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提高大城市电力使用效率的政策分析：日本的实践经验
作者:HiroshiAsano(日本中央电力工业研究所)【摘要】这篇论文结合北京市的未来，介绍了日本改进电能利用效率的经验。考察地区集中在与北京气候相近的东京地区及日本北部的札幌，同时还论述了制约可持续能源系统的经济和技术问题，包括：用于单个住宅和建筑的热泵系统、以及未来北京将采用的利用城市废弃能源的区域供热和制冷系统（DHC）。
摘1、介绍
表1列举了北京和日本主要大城市的气候状况。关于城市能源基础设施例如区域供暖和制冷系统，应当与东京的情形进行比较。由于住宅的能源应用和服务选择同样有赖于寒冷的气候，所以札幌和仙台的情况为北京提供了很好的例子。从表1中供热时平均温度的差别可以推断出札幌（日本北方最大的城市，与北京气候相近）用于住房供暖的能量消耗是东京的3倍。
城市
人口（百万）
年平均温度（°C）
冬/夏月平均温度（°C）
供暖小时数（10°C以下）
供冷小时数（20°C以上）
北京
12.5（市区：6.8）
11.8
-4.3/25.9
NA
NA
札晃
仙台
东京
1.8
0.98
7.9
8.2
11.9
15.6
-4.6/21.7
1.0/24.1
5.2/27.1
2574
1580
855
0
10
148
1998财政年度东京总的电消耗量是76.4TWh，比前一年增长了2.0％。电能用于住宅的消耗量是25.6TWh，用于商业的消耗量是31.6TWh，非工业的消耗占了总量的75％。通常，在大城市中用于住宅和商业的能源及电的消耗占相当大的比重，但在北京却并不是这样，用于住宅的需求估计还不到10％。不过，城市化和人均收入的提高必将会导致住宅电能需求的巨大增长。
2、能源需求与电气化的能源有效应用
2、1日本和中国的能源应用
1979年，由于石油危机引起的节能效应，使日本的能源需求量相当于4430亿升石油，几乎达到了满负荷，需求的增长率也相对较低。到1999年主要能源总需求相当于5930亿亿千升石油。石油需求从1993年以来就十分平稳。而电力的需求，则由于电脑等使用的增长而持续稳步提高。
就在1964年东京奥运会之后的1965年，日本的电能消耗只占能源总消耗量的13％，而到了1998年，电力的市场份额已增长到了24％。中国目前电力的市场比例为14.3％，相当于日本1971年时的情况。
2、2住宅方面
能源在住宅中的转变比在其他地方的转变重要的多。每户人家的年度能源消耗中，电能已从1965的23％增长到了1998年的43％。在日本，电能用于一小部分的取暖（11.9％，1999），做饭（22.8％），烧水（6.6％）。但是随着热泵的普及，近来电能在空间取暖中的使用已呈现增长态势。至于中国的情形，每户人家的能源消耗中，煤炭的比例在1965年时为35％，但在此后的十年中就已降到了3％，到了1998年则仅为0.2％。
图1展示了英国、美国、日本和札幌家庭能源使用的对比。其中最大的不同是空间取暖。通过在国家（或城市）间进行的适当对比，我们发现根据气候差异、家庭所在地区和住宅大小来调整能源的使用是十分必要的。札幌（寒冷的气候）的能源需求结构与欧洲国家十分相近。
国际间家庭能源使用的比较
来源：EDMC
图2说明的是在北侮道（首府即为札幌）住宅中用于取暖的各种能源类型。札幌取暖的时间在1975年是2629小时，在1998年时是2548小时。绝热材料的改进和燃料的转换，使供暖的能源效率得到了提高。
图21995年和1998年北海道家庭中用于取暖的能源消耗
来源：1999年对住宅方面的年度能源统计，JukankyoKeikakuKenkyusho，2001（日语）
2、3商业（服务业）部分
商业方面的能源用量，在总需求中已从1965年的6.5％增长到了1998年的12.5％。能量强度定义为每平方米一年的能源使用量。能量强度在1973年时最高，为362兆卡／平方米，此后直到1988年每年下降1.9％。这种下降是由煤炭和石油使用的减少引起的。然而，从1988年以后，因为办公自动化（即用电强度的增长），能量强度又以每年0.5％的速度递增。
由于电能和其他替代燃料应用于取暖及烧水，使煤炭所占的比例从1965年的15％降至1998年的2％（图4）。电能的比例则从1965年的16％增至1998年的46％。电能的效率已经大大提高，尤其在用于取暖方面，这主要是由于一些有效设备的技术突破、例如大城市中的热泵、高效建筑物的外包层以及大城市中的热岛等。提高油价和根据能量强度修改的建筑条例其作用是十分重大的。
图3商业方面的能量强度
来源EDMC
图4商业方面能源的转变，1965-98
来源：EDMC
3、藉于能源保护法的设备效率标准顶级信使方式
3、1新效率标准
1998年5月，众所周知的关于合理利用能源的能源保护法（ECL）被重新修订。它提出（1）关于工厂的措施（2）关于建筑的措施（3）关于器械设备的措施。在（3）中，关于器械设备的措施，对每个制造商每年产品的效率制定了一个比较低的界限。当标准被修订时，采用了“顶级信使”的方式。这种方式就是将最高效产品的效率水平作为下一个效率标准，包括未来科技水平的发展。到目标年，各种设备节能的效果估计见表。2．能源的节约率是政府在假定那时的平均单元大小和性能与现在相同之后计算出来的。
制定效率标准的基本方法有两种：统计方法和工程/经济方法（经济合作暨发展组织/IEA，2000）。前一种方法使用于市场上所有产品型号的效率，标准是在去除部分最低效型号的水平上建立起来的。由于后一种方法需要成本来改进每种器械的效率，所以前一种方法更容易实行。欧盟（只有电冰箱）和加拿大使用的是统计的方法，美国使用的是工程/经济方法，而日本的顶级信使方法被认为是统计方法的特殊情形。然而同时，工程/经济分析的方法在制定标准的过程中也同样发挥作用。我是空调和冰箱标准制定委员会的成员，我概述了到2010年，标准对电能总消费量产生的作用。
表2目标年已校定标准的能源节约率产品标准水平单位能源效率改进比率目标期限（财政年）电冰箱各有不同kwh/年30.4（vs.FY1998)2004空调COP*热泵2.85-5.2762.8（vs.FY1997)2004(冷却年)**冷却装置2.47-3.6414.6（vs.FY1997）2007(冷却年)日光灯49.0-86.51m/W16.6(vs.FY1997)2005电视机根据大小而不同kwh/year16.4（vs.FY1997）2003录象机（使用备用电源）1.7-4.0W58.1（vs.FY1997）2003
来源：Nagata（2001），经济合作暨发展组织/IEA，能源标号与标准（2000），P160
*性能系数（COP）=冷却或加热量除以输入能量
*除直吹型之外的热泵的目标年，壁挂型（＜4KW）的冷却年是2007
在日本，效率标准是按照下述步骤制定的：
第一步：选择出要建立效率标准的电器设备。
第二步：为每种设备确定合适的型号/种类的范围。
第三步：确定测试程序。
第四步：对每种常用设备的效率和产品价格区别进行分析。
第五步：将设备分列入各个独立设立标准的类别中。
第六步：用顶级信使方法为每个类别的实施和标准确定目标年。
第七步：制定其他细节，例如商标的要求、违规的惩罚等等。
在第一步中，主要考虑到能源的消耗，我们选择了八项：汽车，电冰箱，空调，日光灯，电视和录像机，影印机，计算机和磁性硬盘驱动器。在第二步中，去除了用途特殊或模型数量有限的装置。比如电冰箱和空调的标准仅适用于住宅模型，而不适用于商业模型。
3、2一项简单的经济分析
制造商品能够达到这种新标准。因此，预计消费者将会选择有效率的电器型号。那么消费者对高效率产品的接受程度又如何呢？举个例子，2000年，日本一家最重要的电器设备公司，松下公司生产出了两种不同牌子的空调。效率高的那种用于高负荷场合。通过价格和能源效率的比较，可以计算出制造商的资金收回时间。Matsushita公司估计2.8千瓦的那种模型，每年将消耗980度的电量（216度用于制冷764度用于取暖），而效率差的模型每年将消耗
1，489度的电量（328度用于制冷1，161度用于取暖）。区别相当于11，700日元的电量消耗（l美金＝130日元，1人民币＝15日元），大致的资金收回时间是4.6年（见表3）。然而真实的市价比较低，价格缺口也不大（在东京的一家著名的大规模零售商店中，2.8千瓦规格的价格是44，600日元）。换句话说，市场上高效率电器的价格反映了客户的主观预期比率。用于住宅的高效率电器的资金收回时间估计是三到五年。上述信息说明用市场价格去估计高效技术的经济性是适当的，资金收回时间也会减少。其他的手段比如商标和产品说明书等，也会促进消费者的选择。
表3空调的性能系数和价格缺口使用功率（供冷）高效型的性能系数（E系列）低效型的性能系数（SG系列）价格缺口（推荐零售价格的缺口）制冷加热制冷加热2.5KW5.495.673.914.1152，000日元2.8KW5.235.423.443.5753，000日元4.0KW3.814.292.803.2139，000日元
来源：制造商目录与市场研究
3、3按照效率标准对实际进步的估计
最近，METI公布了对由能源与自然资源顾问委员会能源保护分会依据新效率标准对实
际改善情况的估计。图5所示是空调的结果。表4概述了从1990年到2010年储存能源效率的
变化。，而到2010年由顶级信使方式产生的额外的效率将增加10.7％。
表419902010年空调储存能源效率的变化电器1990年每件家电能源消耗（KWh/单位）2010年每件电器平均能源消耗（KWh/单位）从1990到2010的改善比率2010年新标准产生的额外改进比率旧标准旧标准旧标准新标准空调1754.21252.61065.4-28.6%-39.3%-10.7%
来源：METI（2000）
表5概述了从1990年到2010年的能源消耗及主要因素的改变。对于一定范围内的设备而言其它因素的改变预示着对效率改进的努力将会在某些程度上被抵消。至于空调，数量的巨大增长将会超过能源节约的效果（改进效率和减少单位平均工作时间）。空调的家庭平均拥有数量预计将会从1990年的1.27个增长到2010年的3.22个（1997年为2.3个）。因此，尽管采取了房屋使用绝热材料等措施，使装置的平均能源消耗量下降50.2％，但估计到2010年空调的能源总消耗量还是将会比1990年增长33.7％。
表5从1990到2010年主要因素的变化装置1990年平均家庭能源消耗（kwh）/家庭单件电器平均消耗储存能量的变化房屋热放射系数的变化其他因素的变化能源总消耗的变化2010年家庭平均能源消耗（kwh/家庭）空调
711-
39.3%-
10.9%+83.9%+33.7%951电冰箱
913-
73.0%-+12.5%60.5%361电视机425-
21.3%-+21.3%+0.5%427日光灯
711-
11.0%-+18.4%+7.5%765总计2，760----9.2%2，504
来源：METI（2000）
*包括从1990到2010年家庭数量20.8%的增长
4、经济刺激和其他政策手段
4、1公共事业对经济的刺激
需求方管理（DSM）可以减小需求的日夜和季节的负荷水平差异，提高需求方的能源效率，通过减少对新设施和现有高效设备的投资来提供经济利益。日本的公共事业机构积极促进负载水平和高效设备（比如热储型空调系统）的普及和发展。
一种电力合同被称为负荷调整合同，它针对通过工厂生产过程调整、暑假变化，或者入热储箱而调整的负荷水平，实施电费打折。在东京电力公司（TEPCO）区域，由于实施了负荷调整的三种合同，实际电力高峰负荷降到41亿瓦，这相当于1999年高峰负荷的7.0％。由于需求方管理的努力，使这种管理方式的实际作用有明显提高。我于1998年11月在中国的第10届APEC公共机构间DSM联络组中介绍了日本电力公司的DSM活动。请查阅会议纪录并询问中国政府机构DSM指导中心的详细信息。在日本，除北海道之外的绝大部分地区电力系统都在夏天达到高峰，北海道则在冬天达到高峰。因为空调的使用，绝大多数DSM都把努力重点集中在夏季负荷高峰期。
对于北京，介绍具有冬季高峰的北海道电力公司（HEPCO，www.hepco.co.jp）所实施的DSM计划是十分有用的。他们为蓄热用户提供了一份特别的价目表。这些价格表鼓励冷冻空调系统向蓄热型负载转换（即使在北海道，夏天商业大厦也要开冷气）。作为消费者，将蓄热箱的负荷从白天转到夜晚的交换条件，是电费提供了很大的折扣。价格大约是4.6到5.0日元／kWh（商业的平均单位价格大约是20日元／kwh），非高峰期的时令（TOU）价格则更低。住宅和商业TOU的价格和储热合同限定的高峰期定义为，在北悔道从十一月到二月的16：00到18：00，其它地区的高峰时间是夏季的13：00-16：00。
除了面对蓄热用户的特殊价格系统，日本所有的电力公司都对安装冰储藏空调系统和节能型自动贩卖机采取鼓励的支付计划。热泵空调的电费是每高峰转换千瓦5万日元。这些计划在5年（1995-1999）的时间内得到实施，从而有力支持了突破性的初始阶段。HEPCO将这种鼓励式的支付方式延长到了2003年。
电力公司例如HEPCO提供了一种服务，在这种服务中，HEPCO代表客户对热源装置进行设计、安装、运行和维修。这种服务能帮助客户减少初期投资，及装置操作和管理的强度。
4、2政府补贴
作为EPCO努力劝说当局（METI）的结果，政府已经制定了官方支持的计划，来促进高效能源装置和系统的推广运用。这是一项由政府和公共事业联合的能源增效计划。
1、蓄冰或蓄热式空调补助金
政府对包括传统空调的安装费用（例如：对于5马力的补助7万日元）在内的额外花费补贴一半。对于那些容量低于10马力，最高转换率不低于40％的分散冰蓄热式空调系统，补助金可从日本热泵与热储技术中心（www.hptcj.or.jp）获得。这笔补助金原来是计划用于一项1998-2000年的三年计划，来促进冰蓄热式空调系统的大规模生产的。然而，由于冰蓄热式空调系统的经济性还不足以大规模生产，2001财政年度METI依然持续不变。2001财政年度总预算是32亿日元（2千5百万美金），而2000个客户的6300个单位得到了补助金。高峰转换的总结果估计是34兆瓦。
2、能源改革课税低免计划
安装了节能装置的企业，可以从它们的公司税金中减去设备成本的75％（这种减除仅限于小规模及中等规模企业）或者在初始年的折旧中加入设备成本的30％作为特别折旧。
3、政府金融机构的低利率资金计划
日本发展银行和日本金融公司为小商业或国有财政公司提供了非常低廉的利率
4、3地方政府将主动减少二氧化碳的排放量
依据英国标准单位协会（BAU）的标准，在2010年东京二氧化碳的排放量将比1990年增长24％。东京市政府计划将二氧化碳的排放量减少到低于1990年6％的水平，也就是减少BAU标准的24％，相当于462万吨碳。65％的二氧化碳减少量将通过改进能源效率来完成，比如促进高效率住宅的建筑，抑制交通需求的城市计划及区域供冷供热（DHC）采用城市废弃能源。
5、日本的热泵技术及推广
5、1热泵空调
高效设备例如热泵技术在住宅和非住宅区的突破，使供热时的能源效率得到了提高。日本每年生产的热泵空调，住宅用量大约为6到8百万台，商用大约是60到80万台。热泵的工业应用包括空调和加工供热。此外，热泵的普及不仅提高了能源效率，还改善了室内的空气质量。
低温时的空气热泵
低温时的住宅用热泵空调，正在由包括北海道电力公司（HEPCO）在内的公共机构进行研究。Tohoku电力公司正在测试地方政府办公室内安装的储热型热泵空调系统的性能，那里的最低温度大约是-10℃
水源型（浅层地下水）热泵
历史上，日本在30到60年代曾采用了大量的地下水源型热泵系统。70年代时，几十个地下水热泵系统应用于宾馆、医院、公寓等建筑中。但是，由于回收水及地表下陷的等问题，地下水源型热泵系统还没有被完全推广。
现在有两种用于建筑的地热源热泵系统。在美国，大型独立式的房子采用的都是水平型系统。美国每年地热源热泵系统的产量大约是4万台。而在日本，出于房屋空间的限制，垂直型系统将更有发展前途。但是由于目前钻探费用是地热源热泵系统得到采用的巨大障碍，所以除特殊项目之外政府不对终端用户提供直接补助来改进地热源热泵系统。
在广岛郊区的保健中心，有一个地热源热泵系统（深100米），这个热泵系统为游泳池提供空调和热水。另外一个用土层储热的例子是北海道Kitahiroshima的一种洗衣店内的设施，它已经正常运行20年了。Chubu公司于2001年6月为在长野地区销售部（最低温度为-14到-17C）安装运行一个地热源热泵系统，并已开始测试性能。
新能源与工业技术发展组织（NEDO）已针对地热源热泵在住宅中的使用，实施了一项经济可行性研究。如果这个系统的成本是470万日元（热泵70万日元，加地热转换每单位400万日元），那么在北海道的投资收回时间是29年。如果地热转换每单位的最初成本能够降低到200万日元，那么资金收回时间就能缩短至13年。而最关键的一点是降低钻探费用。NEDO在中国和日本都赞助了几项地热热泵系统的示范项目（地热能，Vol.24，No4，2001）。2000至2001年间在长春市地热开发有限公司还投资了一项实地试验项日，结果非常好（性能系数为3.12，二氧化碳排放量降低了62％，Sox排放量降低了99％）。
5、2自然制冷二氧化碳热泵热水器（EcoCute）
在与Tohoku电力公司和Dnso公司的一个合作项目中，CRIEPI为住宅使用开发了世界上第一个自然制冷的二氧化碳热泵热水器。这种热水器在2001年6月时投入了市场。它能够产生相当于电能消耗3倍的热量，所以与传统的热水器相比，可以节约30％的能量。因为重新利用了在工业产品生产过程中产生的二氧化碳，EcoCute还有助于保护臭氧层和减缓全球变暖。
5、3蓄热系统：节约能源及减少二氧化碳的作用
采用高效热泵作为热源单元的蓄热系统，能够得到相当于输入能量3至5倍的热量，也就是说，性能系数（COP）是3到5。而且，因为夜晚蓄热白天用热，即使考虑到蓄热损失。蓄热系统每年还是比空调系统少用10％的能量，这是因为热源单元定额运行的结果提高了蓄热系统冷却效率，晚上使用户外的冷空气（TEPCO，2001）。
蓄热系统与非蓄热系统相比较，还能减少26％的二氧化碳排放量，这是由于非高峰期能量的充足供应和晚间矿物燃料比重较小。随着消费者充分认识到蓄热系统的环保和高能，蓄热系统将会逐渐得到广泛应用（尤其是公众使用者），2000年的东京地区（TEPCO服务区域），通过使用蓄冰蓄水系统，474兆瓦由高峰期转换到了非高峰期（TEPCO，2001）。
5、4采用城市废弃能量的区域供暖供冷（DHC）系统
作为提高建筑供暖供冷能量效率的主要技术之一，利用建筑、工厂、变电所、海洋、河流及污水废弃热量中没有利用的能量，将会减少矿物燃料的使用量和SOx、NOx、GHG的排放量（图6）。
来源：TEPCO（2000）
第一个采用未利用能源的区域供暖供冷系统是，1986年东京的污水处理设施。电力公司正强烈主张和促进引进这种类型的热能回收。现在有许多采用废弃能源的区域供暖供冷系统，尤其是在大城市。比如东京地区，到200l年3月底，就已有42处。Tohoku电力公司的区域供暖供冷系统具有很高的能量效率，他们采用的蓄热系统具有高效的热泵，能够有效利用河水等未利用能源中的热能（图7）。
与上述非蓄热系统相比较，蓄热系统能够节约大概l0％的能源，而有效利用废弃能量则又可节约20％的能源。如图8所示，利用河水能源的DHC的一般能源效率是1.3。具有大型蓄热箱的DHC的另一个特征是“社区箱”，它可用于预防地区灾害，提供救火用水以及在发生紧急情况时维持人们的日常生活。图7对DHC能源系统的比较
来源：TEPCO（2000）
6、总结评论
在能源总供应中，电能的比例增大将提高能源效率。随着热泵系统技术的进步，供暖与制冷的能源使用效率将得到提高。由于电脑等设备对电能特殊需求的增长，电力需求也将增加。
有效利用电能是中国、日本及其它国家的普遍目标，我们应该共同总结经验教训，来提高大城市中的能源效率。日本的电力公共机构提供不同的电费选择，以此来促进高效装置设备的普及和能源的更有效利用。
这篇论文集中讨论了住宅和商业方面电能的有效利用，除这些方面以外，在大城市，交通运输中的能源利用和排放问题对环境和经济都是十分重要的。东京市政府和其它的一些政府正计划引进一种新型燃料公共运输系统，例如氢燃料车站。问题是，该如何从天然气、闲置能量及可再生能源中提取氢燃料呢？
参考书目
浅野浩志（1998）。“日本电力工业DSM现代化及管制解除”，APEC公共机构间DSM联络组第10次会议，1998年11月，中国Wuzi。
ECCJ（能源保护中心，日本），1999：1999年住宅能源消费手册（日语）
EDMC（能源数据和模型中心）：日本能源与经济统计手册，2001
METI（经贸工业部），1998：能源效率标准的决定报告（日语）
METI，2000：能源顾问委员会能源保护分类的中间报告（日语）
Y.Nagata，对日本装置能源效率标准的分析，ECEEE2001夏季研究，2001年6月，
Mandeliev，法国
经济合作暨发展组织／IEA，2000：能源分类与标准
L.Schippereta1，能源效率与人类活动，剑桥大学出版社，1992
东京电力公司，环境行动报告，2001
M.Shimojo:（NEF）：促进地热泵与地热能源的应用Vo1.26，No.1,2001（日语）
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