标题 | 美国居民生活用能状况与趋势:30年微观调查数据分析 |
范文 | 廖华 伍敬文 朱帮助 摘要随着居民部门用能快速增长,各国都在致力于观察本国居民能源消费特征以减少碳排放,特别是发达国家。本文应用近30年的微观调查数据分析美国居民能源消费现状和趋势,为发展中国家提供一些借鉴意义。从总量上看,伴随着人口、家庭数量和建筑面积的上升,能源消费总量变化较小,趋于稳定;人均用能则呈下降趋势。从用能结构来看,以天然气和电力为主,2009年分别占比44%和41%;近30年来天然气占比小幅下降,电力占比上升明显;完善的天然气设施和电力服务体系使得能源可获得性高。从用途分类来看,取暖和家电占绝大比例,2009年分别占比41%和35%;取暖用能近30年来出现平缓下降趋势,燃料来源70%是天然气;家电设备用能占比明显上升,增长近1倍;制冷占比较小,近年出现小幅上升;热水用能则比较稳定。家庭炊事燃料以电力和天然气为主,2009年分别占比60%和34%。近30年,家用电器保有量和能源效率有显著提高。建筑用能方面,美国房屋服务时间长,后期建筑房屋在保温性能方面高于早期房屋,单位面积耗能下降。美国居民享受着较高水平的能源服务,能源消费总量在近30年没有明显变化,这和能源效率的提高有着密切关系;如完善的“能源之星”项目是一个强有力的措施,以及完善的能源统计制度为能源分析提供了有力的数据支撑。相比,中国存在居民炊事用能固体燃料占比较高、建筑服务周期短、建筑材料耗能比重大等問题。建议中国政府进一步完善能源统计制度、推行农村能源扶持项目和能源标识、加强建筑规划、落实建筑能耗标准。 关键词美国;居民部门;能源消费;能源结构 中图分类号F062.1;X24文献标识码A文章编号1002-2104(2017)06-0049-08DOI:10.12062/cpre.20170359 从能源消费领域来看,居民部门占终端能源消费比例不断提高。据IEA(2016)统计,世界能源消费总量中,2014年居民部门能源消费占总量的23%;同时已成为碳排放主要部门,全球近17%碳排放来自于居民部门。美国2015年终端用能占比中,工业占32%、交通占28%、居民占21%、商业占18%。虽然工业部门仍占据最大比重,但近50年来一直呈持续下降趋势;交通和居民用能持续上升,在未来将占据更大份额。鉴于居民部门用能快速增长,各国都在致力于观察本国居民能源消费特征以减少能源消费和碳排放,特别是发达国家;如美国制定各种政策和措施以鼓励居民减少能源消费,并且收集大量微观数据做支撑。 居民部门由家庭组成,家庭是居民生活的主要场所,大多数学者以家庭为单位进行研究。由于居民是最终消费者,有满足照明、炊事、热水、取暖制冷、家用电器等日常需求的直接用能行为,还包括产品生产过程中的间接用能。因此很多学者将居民用能分为直接用能和间接用能,本文主要分析居民的直接用能特征。目前已有大量学者对居民用能进行分析,例如有学者研究居民用能特征变化及其驱动因素[1-2]、如何减少家庭能源消费量[3-4]和影响家庭能源消费因素[5-7]。美国作为用能大国,有大量学者对居民部门用能展开过研究[8-10]。本文主要是基于美国居民能源消费调查数据分析居民生活用能现状,为发展中国家提供一些借鉴意义。 1数据说明 美国是一个对能源高度重视的国家,不仅关注能源供给与安全、能源效率,更是收集大量能源数据,包括官方统计和专门抽样调查数据。居民能源消费调查(RECS)便是由美国能源信息署(EIA)发起的专门针对居民生活用能的一个周期性调查,旨在收集家庭能源使用的详细信息。该调查由当时已存在的两个调查发展而来,第一次调查是1978年。RECS调查周期由起初的每年一次调整为每四年一次,最近的2009年调查是第13次调查,第14次调查于2016年展开。2009年调查范围包括50个州和哥伦比亚特区,抽样方法多采用多级区域概率抽样,调查对象为居民主要住宅。调查样本由最初的4 000多个扩展到2009年的12 803个样本。调查内容主要分为两部分——家庭调查和能源供应商调查,主要包括住宅特征、厨房设备、电子产品、取暖、热水、空调、燃料使用、住房面积测量、燃料账单、居民交通情况、住户特征、能源补助情况等。每次调查从计划执行到实施,以及最后的数据整理和发布都是由美国能源信息署组织实施,对数据质量有着严格的监督和控制。每次调查数据及时公布在能源信息署官网上,可免费下载使用。公布的数据信息全面多样,包括各类总量数据,按不同指标和属性的分类数据;以及大量有关调查的背景资料。RECS数据常用作能源信息署的常规研究,并支撑每年的能源展望和能源回顾报告。据不完全统计,有1 000余篇学术论文应用RECS数据针对美国居民用能问题开展了研究。图1是不同调查年份RECS计划样本和实际调查样本情况,可以看到大体上计划样本呈现增长趋势,2009年样本明显高于其他年份调查样本,为准确估计总体提供可靠性。本文所用的能源总量和结构数据,均是按热当量法计算。本文主要使用RECS数据,为便于比较,也使用了其他部分数据源。 2居民能源消费总量分析 从能源消费总量来看,在1978—2009年期间,存在先降后升波动,总体变化幅度不大,趋于稳定。1978年消耗380万t标准煤,2009年消耗367万t标准煤,甚至出现小幅下降(见图2)。从其他因素来看,数据显示:人口总量 显著增长,1981年美国总人口约为2.3亿人,2009年增长到3亿人,增长33%。美国房屋总数大幅上升,1978年,美国拥有7 660万户房屋,2009年上升到11 300万户,增长47%。家庭住宅总建筑面积明显增加,从1981年的134亿m2增加到2009的208亿m2,增长55%;总加热面积也从114亿m2增加到174亿m2,增长约52%;对应的人均住宅建筑面积从58 m2增加到69 m2。伴随着人口、家庭数量和建筑面积的上升,能源消费总量并没有大幅增长,这与能源效率提高有着密切关系。 从平均水平上看,户均能源消费量由1978年4 969 kg标准煤下降到2009年3 226 kg标准煤,降幅35%。从人均水平上看,人均用能量随时间呈现平稳下降趋势;1978年,人均能源消费量为1 764 kg标准煤;2009年,人均能源消费量为1 260 kg标准煤,在这期间下降28.6%。从单位面积耗能看,用能量由1981年2.3 kg标准煤下降到2009年1.6 kg标准煤,下降30%。相比,大多数发展中国家处于发展阶段,人均用能量和单位面积用能正处在上升阶段。 3能源消费结构分析 3.1消费结构以天然气和电力为主,其中天然气占比下降,电力占比上升。 在美国,居民部门能源消费品种分天然气、电力、燃料油、煤油、LPG和木材,能源品种多样,高效清洁的天然气和电力占绝大比例。在2009年能源消费结构中,天然气占44%,电力占41%,其余三类占比在5%左右(见图3)。 从各个能源品种变化趋势来看,天然气占比平缓下降,电力明显上升,燃料油和煤油、木材持续下降,LPG小幅上升。在2001年之前,天然气占能源消费总量的50%以上,2001年之后有所下降,但仍然是居民用能最主要的能源。电力消费在1981—2009年之间大幅增长,占比由 1981年24%上升到2009年41%,并不断接近天然气占比(44%)。燃料油和煤油在早期所占比重较高,1981年为13%;但在1981—2009年之间,一直是下降趋势,2009年所占比例仅为5%左右。LPG占比较小,在1981年到2009年之间一直维持在5%以下,但是近年来呈现上升趋势。在早期,木材是居民部门的重要燃料来源,木材消费在1981年占8%;但在2009年,仅占4%左右,消费比例逐渐下降。 3.2完善的电力和天然气设施使得能源可获得性高,LPG家庭使用比例上升。 从每百户家庭是否使用某种能源百分比来看(见图4),在1980年,100%家庭就可以获得电力服务。这和美国电力设施完善,电力服务具有可获得性高、用途广泛、使用方便安全等特点有着密切关系。第二种家庭使用率比较高的能源是天然气,一直维持在60%左右。这首先得益于美国国内丰富的天然气资源,美国是仅次于俄罗斯的第二大天然气生产国;同时,也是世界上最大的天然气消费国,主要的天然气进口国。另一方面,美国有着悠久的天然气发展历史,1966年,全国48个州全部通气;高度完整的输配气网系统,为居民使用天然气提供极大的便利性。家庭中使用木材的比例在不断下降,1981年占28.8%,2009年仅占11.5%,下降较为明显。由于木材是传统能源,随着收入提高可替代性较高。燃料油和煤油的家庭使用百分比随时间呈现下降趋势。LPG的家庭使用百分比在2001年以前一直维持在8%—9%左右,2005年占比11%,2009年呈现大幅上升,占比43%。这主要是由于近年来页岩气的大规模开发,使得页岩气开采过程中伴生气LPG产量不断提高。 美国拥有丰富的煤炭资源。在1950年,煤炭还是居民的主要生活燃料;而近30年,居民部门几乎没有直接消费煤炭。随着美国经济发展,能源效率改进,绝大部分煤炭用于发电领域;2015年消耗的总煤炭量中,近93%用于发电。这主要考虑煤炭直接用于燃烧,不仅利用效率低,还会带来严重的环境污染和危害人体健康问题。但是,对于中国和印度等发展中国家,仍然有绝大多数家庭将煤炭作为炊事和取暖的直接燃料来源,造成了严重的环境和健康危害。 和其他终端用能部门相比,居民部门能源消费结构和其他部门相比有着较大区别。在交通部门,90%以上能源消费来自于石油;商業用能和居民比较类似,能源消耗主要是以电力和天然气为主,电力消耗占比达到60%,天然气为32%;制造业部门用能结构也更为复杂,差异较大。 4最终用途能耗分析 4.1取暖和家电占据用能总量的绝大比例,其中,取暖呈下降趋势,家电呈上升趋势 居民用能按照用途划分可以分为取暖、热水、制冷和其他(主要是家电),2009年取暖和其他项占用能总量76%,热水占18%,空调占6%(见图5)。由于美国大部分地区维度较高,取暖月数长,取暖用能占据总量的绝大比例,但在1978—2009年之间出现持续下降;1978年取暖用能占66%,1997年之后下降到50%以下,2009年占41%,但仍然占用能结构中的最大比例。取暖用能占比下降与居民移到更加温暖的地区和房屋隔离保温性能加强有较大关系[11]。制冷也是居民能源消费的基本用途,但和取暖相比,用能占比较小;在1978年,占3%,2009年,占6%,呈现上升趋势;未来,随着全球气候变暖,夏季高温天气频现,居民对制冷需求可能会不断增加。热水是居民生活的必要服务,除1978年占比14%,之后热水用能占比一直比较稳定,维持在18%左右。其他用途中,包括了冰箱、照明、其他电器设备用能等,内容和项目比较多,增长趋势比较明显;1978年,该项占比16.8%, 2009年占比34.6%,增加近1倍;这主要是和家用电器产品拥有量增加、以及电子产品越来越丰富有关。 从整个发展趋势上看,取暖用能占比将平缓下降,制冷小幅上升,其他项将明显上升,可能会超过取暖项,热水用能则比较稳定。 4.2取暖和热水用途主要消耗天然气,其他用途主要消耗电力 从不同用途用能结构(见图6)来看,2009年在取暖和热水用途中,天然气占绝大比例,占比接近70%。在主要供暖设备中,大多数都是由天然气驱动,比较稳定;2009年主要取暖设备中,有50%家庭使用天然气驱动设备,30%用电。取暖用能中消耗其次是燃料油,占比12%;电力,丙烷和LPG占比相当。热水用能中,电力消耗高于取暖,占比23%,这主要是和热水设备大部分是电驱动有关系。在其他用途中,包括冰箱、厨房设备、电子产品、照明等,大部分是用电设备,因此电力占据绝大比例,达到80%;天然气占比17%。结合用途用能变化趋势来看,随着取暖用能持续下降,其他用能占比不断上升,且其他用能中消耗大量电力,未来电力消耗量将不断上升,有望超过天然气。相比中国,在取暖过程中,绝大部分燃料来源是煤炭,未来将面临更大挑战。 5中美炊事用能结构对比分析 炊事是大多数家庭日常进行的必要活动,一直在居民用能中占据重要地位。2009年,美国主要炊事燃料结构 中,绝大部分家庭使用清洁燃料作为炊事燃料;其中有60%家庭将电力作为最常使用炊事燃料,34%家庭使用天然气(见图7)。 中国2010年人口普查数据显示,居民主要炊事燃料分为燃气、电、煤炭、柴草和其他。其中,燃气占据着较大比例,达到43%;电力占比最低,只占9%。此外,在中国,仍有33%和14%的家庭分别把柴草和煤炭作为主要炊事燃料,这种燃料在使用过程中,会产生严重的空气污染,影响人体健康。 此外,中美居民饮食习惯也存在差异。在中国,随着城镇化及农民工的增多,居民在外就餐的比例增加;但基于传统饮食文化习惯,大部分家庭每天都要有一次或两次炊事活动,频率比较高;炊事用能往往占总能源消费较大比例,特别是在农村地区[12]。在美国,一天做三次及以上热饭的家庭只占7%,两次占24%,一次占36%,接近30%家庭做饭频率少于一天一次;且美国家庭厨房器具高度电气化,使用高效清洁。 6家电保有量和用能效率分析 6.1生活服务型家电保有量显著增加 电器产品的增加和丰富能够提高居民生活质量,提高工作效率,同时也会促使用能量的增加。对1980年和2009年调查数据对比,发现空调、冰箱、微波炉、洗碗机、洗衣机、烘干机家庭保有量在这一期间有着明显增加。如绝大比例家庭都拥有空调设备,占比由1980年57%上升到2009年87%。另外,在空调的类型上,也有着明显变化;1980年只有27%的家庭拥有中央空调,分体空调占30%,43%家庭没有空调;2009年,家庭中拥有中央空调的比例上升到63%,24%家庭拥有分体空调,没有空调的家庭下降到13%。冰箱是日常生活必要设备,家庭拥有量在1980年和2009年都达到100%;不同的是2009年更多家庭拥有两台冰箱,由1980年14%上升到2009年23%。微波炉家庭拥有量在这一期间大幅度上升,1980年只有14%家庭拥有微波炉,2009年这一比例上升到96%,绝大部分家庭都拥有该设备;另外,烤箱和咖啡机在2009年也得到广泛使用。 洗碗机、洗衣机和烘干机的家庭保有量也呈现明显上升(见图8)。 除了常规电器产品增加以外,一些学习型和娱乐性电子产品也有明显增加,特别是电视机和计算机(见图9)。电视机作为一种常见娱乐消遣设备,几乎所有家庭都拥有电视机,近年来变化较大的是更多家庭拥有不止一台电视机。和1997年相比,2009年所有家庭中,拥有三台及以上电视机的家庭占44%,高于1997年的29%。同样,在计算机拥有量上,2009年有76%家庭拥有计算机,高于1997年的35%,增长近一倍;并且2009年家庭中拥有两台计算机的家庭比例为35%,1997年仅为6%,增长快速。打印机的拥有量也从1997年12%上升到60%,增长趋势比较明显。另外,2009年,家庭广泛使用可充电便携式设备(手机)、DVD、DVR、音响设备等。从这些电器增长中可以 看出,居民在满足基本温饱需求之后,对其他娱乐性、学习性和提高生活质量的电子产品有着更多需求。 6.2家电产品用能效率提高 据研究表示,能源效率标识对于降低能耗、保护环境方面具有重要作用[13]。根据国际能源署统计,目前世界上已经有欧盟、美国、加拿大、澳大利亚等40多個国家和地区实行了能效标识制度,如欧盟的GEA标识和EU能源标识制度、美国能源之星、日本领跑者标识、中国能效标识等。美国环境保护署和能源部在1992年开始建立“能源之星”志愿活动项目,鼓励厂商和消费者提高能源使用效率来减少能源使用和减轻环境危害;经过不断发展,“能源之星”涵盖的产品和范围不断扩大,由最初的电脑和显示屏扩展到包括多种家用电器、照明、电子产品、办公设备和新建住宅等(US,EPA,2016)。RECS调查数据是从2005年才开始收集家庭拥有某些重要家电设备是否是“能源之星”产品,因此对2005年和2009年的调查数据进行对比;发现在空调、冰箱、洗碗机和洗衣机这几类电器中,2009年有“能源之星”标识的家庭比例远远高于2005年(见图10)。随着该标识的推广,居民认知的提高,居民购买“能源之星”的比例越来越高。2015年,美国人购买了超过3亿多“能源之星”认证的产品,囊括70多个种类;且超过85%的美国居民对“能源之星”标识有一定的认知[14]。实践证明“能源之星”产品在降低能耗方面具有积极作用[15-16],2014年,“能源之星”项目节约了3.6×1011kW·h,相当于美国电力需求的5%,减少温室气体排放2.83亿公t,并且减少了能源消费支出[17]。 7建筑用能特征 7.1后期修建房屋隔离保温效果高于早期 住宅建筑结构与能源消耗有着密切关系。以2009年调查数据看,2009年现有居民住房建筑年代划分为几个阶段,各个阶段房屋建筑数量分布比较均匀,如1950年以前修建的房屋占总房屋数量17%,在2000—2009年修建的房屋占13.7%(见图11)。从单位面积耗能来看,后期修建房屋小于早期修建房屋,这主要得益于后期修建房屋在隔离保温性能上更优。 图12是分析了不同建筑年代房屋在保温性能方面的差异,早期建筑房屋在房屋保温性能上远远低于后来建筑的房屋。如1950年,保温效果“很好”的房屋只占27%,30%的房屋保温效果“差”,甚至有2%的房屋没有保温效果;相比,2009年建筑的房屋在保温性能便有很大提升,“很好”占比59%,一般占35%,只有很小一部分房屋保温效果比较差。另外,从房屋建筑玻璃上看,1950年到1990之间建筑的房屋45%以上都是单层玻璃,1990年之后的房屋有70%以上是双层及以上玻璃,双层玻璃在保温绝缘等方面更具优势。 7.2中美建筑特征對比 根据中国2010年人口普查数据,可以看到住房建筑年代分布中,新建房屋所占比重大。1980年之前建筑的房屋只占10%左右,接近90%的房屋是1980年之后修建,30%以上是2000年以后修建(见图13),绝大部分建筑使用时间不超过40年;美国超过40%的住房房龄在40年以上。房屋修建过程中需要消耗大量的钢铁、建材和有色金属等高耗能产品,中国建筑物寿命短暂,大拆大修是目前中国最大的能源与资源浪费。我们曾建议“中国今后 应制定并严格执行有利于延长建筑物服役周期的系统性政策体系,这比出台具体技术装备能效标准、投资项目节能评估和审查、淘汰‘落后产能等技术政策和产业政策更为重要与紧迫”[18]。 另外,从建筑材料来看,中美的住房建筑也存在较大差异。按照外墙建筑材料分类,美国分为壁板、砖、木质结构、灰泥和其他结构(见图14);中国划分为钢及钢筋混泥土、混合结构、砖木和其他四种类型。在美国,有36%房屋建筑外观材料为壁板结构(如轻薄铝材、钢材和乙烯等),有17%为木质结构,大大节省了能源与资源,且回收利用率较高。反观中国,根据2010年人口普查数据,房屋承重类型以钢筋混泥土和混合结构为主,占比超过60%,属于高耗能建筑材料。 8结论与启示 从美国居民能源消费调查数据分析来看,居民部门用能量在近30年没有明显变化,趋于稳定;表明美国居民能源消费处在一个饱和状态,这和居民用能效率改进有着密切关系。从用能结构来看,以清洁能源为主,2009年电力和天然气占比达到85%。从近30年的用能结构变化趋势来看,天然气占比出现小幅下降,电力占比明显上升,木材、燃料油和煤油占比下降,LPG随着页岩气开发占比出现上升。从能源可获得性来看,美国早年已经实现了电力的全覆盖,并且有着完善的天然气管道设施,为居民使用清洁能源提供了极大的便利。从用途分类来看,取暖用能占绝大比例,占40%左右,近30年来出现平缓下降趋势,燃料来源70%是天然气;制冷占比较小,近年出现小幅上升;其他项(主要是家电设备)用能明显上升,主要消耗电力;热水用能则比较稳定,主要靠天然气和电力。近30年,家电产品丰富多样,家庭保有量不断提高,能源效率标识产品率增加,促使电力消费的增加。建筑用能方面,美国房屋服务时间长,后期建筑房屋在保温性能方面高于早期房屋,单位面积耗能下降。 美国居民能源消费一直处于较高水平、能源浪费情况比较严重,这与美国经济发展水平较高和居民生活习惯有着较大关系。和其他国家相比,美国户均能源消费量和人均能源消费量均处于较高水平。美国住宅63%的房屋是独栋住宅,房屋面积比较大,户均住宅面积和人均住宅建筑面积均位于世界前列。美国居民享受更加舒适、享受型的生活,体现在家庭电器产品种类和数量上。每个家庭都拥有冰箱,23%家庭拥有两台,大部分冰箱体积是在400~600升之间,且有30%的家庭拥有冰柜;中央空调比例高于分体空调,中央空调一般是空间连续运行,不能单独控制;66%的家庭每次洗衣都用烘干机;大部分家庭电脑和电视机的数量多于1台;洗碗机、微波炉、咖啡机、烤箱、打印机在美国家庭中也得到广泛使用。虽然美国居民享受着较高水平的能源服务,但能源消费总量在30年没有明显变化,这和能源效率的提高有着密切关系,例如,完善的“能源之星”项目便是一个强有力的措施。整个项目实施时间长,范围广,种类多;涉及工业部门、商业部门和居民部门,包括制造商、零售商、消费者和各种合作伙伴,囊括家电、办公设备、住宅修建、工厂等,在很大程度上减少了能源消费。另一方面,美国完善的能源统计制度为能源分析提供了有力的数据支撑,有利于政策制定、推行与监督。 相比,中国目前处于发展阶段,能源消费快速增长;同时,城乡之间能源消费结构、水平差异较大。体现在高收入家庭对生活舒适度要求更高,家庭电气化水平高,家庭电器种类齐全,存在向美国居民生活模式发展的可能性;而在一些农村地区,能源贫困仍然存在。这对中国发展提出了更多挑战,一方面要制定政策提高效率,引导高收入人群节约用能;另一方面要改善低收入人群能源消费水平。另外,中国还存在建筑服务周期短,建筑材料耗能比重大等问题。建议中国政府进一步完善能源统计制度、推行农村能源扶持项目和能源标识、落实建筑能耗标准,加强建筑规划、提高建筑物使用寿命。 (编辑:于杰) 参考文献(References) [1]ZHANG Q. 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This paper analyzes characteristics of US residential energy consumption using 30 years microsurvey data, which give some implications for developing countries. Total residential energy consumption has small change with the rise of population, the number of households, square footage, and tend to be stable, while per capita residential energy consumption shows a downward trend. Energy structure is dominated by nature gas and electricity, accounting for 44% and 41% respectively in 2009, which is attributed to the mature infrastructure of nature gas and electricity service for improving the availability of energy access. The ratio of nature gas declined slightly, but that of electricity has a significant rise instead over the past three decades. Space heating and appliances take a large proportion according to enduse structure, accounting for 41% and 35% respectively in 2009. Energy used for space heating has declined, and 70% energy source is nature gas; energy consumption for appliances has rose dramatically, nearly doubled; percentage of space cooling is small, and increased slightly; water heating energy consumption changed little over the past three decades. Electricity and nature gas were chosen as primary cooking fuel, accounting for 60% and 34% respectively. Ownership of household appliances has increased greatly, along with the energy efficiency improvement. US housing has a long service life. Energy consumption of newly constructed housing is lower than that of early for better insulation, and per square foot energy consumption has declined. US residents live with a high level of energy service, but the total energy consumption nearly keep unchanged over the past three decades ,which is closely related to the improvement of energy efficiency. For example, the ENERGY STAR program is a powerful method to promote energy conservation, and the mature energy statistics system provides a strong support for energy analysis. Compared to the US, China is hampered by higher proportion of solid fuels for cooking, shorter construction service life, and higher energy consumption of outside construction. Then we give some implications to China government, including improvement of energy statistics system, promotion of rural energy support programs and energy efficiency label, enhancement of construction planning, implement of construction energy consumption standard. Key wordsUS; residential sector; energy consumption; energy structure |
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