能耗

能耗的一種衡量單位叫做誇德（quad），1誇德=10¹⁵英熱單位（Btu）。一個英熱單位代表的數量相當於在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誇德，根據1998年美國地質勘探局的數據，這一數字還將逐漸升高。

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，放射性物質的原子核發生衰變，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，電子飛入並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] 

能在指定時間內以最少的能量消耗完成規定控制作用的最優控制系統。這種控制系統廣泛應用於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，要求在指定時間內把電機控制到完全停轉，並使控制過程中消耗的電能為最少。這種控制問題就可採用最小能耗控制方式來實現。下圖1是用開環方式構成的最小能耗控制系統。計算機通過計算提供每一時刻的各個最優控制變量的函數值，經過信號放大和功率放大驅動執行機構，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採用極大值原理來求解。設被控對象的狀態方程和初始狀態（見狀態空間法）為

λ（t）=Ax（t）+Bu（t）

x（0）=x0

式中A和B是由被控對象的結構和參數所決定的係數矩陣，x（t）是狀態向量，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x（τ）=0，並使表示耗能值的性能指標

取極小值的最優控制向量u*（t）必須具有如下的形式：

式中λj（t）（j=1，2，…，n）是系統的協態變量。最優控制向量u*（t）是協態變量λ（t）的非線性函數（飽和特性）。在最小能耗控制系統的構成中，為了求解最優控制向量u*（t），需要在系統中設定被控對象的協態變量方程。 ^[2] 

儘管經濟效益在增長，但德國的一次能耗在東、西德統一後卻適度地下降，主要得益於由於重新統一後的德國在經濟和能源相關領域的結構調整。從1995年以來，除了隨着氣温和經濟的改變而發生的波動，德國的能源需求是相對穩定的，如圖2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於2008年能源價格的強進增長和後續的金融危機。

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

德國嚴重依靠進口來滿足能源需求，所需化石燃料的淨進口份額由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，份額幾乎佔到整個能源進口的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3所示。

這樣大幅度的增長要歸因於生物質能，該物質主要用於產生熱，今後會用於生物質燃料，生物質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，之後未能再增加。 ^[3] 

1．南方和北方能耗差異大

我國處於北半球的中低緯度，地域廣闊，南北跨越嚴寒、寒冷、夏熱冬冷、温和及夏熱冬暖等多個氣候帶。夏季最熱月大部分地區室外平均温度超過26℃，需要空調；冬季氣候地區差異很大，夏熱冬暖地區的冬季平均氣温高於10℃·，而嚴寒地區冬季室內外温差可高達50℃，全年5個月需要採暖；我國北方地區的城鎮約70%的建築面積冬季採用了集中採暖方式，而南方大部分地區冬季無採暖措施，或只是使用空調器、小型鍋爐等分散採暖方式。

2．城鄉住宅能耗差異大

我國城鄉住宅使用的能源種類不同，城市以煤、電、燃氣為主，而農村除部分煤、電等商品能源外，在許多地區，秸稈、薪柴等生物質能仍為農民的主要能源；另外．我國目前城鄉居民平均每年消費性支出差異較大，城鄉居民各類電器保有量和使用時間差異較大，這也是城鄉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，採用中央空調時，其單位建築面積能耗是小規模不採用中央空調的公共建築能耗的3～8倍，並且其用能特點也與小規模公共建築不同。因此，將公共建築分為大型公共建築與一般公共建築兩類。 ^[4] 

1．北方城鎮建築採暖能耗

黃河流域以北地區，包括黑龍江、吉。林、遼寧、內蒙古、新疆、青海、甘肅、寧夏、山西、北京、天津、河北的全部城鎮及陝西北部、山東北部、河南北部的部分城鎮，這些地區採暖能耗與建築物的保温水平、供熱系統狀況和採暖方式有關。

2．長江流域住宅採暖能耗

長江流域一帶冬季也有短期出現0℃左右的外温，但日均温很少低於0℃，一年內日均温度低於10℃的天數一般不超過100天。歷史上這些地區都不屬於法定的建築採暖區，除少數高檔建築外，一般都採用局部採暖方式。傳統上這一地區採用木炭烤火，改革開放後，城鎮建築的採暖方式變成電暖氣、電熱毯、熱泵式空調以及一些以燃氣、燃油為燃料的採暖裝置。

3．城鎮住宅除採暖外能耗

城鎮住宅除採暖外能耗包括照明、家電、空調、炊事等城鎮居民生活能耗。除空調能耗因氣候差異而隨地區變化外，其他能耗主要與經濟水平有關。

4．大型公共建築除採暖外能耗

大型公共建築是指單體面積在2×10⁴ m²以上且全面配備中央空調系統的’高檔辦公樓、賓館、大型購物中心、綜合商廈、交通樞紐等建築。其能耗主要包括空調系統、照明、電梯、辦公用電設備、其他輔助設備等。

5．一般公共建築除採暖外能耗

一般公共建築是指單體建築面積在2×10⁴ m²以下的公共建築或單體建築面積超過2×10⁴ m²但沒有配備中央空調的公共建築，包括普通辦公樓、教學樓、商店等，其能耗包括照明、辦公用電設備、飲水設備、分體式空調等。

6．農村建築能耗

農村建築能耗包括炊事、照明、家電等用能。農村秸稈、薪柴等非商品的消耗量很大，而且此類建築能耗因地域和經濟發展水平不同而差異很大。 ^[4] 

1．建築節能的概念

與建築能耗相對應，建築節能也有兩個層次的概念。建築節能目的是在建築全壽命週期內，從建築材料（建築設備）的開採、生產、運輸，到建築壽命期終止銷燬建築，在保證建築功能和要求的前提下，達到降低能源消耗、減輕環境負荷。

廣義的建築節能是指在民用建築的建設、改造、使用過程中，以及在工業建築和城市基礎設施的施工過程中，按照有關法律、法規、技術標準的要求，採取有效措施，降低能源消耗，提高能源利用效率的活動。

狹義的建築節能是指在建築物正常使用期限內，提高建築設備的能效係數，降低建築物通過外圍護結構的能量損失，同時充分利用可再生能源，在保證建築功能和要求的前提下，達到降低能源消耗、減輕環境負荷的目的。《民用建築節能條例》中對民用建築節能的定義是：在保證民用建築使用功能和室內熱環境質量的前提下，降低其使用過程中能源消耗的活動。

2．節能技術的保障體系

建築節能的核心是提高建築能源的使用效率，而效率的提高最終將落實在技術的支撐上。從目前專業技術工種的劃分來看，節能技術的保障體系大致可以分為以下兩個方面。

（1）建築規劃與設計節能

合理的建築規劃和設計，可以結合當地的四季氣候特點，為建築創造一個良好的風環境、水環境、光環境、熱環境和潔淨環境等。比如朝向的選擇、植被體系的選擇與設計、水體和山體的合理利用等，可以為合理應用自然環境、降低建築能耗、提高室內人工環境的舒適度和健康水平奠定基礎。

（2）建築圍護結構節能

建築圍護結構的節能措施體現在對熱工參數的控制上。在建築實體牆部分，利用保温隔熱技術，在冬季採暖季節，降低通過圍護結構向外的熱損失；在夏季空調季節，降低通過圍護結構向外的冷損失；在過渡季節，充分利用自然通風，調節室內環境。

在建築物透明結構部分，主要控制的是太陽能的熱流方向。通過選擇合適的窗户結構及遮陽技術，在冬季採暖季節，增加太陽能向室內的滲透，阻止室內熱量通過透明結構輻射到室外；在夏季空調季節，熱流的控制過程與冬季恰好相反；過渡季節則根據實際情況，在上述兩個過程中選擇。

3．能耗設備與系統的節能

建築內的能耗設備與系統主要包括建築的空調系統、照明系統、熱水供應系統及電梯設備等。其中空調系統和照明系統在大多數的民用建築能耗中占主導地位，成為主要的控制對象。

4．用能控制與管理

由於建築內部設備與系統的設計往往是以滿負荷運行為假設條件的，而實際上，設備和系統往往運行在非滿負荷條件下，這就要求配備優良的控制和調節系統以及具備敬業精神和專業技能的專門管理人員，根據不同負荷特點對有關設備和系統進行自動或人工調節，避免大馬拉小車現象。用能控制與管理對於建築運行能耗的節約具有特殊的意義。

5．綜合節能技術

由於建築及其設備系統是一個有機的整體，在建築節能方面，往往需要多工種的協調工作，從而產生一些綜合的節能措施。例如，可再生能源利用的建築一體化技術、多能耗系統之間的聯動技術等。綜合節能技術體現了未來節能工作的主流方向。 ^[4] 

該指標説明一個國家經濟活動中對能源的利用程度，反映經濟結構和能源利用效率的變化。