电气化建筑如何应对能源峰值？

在美国，建筑物是一个巨大的能源负担。约有 7000 万美国家庭和企业燃烧化石燃料用于空间供暖、水暖、烹饪和其他用途，约占 2017 年美国所有温室气体 (GHG) 排放量的 10%。减少这些排放的一种方法是通过电气化。

负责无碳建筑项目的落基山脉研究所董事总经理斯蒂芬妮·格林 (Stephanie Greene) 表示，建筑电气化是用利用清洁能源的电力系统和家用电器（如燃气炉、热水器或火炉）取代住宅和建筑中使用化石燃料的系统和电器（如燃气炉、热水器或火炉）的过程，以产生气候、健康和经济效益。

季节性能源需求高峰通常使用化石燃料来应对，但电气化建筑必须依靠可再生能源和节能措施。不过，有一些方法可以让这一转变不那么令人生畏。

电气化建筑必须减少季节性高峰期间电网的压力

一年之中，能源需求通常会经历季节性波动。2022 年《科学报告》的一项研究发现，由于空调和供暖等能源密集型措施，总能源消耗通常在最冷和最热的月份达到峰值。

波士顿大学公共卫生学院助理教授、这项研究的作者乔纳森·J·布诺科尔 (Jonathan J. Buonocore) 表示，对于使用燃气供暖的建筑物来说，目前这种波动是通过与地下天然气储存设施（通常是旧油田或含水层，旧井已改建为天然气储存设施）以及一些地上液化气储存设施进行连接来管理的。有些建筑物还使用丙烷、燃油或木材作为主要供暖燃料来管理波动。所有这些都具有长期储存能力，这意味着人们可以在需要时依赖它们。

“当建筑物通电时，能源需求的峰值仍将存在，电网需要能够满足这一需求，”Buonocore 补充道。“为了真正实现能源脱碳，需要用可再生能源来满足这一需求。”

根据这项研究，建立脱碳模型需要考虑季节性波动，以尽量减少高峰期间国家电网的压力。例如，要满足当前冬季需求高峰，美国 1 月份风力发电量需要增加 28 倍，或 1 月份太阳能发电量需要增加 303 倍。

减少对电网的需求也至关重要。必须在住宅和建筑中安装更高效的电加热技术，将极高的能源峰值降低到更易于管理的水平。

这些技术已经存在：空气源热泵和地源热泵从空气或土壤中提取热量来加热和冷却建筑物。用清洁热泵取代燃气炉将大大减少碳排放，并将供暖用电量减少约 50%。“加热/冷却技术的效率越高越好，”Buonocore 说。

长期储能系统可将可再生能源产生的多余电力储存起来用于冬季取暖，这也有助于在需要时提供更多电力。此类措施可以减少冬季高峰期对可再生能源的需求，只需要风能和太阳能分别多发电 4.5 倍或 36 倍。

政策制定者可以改善建筑电气化的途径

格林说，虽然建筑电气化确实会增加电力负荷，但增长速度将处于可控范围内，这让我们有时间在考虑效率和灵活性的情况下规划和扩建电网。“我们还有充足的时间来实现电网现代化、建设可再生能源，并使我们的建筑和技术更加高效，”她补充道。

波托马克电力公司 (Pepco) 是一家为华盛顿特区提供电力的电力公司，该公司去年进行了一项研究，以评估电气化对其系统的潜在影响。如果电气化是该市实现脱碳目标的主要方法，他们估计，2021 年至 2050 年间，峰值需求将以年均 1.4% 至 1.7% 的速度增长。考虑到电网过去处理的增长率超过 2%，这一数字出人意料地易于管理。此外，他们补充说，能源效率和负载灵活性可以将未来的负载增长率降低到每年不到 1%。

政策制定者有很多方法可以实现建筑电气化并减少化石燃料在供暖和制冷方面的使用。在联邦层面，政策制定者可以为制造商提供激励措施，以推动高效电热泵炉和热水器的国内生产。格林表示，他们还可以为电器制定直接回扣或税收抵免政策，并为电气化创造零利率和低利率融资工具。

拜登政府计划通过更广泛地使用热泵和电磁炉、为新建筑采用现代能源规范以及投资与建筑相关的新技术来支持能效升级和建筑电气化。去年 6 月，拜登总统批准了《国防生产法案》（DPA），以加速热泵、建筑隔热材料和关键电网基础设施等清洁能源技术的生产。

格林说，在州一级，政策制定者可以从一开始就执行使建筑物高效的政策。纽约州提出了一项具有里程碑意义的法案，要求全州的新建筑和基础设施在 2024 年前实现全电动化。如果该法案通过，纽约州将成为第一个强制要求全电动建筑的州。加州近 60 个城市或县也已采用无燃气建筑承诺或电气化建筑规范。“新建筑应该是全电动、高效的、净零碳排放的建筑，”她补充道。

政策制定者还可以改革电价，确保低收入家庭因通电而减少电费，建立新的激励措施和试点项目，让人们以零成本或低成本通电，并帮助农村社区从使用木材和丙烷转向高效的全电动家庭。上周，拜登政府宣布了几项降低工薪家庭电费的措施，其中包括将各州和家庭接入低成本太阳能。

低收入家庭往往面临额外的电气化障碍。尽管如此，实施周到的政策仍然至关重要，这些政策有助于让低收入家庭的住房更加环保，电费更加可控，从而进一步减少碳排放。