用，高收入家庭倾向于消耗较多能源，而低收入家庭更愿意减少使用能源（Schuler,et al.,2000;Moll,et al.,2005）。家庭规模扩大不会导致能源消耗成比例增加，家庭空间与设施的共享带来能源利用的规模经济效应，人均用能水平随家庭人口数增加而降低（Ironmonger,et al.,1995;Vringer,et al.,2007）。另外，居住者年龄（Nesbakken,2001;Liao,et al.,2002）、家庭人口构成（O’Neill,et al.,1996）、住房所有形式（Leth-Petersen,et al.,2001）、种族属性（Poyer,et al.,1997）等因素都引起了学术关注。

家庭电器的拥有与使用状况是家庭用能的直接影响因素，将这些指标纳入模型将冲淡其他因素的解释能力，所以许多研究在进行多变量回归时都选择剔除表征家用电器的变量。也有一些研究使用指数简化的方式来总结家用电器的使用情况，相关性较为显著（Dubin,et al.,1984;Vaage,2000）。家庭所采用的取暖与降温方式也是相关研究关注与考察的因素。比如，我国学者对不同地区的居住区进行调查研究的结果表明，采暖方式与家庭能耗的关系在不同的居住区之间存在差别（孙娟等,2009;谢艳群,2007;邱童等,2009）。

尽管居住者行为在很大程度上受到社会人口特征影响，但行为因素对家庭用能的影响并不能全部得以解释。居住者在家的频率和时间与家庭能源消费存在显著关系，如果家庭人口主要白天时间在家，则会为室内取暖而消耗相对较多的能源（Santin,et al.,2009）。居住者对室温的偏好影响到室温调节设备的工作温差，进而影响功率选择及能耗（Haas,et al.,1998）。此外，居民的节能行为对用能状况会产生一定程度的影响（Ouyang,et al.,2007），但价格和信息的获取途径不足在一定程度上阻碍了节能行为的实施（Feng,et al.,2010）。

节能态度也是广受关注的影响因素，但其影响程度比较模糊，不易度量。在Vringer（2007）针对气候变暖与能源消耗态度的调查研究中，如果控制社会-人口特征变量，居民价值类型与能源使用量之间的相关关系并不显著，仅得到“最少节能激励的家庭相对其他家庭消费能源量高4%”一条预期结论。Abrahamse（2009）针对节能心理因素的调查研究也得到类似结果。

（三）基于家庭外部因素的微观研究

住宅建筑本身的物理属性与住宅群体组合直接关系到采暖制冷与照明强度，进而对家庭能耗水平产生影响，这类因素对家庭用能水平的影响较为复杂。其中，建筑年龄、居住组织形式（独栋、连排或公寓等）、居住环境设计（朝向、窗户墙面比、屋顶类型、是否有车库等）、隔热设施（地面、门窗与屋顶）、采暖系统类型、能源类型等因素受到较多研究关注（Santin,et al.,2009）。

Santin（2009）的回归模型显示，物理属性对能源消费模型的解释能力达到41.7%，并且大部分物理变量（除隔热措施以外）的影响都是显著的。Depecker（2001）曾通过几何简化和电脑建模研究物理属性与采暖能耗的关系，作为这一领域的经典案例，他们发现在确定的气候条件下，最优建筑形状的能源消耗量仅为能效最低建筑形状的一半。但在我国学者开展的实证研究中建筑物理属性的影响作用尚未得到验证。谢艳群（2007）在长沙开展的入户调查结果显示，模型所引入的建筑高度、家庭楼层位置、房间朝向等物理属性与家庭用能的相关关系并不显著。Chen（2009）对上海家庭开展的调查研究也得到类似结论。

从城市尺度进行的研究主要在于城市形态与家庭用能的关系。城市形态对居民交通能耗的影响最先引起学术界注意，随后居住密度、城市扩展形式等因素对家庭居住用能产生的明显影响也受到了关注。比如，Norman（2006）对多伦多两个不同密度的居住区进行生命周期能耗分析发现，高密度社区的运行能耗比低密度社区要低50%以上，二氧化碳排放也减少一半左右。Ewing（2008）也强调了城市形态与美国居民住宅选择之间的相关关系，认为位于城市扩张区的家庭更倾向于选择大的独栋住宅，进而消耗更多能源。Stone（2001）的研究也发现较低的居住密度将会释放出更多的辐射热能。总的来看，城市尺度的研究几乎都指向类似结论：高密度的紧凑居住形式对于节能减排更为适宜。

三、住宅能源消费的研究方法

（一）统计数据

家庭用能数据可通过多个途径获取，不同口径的数据在准确度与全面性上差别较大，适用于不同的研究目的。国家政府会针对大类的用能领域划分对全国范围内的能源消耗情况进行统计，这种数据一般不能覆盖所有能源类型，并且仅统计终端使用量而不包括全生命周期耗能。O’Neill（1996）曾基于美国居住能源消费调查（RECS）与居住交通能源消费调查（RTECS）数据构建了家庭用能与社会人口属性间的模型。Persily（2006）利用美国能源局与人口调查局分别针对居民家庭用能开展的两次大规模家庭调查RECS和AHS数据构建了美国家庭能源消费模型。

另一项统计数据是住宅建筑的定期能源项目与费用详单（比如电力供应商提供的电费单据），这种数据十分精确，并且可以通过换算而得到全周期能源消耗情况，但是数据获取的难度较大。Tornberg（2005）曾将能源供应商提供的供应站点数据对应到若干建筑上，并构建了住宅建筑的能源利用模型。

（二）问卷调查

大规模家庭调查可以获取详尽的用能信息，应用最为广泛。研究者可以根据研究目的设定相应题目，覆盖各类能源使用量、家庭社会-人口属性、用能习惯与态度、家用电器拥有情况以及住宅物理属性等多方面的信息，适用于微观层面的研究，尤其是多变量模型分析。比如，Santamouris（2007）对雅典地区的1110户居民家庭用能进行调查，研究了不同收入群体的能源消费状况，探讨了家庭社会属性与用能水平的关系。我国学者谢艳群（2007）对长沙市70户住宅进行问卷调查后对能耗影响因素进行了偏相关分析，研究结果较为显著。

问卷调查方法的局限性在于，调查工作繁琐、样本的代表性存在质疑、被调查者描述的主观性以及调查时点与地点的季节性差异等。

（三）软件模拟

与基于数据的方法不同，工程模拟将关注点放在住宅建筑本身，通过对气热环境的模拟构建采暖、制冷与通风系统模型，线性估计家用电器的使用量，而居住者行为变量通过设定假设来确定，进而获得建筑能耗的理论值（Swan,et al.,2009）。目前已开发应用的软件包括美国劳伦斯伯克利实验室开发的BLAST、DOE-2、EnergyPlus，英国斯特拉思克莱德大学能源系统研究中心开发的ESP-r以及我国清华大学开发的DeST等。以DOE-2为例，该软件可以计算整幢建筑物每小时的能源消耗与费用，并分析建筑围护结构、空调系统、电器设备和照明对能耗的影响。

与数据分析方法相比，工程模拟方法更为有效把握建筑物理属性与能源消费之间的关系，但无法将居住者自身社会与心理属性的影响纳入研究。

（四）建筑实测与线性计算

对能耗项目实测后按比例推算或全部能耗终端进行估算后汇总可以得到建筑运行能耗的估算值，这种方法可以规避人口社会属性所造成的用能误差，获得的数据具有较高的准确性。Knight等学者（2007）在多个国家选取样本住宅进行定时能耗实测，获得了居民家庭能耗状况的准确数据。我国学者贾广瑞（2006）通过为每类用能项目设定使用频率的方法，对一栋六层住宅建筑的公共区域年用电量进行了简单估算，但计算过程比较粗略。

由于估算前需制定估算原则和大量假设，汇总计算过程较为繁琐，实测方法的成本太高，所以这些方法一般较少使用（Swan,et al.,2009）。

四、结论与讨论

（一）对现有研究的总结认识

居民住宅能耗作为生活能耗的重要组成部分，正在引起政府与学术界的关注。世界各国已有多位学者就住宅用能的能源类型、用能项目构成及比重、用能规模的影响因素以及未来增长趋势开展研究。

住宅用能规模与结构是节能研究的基础。家庭内部用能在整个居民住宅能耗构成中占据了较大比例，是居民最有激励进行节能改造的领域，故在理论与实践上受到较多关注。而公共领域用能的研究仍然较为分散、缺乏系统性，这与国外公寓住宅比重低、公共空间共享率低以及“公有地悲剧”导致节能效果可控性差等因素有关。

为了研究居民住宅用能的规律与未来趋势，学者利用多变量数据进行模型拟合以找出影响因素及其敏感程度，构建模型对家庭用能规模与结构进行预测。气候、经济发展状况、节能技术水平等宏观因素，家庭社会人口属性、节能心态、家庭住房物理属性以及所在城市的组织结构等微观因素都会对家庭用能产生影响。国外已有较多研究对这些影响因素进行挖掘，而国内相关的研究仍不够系统，现有成果无法清晰地反映我国居民家庭用能的特征。

在方法方面，数据调查分析与建筑模型模拟代表了两种不同研究思路，前者可以综合考虑多种影响因素的作用，而后者一般将居住者自身因素排除在外，主要关注建筑本身的能耗规律。就调查分析方法来看，政府主导的大规模调查可以为后续研究提供充足有效的数据支撑，但我国现有的此类数据较为粗略，无法将能耗与居住者个人（或家庭）相对应，限制了深入研究的开展。由于资金限制，学者自主开展的居民调查规模偏小，且调查内容设计缺乏系统性，造成了样本代表意义不足、统计规律不明显等问题。另外，现有的建筑模拟方法仅停留在单体层面，建筑群体及组合关系对能耗的影响仍未纳入考虑。

（二）未来可行的研究议题

综合考虑国内外研究进展发现，我国目前家庭用能的研究范围亟待扩大，建立覆盖多领域的居住用能研究体系、充分挖掘居民家庭用能的规律是当前最为迫切的议题。基于我国城市住宅的特点，公共区域用能是居住小区能源消耗的重要组成部分，集体式的住宅组织方式在增加公共能耗的同时，也起到了提高土地利用集约度、提高基础设施配备效率的作用，对家庭内部与公共区域用能的整合研究在我国背景下更具有理论与现实意义。

研究方法单一是我国在居民住宅用能领域相关研究存在的重要问题，未来研究应向着多样化的方向发展，拓展研究视野与研究方法。通过系统组织的大规模调查研究，获取准确反映居民用能状况的基础数据，利用适宜的统计方法挖掘用能规律，并做好区际、国际对照研究，将会对指导并改善我国居民住宅用能状况提供理论支撑。

并且，我国居民家庭用能的研究与节能产品的应用仍然处于脱节状态，家庭节能领域的市场参与程度低，政府推行的节能改造或宣传手段较为单调、缺乏有力的经济激励，实施效果不佳。在国际研究已较为充分的情况下，我国现阶段应当将研究重点放在节能产品应用性研究上，将单纯分析用能特征引向如何进行切实的节能促进，从城市设计、居住区设计以及整体推进建筑节能改造等，充分结合已有研究得到的家庭用能规律，做到研有所用。

在低碳城市建设的探索中，如何通过合理的规划调整形成能耗较低的布局模式或对居民减少能耗形成激励是一项迫切的研究议题。居民在住宅和交通方面的能源费用的个人负担将对家庭产生正向的节能压力，促使其主动选择更为节能的生活方式，比如更换节能电器、安装节能设备、养成节能习惯、职住接近、乘坐公共交通甚至减少出行等，而这些因素都可以直接或间接与城市形态属性相挂钩。探索居民家庭用能规律，尝试通过城市规划的力量有效规避城市能耗负担，应是本领域研究开展的根本意义所在。

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Energy Consumption in Urban Residential Sector: A Review of Domestic and International Literature

Gao Xiaowen,Zhang Jiyang,Cao Guangzhong

Under the increasing pressure of energy consumption,the focus of energy saving is expanding from the industrial sector to the whole society.Energy consumption of urban residential sector is undertaking a rapid growth,indicating a large potential of energy saving,as well as the demand for more in-depth academic research.The complexity of household behavior,the uncertainty of influencing factors,and the difficulty of data acquisition all calls for a more advanced research approach and integrated methodology.This paper reviews existing research progress,defines the relevant concepts and subdivides the research areas,summaries the results under different methods,and further discusses the prospect for future studies.

urban housing;energy consumption;research review;household energy consumption;public area energy consumption

F292

郜晓雯，北京大学城市与环境学院硕士研究生，研究方向为城市地理与城市规划。张霁阳，硕士，国家开发银行，研究方向为城市能源利用。曹广忠，北京大学城市与环境学院副教授，研究方向为城镇化、城市与区域规划、城市土地利用。

（责任编辑：卢小文）

国家自然科学基金重点项目（项目编号：40830746）阶段研究成果。