摘要：能源效率是脱碳工作的关键组成部分，因为它可以减少供暖和制冷负荷，最大限度地减少系统尺寸，并支持向热泵等全电动系统的过渡。通过执行建筑能源规范、优化设备性能和改善建筑围护结构，工程师和设计师可以显着降低新建和现有结构的碳排放和能源使用。

脱碳洞察

通过执行建筑能源规范、优化设备性能和改善建筑围护结构，工程师和设计师可以显着降低新建和现有结构的碳排放和能源使用。根据联合国环境规划署的说法，2022 年，建筑物排放了 37% 的能源和工艺相关二氧化碳 （CO2） 排放全球。为了帮助减少这些建筑和建筑环境对全球变暖和气候变化的影响，需要进行定义为脱碳或减少碳排放的努力。

能源效率是脱碳工作的关键组成部分，因为它可以减少供暖和制冷负荷，最大限度地减少系统尺寸，并支持向热泵等全电动系统的过渡。

然而，脱碳不应是一项孤立的事业。例如，从化石燃料能源转向清洁能源可能会对电力和配电系统产生灾难性影响，因为这些系统无法处理新的和扩大的负载需求。正是出于这个原因，需要谨慎和协调的努力，以及能源效率成为关键因素的原因。

迈向脱碳的一个基本步骤是纳入并实施实用的能源效率措施。根据 ASHRAE 的说法，建筑物占约 40% 的 CO2与能源相关的排放.通过实施能源效率措施来减少供暖和制冷负荷，同时更换或改造供暖和制冷设备，从而进一步实现脱碳目标。

表 1：大多数国家都采用了《国际节能规范》（IECC） 的一个版本，其他国家也制定了自己的版本。该表概述了每个国家根据国际规范理事会采用的 IECC 版本。由CDM Smith提供

例如，增强建筑物的热围护结构可能会减小为其服务的供暖、通风和空调 （HVAC） 系统的尺寸。当从传统的化石燃料供暖系统转换为电力驱动的热泵系统时，纳入能源效率措施以减小系统尺寸和相关基础设施并实现安装至关重要。这种合并可以带来降低安装成本、更小的电线尺寸和更小的相关电力服务（与未实施措施的情况相反）等积极好处。

正如美国节能经济委员会所指出的，26 个州和哥伦比亚特区贡献了全国总节能量的 82%。这些节省是通过能源效率资源标准 （EERS） 和致力于提高脱碳和创造更清洁环境的立法实现的。据报道，EERS 州约占美国人口的 59%，但占全国节能量的 82%。

能源效率通常通过提供建筑能源规范来调节，该规范为新建筑、现有建筑的翻新和其他各种项目（供暖设备、冷却设备、隔热材料等）设定了效率和性能要求。虽然大多数国家都采用了《国际节能规范》（IECC）的一个版本，但其他国家也制定了自己的版本（见表1）。

有几个计划和资源可用于支持现有建筑存量的改进。能源之星由美国环境保护署管理，提供信息以帮助保护环境、改善空气质量和保护公众健康。鼓励工程师、业主和建筑运营商审查与运营和维护、照明、插头负载、供暖和制冷以及居住者行为和教育相关的可实施的节能措施。

此外，通过其能源之星投资组合管理器和目标查找器产品，设计师、建筑师和工程师不仅可以对其现有建筑存量的能源性能进行基准测试，还可以确定当前处于设计过程中的建筑物的预期性能和效率，从而做出明智的设计决策。

工程师参考现有标准，将建筑效率措施纳入其设计中。ASHRAE 标准 90.1：除低层住宅建筑外的建筑物能源标准 标准规定了设计和建造商业建筑时能源效率的最低要求。

建筑围护结构： 由于建筑物的室外环境温度与室内温度之间的差异而发生热传递。这种传热的大小决定了在空间内维持所需温度所需的总热负荷和制冷负荷。一些建筑特性会影响这些荷载，包括建筑面积、建筑年龄、建筑围护结构、渗透荷载、内部荷载、通风荷载和加湿荷载。

建筑围护结构包括门窗、墙壁和屋顶;每个组件都有一个相关的 U 系数——一种取决于建筑材料类型的传热特性。ASHRAE 90.1 在第 5 章“建筑围护结构”中概述了要求，IECC 概述了基于气候带的热围护结构最低要求，如第 C402 节“建筑围护结构要求”中所列。

热围护结构最低要求适用于新建筑、现有建筑的扩建以及（在某些情况下）对现有建筑围护结构的改建。这些要求因气候带而异，代表了建造建筑物必须达到的最低标准以及衡量任何超过最低限度的改进的基线。建筑设计师和业主使用这些因素来量化提高热围护结构性能的有效性，从而确定采取哪些措施。

图 1：安装在马萨诸塞州行政大楼的能量回收通风机 （ERV） 装置。ERV 在室外空气和占用空间的通风之间交换热量。当室外空气温度低于 60°F 时，它以空气侧省煤器模式运行，并调节外部空气 damper 和回风 damper 以保持混合空气温度设定点。由CDM Smith提供

改善建筑物的热围护结构可以减少其制冷、供暖和随后的能源负荷。高效的热围护结构可减少渗透负荷，并减少建筑物内环境条件和空间条件之间的热传递。

与冷负荷相比，这些改进对建筑物的热负荷有更显着的影响，特别是在室外空气温度远低于建筑物空间温度设定点的寒冷气候下。这是因为通过墙壁或屋顶传递的热量随整个组件的温度梯度和组件的 R 值而线性变化。在室内和室外温度之间的温度梯度较大的情况下，例如，在 68°F 的一天中保持在 10°F 的建筑物，增加所用隔热材料的 R 值会减少更大的能量传递量（尽管比例相同）在室内温度保持在 72°F 的 95°F 日。

同样，当渗透空气和调节空气之间的温差较大时，减少渗透量对负荷的影响成比例更大，因为需要影响渗透空气的较大温度变化。

设备性能： 与设备性能相关的一些可实施的效率措施包括安装空气和水侧省煤器、泵和风扇的变速驱动器以及通风空气能量回收。这些措施的最低要求可以在 ASHRAE 90.1 第 6 章“供暖、通风和空调”中找到。IECC 概述了安装空气和水省煤器的要求（第 C403.5 节，省煤器）。

空气侧省煤器通过利用凉爽的室外条件并提供凉爽的室外空气而不是使用机械冷却系统来调节空气来节省能源。ASHRAE 90.1 根据建筑物所在的控制类型和气候区概述了空气侧省煤器应何时打开。

水侧省煤器还利用凉爽的环境条件来减少循环冷却系统（例如冷却器）所需的能量。当室外空气温度足够低时，冷却塔可以在室外空气和冷却系统流体之间交换热量，以冷却或预冷流体。尽管分配流体和运行冷却塔需要一些能量，但与冷却器运行几个小时相比，预冷流体可以显着节省能源。

空气侧省煤器往往更有效地降低能源需求，因为与水侧省煤器相比，能量损失的热交换器接口更少，但湿度控制有限，并且需要从空调空间到外部的足够尺寸的直接管道连接。虽然水边省煤器在能量通过循环系统时会失去一些有效性，但它们可以更好地控制湿度，并且可以在没有管道连接到室外空气的空间中使用。

能量回收通风机 （ERV） 与剩余的废气进行热交换，以预热或预冷空气处理机组 （AHU） 中的送风。ERV 旨在通过内部热交换器、能量轮和其他方法在气流之间交换热量。除了热传递之外，还允许水分传递的 ERV 还允许传递潜能，从而减少加湿负荷。利用这种热量可以减少对加热盘管的要求尺寸，从而减少运行设备所消耗的能量（与典型的 AHU 相比）。IECC 概述了为通风系统安装能量回收的要求（第 C403.7.4 节，能量回收系统）。

设备转换： 常见的脱碳措施是将现有的化石燃料建筑改造成热泵（空气源或水源），并设计包括热泵在内的新建筑，因为热泵是一种全电动技术，从而消除了化石燃料的现场燃烧。

ASHRAE 标准 90.1 在第 6.8 章“最低设备效率表”中概述了热泵和其他设备的最低效率要求和测试程序。IECC 在 C403.3.2 HVAC 设备性能要求中引用了 ASHRAE 90.1，其中还概述了热泵和其他建筑机械系统设备的最低效率要求和测试程序。

这些要求规定了所有设计必须满足的最低标准，并允许在不同系统类型之间进行直接比较，并量化与安装高效设备或全电动系统相关的能源和碳节省。通过量化这些节省高于最低要求的系统效率或与基线替代系统类型相比，设计人员和业主可以就如何最有效地利用可用资源来实现脱碳目标做出明智的决策。

在热泵系统中，空气源热泵往往比水源热泵具有更低的资本成本和安装复杂性，因为它们需要更少的设备和配电基础设施。

然而，水源地热热泵系统往往比空气源热泵消耗更少的能源，因此运营成本更低。与传统的暖通空调设备相比，这两种技术都非常高效。据能源部称，更高的效率可将能源消耗减少多达 70% 至 80%。

AHRI 标准 210/240：单体空调和空气源热泵设备的性能等级、AHRI 标准 340/360：商业和工业单体空调和热泵设备的性能等级以及 AHRI 标准 1230：可变制冷剂流量 （VRF） 多分体式空调和热泵设备的性能等级。

通常，地源热泵比空气源热泵效率稍高，特别是在冬季气温显着下降的寒冷气候下。性能系数 （COP） 是能量输入与能量输出的衡量标准，可能取决于热泵的类型和性能指标，例如进入空气/水温。ANSI/AHRI/ASHRAE/ISO 标准 13256-1：水对空气和盐水对空气热泵，以及 ANSI/AHRI/ASHRAE/ISO 标准 13256-2：水对水和盐水对水热泵。

地源热泵将热量在地热（地）源回路之间传递到热泵制冷剂，为空间提供加热和冷却。通常，地热源温度全年最低 30°F 至 40°F 和最高 80°F 至 90°F 之间变化，尽管这些温度可能会根据系统设计选择而变化，包括钻孔场的大小和可接受的冷凝器进水范围热泵。

图 2：纽约市一栋 1,300 平方英尺的商业建筑使用地源热泵与空气源热泵的年耗电量。由CDM Smith提供

空气源热泵将室外环境空气温度之间的热量传递到热泵制冷剂，为空间提供加热和冷却。根据热泵的位置，室外空气温度可能会有很大差异。有几项研究调查了极端温度对空气源热泵性能的影响，其中包括纽约州能源研究与发展局等组织。

在比较纽约市（NYC）多种建筑类型的地源热泵与空气源热泵的生命周期成本分析时，地源热泵的年耗电量低于空气源热泵（由于效率差异，见图2）。

对于纽约市一栋 1,300 平方英尺的商业建筑，地热热泵全年消耗约 37,500 千瓦时 （kWh） 的电力。相比之下，同等的空气源热泵全年消耗约 40,500 kWh 的电力（由于 COP 的差异），地源热泵与空气源热泵相差 7.7%。

美国绿色建筑委员会的 LEED 已经成立了 20 多年。LEED 建筑评级系统概述了高效和可持续建筑性能的要求。最近通过了几项脱碳和建筑电气化法律来遏制排放——纽约市的建筑物占该市温室气体排放量的三分之二以上。

2021 年 12 月批准的第 154 号地方法规定，新建筑每百万英热单位 （kg CO2/MMBtu）来自燃料的现场燃烧。据纽约市建筑部称，第 97 号地方法律于 2019 年颁布，旨在通过要求在 2024 年合规并设定更严格的温室气体排放限值并设定更严格的温室气体排放限值，以减少建筑物的温室气体 （GHG） 排放，并于 2030 年生效。

为了遵守第 97 号和第 154 号地方法，纽约市的一些新建筑采用被动式房屋标准进行设计。被动房研究所和美国被动房研究所制定了建筑性能的被动房标准。为了达到该标准，与现有建筑相比，建筑物必须减少 90% 的供暖和制冷能源需求，减少 75% 的总体能源使用。

为了满足这些要求，建筑设计侧重于热围护结构、热回收通风以及太阳能和内部热增益。与所有减少供暖和制冷负荷的措施一样，按照该标准进行建筑可以通过减小设备尺寸以及将供暖从燃气转向电力而产生的电网影响来促进电气化。

通过效率措施降低建筑能耗，可以启用新的清洁能源技术来满足建筑和设施的需求。设计师和工程师需要做出一系列决策，这些决策不仅会推动设计过程，还会影响建筑物未来的运营和维护。

探索建筑围护结构和系统设备的能效选项需要改变能源建模方面的设计方法。负荷模型侧重于确定 HVAC 系统的峰值供暖和制冷负荷，而能源模型侧重于建筑物的年度能源使用情况。设备选择基于满足这些峰值负载，同时提供舒适的安全边际。

相比之下，专注于整体效率和脱碳的方法必须考虑建筑物在系统运行一整年和设备整个生命周期内的实际性能。对设计的建筑围护结构、设备效率和控制方案进行精确建模，可防止系统尺寸过大并优化系统运行效率。

为地热系统设计而制作的能源模型必须输出准确反映系统负荷的“8760 模型”，以便对一年中所有 8,760 小时进行逐小时分析，从而评估从地面吸收和拒绝到地面的热量之间的平衡。每年供暖和制冷负荷的平衡决定了所需的地面热交换器容量和任何额外的平衡设备，这些设备反映在全年的建筑性能中。目标是生成准确的能源模型，以捕捉实际的建筑能源性能。能源模型必须考虑居民如何维护他们的空间。

IECC 要求冷却的最低空间温度设定点为 75°F，供暖的最高空间温度设定点为 72°F，但建筑租户可能并不总是遵循这些温度。在非常炎热的日子里，租户可能会绕过恒温器将空间温度降低到 68°F 或 70°F。 在寒冷的日子里，一些租户可能会更加节俭，保持较低的空间温度，而其他租户，如老年居民，则可以保持较高的空间温度以保持舒适度。

为确保现有建筑物的能源模型准确无误，应根据现有客户的真实数据（例如历史天然气和电力公用事业账单）校准能源模型;但是，新建筑将无法支付水电费。应充分了解建筑物的用途，并通过占用时间表和设备时间表纳入建筑能源模型。如果建筑时间表未知，则 ASHRAE 90.1 中提供了典型时间表。

生活热水负荷也可以通过地热地热交换器和生产生活热水的水源热泵设备来提供，并应包含在能源模型中。一旦确定了生活热水使用量，就可以建立每小时的负荷曲线。ASHRAE 在“2023 年 HVAC 应用手册”的第 51 章“服务热水加热”中提供了典型的生活热水每小时负荷曲线图。这些图表提供了多种建筑类型的平均值、峰值和 95% 置信区间数据。在对生活热水负荷进行建模时，请确定建筑物的运行方式并选择正确的生活热水配置文件。

供暖和制冷系统的电气化在短期内减少了建筑物的能源使用，并且随着发电效率的提高和可再生能源技术的实施，可以对整体脱碳产生更大的影响。化石燃料系统碳效率的提高会受到燃料能量含量限制的收益递减的影响，而全电动系统可以像电能来源一样零排放，并注册为完全净零系统。建筑围护结构和设备设计的能源效率改进可以与发电效率的提高相结合，以创建一种整体的脱碳方法。

来源：陈讲运清洁能源