本文作者：Yunyang Ye、Ammar H. A. Dehwah、Cary A. Faulkner、Haripriya Sathyanarayanan、Xuechen Lei via：https://www.mdpi.com/2075-5309/13/4/1003
摘要
美国 (US) 对电气化和脱碳目标的承诺将显着改变未来建筑的性能。为了实现这些目标，总结与建筑电气化和脱碳相关的现有研究并讨论未来的研究路径至关重要。
本文从美国未来建筑脱碳途径的视角对现有研究进行了批判性审查，将其分为三个密切相关的类别：技术、经济影响和法规。技术支持投资和规范法规，而营销影响建筑规范和标准的设计。同时，规范法规引导技术和营销的发展。根据审查，然后讨论了建筑脱碳的未来潜在研究方向。
由于建筑脱碳的需要，未来的研究将是多学科的、大地域范围的、涉及众多指标的，这无疑会带来新的挑战。本文提出的观点将为政策制定者、研究人员、建筑业主和其他利益相关者提供一种了解美国未来建筑电气化和脱碳影响的方法。
关键词：脱碳；建筑; 技术；经济；市场营销；法规
一、简介
如今，脱碳已成为世界各国的重要研究课题。例如，在美国，建筑、交通和其他能源部门从使用化石燃料过渡到使用清洁电力的电器、设备和车辆，是实现美国白宫2035年100%清洁电力的承诺的关键。
美国能源情报署(EIA)的结论是，建筑约占2021年美国行业能源消耗的39%，约占2021年美国行业能源相关二氧化碳排放的35%。具体而言，住宅和商业建筑分别占2021年美国部门能源相关二氧化碳排放量的19%和16%。电力是住宅和商业部门消耗的主要能源，分别占43%和50%，其次是自然能源，分别占42%和37%。可再生能源在住宅和商业建筑中所占比例较小，分别仅为7%和3%。
建筑作为能源消耗大户，在支持脱碳方面发挥着重要作用。此外，建筑具有提高能源效率的潜力和减少和转移能源消耗的灵活性，这为调整能源使用模式提供了一种方式。由于太阳能和风能等分布式能源 (DER) 的增加，发电的碳排放因子变得动态。
调整能源使用模式可能会改变建筑物中的二氧化碳排放，这使得建筑物在脱碳中至关重要。此外，通过采用用户侧分布式能源，建筑物不仅是能源的消费者，也是能源的生产者。
使用由用户侧分布式能源产生的电力将进一步支持脱碳。 因此，对建筑脱碳进行研究具有重要意义。
美国政府有一个脱碳目标。然而，在考虑美国未来建筑脱碳途径的所有关键方面时，缺乏一个总结。基于文献综述，特别是来自美国政府和国家实验室的文件，我们确定了美国未来建筑脱碳途径的三个关键方面：技术、经济影响和法规。
图1
图1展示了建筑脱碳研究的理论。快速部署脱碳将在技术和经济上给电网及其消费者带来重大挑战，政策制定者、利益相关者和行业领导者在制定实现清洁电力目标的可能途径，并分析对人们生活的影响时应考虑到这一点。此外，当前的全球性挑战，如气候变化、能源短缺和空气污染，极大地影响了未来建筑的脱碳途径。
因此，建筑脱碳是一个跨学科的研究，需要考虑技术、经济影响和法规规定三个方面。在技术方面，建筑节能、建筑电气化和电网互动高效建筑都是本研究的关键方面。在经济影响方面，成本效益(投资和回收期)是需要研究的，这将是建筑业主进行建筑脱碳的动力之一。现有建筑和新建筑都需要规范，需要设计新的政策来指导未来的建筑脱碳。
为了理解现有的与建筑脱碳相关的研究和未来的研究方向，本文提供了美国未来住宅和商业建筑脱碳途径的展望。本文内容如下：第二部分介绍了美国建筑脱碳的技术，包括建筑能效、电气化和网格交互高效建筑系统(GEB， Grid-interactive Efficient Buildings System) ；第三部分介绍了美国建筑脱碳的经济影响，包括投资、回收期、环境效益和就业机会的变化；第四部分介绍了美国建筑脱碳的规范规定，包括建筑能效、GEB、电气化和脱碳、建筑性能标准；第五部分讨论了未来可能的研究方向；第六部分为结论。
2、技术
为了实现建筑脱碳目标，正在研究和采用许多技术。本节介绍三个领域的这些技术：建筑能效、电气化和 GEB。表1总结了报告的技术，并列出了示例措施。第 2.1 节、第 2.2 节和第 2.3 节将分别详细介绍能源效率、GEB 和电气化应用的技术。
表 1. 适用于能源效率、GEB 和电气化应用的报告技术摘要
| 类别 | 技术
（示例措施） | 效率 | GEB | 电气化 |
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|---|
| 外围 | 高效玻璃（三层玻璃，充氩气） | √ | | |
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| 动态玻璃（电致变色、热致变色玻璃） | √ | √ | |
| 自动附件（百叶窗、窗帘、窗帘） | √ | √ | |
| 绿色屋顶 | √ | | |
| 高性能绝热材料（真空绝热板、充气板） | √ | | |
| 可调导热材料（Switchable insulation） | √ | √ | |
| 热各向异性系统 | √ | √ | |
| 集热墙 | √ | | |
| 储热（相变材料） | √ | √ | |
| 水分储存和提取（相变湿度控制材料） | √ | √ | |
| 可变辐射技术（动态冷屋顶） | √ | √ | |
| 风化 | √ | | |
| 自然通风 | √ | √ | |
| 供暖、通风和空调 (HVAC) | 高效 HVAC 系统（可变制冷剂流量 [VRF]、空气和地源热泵 [HP]）） | √ | | √ |
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| 能量回收呼吸机 | √ | | |
| 省煤器 | √ | | |
| 智能恒温器 | √ | √ | |
| 具有嵌入式 T-stats 的 HVAC 设备控制 | | √ | |
| 液体干燥剂热能储存 | | √ | |
| 混合蒸发预冷 | √ | √ | |
| 水加热 | 高效系统 (HP) | √ | | √ |
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| 太阳能热水器 | √ | √ | √ |
| 智能连接控制 | √ | √ | |
| 双燃料热水器 | | √ | |
| 家电 | 高效电器（能源之星） | √ | | |
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| 高效炉灶（电和感应） | √ | | √ |
| 高效干燥机（HP 和超声波） | √ | | √ |
| 先进的洗碗机和洗衣机控制 | | √ | |
| 灯光 | 日光传感器 | √ | √ | |
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| 高效照明 (LED) | √ | | |
| 先进的传感器和控制 | √ | √ | |
| 混合日光固态照明 (SSL) 系统 | √ | √ | |
| SSL显示 | √ | √ | |
| 背后的分布式能源 | 现场光伏 (PV)（例如，屋顶光伏） | | √ | √ |
|
| 现场电池存储 | | √ | |
2.1. 建筑能源效率
能源效率是包括建筑环境在内的能源部门脱碳的关键组成部分。为了最大限度地减少建筑物的碳足迹，人们付出了相当大的努力来提高能源效率。有许多研究评估了能效措施 (EEM) 的节能潜力，以努力减少住宅和商业建筑的能源消耗。
已经提出并推广了许多能效措施，以有效提高建筑环境的能源效率和室内环境质量 (IEQ)。新建筑有很多机会实现净零能耗建筑 (nZEB) 设计，因为它们可以轻松采用大多数能效措施。最近，大量现有研究的重点是在设计住宅和商业建筑时为 nZEB 提供最佳指南。
此外，现有建筑存量在大多数州采用的雄心勃勃的脱碳目标中起着至关重要的作用。虽然现有建筑提供了显著的节能机会，因为它们占建筑存量的很大一部分，但在考虑对历史建筑进行能源效率改造以减少能源使用并保持热舒适性，同时保留其遗产价值时，应特别注意。
文献中报道了一系列丰富的能效措施，如表1所列。提高建筑外墙的性能一直是最早考虑降低能耗的补救措施之一。流行的围护结构能效措施的例子包括提高绝缘水平、热质量和气密性，特别是对于外壳为主的结构。 一些拟议的围护结构能效措施可以很容易地在现有建筑物中实施，而其他一些则需要解构方法。
此外，由于空间供暖、通风和制冷在住宅和商业能源消耗总量中所占份额很大，因此人们非常重视提高HVAC系统的效率。能源效率措施可以在系统、组件或控制级别。照明和设备是主要的能源消耗者，尤其是在商业建筑中。他们的能源效率方面侧重于提高系统效率和开发可以减少使用时间的控制策略。 例如，大量研究表明，与其他照明类型相比，使用发光二极管 (LED) 灯可以显着减少能源使用。
另外，占用行为是影响建筑物能耗的关键因素。为了提高能源效率，必须整合行为改变干预措施，例如提高意识和提供能源使用反馈，以及技术解决方案，例如使用占用传感器。研究表明，在建筑能源管理中使用基于占用的传感器可以有效减少能源使用。
2.2. 电气化
在美国，天然气分别占住宅和商业部门总能源消耗的 23% 和 20% 。几乎一半的美国家庭使用天然气作为空间和水加热的主要来源。建筑行业电气化与电力行业脱碳是实现碳中和目标的关键要素之一。建筑行业电气化意味着从使用化石燃料（例如天然气和石油）转向使用电力来运行空间和热水器等建筑能源系统。电气化可以长期减少温室气体 (GHG) 排放，改善室内和室外空气质量，降低一氧化碳 (CO) 风险，并促进智能技术的采用。
例如，美国加州在致力于脱碳方面一直处于美国的领先地位。最近发布的加利福尼亚州建筑电气化技术路线图 (BETR) 概述了技术状况，确定了主要障碍，并绘制了住宅和商业建筑的进步路线图。电气化要被认为是有利的，它必须至少满足三个要求中的一个，而不会对其他两个产生负面影响。这些要求包括为消费者节省资金、改进电网管理以及最大限度地减少有害环境影响。
此外，推动电气化的主要技术包括用于空间加热和冷却的空气和地源热泵 (HP)、高效电力和地源热泵热水解决方案、用于烹饪的感应炉以及用于衣物烘干的超声波和地源热泵。电气化还为GEB应用打开了机会，这些应用可以减轻电网压力，并通过需求侧管理 (DSM) 策略改善居住者的体验。
2.3. 网格交互高效建筑
在美国，电网的供需双方都在快速发展。用于发电的燃料来源正在转向天然气和可再生能源，包括风能和太阳能。此外，建筑物的部分电力需求由太阳能光伏 (PV) 等分布式能源满足，太阳能光伏 (PV) 也可以向电网输送多余的电力。电网经历了高需求时期，需要大量投资来建造新的发电厂。需求方管理提供的策略可以减少、转移或降低建筑负荷，同时保持足够的服务水平和舒适度 。
稳定电力系统是建筑物需要考虑的另一个方面。GEB可以定义为“采用智能技术的节能建筑，其特点是积极使用分布式能源 (DER) ，以持续和综合的方式优化电网服务、居住者需求和偏好、气候缓解和成本降低的能源使用”。使用需求侧管理 (DSM) 的好处包括降低建筑物所有者的公用事业成本和提高公用事业的系统可靠性。需求响应 (DR) 可以是可调度的或不可调度的，具体取决于谁发起响应行动。不可调度的DR由建筑物所有者根据价格信号（例如，使用时间的电价）自行决定激活，而可调度的DR直接响应由电网运营商或第三方聚合器在高峰事件期间发起的信号。鉴于GEB的日益流行，主动解决与使用控制传感器和连接设备相关的被动（例如，物理故障）和主动（例如，网络攻击）威胁至关重要。
最完善和成熟的DSM资源是能源效率和需求响应。表1列出了适用于GEB应用的技术。对GEB应用具有巨大潜力的市场可用动态包络技术的示例是动态窗口、自动附件和热存储。尽管这些技术在单独应用时可以提供节约潜力，但结合选择性动态包络技术可以进一步增强它们的电网服务能力（例如，可调热导率和蓄热）。此外，其他技术，包括单独的显性和隐性空间调节，以及热水器、照明和 HVAC 的智能控制，都具有通过市场可用技术实现电网服务的巨大潜力。
3. 经济影响
在第二部分介绍的技术时，需要研究经济影响。本节从四个方面介绍经济影响，即投资、投资回收期、环境效益和工作机会的变化。
3.1. 投资
投资由初始投资和运营成本两部分组成。脱碳的初始投资可以包括对电气设备和基础设施的投资，包括热泵、电气面板升级、智能恒温器和控制器等。一项研究估计，单户住宅的初始成本增量为1000 - 1700美元。同一项研究还确定，由于取消了化石燃料基础设施，全电动住宅的建造成本比混合燃料住宅便宜7500美元至8200美元。节能升级，如建筑围护结构和暖通空调系统改造，也可以减少与建筑运营相关的碳排放。建筑物可以投资于屋顶光伏和/或电池储能系统，这可以降低电力成本，减少对电网的依赖。
除了初始投资之外，这些系统还有相关的运营成本，如税收、保险、维护等。财政激励措施，如税收抵免、上网电价、投资补贴等，可以帮助抵消部分成本并促进投资。最后，除了对建筑的投资，还需要更大规模的可再生能源发电、输电和配电基础设施。一项研究估计，到2030年，美国对低碳基础设施的年平均投资为6.2万亿美元.
3.2. 投资回收期
建筑脱碳投资的回收期是建筑运营商的一个重要考虑因素。有几个衡量回收期的指标,首先是简单的回收期，即投资产生的回报与初始投资相等的时间。各种研究将这些指标应用于建筑脱碳研究。根据场景和投资的不同，投资回收期从不到一年到超过10年不等。另一个指标是投资回报率(ROI)，它计算每个初始投资的回报比率。最后，生命周期成本分析通常用于确定总成本，包括初始投资和更换、维护等的经常性成本。
3.3. 环境效益
建筑脱碳的环境效益对于减缓气候变化非常重要，例如达到《巴黎协定》的全球温度目标。一项研究估计，全电动独栋住宅在生命周期内可节省126公吨二氧化碳当量的碳排放。其他研究表明，使用节能措施的智利办公楼生命周期碳排放量减少了 17%，与某些建筑物的“最坏情况”相比，碳排放量减少了 77%。这些研究证明了建筑减少碳排放的巨大潜力。建筑能源系统的脱碳可以改善空气质量，还可以减少其他污染物。最后，政策也可以激励减少碳排放。例如，碳税可能会促使建筑运营商提高环保意识并减少排放。
3.4. 工作机会的变化
建筑脱碳将创造新的就业机会，例如与开发和运营新能源基础设施相关的工作，包括更多的可再生能源工作。与太阳能相关的建筑和安装显示出提供新就业机会的巨大潜力。此外，可再生风能基础设施将需要许多运营和管理工作。随着建筑和其他基础设施朝着脱碳化的方向发展，一些工作岗位将从劳动力中消失。预计这在最坏的情况下会造成少量工作岗位流失，但从长远来看，预计工作岗位会净增加。总体而言，预计当前市场的总就业岗位净变化不到 1%。
4. 法律规定
由于美国政府的承诺，建筑脱碳变得越来越流行，并影响建筑标准和规范，这些标准和规范开始不仅考虑能源效率，还考虑其他因素，例如GEB、电气化和脱碳。本节介绍建筑能效、GEBs、电气化和脱碳、建筑性能标准四个方面的规范规定。
4.1. 建筑能源效率
能源效率是评估建筑物性能的传统标准之一。能源使用强度（EUI）反映了建筑物每年单位面积的能源消耗量，是评价建筑能效的关键指标之一。建筑资产（例如围护结构；照明；供暖、通风和空调 (HVAC) 系统；以及生活用水加热 (SWH) 系统）是提高建筑能效的主要因素。 在评估建筑物的能源效率时，我们需要消除不相关方面的影响，例如位置/天气、建筑物几何形状、不受管制的负载（如高性能计算源）和建筑物运行。
因此，标准化的EUI通常用于评估建筑能效。某些建筑能源法规和标准用于规范建筑设计以提高建筑能源效率。ANSI/ASHRAE/IES 标准 90.1和国际节能规范 (IECC)是两种流行的此类建筑能源规范。此外，还有高级规范，提供了更高的要求，例如 ANSI/ASHRAE/IES 标准 189.1和高级能源设计指南。图2显示了美国住宅和商业建筑实现零能耗建筑的历史进展和所需进展 。政策制定者继续在相关建筑能源法规和标准的新版本中推动建筑能效改进。
图2
4.2. 网格交互高效建筑
GEB受建筑规范和标准的监管。建筑物具有显着的电力灵活性，可以为电网侧优化做出贡献。图3显示了建筑柔性负载曲线（效率、负载卸载、负载转移和调制）。随着光伏和电池等分布式能源的发展，电力系统面临着新的挑战，例如高峰需求与可再生能源发电之间的不平衡导致的鸭曲线问题。构建柔性负载曲线提供了解决或缓解这些挑战的一种解决方案。
图3
在当前的法规监管过程中，电价通常用于规范建筑物中的运营。使用时间费率是一种流行的电价。不同的电力单位零售价格是针对时间段设计的。电力单位零售价在关键高峰或高峰期较高，而在非高峰期较低，这为建筑运营商规范建筑运营提供了动力。
4.3. 电气化和脱碳
由于美国政府承诺到2035年实现100%的清洁电力，美国将快速部署电气化，图4提供了按燃料类型划分的一系列情景的发电量估计。 如果我们追求到2035年实现100%清洁电力的目标，太阳能和风能等可再生能源的使用将在10年内显著增加。这一过程将显着影响最终用途和电力系统的运营。为了优化这一过程，不仅需要研究不同的电气化和脱碳路径，还需要规范部署过程。规范法规将在规范现有建筑的改造、新建筑开发和未来建筑运营方面发挥重要作用。由于能源变化的需要，未来的法规将对未来的建筑能源系统提出要求和建议，并对温室气体排放进行更深入的考虑。
图4
4.4. 建筑性能标准
建筑性能标准 (BPS) 是新兴的基于结果的政策工具，旨在减少建筑环境的碳影响 。BPS要求现有建筑满足日益严格的基于能源和温室气体排放的性能目标，并在其整个生命周期内提高性能。此外，BPS还能够与其他建筑规范结合用于新建和重大改造，这将使政府能够实现其建筑行业的能源和碳排放目标。
为了开发BPS，需要度量来评估建筑性能，并且需要标准化方法来消除与建筑性能无关的因素（例如，气候和建筑运行）对评估结果的影响。选择合适的度量和归一化方法对于简化评估过程和获得无偏的评估结果很重要。美国环境保护署 (EPA) 推荐了BPS的指标（站点 EUI 和 GHG 排放）和标准化方法，为做出合适的选择提供了指导。
图5显示美国BPS的状态，蓝色表示州/地方政府采用了以能源为度量标准的BPS；黄色表示州/地方政府正在开发BPS；红色表示州/地方政府考虑采用BPS。除了不同的性能指标外，这些州和城市的 BPS 还包括不同的建筑类型、范围预期、合规选项、实施时间表和减排目标。详情显示 [
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图5
有一些工具和资源可用于BPS研究。数据源包括基准数据（例如，能源之星评分）、审计数据、税务评估员数据和调查数据（例如，CBECS 和 RECS）。ENERGY STAR Portfolio Manager是可用于BPS的工具示例之一。该工具提供了评估建筑性能和能源之星评分作为性能指标的基准。基于物理的建筑能源建模方法也可用于支持政策设计的 BPS 研究。例如，ComStock 和 ResStock 可以开发县/市/州级库存建筑能源模型。DOE 商业和住宅原型建筑模型为不同的建筑类型和气候带提供了详细的建筑能源模型。这些模型可用于电气化/脱碳改造的规范化和研究，以满足 BPS 目标。
5. 讨论
本文从三个方面研究了美国未来建筑脱碳途径的现有研究：（1）技术，（2）经济影响，和（3）法规。基于这项研究，本节对建筑脱碳的未来潜在研究方向进行了展望：
未来的研究将在更大的地理尺度上做出更多的努力，例如社区尺度、城市尺度和全国范围的研究。设备级别或整个建筑物级别的研究侧重于提高特定设备或建筑物的性能。然而，未来的研究将考虑一组建筑物的综合影响，并优化包括建筑物、电网和其他部门在内的整个系统。例如，互联社区研究将在社区层面进行优化，能源将在建筑物之间共享，从而优化聚合负载配置文件。建筑-电网集成研究优化了建筑的总负荷分布，从而提高了建筑和电网侧的性能。 研究社区内的建筑物如何相互共享能源，例如将绿色能源从一栋建筑物出售到另一栋建筑物，可以改善能源负荷管理。然而，这种能源共享存在相关的不确定性，因此需要对建筑资源的可用性做出假设来评估这种情况。
未来的研究将是多学科的。未来建筑存量部门与其他部门（例如交通运输部门和工业部门）之间将有更多联系。例如，交通部门大力研究电动汽车 ( EV ）。由于电动汽车充电器安装在建筑物中，因此需要研究电动汽车充电器在建筑物中的用电量优化。此外，在建筑物中还安装了用户侧分布式能源。建筑物不仅是能源消费者，也是能源生产者，这可能会影响电网运行策略。 因此，还需要研究建筑-电网一体化。此外，未来的气候变化将影响建筑的韧性，在未来的建筑脱碳研究中需要考虑微气候研究。此外，还需要研究其他方面，例如经济和环境影响。
未来的研究将产生一种系统的方法，通过考虑多个指标来评估建筑物的整体性能。在当前的建筑性能评估过程中，能源消耗（例如，能源使用强度）和 GHG 排放/CO 2排放是两个流行的指标。在这个过程中，成本效益和室内环境质量也经常被考虑在内。为了评估未来的建筑性能，还需要考虑其他指标，例如能源公平和工作机会的变化。此外，由于存在多种指标，系统地评估未来建筑的整体性能成为一个重要的研究方向。
未来的研究将面临新的挑战。第一个挑战是不同领域专家之间的协作。需要确定谁需要负责某个部分以及如何将不同部分连接在一起。例如，需要回答以下问题：（1）EV是由建筑能源或交通专家研究的吗？(2) 建筑能源或电力系统专家是否研究了表后分布式能源？(3) 如何优化整个系统，包括不同的终端使用部门和电网？第二个挑战是确定合适的建模方法，这些方法能够在建模/仿真工作与仿真结果的准确性之间取得平衡。需要设计系统建模方法。最后一个挑战是通过考虑多个方面并基于多个指标来评估整体性能。
6.结论
本文在回顾现有研究的基础上，对美国未来建筑的脱碳途径进行了展望。研究包括三个方面：技术、经济影响，以及法规。在此基础上，本文探讨了未来美国建筑脱碳的潜在研究方向，将是大规模、多学科的研究，考虑多指标，面临新的挑战。本文将支持政策制定者、研究人员、建筑业主和其他利益相关者了解电气化和脱碳对美国未来建筑的影响。
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