具有高成本效益的电网交互式节能建筑——美国某零碳建筑集群的脱碳潜力

电网交互式节能建筑 具有高成本效益的 美国某零售建筑集群的脱碳潜力 报告/2024.4 关于落基山研究所（RMI） 落基山研究所（RMI）创立于1982年，是专业、独立的非盈利机构。我们致力于通过市场化解决方案推动全球能源系统转型，践行1.5℃温控气候目标，创造清洁、繁荣的零碳共享未来。我们在全球最重要的地区开展工作，与企业、政策制定者、社区和非政府组织一起制定并扩展能源体系的干预措施，以便在2030年前将温室气体排放量至少减少50%。落基山研究所在北京、美国科罗拉多州巴索尔特和博尔德、纽约市、加州奥克兰、华盛顿特区以及印度尼西亚巴厘岛设有办事处。 作者与鸣谢 作者 CaraCarmichaelPhilipKeuhnSheldonMendoncaConnorUsry 作者姓名按姓氏首字母顺序排列。 其他贡献者 CedarBlazek，美国能源部（DOE） 分析师 JoeyCathcartMaggieHuangRaghuramSunnam EllenFranconi，西北太平洋国家实验室（PNNL）AmyJiron，美国能源部（DOE） RoisLangner，美国国家可再生能源实验室（NREL）MonicaNeukomm，美国能源部（DOE） 联系人 PhilipKeuhn，pkeuhn@rmi.org SheldonMendonca，smendonca@rmi.org 中文编译 王萌、王广煦，落基山研究所 韩全胜，北京市建筑设计研究院有限公司刘秉祺，清大科越有限公司 王者，香港科技大学 联系方式 王萌，mwang@rmi.org 版权与引用 CaraCarmichael、PhilipKeuhn、SheldonMendonca和ConnorUsry，具有高成本效益的电网交互式节能建筑：美国零售建筑改造项目的脱碳潜力，RMI，2022年，https://rmi.org/insight/decarbonization-potential-for-a-us-retail-portfolio。 落基山研究所（RMI）高度重视合作并希望通过分享知识和洞察加速能源转型。因此，我们允许相关方通过知识共享许可协议CCBY-SA4.0参考、共享和引用我们的著作。https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/。 除非另有说明，所有使用的图片均来自iStock.com。 目录 执行摘要5 电网交互式节能建筑介绍7 什么是电网交互式节能建筑（GEB）？7 脱碳建筑改造项目取得成功的基本要素8 零售建筑集群项目背景9 建模方法12 投资方案与结果14 内部收益率为10%的方案15 内部收益率为6%的方案18 热泵方案21 改造措施分析23 在各气候区和电费类型中的可行性23 需求管理策略24 电网交互式节能建筑对电力需求的影响25 适用于整个零售行业的洞察29 对其他项目的好处30 总结32 参考文献33 执行摘要 研究目的 本研究评估了电网交互式节能建筑（Grid-interactiveEfficientBuilding,GEB）在美国某大型零售商的建筑节能改造项目中的潜在价值，并制定了一项能源项目投资计划，分析评估了如何最大程度地提高商店的能效、降低能源成本、减少碳排放并使其作为电网的资源。报告还提供了适用于零售门店的节能措施、可再生能源发电和电网协调策略，指出了整个零售业的机遇。 本研究通过深入评估该零售商旗下的零售门店，提出了包含一整套措施的优化投资方案并提供了推动脱碳的投资路径。我们在43个州、7个气候区、7种电价结构和各种现有条件下，选取了总共113家零售门店作为样本进 行了分析，共评估了三种投资方案：内部收益率（IRR，可解释为一项投资的预期年增长率1）10%的方案，内部收益率6%的方案以及一个协同各类措施的热泵方案。这三种投资方案均以与零售商的讨论结果为基础，分别 代表具有10%内部收益率的高收益投资门槛、实现GEB措施部署数量最大化且回报合理的6%内部收益率门槛以及建议安装热泵并与其他措施组合后能够达到10%内部收益率门槛的第三中间方案。 建筑碳排放占全球碳排放的39%。为了避免气候变化产生的最坏影响，我们必须在2030年之前将排放量减少一半，GEB对此将发挥至关重要的作用，主要通过减少建筑物的能耗与排放，帮助我们的电力系统变得更清洁、可靠和稳定。本研究旨在展示零售建筑如何以低成本高效益的方式发挥GEB的潜力，如何将可再生能源、负载柔性化措施和节能措施结合起来，减少峰值能耗并帮助实现一个清洁、有弹性的电网。 主要研究结果 该公司目前对其旗下零售门店的用电量和电力需求的管理良好。此次分析所选的商店是全国一些最高效的零售购物中心。根据EnergyStarPortfolioManager(ESPM)I的数据，所分析的门店平均比全国94%的零售购物中心更高效。 我们为这家零售商确定了几项具有高成本效益的策略来帮助它减少峰荷需求量、提高能效并减少其整体的碳排放。 1.在确保6%内部收益率的情况下，该零售商可以减少37%的能源成本和27%的碳排放。 •在内部收益率为10%的高收益方案中，该零售商可以减少26%的年度能源成本和19%的碳排放。 •升级照明设备和安装屋顶太阳能是实现节能和提升成本效益的关键因素。 平，对于建筑提供能效认证和评分。 •可在50%以上的门店以具有高成本效益的方式落实需求侧响应措施。这些措施有助于提高该建筑改造项目的成本效益并在现有电网的基础上进一步减少碳排放。 IE工n具er。gy建S筑ta的r业Po主rt可fol以io通M过an上a传ge建r：筑是的一能个耗能等够信用息来，检获测得并对追于踪建建筑筑能（效主水要平针的对评商价业。建能筑源）之能星源计消划耗还以基及于二同氧类化建碳筑排的放能的耗在线水 2.通过新的或改进后的需求管理、节能和屋顶太阳能措施，该零售商的113家门店可减少约5MW或17%的电力需求。 •峰荷需求降低的潜力因门店而异，并受到当前设备与控制方式的影响。采用电直热采暖的门店可以减少高达50%的峰值负荷。 3.在被分析的门店中，目前有17%（19家）可以通过安装热泵并结合其他节能、需求侧管理以及屋顶太阳能措施实现高成本效益。这些门店中的大多数将采用热泵替换电直热。它们可以作为积累热泵经验的试点项目。 4.为了在满足投资门槛的同时，最大限度地降低峰荷需求量、提高碳减排量，需要针对具体地点制定改造方案。目前能够通过热泵和电池储能获得可观回报的门店可以作为其他门店的试点，让后者在不久的将来获得更有吸引力的回报。 适用于整个零售行业的洞察 该零售业建筑改造项目本身是一个高效、灵活经营的典范，本报告中的碳减排结果可供其他大型零售商场借鉴。以下是向整个行业推荐的具有高成本效益的碳减排策略： •使用集中化的企业级能源管理信息系统(EnergyManagementInformationSystem,EMIS)测量、监测和控制设备性能 •采取需求侧灵活管理策略，例如分时段开启暖通空调设备以避免同时出现峰荷、在需求峰荷期之前预先调节空间温度（之后慢加速启动设备）。控制时序需要考虑到变化的成本和碳强度（至少每月调整一次） •更换为有集成式传感器套件的LED灯具 •使用大小合适的屋顶太阳能模组减少用电量 •在气候较暖的地区，在屋顶上安装反射阳光的白色屋顶膜 •使用空气源热泵热水器 •通过将电气化与可再生能源发电、节能与用电柔性措施相结合，可以使全国许多地方的高效屋顶热泵空调机组(RooftopUnits,RTUs)发挥高成本效益。在评估能源升级方面的投资时，应考虑如何发挥出这些措施的协同作用 随着联邦和州碳政策和激励措施的变化以及技术的改进，电气化和电池储能将变得更加经济。热泵改造试点项目将为这家零售商提供用于评估电气化方案经济性的更多信息。这些零售商店的运营方应定期重新评估这些措施的成本效益。 在不同的电价和气候区落实GEB措施都能带来经济效益，并且无论建筑改造项目位于何处，都应该予以考虑。在公司持有的固定资产（这里特指公司旗下所属的零售商店）层面规划GEB升级将： •减轻行政管理负担。 •通过批量采购协议减少初始成本。 •确保资金投入到收益最大的项目。 电网交互式节能建筑介绍 什么是电网交互式节能建筑（GEB）？ 电网交互式节能建筑是一种能够连续、整合地优化能源使用以满足电网服务、用户需求以及降低成本的高效节能建筑。3 图1电网交互式节能建筑的典型日建筑负荷情况及其改变用电量的方式 节电能力需求 错电峰力用需电求 降电低力负需荷求 每天时间 每天时间 每天时间 发电电力需求调电频力/需调求压 每天时间每天时间 资料来源：美国能源部电网交互式节能建筑发展路线图4 GEB采取五项关键策略调整建筑运营方式，以实现节省成本、提高使用者舒适度和成为电网的一项资产的目标。 1.节能：在不降低使用者舒适度的情况下，持续减少全天用电量。 2.降低负荷：在短时间内减少用电负荷。这一策略通常是用来响应需求计划的要求。 3.错峰用电：将用电量转移到一天中的不同时段以避开高成本或高排放时段，也称为“移峰填谷”。 4.调频/调压：根据电网运营商的信号，在秒级或亚秒级自主平衡电力供给/需求或无功功率吸收/供给。 5.发电：利用屋顶太阳能光伏或其他现场资源满足建筑需求并将多余的电力输送到电网。 随着建筑技术和电价结构变得更加复杂，仅通过传统的用能强度(EnergyUseIntensity,EUI)基准评估建筑性能将不再适合用于评价建筑集群的能效水平。现代建筑可以根据市场信号调整自身能耗，优化成本或排放。这些信号将越来越多地由电网运营商或第三方服务商提供。为了实现GEB，投资需要同时考虑建筑内部条件（如舒适度、使用率、照明），和外部条件（如市场价格信号、天气或排放）。通过加入GEB硬件和软件，可以使建筑从基本的节能措施升级到灵活的错峰用电，这既有益于建筑集群的所有者、公用事业公司，同时也满足了使用者的舒适度需求和偏好。 脱碳建筑改造项目取得成功的基本要素 图2实现脱碳建筑的基本要素 电网交互式节能建筑（GEB） 效率需求用电柔性场能地源内和可储再能生 零碳电网 实现脱碳建筑的 本研究分别评估了四个基本要素。 零碳、 （电气化零、碳RE能C源sII/抵消、 绿色燃料等） 可持续、 柔性建筑 附图2说明了GEB战略如何帮助实现脱碳。脱碳建筑的运行不会造成导致气候变化的温室气体排放，这就需要使用零碳能源来取代现有的化石燃料系统。为了以具有高成本效益的方式实现符合《巴黎气候协定》的零碳建筑，就需要对建筑落实电气化和用电柔性措施，并在使用电或其他低碳能源的同时部署现场可再生能源和储能解决方案。本报告侧重于根据投资总预算及目标回报率确定具有高成本效益的GEB措施，这限制了实现碳减排量最大化的可能性。但如果侧重于碳排放，那么措施组合的选择就应该考虑最大化碳减排，而不应受到投资限额的限制。 考虑电网碳排放信号的需求侧灵活调节具有较大的减碳潜力。5建筑可以管理用电负荷，以使得电网和建筑层面应用更多的可再生资源发电成为可能。在建筑群层面可以部署的能效提升措施、灵活性设施以及分布式能源是实现高成本效益脱碳的重要基础。 IIR绿E色Cs电是力Re证n书ew（a绿ble证E）n。ergyCertificates的缩写，指可再生能源证书，用作证明可再生能源的发电量和属性，可以类比国内的 零售建筑集群项目背景 本研究基于真实的建筑资产、用电量和某大型零售公司旗下门店的财务数据。作为美国最大的连锁百货公司之一，该公司门店覆盖了49个州、多个气候区和多家电力公司。由于其1200家门店中每家门店的用电情况都有所不同，因此选择哪些门店进行建模分析对于确立整个零售公司的可靠投资战略至关重要。本报告分析了GEB升级给该公司旗下具有代表性的门店所带来的