摘要：新建筑电气化是解决建筑行业碳排放问题的实用且有影响力的解决方案。以“电网绿化”为前提，全电动建筑设计带来了碳中和运营的承诺。电力电网正在从碳排放和重化石燃料发电转变为增加风能和太阳能发电量 （eGRID）。在市场需求的推动下，全国各地的公用事业公司现在为客户提

新建筑电气化是解决建筑行业碳排放问题的实用且有影响力的解决方案。以“电网绿化”为前提，全电动建筑设计带来了碳中和运营的承诺。电力电网正在从碳排放和重化石燃料发电转变为增加风能和太阳能发电量 （eGRID）。在市场需求的推动下，全国各地的公用事业公司现在为客户提供购买无碳电力的机会。设计真正的全电动设施利用公用事业规模对可再生能源生产的投资来实现建筑能源脱碳目标。

在美国绿色建筑委员会的 LEED 计划等规范、标准和可持续发展评级系统的推动下，建筑物的能源效率继续稳步提高。ASHRAE 高级能源设计指南提供了一个经济高效的框架，可在 K-12 校舍和中小型办公楼中实现零能耗。对于许多设施来说，全电动设计弥合了当前能源效率和现场零能耗之间的减排差距。

天然气和电力是美国商业建筑行业消耗的主要能源。根据2012年商业建筑能耗调查收集和公布的数据，电力占建筑能源使用的61%，自2003年以来，用电量呈稳步增长的趋势。

然而，天然气仍占美国商业建筑能源使用量的 32%。再加上可再生电网资源，用电力取代天然气的使用是减少排放的绝佳机会。未来的挑战是如何在保持节能设计的同时实现设施完全电气化，缓和电网相关的峰值需求增长，并使用当前可用的解决方案（见图 1）。

了解哪些建筑能源最终用途目前主要是天然气是有见地的。2012 年 CBECS 摘要报告的数据提供了美国商业建筑建筑能源最终用途类别的总体情况。2018年CBECS数据有望很快公布。这些数据可能表明最终用途发生了转变，认识到 LED 的增加减少了照明能量，并提高了压缩机效率，从而影响制冷和冷却;但到 2018 年，天然气最终用途不太可能发生重大变化。可以使用能源模拟工具、基准数据或调查数据来建立特定设施的更详细的最终用途估计（见图 2）。

具体的建筑类型和气候位置会影响绝对百分比，但正如 CBECS 调查数据所示，天然气的主要最终用途是空间供暖、热水、烹饪和“其他”。现在存在使用发电热而不是燃气发热为这些负载提供服务的可行选择。

希望通过全用电实现脱碳的项目必须有明确的整体项目成功目标，以指导决策。例如，一个项目寻求使用全电来减碳，同时最大限度地提高最高能源效率以实现现场零能耗，与以建设成本最低的全电设计为目标的项目相比，将优先考虑不同的空间供暖解决方案。对于所提出的系统解决方案，设计必须在几个因素之间取得平衡：能源效率、系统作和维护的简单性、设备可用性和施工成本美元效率都在考虑之中。

空间加热最简单地通过电阻加热来实现，但电阻热是提供电热的最不节能的方法。电阻加热的性能系数为 1.0，是效率考虑的基准。电阻的替代方案包括太阳能热水系统、蒸腾式太阳能空气加热、余热回收机会或各种系统解决方案中的热泵。

如图 3 所示，将这些替代方案与热源温度的相对效率进行比较。在高端，直接由可再生能源（例如蒸腾太阳能系统或太阳能热热水系统）产生的空间供暖非常节能——只需少量能量输入即可在收集器中移动空气或流体并提取可用热量。

依赖蒸汽压缩循环和热泵的技术与加热效率和源温度有直接关系。空气源热泵等解决方案可在很宽的源温度范围内运行，但随着环境空气源温度的升高，COP 值和效率也会升高。

与空气源相比，地面耦合系统的效率更高直接归因于源温差。废水或废气等热源（如果可用）可能比空气或地面耦合热泵具有更高的效率，因为源热温度和空间热温度之间的升力变窄了。这些废物源在空间加热温度或接近空间加热温度时被剔除，当有足够的流量可用时，应加以利用。

除了能源效率之外，使用电力作为空间供暖的燃料来源时还需要考虑许多因素。例如，让我们探讨一下在底特律或芝加哥等寒冷气候下高等教育学术设施的空间供暖电气化，ASHRAE 气候区 5。电阻加热是一种简单的基线解决方案，加热设备的安装成本相对较低。维护成本低，但COP为1.0，运营效率也很低，导致运营能源成本高。基线电阻解决方案所需的物理空间是最小的。

然而，电阻选项具有最大的连接电力需求，并且需要较大的电力服务规模，这应作为建筑成本的一部分进行考虑。另一个需要考虑的因素也是当地的能源法规，例如加州的第 24 章能源法规。虽然电阻加热对于加利福尼亚州供暖负荷较低的地区来说可能是一个简单的解决方案，但第 24 条限制使用电阻加热进行空间供暖，并且必须使用替代技术。

为了寻求提高能源效率和降低运营成本的替代方案，设计工程师可以提出空气源热泵系统。在寒冷气候下，随着环境温度的下降，空气源热泵面临容量和效率问题，在传统蒸汽压缩制冷剂循环中，在低于 0°F 的条件下容量会显着降低。热泵技术的进步正在改善低环境选择，近年来随着制造商引入制冷剂蒸汽喷射以提高容量，这些技术取得了显着改善。空气源热泵的低环境范围已扩展到 -10°F 至 -15°F 甚至更低。在新的低环境条件下，ASHP 经常需要补充热量或替代备用热源。在这些低设计条件下，热泵 COP 可以在 1.5 左右，仍然大于电阻热，但远不如空调、供暖和制冷研究所/空调和制冷研究所的评级所建议的那么好。

然而，在这种气候下的大部分时间里，ASHP 设计替代方案受益于 3 到 4 的 COP。对于温和的气候，例如旧金山、ASHRAE 气候区 3，ASHP 可以全年以更高的 COP 运行，并且在低环境条件下不会遇到效率损失。与单独的电阻相比，连接的电气负载同样降低，但必须考虑部分峰值加热作为电阻。

工程师还必须考虑室外机中的典型除霜循环。在比 ASHRAE 气候区 5 更冷的气候带中，如果没有补充热量，ASHP 可能无法满足峰值设计条件。

除了环境问题低之外，ASHP 还是一种相对占用空间的解决方案。冷凝器装置必须位于屋顶或现场地面上，并有足够的服务和气流间隙，以实现所需的传热。设计工程师可以提供 ASHP 和电阻热的混合，以提供峰值设计容量，使用热泵满足大部分预期负载小时，并最大限度地减少空间和初始成本影响。

在寒冷气候下，与仅针对 ASHP 进行设计相比，为电阻和 ASHP 混合设计或包括蓄热具有显着优势。这种平衡取决于气候和建筑用途类型，最好通过工程分析或能源模拟模型来提供信息，这些模型考虑了典型的天气模式和预期的建筑用途。

使用 ASHP 的另一种方法是使用地面为热源而不是环境空气提供稳定的温度。在寒冷气候下，当空气源热泵无法产生足够的热量时，使用热泵从地面提取热量是可行的。使用地面作为热源可以缓解空气源热泵所遭受的低环境问题。

地面耦合热泵具有显着的效率优势。具有长期季节性储存能力的额外好处，夏季排暑剂储存在地下，然后提取。正确设计的地面耦合系统永远不会看到空气源系统在 ~40°F 时与冬季气温相比的低源温度。供暖和制冷平衡的设施效果最好。如果没有平衡的负载，则需要补充加热或冷却来平衡负载。

设计挑战包括与安装地面耦合交换器场、井或池塘相关的物理空间和成本。以现场零能耗为目标的建筑设计通常利用地面耦合热泵系统的效率提升，接受能源改进和第一成本溢价。接地耦合设计不受气候影响，可可靠地提供高 COP 性能。

在温和的气候下，空气源热泵系统提供必要的热量，而无需电阻热来满足峰值设计容量。然后，系统选择就变成了一个选择问题，根据系统运行复杂性、维护要求、能源效率和施工成本做出决策。无论供暖气候有多温和，也应考虑弹性，同时考虑到气候破坏的增加和最近的极端波动超出了许多地方曾经观察到的典型值，无论典型的峰值设计如何，储备电阻容量是否是审慎的规划。

在具有全年同时供暖和制冷需求的建筑物（例如实验室或医疗机构）中，水源热泵、可变制冷剂流量和热回收冷水机作为冷却的副产品提供供暖。它不是将冷凝器热量排斥到冷却塔或环境空气中，而是用于满足建筑空间供暖需求。对于循环系统常见的大型实验室或医院，热回收冷水机是典型的。

与典型的水冷式冷水机组相比，热回收冷水机组在更高的冷凝器水温下运行，因此冷冻水系统效率降低。然而，加热和冷却的综合性能高于典型的冷冻水和加热水系统，COP 为 7 至 9。热回收系统的主要限制是需要同时供暖和制冷需求，而且大多数建筑物没有全年连续的同步负荷。

为了完全实现建筑空间供暖需求的电气化，热回收冷水机系统可能需要与热能存储配对。蓄热允许在负载不完全同时时储存多余的冷冻水或加热水。该系统还可以与 ASHP 或其他电加热方式配对，以满足同时冷却负荷未满足全部加热负荷时的过剩供暖需求（见图 4）。

从建筑物本身排出的空气是一种非常有效的热回收源，无论气候区域如何，建筑物废气全年保持在 65°F 至 75°F 之间。与地面耦合热泵的概念类似，如果建筑物有足够的废气量，热泵冷水机组与废气能量回收相结合作为源“场”，可以实现建筑空间供暖的完全电气化。

通过利用废气而不是地面的稳定温度，可以避免大量的安装成本，并增加热泵或热回收冷水机的“同时”运行（见图 5）。

设计团队必须分析年度供热负荷、同步制冷负荷和重合的排气气流，以确保建筑排气在一年中的所有时间都能提供足够的热回收。精心设计的系统可以平衡建筑物的同步制冷/制热需求（可以通过热泵制冷机的标准运行来满足）与必须从废气流中回收的热量以满足剩余的供暖需求。

如果废风能量回收不能满足建筑物全热负荷，则减负荷简化了剩余热负荷的电气化。对于所有追求最高能效的电气项目，应该注意的是，与许多其他全电气设计解决方案相比，该解决方案包括风扇和泵的能量损失。

与空间供暖负荷相比，生活热水负荷通常要小得多，因此易于电气化。生活热水使用与讨论的空间供暖相同的技术，使用点电阻加热器或 ASHP 是生活热水最常用的技术。

与空间供暖负载相比，用于生活热水加热的 ASHP 通常具有更小的负载和峰值容量，可以位于具有紧凑空间要求的机械室、厨房或顶层公寓的室内。将生活热水 ASHP 放置在室内的一个潜在好处是，压缩冷空气进入房间的副产品提供了自然冷却。ASHP 可以使用设备产生热量（75°F 至 85°F）的房间的温暖环境条件，从而提高 COP 性能。

对于生活热水负荷较大的设施，空间供暖下讨论的替代系统可能适用于与全电动设计相关的电气系统影响、能源使用和需求成本。

烹饪电气化是减少建筑物气体使用和排放的必要部分。正如新建筑研究所的建筑电气化技术路线图中所确定的那样，电气化烹饪的挑战与其说是可用技术的问题，不如说是外展和接受的问题。电气设备适用于所有常用的厨房用具。燃气器具在房地产和烹饪节目中被宣传，因为它能够提供卓越的烹饪性能。

然而，大多数烹饪过程的性能声明并没有得到循证审查或结果的支持，特别是考虑到电磁炉和对流烤箱的可用性。使用电器进行商业烹饪技术培训是主要需求，这可能会导致使用电器烹饪的增加。为了进一步减少排放，可以选择效率与最低购买成本的电器;例如，与电阻加热相比，感应技术消耗的能源更少，但通常具有首要成本溢价。

在实验室或医疗机构中，气体通常用于洗涤、灭菌和加湿以及其他工艺设备。在美国的一些地区，医院、多户家庭或宿舍使用燃气烘干机。这些工艺负荷是空间供暖、水加热和烹饪得到解决后建筑物使用气体的最后一个重要驱动因素。其中一些工艺用途需要高温加热，并且只能作为电阻加热通过电使用。

需要仔细评估选择具有传统燃气装置的电动替代品的工艺设备。设计工程师在规划该设备全电动时，必须考虑电力服务和年度公用事业成本的可能增加。

已经讨论了实现建筑能源使用电气化的主要障碍，但设计挑战仍未解决。设计一座全电动建筑而不是使用天然气，对建筑物内和建筑物内必要的电力服务能力有重大影响。与过去的基准数据相比，全电动设施所需的服务容量很容易翻倍甚至更高。这可能需要增加进入建筑物的电力服务入口的数量，而过去可能只需要一个，而采用全电气设计的设施可能需要两项服务。

在温和气候下，峰值制冷需求高于峰值供暖需求，在利用能量回收策略的建筑物中，供暖电气化的电力服务增加可能很小，因为服务的规模必须已经满足建筑物的制冷电力需求。在评估传统天然气最终用途的替代方案时，必须仔细考虑所需电容量的潜在增加。

在新建筑项目的早期设计阶段，电气工程师通常会依靠基准数据或基于经验的经验法则，根据建筑物的类型和气候来估计必要的电力服务。

然而，由于天然气的使用如此普遍，目前全电动设施的基准数据有限。扩大主电气室和应急电气室以及内部设备的规模应该是围绕新设施设计中电气室空间要求的早期编程讨论的一部分。此外，当设计团队在系统设计中评估替代天然气的替代解决方案时，拟议备选方案的建设成本还应考虑连接电力负载对电力基础设施的成本影响以及设施内分布式电加热替代方案基础设施的潜在增加。

以寒冷气候的学术建筑为例，可以优化使用电阻与热泵的选择，以降低连接的电力负载。蓄热可以被视为降低峰值连接负载、削减峰值负载需求甚至可能减少所需数量的 ASHP 室外机的一种工具。

热存储的规模适合每日高峰期间的负载转移能力，并有助于系统中热泵单元的分期，可以通过适度的存储量来实现。这是减少早晨预热高峰的有效策略，减少设施全面电气化时引入的最常见峰值电力需求。使用蓄热需要构建专为热水设计的系统，而不是直接空气到空气源热泵，这是小型设施通常不会投资的成本考虑因素。对于这些设施，电池存储系统可能是更有效的需求管理策略。

对于具有热水加热系统的设施，低温热水可以最大限度地提高 ASHP 效率，但不太可能使用蓄热实现物理空间节省。高温供暖和生活热水系统则相反，其中存储可以非常有效地减少所需的单位容量。

随着建筑负荷从天然气转移到电力，必须解决关于备用电源的两个讨论点——所需备用电源的容量可能增加，以及备用电源是否也将全为电力。根据气候的不同，供暖电力需求可能大于制冷电力需求。传统上，在确定备用电源的尺寸时，供暖需求不会影响发电机的尺寸，因为它由天然气提供。随着供暖从天然气过渡到电力，设计团队必须评估如何正确调整备用电源容量的大小。与标准商业建筑相比，这对于实验室、医疗保健和住宅设施可能更为重要，但设计团队应与业主和设施团队讨论建筑物的哪些功能在发生停电时必须保持运行。

其次，设计团队必须评估备用发电源是保持燃料燃烧还是全电。电池储能系统可用作备用电源。然而，根据所需的容量，与典型的柴油发电机相比，它们可能非常占用空间。除了空间问题外，在评估电池替代品时，还应考虑整个生命周期的总碳影响。

大型电力设备的影响在设施层面增加，并随着规模扩展到园区或多个设施的开发而放大。电网层面的电力基础设施受到不断增加的需求负载的影响。

此外，分布式光伏系统的可再生能源生产和需求管理与电池储能系统的集成使电气系统基础设施和管理变得复杂。微电网安装和存储解决方案的机会通过智能管理和调度电力资源使社区或园区受益。对于多个设施，将投资从逐栋建筑的供暖电气化转移到园区或地区规模的解决方案可以利用建筑负荷的多样性增加。

同时进行的加热和冷却负荷通常具有增加的重叠。与大型热能存储相结合，与多个独立的全电动建筑相比，设计为第四代供暖和制冷设备的园区系统具有减少安装设备、利用热回收冷水机组的高效电加热以及减少峰值电力需求的优势。

建筑能源使用的电气化为使用可再生能源电网减少碳排放提供了机会。在可行且具有成本效益的情况下，在现场进行零能耗设计是当务之急。对于由于当前技术的效率限制、场地限制或过高的施工成本而无法实现现场零能耗的设计，建筑电气化是实现碳中和的一种方式。

建筑能源最终用途的电气化既有好处也有挑战。对于所有建筑类型，可以在各种气候下实现全电动设计。天然气通常服务的最终用途是空间和水加热、烹饪和工艺负载。空间和水加热全电设计解决方案受气候影响最大。ASHP、地面耦合热泵和热回收等解决方案可用于提供完全电气化的建筑。

系统选择必须权衡能源效率、安装成本、运营复杂性和物理空间要求等因素，以实现既定的项目目标。电阻热是可能的，但能源效率很差。这通常会导致电力服务和能源成本大幅增加。

温和的气候应考虑使用 ASHP，并在可用的情况下使用旨在利用同时加热和冷却的系统。在寒冷气候下，ASHP 的容量和性能受到低环境条件的影响，地面耦合系统已被证明是可靠的，但安装成本高昂。替代系统设计，例如通过废气或其他废热源进行热回收，可以在边际建设成本增加的情况下完成，同时提供比 ASHP 更高的效率。

最终用途电气化对电力服务规模的影响可能很大。如果需要备用发电机电源，则必须将需求负荷的增加作为供暖系统选择的一个因素。设计应酌情使用需求管理和负载转移解决方案，如热存储或电池储能系统，以尽量减少对电力服务的影响。

建筑领域的全电动设计具有巨大的潜力，可以减少碳排放，或者为未来可用的电网电力脱碳做好准备。深思熟虑的气候和建筑负荷可以导致明智的设计，该设计节能，同时考虑建筑和运营成本，并实现既定的减排目标。

来源：陈讲运清洁能源