缩小差距：美国能源部建筑研发组合的优先事项

缩小差距:优先级的 美国能源部的建筑研发组合 HOYU庄|2022年8月 建筑行业无法在2050年之前实现净零排放。联邦研发投资一直不成比例地低，而解决建筑行业脱碳关键障碍的国家战略一直缺乏。 关键的外卖 ▪2019年，建筑业占温室气体排放量的14%，高于2005年的8%。它是唯一一个温室气体排放量增加的与能源相关的最终用途部门。 ▪从历史上看，联邦研究，开发和示范（RD&D）投资在很大程度上忽视了建筑部门，该部门平均仅获得美国能源部研发预算的7%。 ▪高全球变暖潜能值（GWP）制冷剂的排放量增加是建筑行业温室气体排放量增加的主要驱动因素。支持HVAC&R和低GWP制冷剂技术的创新应该是联邦的首要任务。 ▪水加热、烹饪和烘干也是建筑行业排放的主要贡献者，但这些领域只有少数几个能源部项目。 ▪减少垃圾填埋场和废水处理排放的研发资金几乎不存在。美国能源部应实施现有指令，与EPA合作减少这些来源的排放。 ▪最后，美国能源部应在其办公室和其他机构发起、界定和扩大合作研发工作，以解决现有计划无法解决的材料中所含的碳问题。 itif.org 介绍 2021年，拜登总统设定了到2050年实现温室气体（GHG）净零排放的国家目标，标志着美国必须采取果断 行动应对气候变化的新时代。美国能源部（DOE）为大部分联邦能源研究、开发和示范（RD&D）计划提供资金。本次简报是一系列简报中的第一份，该系列报告探讨了美国能源部的研发组合与总统的大胆目标的一致性 ，该目标必须在所有排放部门实现。 住宅和商业建筑（统称为“建筑部门”）在美国温室气体排放中所占的份额越来越大。虽然总排放量有所下降，但建筑物的直接排放量却有所增加。2019年，该行业的直接排放量（不包括用电量）占全国总量的14%，而该部门的总排放量为34%，包括用电的间接排放量。 这些增长主要是由于越来越多地使用消耗臭氧层物质的替代品，消耗臭氧层物质释放氢氟碳化物（HFCs），这是一组氟化气体，广泛用于空调和制冷，具有非常高的全球变暖潜能值（GWP）。建筑物每单位能源消耗的温室气体排放量仅略有下降，表明美国最大的能源消耗部门的效率水平停滞不前。建筑电气化和效率改造也没有取得太大进展。 因此，建筑行业远未走上到2050年实现净零排放的轨道。更不幸的是，目前的DOE建筑研发组合并没有走上帮助该行业改变方向的轨道。主要研发挑战包括： ▪长期资金不足; ▪未能解决因供暖、通风、空调和制冷（HVAC&R）活动而增加的氢氟碳化物排放量增加的问题; ▪未能涵盖电器燃烧排放的全部范围; ▪缺乏解决废水处理以外的主要废物处理活动排放的计划，例如垃圾填埋场、堆肥和厌氧消化;和 ▪缺乏对隐含碳的生命周期方法，即建筑物运营阶段之前和之后发生的碳排放。 图1显示了美国建筑行业HFCs、化石燃料燃烧和废物处理活动的温室气体排放量。每个细分市场都存在美国能源部当前研发工作的差距。图1没有说明的是，除了建筑物运营排放到隐含碳的挑战，即建筑材料的制造、生产和运输以及使用寿命结束时的拆除和处置中预先释放的排放。 +8% +239% 不能充分解决现有项目 +1% 现有程序并非每个设备都能解决 +16% -11% 主要是没有解决现有程序 图1：建筑业的温室气体排放量2 900 800 温室气体排放(MMTCO₂e) 700 600 500 400 300 200 100 2005 2019 0 臭氧消耗物质（HFCs）的替代化石燃料燃烧（CO₂)固定燃烧 垃圾填埋场、堆肥、厌氧消化和废水处理（CH₄N₂O) 本简报解释了为什么国家需要强大的研发组合来解决建筑行业的排放问题，并讨论了它的不足之处。它首先概述了建筑行业的温室气体排放和能源消耗。下一节讨论美国能源部当前的研发组合，并描述其优势和不足。结论部分提供了解决这些缺陷的建议，并将有助于使建筑行业走上净零排放的道路。要解决这些缺陷，请执行以下操作： 1.美国应大幅增加对建筑技术研发的投资; 2.美国能源部应加快研发工作，使建筑物电气化，将其整合到电网中，并进行改造; 3.能源部应逐步致力于增加其建筑技术办公室（BTO）对无全球升温潜能值项目的资助; 4.美国能源部应逐步淘汰旨在推进化石燃料设备的研发，扩大对目前未涵盖的设备的研发支持，并提高这些设备的能源效率;和 5.能源部应就现有计划和子计划未涉及的主题（如废物活动和隐含碳）发起、确定范围并扩大能源部内部各办公室之间以及能源部与其他机构之间的协作研发工作。 建筑行业脱碳进展缓慢 住宅和商业部门（统称为“建筑部门”）在温室气体排放中所占的份额越来越大，这主要是由氢氟碳化物的排放 驱动的。2019年，建筑物占温室气体排放总量的14%（31%，包括电力间接排放）3。虽然温室气体排放总量比2005年下降了12%，但建筑行业的温室气体排放量在2005年至2019年期间从7.76亿公吨二氧化碳当量上升了8%（图1）（MMTCO2e）至836MMTCO2e。除农业外，建筑业是唯一逆势而上的行业，突显了脱碳的巨大挑战。 建筑部门的温室气体排放来自化石燃料燃烧、锅炉和燃烧器等来源的固定燃烧（但占该部门直接排放量的不到1%）、废物相关活动（包括垃圾填埋场、堆肥、厌氧消化和废水处理——排放甲烷和一氧化二氮气体），以及排放氢氟碳化物的臭氧消耗物质的替代品（图1）。HFCs具有非常高的GWP，用于空调，制冷剂，气溶胶，灭火，泡沫吹制，灭菌剂和溶剂。 虽然空间和水加热等化石燃料燃烧活动占建筑物温室气体排放的最大份额，但氢氟碳化物的排放是该行业排放量增长的主要驱动力。 建筑行业是美国最大的能源消耗部门，占总能源消耗的39%和电力使用的75%。不包括电力，2005年至2019年期间，人均能源消耗略有下降（-4.5%），而每单位能源消耗的温室气体排放量略有下降（-0.9%）（表1）。同样，2005年至2019年间，每平方英尺的能源消耗也略有下降（-2.6%）。人均和每平方英尺消费量的这些轻微下降表明能源效率适度提高，建筑电气化程度或两者兼而有之。 2005 2019 改变 总能耗（万亿英热单位），不包括电力† 10,937 11,893 8.7% 人均能源消耗: 人口(千) 288,378 328,240 13.8% 人均能源消耗(百万英热单位) 37.9 36.2 -4.5% 表1：建筑部门的能源消耗和温室气体排放量4 能源消耗每层面积: 建筑面积(十亿平方英尺)276.7308.811.6% 能源消耗/fl 英热 个区域千 39.5 38.5 -2.6% 温室气体排放/能源欺诈 (MTCO2e/千英热单位) 大前提71.070.3-0.9% †能源消耗基于最终用途部门（运输，工业，商业和住宅），而温室气体排放基于经济部门，包括电力。然而，电力最终被输送到四个最终用 途部门。因此，在比较最终用途能源消耗和排放时，不包括电力消耗和电力系统能量损失。发电产生的排放将单独讨论（即将出版）。 表2：2005年至2021年按燃料和活动（千万亿英热单位）分列的建筑部门能源消耗变化5 活动/设备 电 化石燃料来源 总计 空间加热 0.25 0.15 0.40 空间冷却 0.04 0.06 0.10 水加热 0.07 -0.22 -0.15 制冷†† 0.32 -- 0.32 通风†† 0.31 -- 0.31 烹饪 -0.01 -0.01 -0.02 衣服烘干机 -0.03 -0.03 -0.06 照明†† -1.20 -- -1.20 其他的用途††† 1.03 -0.30 0.74 总计 0.80 -0.34 0.45 †化石燃料来源包括天然气、馏分燃料油和丙烷。 ††这些活动仅由电力供电。制冷和通风用电量的增加是由于需求的增加，而照明用电量的减少是由于节能发光二极管（LED）产品的采用增加，根据美国能源部最近的一项研究，2018年建筑物总用电量的节省约为5%。6 †††其他用途包括冰柜、洗衣机、洗碗机、电视机及相关设备、计算机及相关设备、炉膛和锅炉循环泵、计算机、办公设备;电气和电子设备、加热元件和电机;户外烤架、天然气燃料灯、泳池加热器、水疗加热器和备用发电机等电器;变压器、医学成像和其他医疗设备、电梯、自动扶梯、越野电动车、实验室通风柜、洗衣设备、咖啡冲泡器和供水服务;应急发电机、商业建筑中的热电联产以及商业建筑中的制造。 表2显示，从2005年到2021年，建筑行业的化石燃料消费量略有下降，而用电量增加，这意味着建筑电气化正在缓慢发生。空间加热和水加热是消耗化石燃料的主要活动，其次是空间冷却、烹饪和使用干衣机。然而，随着气候变化导致气温变暖，空间冷却可能成为建筑行业未来排放状况的一个越来越重要的决定因素 。 建筑电气化步伐缓慢的进一步证据是电力在建筑行业最终用途能源消耗中的份额停滞不前，在2005年至2019年期间徘徊在23-24%左右.7加速建筑电气化的努力应侧重于空间供暖，空间冷却和水加热。2021年，空间供暖占该行业化石燃料能源消耗的65%（高于2005年的61%）。化石燃料能源产生的空间供暖实际上在商业建筑中增长（+0.48万亿英热单位在2005年至2021年间），超过了美国能源信息署（EIA）的预测，尽管同期住宅建筑的供暖量有所下降（-0.32万亿英热单位）8。照明是一个亮点：发光二极管（LED）和有机发光二极管 （OLED）照明技术的开发和商业化减少了62的电力消耗百分比（1.2万亿Btu）从2005年到2021年。 这些趋势——排放量增加（图1）、效率适度提高（表1）、能源消耗增加和电气化缓慢（表2）——意味着建筑行业远未走上到2050年实现净零排放的轨道。2005年至2019年间，建筑物中化石燃料燃烧产生的二氧化碳（CO2）排放量持平（平均为555MMTCO2e）。美国实现净零排放的长期战略要求将这一数字降至95MMTCO2e至300MMTCO2e之间（图2）。实现这一目标的唯一方法是使主要最终用途电气化，同时减少电网的碳排放。然而，2022年年度能源展望（AEO）预测已经假设已知能源生产、输送和消费技术的改善，预测趋势趋于平缓，到2050年略高于2005-2019年的历史平均水平（555MMTCO2e）（564MMTCO2e）在参考情况下。 图2：能源相关（化石燃料燃烧）活动的直接二氧化碳排放量、历史净零范围和参考案例预测10 为了增加和加速建筑电气化，美国能源部应逐步淘汰化石燃料设备的研发，并优先考虑对热能存储等技术的研发投资，这些技术通过支持跨办公室协作来促进可再生能源并入电网和建筑改造。同时，扩大对先进气流、空气密封、通风控制和高性能窗户的投资将提高建筑能效，减少空间供暖、制冷和通风的化石燃料能耗。 最后，该部门忽视了二氧化碳以外的温室气体（例如氢氟碳化物、甲烷和一氧化二氮）的缓解策略。美国长期战略承认这些挑战，并假设随着时间的推移，技术和成本只会有适度的改进。实现更显著的长期减排将需要重大的技术进步和新的或更有效的后备减排方案。 美国能源部的建筑研发组合缺乏资金和范围 美国能源部的BTO负责监督建筑围护结构，HVAC&R，热能存储，照明，电器和设备等技术的创新。随着战略方 向的重大转变，以与拜登政府提出的到2050年实现净零排放的目标保持一致，BTO必须解决长期资金不足、未能充分解决建筑运营排放问题以及缺乏对隐含碳的关注。 图3：建筑行业温室气体排放量（2005年至2019年）和美国能源部累计研发投资（2016年至2021财年）的变化11 (温室气体)排放的温室气体量的变化,2005- 农业 建筑 行业 建筑是美国能源部职权范围 内唯一温室气体排放量增加的部门，同时获得最小的研发份额 运输 电 2019 等量二氧化碳 能源部累积研发和实证,私企财政年度2016-2021 0369121518 数十亿美元(名义上的) 长期资金不足 相对于其他部门的技术，鉴于该行业对温室气体的贡献，建筑技术的研