低效的建筑电气化有延长化石燃料使用寿命的风险．

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低效的建筑电气化有延长化石燃料使用寿命的风险

一项新的澳门威尼斯人注册网站研究表明，脱碳途径应该结合更高效的电加热技术和更多的可再生能源，以尽量减少冬季供暖用电高峰期间美国电网的压力。

2022年7月29日
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建筑物直接消耗的化石燃料，在热水器、炉子和其他热源中燃烧，占美国温室气体排放量的近10%。改用可再生能源供暖的电力系统，而不是煤炭、石油和天然气，这一过程被称为建筑电气化或建筑脱碳，是实现全球净零气候目标的关键一步。

然而，大多数建筑脱碳模型都没有考虑到供暖或制冷能源需求的季节性波动。这使得很难预测最终转向更清洁的建筑全电供暖对国家电网意味着什么，尤其是在能源使用高峰时期。

波士顿大学公共卫生学院（BUSPH）、哈佛大学陈公共卫生学院（Harvard Chan School）、俄勒冈州立大学（OSU）和非营利组织家庭能源效率小组（HEET）的澳门威尼斯人注册网站研究人员进行了一项新的澳门威尼斯人注册网站研究，澳门威尼斯人注册网站研究了能源需求的季节性变化，发现每月的能源消耗变化很大，在冬季最高。

该澳门威尼斯人注册网站研究发表在《自然》杂志的《科学报告》上，提出了多种建筑电气化情景的新模型，并发现，如果建筑物改用低效率的电气化供暖，目前的可再生能源将难以满足冬季能源需求的季节性激增。

更高效的电加热技术将减少电网的电力负荷，并提高非可燃可再生能源满足这种加热需求的能力。”
Jonathan Buonocore，环境健康助理教授

澳门威尼斯人注册网站研究结果强调，建筑物需要安装更高效的家庭供暖技术，如地源热泵。

“我们的澳门威尼斯人注册网站研究揭示了建筑能源需求的波动程度，以及在建筑电气化时使用极高效供暖技术的好处，”澳门威尼斯人注册网站研究负责人和通讯作者乔纳森·布诺科说，他是BUSPH环境健康助理教授。“从历史上看，建筑能源需求的波动主要由天然气、石油和木材控制，所有这些都可以全年储存并在冬季使用。电气化建筑，以及支持它们的电力系统，必须提供同样的服务，在冬季提供可靠的供暖。更高效的电加热技术将减少电网的电力负荷，并提高非燃烧可再生能源满足这种加热需求的能力。”

在这项澳门威尼斯人注册网站研究中，Buonocore及其同事分析了2010年3月至2020年2月的建筑能源数据，发现基于当前化石燃料的使用，以及未来冬季的用电量，美国的月平均能源消耗总量变化了1.6倍，5月需求最低，1月需求最高。

澳门威尼斯人注册网站研究人员用他们所谓的“猎鹰曲线”来模拟这些季节性波动——因为一个月能量消耗变化的图表代表了一只猎鹰的形状。数据显示，冬季供暖需求推动能源消耗在12月和1月达到最高水平，7月和8月因降温而达到二次高峰，4月、5月、9月和10月最低。

澳门威尼斯人注册网站研究人员还计算了额外的可再生能源的数量，特别是风能和太阳能，这些能源需要产生才能满足电力需求的增加。如果没有存储、需求响应或其他策略来管理电网负荷，以满足冬季供暖高峰，建筑物将需要1月份增加28倍的风力发电或1月份增加30倍的太阳能发电。

但是有了更高效的可再生能源，如空气源热泵（ASHPs）或地源热泵（GSHPs），建筑物只需要增加4.5倍的冬季风力发电，或36倍的太阳能发电——因此，随着电网对新能源需求的减少，猎鹰曲线将“变平”。

这项澳门威尼斯人注册网站研究的合著者、俄勒冈州立大学工程学院助理教授Parichehr Salimifard说：“这项工作确实表明，需求侧和供给侧的技术在脱碳方面都发挥着重要作用。”她说，这些技术在能源供应方面的例子是地热建筑供暖和可再生能源技术，这些技术可以随时提供能源，例如可再生能源与长期储存相结合，各种规模的分布式能源（DERs），以及尽可能的地热发电。“这些可以与需求端的技术相结合。，如被动式和主动式建筑节能措施、调峰和建筑储能。这些建筑级技术既可以通过降低基线和最大能源需求来降低整体建筑能源需求，也可以平滑建筑能源需求的波动，从而使猎鹰曲线变得平坦。”

“猎鹰曲线让我们注意到建筑电气化技术的选择与建筑电气化对电网的影响之间的关键关系，”该澳门威尼斯人注册网站研究的合著者、非营利气候解决方案孵化器HEET的联合执行董事Zeyneb Magavi说。

Magavi提醒说，这项澳门威尼斯人注册网站研究还没有根据特定技术的季节性效率曲线来量化这种关系，也没有根据更细粒度的时间尺度或区域来量化这种关系，也没有评估各种有助于应对挑战的策略和技术。所有这些都必须在脱碳规划中加以考虑。

然而，Magavi说，这项澳门威尼斯人注册网站研究清楚地表明，“使用热泵技术（空气源、地源和网络）的战略组合，以及长期能源储存，将帮助我们更有效、经济和公平地为建筑物供电。”猎鹰曲线向我们展示了一条通往清洁、健康能源未来的更快道路。”

“我们的澳门威尼斯人注册网站研究清楚地表明，当考虑到在猎鹰曲线中明显的能源消耗的季节性波动时，我们的建筑电气化的动力必须与节能技术的承诺相结合，以确保建筑脱碳努力最大限度地提高气候和健康效益，”该澳门威尼斯人注册网站研究的资深作者约瑟夫·g·艾伦说，他是哈佛大学陈学院暴露评估科学副教授和健康建筑项目主任。

Buonocore说：“我们在这里的工作展示了一条建设电气化的途径，避免了对化石燃料的依赖，避免了可再生燃料的燃烧，这些燃料仍然会产生空气污染，并可能使空气污染暴露的差异长期存在，尽管是气候中性的。”“避免这样的问题是公共卫生专家参与能源和气候政策制定的重要原因。”

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  • 吉莉安McKoy

    资深作家兼编辑

    吉莉安·麦科伊是公共卫生学院的资深作家和编辑。配置文件

评论与讨论

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有7评论低效的建筑电气化有延长化石燃料使用寿命的风险

  2. 所有可再生能源技术的能量密度都低于化石燃料或核能，这将需要更多的自然资源（铜，钢，REM，银等）每千兆瓦时的生产。对这些资源的需求不断增加，同时对能源/自然资源勘探的投资受到抑制，这将推高绿色技术的价格。你考虑过通货膨胀对转换时间的影响吗？这是违反直觉的，但似乎使化石燃料变得昂贵和/或稀缺会使绿色解决方案变得不经济。

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    1. 没有足够的铀和其他可裂变物质，没有像铪和铱这样的密封材料，没有合适的地点；过量的原子残留物。

      增长的限制：核能能满足世界需求吗？原子科学通报，2012;68(5):23-32。doi: 10.1177 / 0096340212459124

      我们可以引导可再生能源——根据国际能源署（IEA）的数据，到目前为止，可再生能源已经是历史上最便宜的能源了五年，而且根据斯旺森定律（Swanson’s Law），它的价格一直在上涨——但我们无法从裂变中获得超过16年的时间，即使是世界上70%的需求可能得到满足。

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  3. 供暖电气化的关键将是高效的建筑围护结构设计和捕获和储存热能的机械系统。捕获和储存热能的能力将提供转移加热和冷却负荷的能力，以优化效率和弹性，并提供平衡内部负荷的能力，同时降低电力峰值需求。该系统一般称为蓄热源热泵系统。它使用到今天可用的设备，允许更少的热泵应用，并将热泵的应用能力进一步推向北方。储存能量将是关键。储存热能，用于重型热负荷的提升（约占建筑物负荷的一半），储存电子能量，用于电子用途，如风扇和插头负载。

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  4. 我们真的考虑过热泵的影响了吗？为了消除化石燃料的住宅使用，“全球变暖/温室气体”的人建议每个人都改用电热泵代替燃气炉。拜登总统援引《国防生产法》来增加热泵制造业。此外，S.4139将加速热泵的生产。如果在电网和微电网转换为可再生能源之前遵循这些建议，那么释放到大气中的温室气体将会增加，而不是减少！•为了在夜间（无太阳能可用）提供供暖，热泵运行压缩机、室外风扇和室内风扇。燃气炉只带动室内风机。这是电力负荷的巨大差异。在大约10华氏度以下，热泵也使用电线圈元件加热。•运行热泵的大部分电力来自现有的天然气或燃煤发电厂。发电厂的发电损失，以及将电力输送给最终用户的传输损失，导致发电厂只有不到35%的燃料输入可用于热泵。而煤气炉至少有80%的效率。从逻辑上讲，电动热泵的电厂燃气效率为35%，将比效率为80%以上的燃气炉产生更多的温室气体。这是真的，即使考虑到200%到400%的热泵效率。•现有的发电厂加上目前的太阳能、风能、水力、核能等发电能力，将在相互连接的电网系统中耗尽容量。发电和输电设备将不得不增加，以满足建议的热泵增加，并避免限电和停电。•由37名科学家、企业家和学者组成的联盟给能源部长格兰霍姆（Granholm）发了一封信（澳门威尼斯人注册关闭加州迪亚波罗峡谷（Diablo Canyon）核电站的问题）：“考虑到我们的气候危机，未能通过这一修正案可能会导致该核电站关闭，”信中说。“这不仅是不负责任的，而且后果可能是灾难性的。•六氟化硫：（复制自EPA -“电力系统合作伙伴关系”- 2022年4月29日）“六氟化硫（SF6）是一种合成的氟化化合物。电力公司在电力系统中严重依赖SF6。然而，它也是迄今为止已知的最强大的温室气体。它捕获红外辐射的效率是等量二氧化碳的2.28万倍，并在大气中停留3200年。”

    （见第2页背景资料）第2页-温室气体和热泵-背景资料

    澳门威尼斯人注册六氟化硫(SF6) -(拷贝自EPA（4/29/2022）•“无论是在国内还是在国际上，SF6最常见的用途和最大的排放源是作为输电和配电高压设备的电绝缘体。SF6的最大用途是在高压断路器中，除了提供绝缘外，SF6还用于熄灭通电断路器打开时形成的电弧。根据“美国温室气体排放和汇清单”，到2020年，美国大约70%的SF6排放来自电力传输和配电部门。电力行业使用了大约80%的SF6。•如果我们的国家继续“用热泵供电”，特别是在热泵效率较低的寒冷气候中，将需要无数的新变电站，以及无数的断路器和其他SF6气体开关设备。电气开关设备制造商承认，每个断路器每年的SF6泄漏率高达0.5%。如果每个含SF6气体的断路器和SF6开关设备的泄漏率只有0.4%，那么释放到大气中的SF6的数量将是巨大的。微电网中的开关柜也是如此。澳门威尼斯人注册大量增加电热泵将对我们的电力供应产生的影响：•加州认识到现有电网存在问题的一个指标（2022年7月4日）：“由州长加文·纽森（Gavin Newsom）政府谈判并于周三晚些时候获得立法者批准的能源挂车法案，为州水利部分配了高达7500万美元的储备基金，以延长计划关闭的老化发电厂的运营。位于圣路易斯奥比斯波附近海岸的迪亚波罗峡谷（核电站）已经准备关闭五年多了。”该法案旨在维持该州日益紧张的电网的可靠性，并避免出现限电或停电的破坏性前景。•如果所有目前没有中央空调的现有住宅现在都被要求或诱使增加热泵来取代现有的煤气炉，那么电力系统的额外负荷将是巨大的。现有的电网、变电站和电力服务不太可能被设计成每个家庭都有中央空调或热泵。此外，在寒冷的夜晚，所有住宅的热泵/电盘管的同时利用率可以接近100%。在夏季，新增加的热泵住宅将显著增加电力系统的空调负荷。澳门威尼斯人注册热泵效率与室外冷温度的关系：•如果热泵安装了3.5 COP（350%效率），在45华氏度的室外温度下提供24000 BTUH的加热，那么在10华氏度的室外温度下，它将只有大约2.3 COP，并且只能产生大约15000 BTUH的加热。为了产生所需的24000 BTUH，要么需要一个线圈（1.0 COP），要么热泵必须超大以适应较低的温度。澳门威尼斯人注册过度安装热泵对健康的影响：（摘自广泛的澳门威尼斯人注册网站研究“美国住宅热泵”，Deetjen， Walsh和Vaishnav， 2021年7月28日）。•“采用热泵通常会增加空气污染物（如二氧化硫、氮氧化物和PM2.5）对健康造成的损害。与发电厂相比，住宅炉和锅炉在较低的燃烧温度和更严格的空气质量法规下运行。也就是说，发电厂产生的空气污染物比住宅加热器多得多。这种情况——热泵的采用增加了整体健康损害——发生在4750万户美国家庭中，占非热泵住房存量的67%。”

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    1. 你提出了很好的观点。但是，例如SF6的逸散性排放与电网容量的增加并不是线性关系，甚至是对数关系。你有没有考虑过在甲烷和石油加工中使用了多少SF6 ？

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  5. 可以说，减少建筑物能源使用的努力有两个优先事项。首先，减少需要满足的加热和冷却负荷（例如，增加隔热，减少建筑围护结构泄漏以减少渗透，高性能窗户）。其次，尽可能高效地满足建筑的供暖和制冷负荷。本文似乎关注的是第二个优先事项的脱碳影响。但前者可能是真正重要的，特别是当它导致供暖和制冷的峰值能源需求显著降低时。

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