能源效率

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有效能源利用（Efficient energy use）或称能源效率（energy efficiency，简称“能效”）是提供产品和服务过程中最小化使用能源的做法。目前有许多技术和方法较以往更为节能。例如对建筑物进行隔热（绝缘）可让其使用更少的供暖和冷却能源，而仍能让人舒适处于其中。另一做法是取消有促进高能源消耗和低效率能源利用的能源补贴。提高建筑物、工业流程和交通运输的能源效率可在2050年将世界能源需求降低三分之一。

促成提高能源效率的主要动机有二：首先是在使用设备或制造过程中可达到节约成本的目的。然而使用节能技术需要前期成本（即资本成本），可透过生命周期评估来分析进行不同做法的成本比较。另一动机是减少温室气体排放，以致力于气候行动。关注能源效率还可为国家能源安全带来益处，因为如此做可减少能源的进口数量。

能源效率和再生能源在永续能源政策中齐头并进。两者在能源层级的重要性排序中居于第二及第三（排名第一的是节约能源）。

## 目标

能源生产率所衡量的是每单位能源输入，产出的商品和服务的数量和品质，可由减少生产所需的能源量达成，也可来自使用相同能源量，但产出商品和服务的数量和品质均有提升。

从能源消费者的角度来看，能源效率的主要动机往往只是降低购买能源的成本。从能源政策的角度来看，人们长期以来越来越广泛体认能源效率是"第一燃料"，能替代或避免实际燃料消耗。事实上，国际能源署（IEA）计算结果，其成员国在1974年至2010年间实施的能源效率措施，所节省的能源量大于任何单一燃料（包括化石燃料，即石油、煤碳和天然气）的消耗量。

尤有甚者，人们早已体认到能源效率除能减少能源消耗之外，还带来其他益处。对这些其他效益（通常称为多重效益、共同效益、辅助效益或非能源效益）的一些价值估计，显示它们的总价值甚至高于能源产生的直接效益。

能源效率的多重好处包括减少温室气体排放、降低空气污染、改善健康、提高能源安全等。目前已有计算这些好处的货币价值法，例如选择实验法：适用于包含主观成分 (例如美观或舒适度) 的改善措施，图奥米宁-塞帕宁方法 (Tuominen-Seppänen method)：适用于价格波动风险降低的情境。当将之分析，会发现能源效率投资的经济效益会明高于单纯节省能源的部分。

事实证明提高能源效率对发展经济是一具有成本效益的策略，同时又不一定会增加能源消耗。例如美国加利福尼亚州于1970年代中期即开始实施能源效率措施，包括具有严格效率要求的建筑规范和电器标准。在接下来的几年里，该州的人均能源消耗量基本上持平，而美国全国能源消耗量却翻了一倍。加州同时制定新的能源"优先级"，将能源效率摆在第一，再生电力供应摆第二，排在第三的是新建化石燃料发电厂。康乃狄克州和纽约州等州已创建具有准公共性质的绿色银行，以帮助住宅和商业建筑业主为能源效率升级提供融资，借此减少排放并降低消费者的能源成本。

## 相关概念

### 节约能源

所谓节能，其包含的范围又比能源效率更为广泛，除更有效使用能源之外，还包括积极减少能源消耗（例如透过行为改变）。在不提高效率的情况下节能的案例有于冬天减少室内供暖、减少使用汽车、风干衣服（而不用烘干机），或在电脑上启用节能模式。有效能源利用和能源节约之间的界线可能很模糊，但两者在环境和经济方面都很重要。

能源效率——使用更少的能源而能得到相同的商品或服务，或用更少的材料而能得到类似的服务——是许多此类策略的基石。IEA估计把能源效率提高即可实现《巴黎协定》目标所需减排温室气体的40%。要节能，可透过提高电器、车辆、工业流程和建筑物的技术效率来达成。

### 永续能源

一种既能满足当代人发展需求，又不损害后世人需求的发展模式，称为可持续发展。能够满足可持续性的能源，则是可持续能源，或称可再生能源。能源的可持续性包含环境层面、经济层面和社会层面等。

## 始未料及的后果

如果能源需求保持不变，提高能源效率将可减少能源消耗和碳排放。然而许多效率改进并不能将能源消耗降低到如简单工程模型所预测的数量。因为如此做后，能源服务变得更便宜，反会导致消耗增加。例如由于节能车辆让旅行变得更为便宜，消费者可能会行驶更远的距离，而将一些潜在的能源节省成效抵消。同样的，对技术效率改进作广泛的历史分析，所显示的是能源效率改进几乎全被经济成长所超越，导致资源使用和相关污染发生净的增加。这些都是反弹效应（节能）所显示的案例（参见杰文斯悖论）。

反弹效应的程度估计约为5%到40%之间。家庭层级的此类效应可能低于30%，交通层面的效应可能接近10%。当反弹效应为30%，表示基于工程模型预测的能源消耗减量中，实际上只有70%能够实现。

## 选项

### 电器

现代的电器，例如冰箱、烤炉、炉灶、洗碗机、洗衣机和干衣机，所耗用的能源比旧式电器会少得多。例如目前的节能冰箱比2001年出品的型号可节能40%。根据这项研究，如果欧洲所有家庭都将使用超过十年的旧电器换成新的，每年可节省200亿千瓦时（kWh，即一般常所说的"度"）的电力，而二氧化碳排放量将会减少近180亿公斤。在美国，对应的数字为170亿千瓦时的电力和27,000,000,000磅（1.2×1百亿公斤）二氧化碳。根据咨询公司麦肯锡于2009年发表的研究报告，更换旧电器是减少全球温室气体排放最有效的措施之一。现代电源管理系统还可设定在一定时间后将闲置设备关闭，或将其置于低能耗模式来减少能源使用。许多国家使用能源投入标示来标明何者是节能电器。

能源效率对用电高峰的影响取决于设备在何时使用。例如在下午天气炎热时，空气调节会消耗更多能量。因此高效率节能空调对用电高峰时段的影响会比非高峰时段的影响更大。另一方面，节能洗碗机通常在深夜使用，虽然当时会消耗更多的能源，但可能对用电高峰几乎没影响。

科技公司在2001年至2021年期间已在电路中使用反应更快的氮化镓晶体管以取代传统的硅开关，让新设备尽可能节能。氮化镓晶体的成本会较高。这种改变是降低碳足迹的重要步骤。

### 建筑物设计

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世界各地都致力于改善建筑物的能源效率，因为它们为主要的能源消耗者之一。然而建筑物的能源使用问题并不如想像中那么简单，因为使用能源所能达到的室内成效差异很大。保持建筑物舒适的措施、照明、暖气、冷气和通风都会消耗能源。通常建筑物的能源效率水准是将消耗能源除以建筑物的面积加以衡量，此被称为特定能源消耗或能源使用强度：

$$\frac \text{消耗能量}\text{建筑物面积}$$

然而纵观建筑物全生命周期，让问题更加复杂的原因是建筑材料本身有隐含能量（即制造材料所使用的能量）。在另一方面，当建筑物被拆除后，可透过将材料重复使用，或将其燃烧来取得能量（即从材料中回收能量）。此外，当建筑物经使用后，室内条件会发生变化，导致室内环境品质上升或是下降。最后，整体效率受到建筑物使用的影响：建筑物是否大部分时间都被占用，空间是否有效利用，或建筑物大部分时间是闲置的？甚至有人建议为能更完整核算能源效率，应将特定能源因素包括在内，而将公式修改为：

$$\frac {\text{隐含能量} + \text{消耗能量} - \text{回收能量}}{\text{建筑物面积} \times \text{空间利用率} \times \text{品质因子}}$$

因此要平衡达成建筑物的能源效率，不能就是单纯的尽力减少能源消耗而已。应将室内环境品质和空间利用效率等项目也列入考虑。因此，提高能源效率的方法有多种形式。方法中通常会包含一些先天性可减少能源需求的被动措施 （例如改善隔热性能）。许多措施可以一举多得，既能改善室内环境，又能降低能源消耗，增加自然采光即为其中一例。

建筑物所处的位置和周围环境对其温度和照明方面的调节有关键作用。例如树木、景观和山丘可提供遮荫和挡风。在较凉爽的气候下，在北半球建筑物设有朝南的窗户，和在南半球建筑物设有朝北的窗户可让更多阳光进入建筑物（即热能），最大限度利用被动式太阳能建筑设计来减少能源消耗。严谨的建筑设计，包括节能窗户、密封良好的门以及对墙壁、地下室和地基附加额外隔热配置，可减少25%至50%的热损失。

深色屋顶的温度可能比反射性最强的白色屋顶高出39°C (70°F)，而会将多余的热量传导到建筑物内部。在美国进行的研究显示浅色屋顶的冷却能耗比深色屋顶的建筑物少40%。白色屋顶在阳光灿烂的气候下可节省更多能源。先进的电子供暖和冷却系统可调节能源消耗，并提高建筑物内人员的舒适度。

正确设定窗户和天窗的位置，以及使用可将光线反射进入建筑物内设计可减少对人工照明的需求。一项研究显示增加自然光和使用特定目的照明可提高学校和办公室的生产力。一体式萤光灯的能耗比白炽灯少三分之二，前者的使用寿命是后者的6到10倍。较新的萤光灯可产生类似自然光，虽然使用的初始成本会较高，但它们具有成本效益，投资回收期甚至可低至仅有数月。LED灯的能耗仅为白炽灯的10%左右。

有效的节能设计可使用低成本的被动红外线，当厕所、走廊甚至非工作时间的办公区域等无人使用时，会自动关闭照明。此外，可使日光感测器来监控勒克斯水平，以决定使用自然光或是人工照明的时机，而减少电力消耗。建筑管理系统可将所有控制机制集中管理，以处理整个建筑物的照明和电力需求。

绿建筑XML架构是一新的开放架构，可促进储存在建筑信息模型中的建筑数据转移到工程分析工具，以专注于绿色建筑设计和营运。随着现代电脑技术的发展，市场上已出现大量的建筑性能模拟工具。使用者在选择专案中使用何种模拟工具时，必须考虑该工具的准确性和可靠性，并考虑自身手上的建筑讯息，再将资讯输入。三位研究人员Yezioro、Dong和Leite开发出一种人工智能方法来评估建筑性能模拟结果，并发现更详细的模拟工具在供暖和制冷耗电量方面具有最佳模拟性能，平均绝对误差可控制在3%以内。

能源与环境设计领导（LEED）是由美国绿色建筑委员会 (USGBC) 设计的评级体系，目的在促进建筑设计中的环境责任。他们根据建筑物是否符合以下标准：永续场地、省水效率、能源和大气、材料和资源、室内环境品质，以及设计创新，为现有建筑(LEED-EBOM) 和新建建筑(LEED-NC) 提供四个等级的认证。USGBC于2013年开发出LEED动态牌匾（LEED Dynamic Plaque），LEED动态牌匾是一种依据LEED指标追踪建筑性能的工具，也是种重新认证的途径。委员会于2014年与跨国性公司汉威联合合作，从建筑自动化系统 (BAS)中取得有关能源和水使用以及室内空气质量的数据，以自动更新牌匾，而能提供近乎即时的绩效表现。位于华盛顿哥伦比亚特区的USGBC办公室所在的建筑物是首批采用即时更新LEED动态牌匾的建筑之一。

透过对建筑物进行深度能源改造，可比传统的能源改造得到更大的节能效果。这种能源改造方式可应用于住宅和非住宅（即"商业"）建筑，通常可节省30%或更多的能源，因效果可持续数年，而能显著提高建物价值。位于纽约市的帝国大厦即经历此种改造过程，于2013年完成，工程花费440万美元，号称可节约38%的能源消耗。例如大厦的6,500个窗户就地被重新换成成超级窗户，可阻挡热量进出，但可透光。炎热天气下的空调运作成本降低，立即为专案资本成本省下大笔电费及改造成本。帝国大厦于2011年9月获得能源与环境设计领导 (LEED) 金牌评级，是美国LEED认证中楼层最高的建筑。于印第安纳波利斯的City-County大楼也进行过深度能源改造，能节能46%，每年省下75万美元的电费。

为评估对建筑物能源效率投资的稳健性，可使用成本效益分析（CEA）法作评估。CEA将所能节省的能源价值（有时称为负瓦（negawatt））以美元/千瓦时表达。这种计算中的能源是虚拟的，是由于进行能源效率投资所节省者。可将所得负瓦的价格与市场能源价格进行比较。CEA法的好处在于毋须猜测未来能源价格，而将能源效率投资评估中的主要不确定性消除。

### 工业

工业使用大量能源为各种制造和资源开采过程提供动力（热和机械动力），其中大部分以天然气、石油燃料和电力的形式产生。有些行业会由废弃物中生产燃料，以提供能源。

由于工业流程多样，因此无法逐一描述，许多取决于每个工业设施所使用的特定技术和流程。

各行业在生产过程中均会产生蒸汽和电力。发电之时，附带产生的热量可被捕获并用于生产蒸汽、加热或其他工业目的。传统火力发电的效率约为30%，而热电联产方式可将燃料的能源效率提高到90%。

先进的锅炉和熔炉可在更高的温度下运行，而同时使用更少的燃料。这些技术所产生的污染物也更少。

美国制造商使用的燃料中有超过45%是用来产生蒸气。透过隔离蒸汽和冷凝水回流管线、阻止蒸汽泄漏以及维护蒸汽疏水阀，可将能源使用量减少20%（根据美国能源部的数据）。

电动马达通常以恒定速度运行，但加上可调速驱动器后可让电动马达的能量输出与所需的负载相符，而能实现3%至60%的节能，具体取决于马达的使用方式。由超导材料制成的线圈可减少能量损失。采电压最佳化也能让电动马达节省电力耗用。

工业界使用大量形状和尺寸各异的泵浦和压缩机。泵浦和压缩机的效率取决于许多因素，但通常可透过实施更好的制程控制和更好的维护来增进效率。根据美国能源部的说法，透过安装可调速驱动器来优化压缩空气系统，并进行预防性维护以防止空气泄漏，可将能源效率提高20％至50％。

### 交通运输

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#### 汽车

估计汽车的能源效率为280乘客英里/106英热单位（Btu）。有多种方法可以提高车辆的能源效率，例如改进空气动力学来尽力减少空气阻力。减轻车身重量还也可提高燃油经济性（此为复合材料会被用于车身制造的原因）。

使用更先进的轮胎，可减少与路面的摩擦力和滚动阻力，也可节省汽油。将轮胎充气至正确的压力，燃油经济性可提高高达3.3%。将堵塞的空气过滤器换为新的，可将旧车的燃油消耗降低多达10%。在配备燃油喷射、电脑控制引擎的较新车辆（1980年代及以上）上，堵塞的空气过滤器对燃油里程并无影响，但更换后可将旧车加速度提高6-11%。空气动力学也有助于提高车辆的效率。

涡轮增压器可让较小排气量的引擎提高燃油效率。

节能汽车的燃油效率可能达到一般汽车的两倍。有些尖端设计的燃油效率可达到目前传统汽车平均水平的四倍。

汽车效率的主流趋势是电动载具（全电动或混合电动）的兴起。电力驱动动不会排放温室气体，这种影响在城市驾驶中尤其明显。插电式混合动力车的电池容量也有所增加，这使得在不燃烧任何汽油的情况下行驶有限的距离成为可能，在此情况下，能源效率取决于产生电力的任何过程（例如燃煤、水力或再生能源）。插电式混合动力汽车通常可在不充电的情况下靠电力行驶约40英里（64公里），如果电瓶电量不足，汽油引擎就会启动。全电动汽车也越来越受欢迎。

#### 街道照明

全球各地的城市使用高达3亿盏灯为无数条街道提供照明。一些城市正试图在非高峰时段调暗灯光，或是改用LED灯来减少路灯的功耗。LED灯可减少50%至80%的电力消耗。

#### 飞机

有许多方法可改善航空业的能源使用，譬如透过将机身改装和进行空中交通管理。飞机采更好的空气动力学于机身设计、改善引擎和减轻重量进行改进。在座位密度和货物装载系数调整也有助于提高效率。

空中交通管理系统可实现飞机起飞、降落和防撞以及机场内的自动化（包括暖通空调和照明等简单的任务到旅客货物安全检查和扫描等更复杂的工作）。

## 国际行动

### 国际协议与承诺

于2023年联合国气候变化大会通过的宣言之一是由123个国家签署的《全球再生能源与能源效率承诺》。宣言包括将能源效率视为"第一燃料"的义务，并在2030年将能源效率的增进率从每年2%提高一倍至4%。但中国和印度两国并未加入签署。

### 国际标准

国际标准化组织（ISO）发表的ISO 17743和ISO 17742，可用于计算和报告国家和城市节能和能源效率的记录。

## 按国家或地区举例

### 欧洲

首个欧盟能源效率目标于1998年制定，会员国同意于往后12年中每年增进1%的能源效率。此外，有关产品、工业、运输和建筑的立法也有助于建立整体能源效率框架。欧盟国家需要更努力来解决暖气和冷气问题：欧洲发电过程中所浪费的热量比该大陆所有建筑物供暖所需的热量还要多。欧盟能源效率立法预计到2020年，每年可节省相当于3.26亿吨石油的成本。

根据欧盟2012年能源效率指令，欧盟为自己设定到2020年，将比1990年达到节能20%的目标，由成员国自行决定如何实现。欧盟国家在2014年10月举行的欧盟高峰会上同意在2030年实现27%或更高的新能源效率目标，达成此目标的机制之一是"供应商义务和白证书计划（Suppliers Obligations & White Certificates）"。围绕2016年清洁能源系列计划（Clean Energy Package）中进行的争论也强调能源效率，但目标可能仍是比1990年的水准提高30%左右。有些人认为这样不足以让欧盟实现《巴黎协定》中设定温室气体排放量较1990年减少40%的目标。

欧盟有78%的企业提出2023年的节能方法，有67%的企业将能源合约重新谈判列为策略，有62%的企业表示将成本转嫁给消费者作为应对能源市场趋势的计划。研究报告显示较大的组织更有可能投资于能源效率、绿色创新和气候变化。而中小企业和中型企业所报告在能源效率的投资也有显著增加。

#### 德国

能源效率是德国能源政策的核心。截至2015年底，该国的政策包括以下效率和消耗目标（2014年的为实际数值）：

能源效率与消耗目标｜2014年｜2020年｜2050年

一次能源消耗 (以2008年为基础年)｜−8.7%｜−20%｜−50%

最终能源生产力(2008年–2050年)｜1.6%/年(2008年–2014年)｜2.1%/年(2008年–2050年)

电力消耗总量 (以2008年为基础年)｜−4.6%｜−10%｜−25%

建筑物的一次能源消耗 (以2008年为基础年)｜−14.8%｜−80%

建筑物供热消耗 (以2008年为基础年)｜−12.4%｜−20%

交通运输的最终能源消耗 (以2005年为基础年)｜1.7%｜−10%｜−40%

该国近年在提高能源效率方面，除在2007年—2008年环球金融危机时期曾有停滞之外，一直维持稳定的进展。一些人认为，能源效率在德国能源转型 (Energiewende) 中的贡献仍受到低估。

该国减少交通运输部门能源消耗的工作并不成功，在2005年至2014年间反成长1.7%。人员和货物移动的总距离均有所增加，创下德国有史以来的最高数字。车辆在能源效率方面提高的效果受到驾驶距离拉长，以及车重增加及引擎马力加大而被抵销。

德国联邦政府于2014年发布国家能源效率行动计划 （NAPE）。涵盖的领域包括建筑能源效率、企业节能、消费者能源效率和交通能源效率。NAPE的核心短期措施有导入能源效率的竞争性标案、筹集建筑改造资金、对建筑部门的能源效率措施提供税收优惠以及由商业和工业之间共同建立能源效率网络。

德国政府于2016年发布能源效率绿皮书以征求公众意见。书中为未来几十年德国减少能源消耗所面临的潜在挑战和所需的行动提供概述。绿皮书发布时，该国经济和能源部长西格玛·嘉布瑞尔表示"我们不需为节省的能源进行生产、储存和运输，也不需付钱"。绿皮书将有效利用能源作为"首要"应对措施，并概述不同部门耦合（将多余的再生能源转化成其他形式能量的技术，包含电力转换、能量存储以及能量再转换的过程，参见Power-to-X）的机会，也包括使用再生能源于供暖和运输。其他提议包括灵活的能源税，该税会随着汽油价格下跌而上涨，在油价较低的情况下激励人们节约燃料。

#### 西班牙

西班牙有五分之四的建筑物所使用的能源超出应有的水准。可能是绝缘不充分，或是能源消耗效率低。

在西班牙和葡萄牙开展业务的联合房地产信贷 (UCI) 正为屋主和建筑管理团体增加贷款，以支持能源效率措施。他们提供的住宅能源修复计划，目的为改造马德里、巴塞罗那、巴伦西亚和塞维利亚至少3,720户家庭居所，并鼓励使用再生能源。这些工程预计到2025年将可筹集约4,650万欧元用于能源效率升级，可节省约8.1吉瓦时（GWh，十亿瓦时）电力。每年可减少7,545公吨碳排放。

#### 波兰

波兰于2016年5月通过新的能源效率法案，预定于2016年10月1日生效。

### 澳大利亚

代表澳大利亚各州和地区的澳洲政府理事会于2009年7月通过国家能源效率战略 (National Strategy on Energy Efficiency，NSEE)。这是一个十年计划，用以加快国内节能工作、为向低碳经济转型做准备。规范此策略的上位协议为"国家能源效率合作伙伴关系协议"。

### 加拿大

加拿大政府于2017年8月发布"智慧建筑 - 加拿大建筑战略"，作为该国气候战略 - “泛加拿大清洁成长和气候变化框架”的关键驱动力。

### 美国

美国于2011年举行的能源建模论坛，探讨能源效率机会将如何影响美国未来几十年的燃料和电力需求。美国已经准备好降低能源和碳强度，但需要明确的政策来实现气候目标，包括：碳税、设定强制标准以规范电器、建筑和车辆的能源效率，以及补贴或降低新型高效节能设备的前期成本。

相关的计划和组织有：

- 节能联盟，美国非营利组织，目的在降低社会及个人负担及减少温室气体排放及其对全球气候的影响。
- 美国节能经济委员会，成立于1980年，使命是成为催化剂，推动能源效率政策/能源效率计划/能源效率技术/能源效率投资/能源效率行为等领域的进步，以实现更强大的经济繁荣和环境保护。
- 建筑规范协助项目，为一非营利组织，倡导采用、实施和提升建筑节能法规。
- 美国建筑物能源规范计划，由美国能源部制定。
- 能源效率联盟，由美国能源部与美国和加拿大的天然气及电力机构共同组成。
- 能源之星，美国国家环境保护局推出的节能环保计划。