2.1 节能的概念及其理论基础

节能是节约能源的简称，在不同时期有不同的内涵。我国新修订通过的《节约能源法》中节约能源，是指“加强用能管理，采取技术上可行、经济上合理以及环境和社会可以承受的措施，从能源生产到消费的各个环节，降低消耗、减少损失和污染物排放、制止浪费，有效、合理地利用能源。”这表明，要达到节能目的，需要从能源资源的开发到终端利用的全过程，通过能源管理和能源技术创新与应用，与社会经济发展水平相适应，与环境发展协调，实现能源的合理利用、节约利用，以达到提高能源利用效率、降低单位产品的能源消费和减少能源从生产到消费过程中对环境的不利影响。可见，节能既涉及生产领域的节能，又包括了消费领域的节能，并总是与一定历史时期的社会、经济、环境和技术条件密切联系。

1．能、能量和能源

物理学中的“能”指的是物体做功的能力。能量是能的数量和质量的统一，表征能源数量的多少和做功能力的高低。能源的解释目前大约有20多种不同的定义。世界能源大会（WEC）认为，“能源是使系统能够产生对外部活动的能力”，这一定义中的“能源”实际上指的是“能”，因为英文中“能”和“能源”用的是同一个词。我国的《能源百科全书》说：“能源是可以直接或经转换提供人类所需的光、热、动力等任意形式能量的载能体资源。”我国《节约能源法》中规定，“能源是指煤炭、石油、天然气、生物质能和电力、热力以及其他直接或者通过加工、转换而取得有用能的各种资源。”可见，能源是一种呈多种形式的，且可以相互转换的能量的源泉，是自然界中能为人类提供某种形式能量的物质资源。

能源的基本属性包含了自然属性和社会属性两个方面。上述定义描述的自然属性即物理属性或资源属性，表现为作为自然界中物质资源的客观性和稀缺性；形式多样性及可转换性；从开源、转换、输配到利用整个过程的多样性和复杂性。能源的社会属性表现为能源作为国民经济发展的重要物质基础，能源的供应在许多国家被视为公共服务，体现了能源的社会经济性；能源利用主体和能源服务对象的广泛性，以及能源资源作为社会财富的公平性等。

2．能耗和能源服务

能源的利用或消费即形成能耗，消耗能源的目的是提供一种服务，即“能源服务”。陈新华^[2]从能源服务角度将能源分为三类：移动力、热力和电力，并由能源服务引申出有用能源的概念，如图2.2所示。

从图2.2可见，能源服务都是通过技术设备来提供的。能源的消耗量不仅取决于技术设备的效率，还取决于设备的运行时间和设备运行主体的操控行为等。能源系统的利用效率就和技术设备的运行管理和更新改造紧密相关，能源消耗量的大小不仅仅受制于设备的技术水平，还与能源服务水平和能源服务环境要素密切相关。

3．能源消耗的环境概念

能源活动引起的环境问题，通常称为能源环境问题。中国面临的能源环境问题主要有：燃煤过程中排放的二氧化硫造成严重的酸雨污染；化石燃料燃烧产生的二氧化碳排放引起的全球气候变化等。全球气候变化正严重威胁着人类的生存和发展，世界能源资源又将日益枯竭，从能源消耗的环境影响角度，中国已将建筑节能作为迈向低碳排放的一个关键领域。

建筑能源消耗的环境影响体现在以下几个方面：新建和改建的建筑，要消耗掉大量林木、砖石和矿物材料，资源消耗速度超过资源自我补充速度，破坏了生态平衡导致生态危机；建筑的采暖、空调、照明和家用电器等设施运行消耗了全球约1/3的能源，主要是化石能源，而这些化石燃料是地球经历了亿万年才形成的，它将在我们这几代人中间消耗殆尽；建筑物在使用能源的过程中排放出大量的SO₂、NO_x、悬浮颗粒物和其他污染物，影响人体的健康和动植物的生存；世界各国建筑能源使用中所排放的CO₂，大约占到全球CO₂排放总量的1/3，其中住宅大体占2/3，公共建筑占1/3^[3～4]。以美国纽约为例，2007年由于能源消耗所产生的温室气体排放比例，建筑占51%（包括电力消耗产生的间接排放）、交通占37.5%，而工业只占11.5%。2006年英国伦敦的温室气体排放总量中，建筑占71%、地面交通占22%，工业仅占7%；建筑排放中，仅燃气供暖就占了近80%。在中国城市中，由于能源统计分项方法与国外不相同，相应的碳排放量还没有统一的数据^[5]。所以，建筑节能已成为建筑领域能源消耗的环境责任，既要重视建筑使用过程中能源消耗的环境影响，也要重视建筑建造过程中的环境影响。

4．节能的理论基础

“在中国，为了多提供1MW的电力所需的发电费用至少相当于通过改善能效节省1MW的费用的4倍---这还不包括因矿物燃料燃烧而付出的环境代价。”[6]所以，节能是解决能源和环境问题的最快捷和最清洁的方法。正确的节能实践活动，需要科学把握“节能”的本质，首先需要理解节能本身的理论基础。

1）物理学理论基础

根据热力学第零定律，如果两个热力学系统中的每一个都与第三个热力学系统处于热平衡（温度相同），则它们彼此也必定处于热平衡；热力学第零定律的重要性在于它给出了温度的定义和温度的测量方法，为研究热功转换奠定基础。根据热力学第一定律，能量可以转换为不同的形式，能量开发、输配、利用过程中任何形式的能量都不能被“扔掉”，这就要求能源消耗的速度不能超过自然界补充的速度，表明系统输入的能量是能源节约的基数和物质基础。根据热力学第二定律，当能量从一个封闭的系统通过时，系统用于做功的能量会减少，即能量的品质在形式自发转换过程中会持续降低。热力学用“熵”表示系统无序程度，则能量转换与利用过程中封闭系统的熵增加，可用于做功的能量减少，处于平衡态时的熵达到最大。热力学第一定律和第二定律对建筑能量利用的启发是，能量消耗过程中必须将能源数量和品质结合起来，创造一种集约的能源使用方式，按能量品质关系形成的消耗结构确定高品质和低品质能量的合理使用方法，尽可能创造消耗最大能量品质的系统。

1906年能斯特提出了热力学第三定律，认为通过任何有限个步骤都不可能达到绝对零度，这个理论在生产实践中得到广泛应用，因此获得1920年的诺贝尔化学奖。美国化学教授G.F.Pollow^[7]提出热力学第四定律，“任何能量转换的网络（或远离平衡态的耗散结构）是由一个与其环境耦合的瞬时系统组成的，这个系统的势能耗散率不仅受到系统内部的制约，而且受到外部环境的限制”。这表明，为了提高能源利用效率，应当重视能源利用过程中的产物，有效进行循环利用或进行反馈循环设计，使能量消耗本身变成生产更多能量的催化剂。这类似生态领域中的“自动催化反馈设计”原理，将垃圾作为生产资源并使能量在系统中保存尽可能长的时间，从而为充分利用能量品质提供有效途径，创造能源可持续的消费模式。以上热力学定律表明，人工环境营造过程中必须循环使用能源和资源，尽量将能量保存在建筑物中更长久，通过生存方式设计产生和利用副产品作为资源生产的物质和原料，尽可能减少能量循环过程中向自然环境排放能量。

当代社会是信息社会，信息不仅包含了人类所有的文化知识，还概括了我们五官所感受的一切。1948年信息论创始人香农（C.E.Shannon）^[8]从概率角度给出了信息熵的定义，并认为信息熵的减少意味着信息量的增加，在一个过程中信息量等于负熵，信息熵就是信息量的缺损。薛定谔《生命是什么？》中有一段名言：“生命之所以能存在，就是在于从环境中不断得到负熵，有机体是依赖负熵而生的。”生命的热力学基础，就是要求有机体维持在低熵状态，作为开放系统在与环境进行物质和能量交换的同时摄入低熵物质、排出高熵物质。建筑与有机体类似，建筑系统本身也不断与环境进行物质和能量的交换，同时通过建筑主体参与者进行信息传递，如图2.3所示。

可见，建筑节能的物理学基础就是通过节能理念输入（信息量），降低建筑系统能源的输入（能源的数量，热力学第一定律描述能量的守恒）和提高能源利用过程的效率（能源的质量，热力学第二定律描述能量转换的方向和条件），来减少能源的消耗（热力学第四定律描述环境影响与制约）。输入的信息量越多，建筑系统单位能耗就越低。

2）经济学理论基础

能源活动是经济活动的重要组成部分，能源本身是开展一切经济活动的重要物质基础。能源的经济学理论基础主要包含能源的需求、能源的定价机制、能源产业的组织结构、能源对其他产业结构变动趋势的影响等理论。能源资源公平分配、能源资源有效配置、能源效率提高和能源经济协调发展等成为能源影响经济发展的中心问题，表现在能源价格变动对经济增长率、通货膨胀率、资本市场、劳动力供给，环境污染以及真实工资的影响等。

能源产业建设周期长、建设成本高，只有能源价格与节能成本反映长期的边际成本，使能源投资有利可图，才能促进能源产业的可持续发展。能源服务受能源消费市场机制的影响，能源服务的成本通过能源系统的经济性体现出来，通过合理的能源价格进行调控。能源价格不仅要反映能源生产成本，还要反映能源资源的稀缺性，能源使用的环境和社会成本，以及保障能源安全（如剩余生产能力）所需要的成本等，要求每一种能源的使用都要考虑其经济成本和可持续发展的未来市场。

能源消费带来的污染具有强烈的外部性，污染给全社会造成损害，能源消费者支付修复这些损害所需要的成本，可以通过税收的形式在价格上得到体现。在市场经济中，能源节约和开发是完全不同的。节能的市场缺陷和市场障碍要比开发大得多，而节能具有公共事务的性质，市场作用有限。能源供应系统主要由市场决定价格、数量和技术选择，政府的作用应限于市场失灵的能源节约领域。据世界银行研究^[9]，市场力量对实现节能潜力的贡献率只有20%。市场经济国家的实践表明，节能同环保一样，政府必须起主导作用。

3）社会学理论基础

节能活动所涉及的技术和工艺实践既服从自然科学和技术科学规律，同时又需要从社会的观点去分析其社会属性，这是由能源活动的社会属性决定的。随着人类对各类能源开发与利用的规模、水平的不断提高，能源系统与社会系统之间的关系越来越复杂，与能源相关的社会问题也越来越尖锐，这就需要利用能源社会学理论来分析和解决问题，研究能源系统与社会系统协调运转的机制与规律，探讨促进人与自然、环境的协调发展，促进能源资源的可持续利用的途径与措施，其社会属性体现在能源系统与外界进行物质转换、信息传输过程中产生的各种社会关系以及能源系统内部形形色色的社会关系，主要包括能源与社会文明、社会变迁的关系，能源的开发、消费与人类社会可持续发展的关系，能源利用与全球环境变化的关系，能源与国家政治、经济、社会安全的关系，能源社区与能源组织中各种关系以及未来能源与未来社会的关系等。

建筑领域的能源消费，具有更显著的社会属性。建筑能源服务的对象不仅是自然的人，而且是社会的人；不仅要满足人们物质上的要求，而且要满足他们居住文化和传统习惯上的要求，能源节约已成为一个与社会公平相关的重要问题之一。

可见，基于节能的三大理论基础，能源具有三种属性，即自然属性、经济属性和社会属性，自然属性和社会属性是能源的基本特性，而经济属性属于能源的应用特性，如图2.4所示。当前，世界各国政府都已经对可持续发展达成理论和行动上的共识，而在可持续发展的框架下建立能源的“自然-社会-经济”一体化系统，从而实现能源与经济、人和社会协调发展，已成为推动经济和社会发展的根本途径。