加拿大聯(lián)邦建筑的電氣化與深度改造潛力

面對(duì)氣候危機(jī)，組織正尋求電氣化和可再生能源，以使建筑、能源系統(tǒng)和車輛擺脫化石燃料。但人們普遍擔(dān)心，過(guò)度投入電網(wǎng)可能會(huì)使系統(tǒng)不堪重負(fù)，導(dǎo)致停電。

在過(guò)去兩年里，RMI、SSG和whatIf？Technologies作為加拿大政府為國(guó)家首都區(qū)減少運(yùn)營(yíng)排放、到2050年實(shí)現(xiàn)凈零的咨詢項(xiàng)目的一部分，探索了這一挑戰(zhàn)。我們的分析表明，通過(guò)將電氣化與深度節(jié)能改造相結(jié)合，我們可以遏制建筑級(jí)電力需求增加以及電網(wǎng)需求峰值的增加。

為什么加拿大政府需要切換燃料

為了實(shí)現(xiàn)脫碳，加拿大政府需要從天然氣為建筑供暖中轉(zhuǎn)型。2016年，聯(lián)邦政府在國(guó)家首都區(qū)（NCR）的運(yùn)營(yíng)排放了370千噸一氧化碳2E（二氧化碳當(dāng)量）。聯(lián)邦政府運(yùn)營(yíng)中超過(guò)60%的排放來(lái)自建筑物，其中大部分來(lái)自燃燒天然氣取暖。

2016年NCR聯(lián)邦運(yùn)營(yíng)燃料排放。

聯(lián)邦建筑通常老舊、通風(fēng)嚴(yán)重，且早該升級(jí)了。政府建筑面積近50%被歸類為“狀況差或危急”。安大略省和魁北克省電力的低排放強(qiáng)度——由水電驅(qū)動(dòng)——使得電氣化結(jié)合高性能建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)升級(jí)成為同時(shí)提升和脫碳建筑的理想解決方案。

模型顯示，聯(lián)邦建筑存量脫碳的成本僅比未來(lái)三十年維持現(xiàn)有建筑存量的支出高出4%，因?yàn)檫@些存量正逐漸破敗。

熱泵的承諾

政府的建筑升級(jí)可能包括從天然氣轉(zhuǎn)向利用空氣、水或地面作為熱源或熱源的電熱泵，冬季供暖建筑，夏季冷卻。雖然建筑專業(yè)人士曾認(rèn)為熱泵在寒冷氣候中無(wú)效，但技術(shù)已飛速進(jìn)步。現(xiàn)已提供多種熱泵，適用于寒冷氣候和商業(yè)用途。

為了幫助加拿大政府了解如何在渥太華-加蒂諾地區(qū)超過(guò)2000棟建筑中使用熱泵，RMI采用了其組合能源優(yōu)化建模方法。組合能源優(yōu)化整合了整個(gè)組合中的建筑，同時(shí)定制每棟建筑的能源模型以反映每個(gè)設(shè)施的現(xiàn)有狀況。我們考慮了不同類型的熱泵應(yīng)用，結(jié)合高性能熱包膜和能效升級(jí)，針對(duì)住宅、商業(yè)和綜合用途建筑量身定制。結(jié)果隨后被輸入了由whatIf？開(kāi)發(fā)的CityInSight模型，以及SSG，用于評(píng)估截至2050年整個(gè)建筑組合的能源消耗和排放，考慮成本變化、排放因素及整個(gè)組合的資產(chǎn)管理計(jì)劃。

該模型表明，在未來(lái)三十年內(nèi)，NCR聯(lián)邦政府建筑項(xiàng)目的脫碳在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上都是可行的。如果結(jié)合建筑外殼升級(jí)等深度節(jié)能改造，幾乎所有建筑存量的供暖電氣化成本將比2020年至2050年間計(jì)劃的升級(jí)多出8.5億加元，同時(shí)節(jié)省約7億加元能源成本，幾乎消除排放。與政府在建筑運(yùn)營(yíng)上的支出相比，1.5億加元的凈成本只是杯水車薪。加拿大國(guó)家首都區(qū)擁有一個(gè)關(guān)鍵機(jī)遇，可以轉(zhuǎn)型其聯(lián)邦建筑組合，同時(shí)最大限度地減少需求增長(zhǎng)對(duì)電網(wǎng)的影響。

建筑脫碳與電力需求

電網(wǎng)只有在配合需求峰值管理措施時(shí)，才能管理大規(guī)模供暖電氣化。這正是建筑護(hù)護(hù)結(jié)構(gòu)改造——升級(jí)窗戶、墻壁和屋頂——發(fā)揮作用的地方。這些策略共同改變建筑用電的輪廓和時(shí)機(jī)，限制峰值用電需求。

對(duì)于NCR渥太華一側(cè)的建筑，包絡(luò)升級(jí)可以通過(guò)隔熱和減少空氣滲透來(lái)減少熱量增失來(lái)降低峰值需求，而電氣化則可能將這些峰值從夏季（制冷需求）轉(zhuǎn)移到冬季（供暖需求）。我們的模型表明，熱泵和外殼升級(jí)，以及其他效率措施，將導(dǎo)致改造后的冬季峰值不會(huì)比最初的夏季峰值高出多少。在渥太華，將建模建筑改裝為高性能外殼和熱泵對(duì)電力需求狀況的凈影響，如下圖所示。

在加蒂諾一側(cè)，大多數(shù)建筑已經(jīng)用電供暖，電力需求在冬季達(dá)到峰值。對(duì)這些建筑進(jìn)行外殼升級(jí)和熱泵改造并不會(huì)改變?nèi)甑男枨筘?fù)荷分布，但可將電網(wǎng)總峰值減少多達(dá)25%。

加蒂諾（上圖）和渥太華（下圖）聯(lián)邦大樓的每小時(shí)用電需求，涵蓋電氣化改造前后。

我們的分析顯示，結(jié)合效率改造，使用熱泵電氣化建筑物可以改變電力需求峰值的時(shí)間，甚至可能減少年度用電需求。 在組織和公用事業(yè)規(guī)劃電氣化未來(lái)時(shí)，效率是降低高峰需求、使零碳建筑轉(zhuǎn)型可行的關(guān)鍵方式。