重新思考净零碳建筑的能源规范模式 | 专家视点

本文作者：Michael Waite 博士，主要从事与建筑能源脱碳相关的研究，并指导 ACEEE 的能源规范工作。

更新建筑能源法规是提高能源效率的关键政策工具，但要实现雄心勃勃的气候目标，就需要法规关注温室气体排放，而不仅仅是能源使用。在美国，联邦政府将拨款6.7亿美元用于实施零能耗法规，各州和地方政府将很快获得财政支持。

由于美国各州和司法管辖区通常不会制定自己的法规，而是采用示范法规。因此，重新思考示范能源法规对于帮助全国各州和司法管辖区减少建筑排放是必要的。在这篇文章中，我们将研究这些规范的一些技术方面，以使它们朝着减少排放的方向发展，从而使我们走上零碳建筑的道路。

美国采暖、制冷和空调工程师协会(ASHRAE)为三层以上的商业和公寓建筑制定了基准模型能源规范，称为ASHRAE标准90.1。对于三层以下的住宅建筑，基准模型能源规范是国际规范委员会的国际节能规范(IECC)。ASHRAE已承诺在其2031年版本之前实现净零碳90.1模式规范，国际规范理事会设有能源和碳咨询委员会，为IECC的发展提供信息。为了实现他们的气候目标，ASHRAE和国际规范委员会是时候对模型规范及其制定过程进行必要的修改了。

实现净零碳规范的原则

效率、电气化、灵活性、可再生能源和解决非能源相关的建筑排放对于净零碳模型能源法规至关重要。在即将召开的全国能源规范会议上，我将细化每一项原则的作用，并与规范界的同事们合作，但最终，脱碳模型能源规范将需要通过共识规范开发过程来实现。

能源规范必须适用于全国各地，因此它们必须是有效的、可采用的和可执行的。四项大原则应该指导我们朝着净零规范的方向前进：

效率第一：建筑能源规范最初是为了降低公用事业客户的成本而制定的，如果规范转向关注排放，这仍然是必不可少的。此外，提高建筑围护结构效率可以减少暖通空调设备的尺寸，并可以缓解可能需要新的发电、存储和输送基础设施能力的供暖驱动的新电力峰值。

有益的电气化：随着电网向可再生能源过渡（如下图所示），目前建筑物中使用的化石燃料将在很大程度上需要被电热泵取代，这是空间和热水脱碳的最具成本效益的方式。为了使电气化有益，它必须主要依靠热泵而不是昂贵的电阻加热来提高效率。我们特别需要确保低收入和中等收入家庭和出租房屋不会被电阻加热所困，因为电阻加热的低前期成本使其对建筑商和房东具有吸引力。

具有代表性的美国电网随时间推移的空间加热温室气体排放（ACEEE 基于NREL的Cambium模型和 EPA能源之星最低效率住宅设备的计算）

灵活性：虽然需要保留最低能效要求，但规范应在建筑物如何实现更深入的减排方面提供灵活性。由于模型规范旨在在全国范围内应用，因此它们需要认识到电网、可再生电力增长率的区域差异，以及最低排放方法可能因建筑物而异。例如，在一些寒冷的气候中，随着热泵技术的进一步改进和电网变得更清洁，可能有理由通过补充燃料来满足一些高峰供暖需求。新兴技术也可能发挥作用，例如储存热量（称为热能储存或 TES）、最佳使用现场太阳能的电池、电网交互控制以更好地利用通过电网的风能和太阳能供应，以及潜在的低碳替代燃料。

灵活性还可以为各地区提供一个框架，以便随着时间的推移过渡到净零碳规范。尽管如此，仍可能需要通过在规范中提供直接的合规选项、外部技术援助以制定特定位置的路线图以及改善各地区之间的合作来提供支持。

用可再生能源和隐含碳抵消剩余排放：在电网完全脱碳之前，即使是最低能耗的全电力建筑也不是零碳。迄今为止，现场可再生能源或专用于该建筑的异地可再生电力购买协议已经抵消了与仍然依赖一定数量化石燃料发电的电网电力相关的排放。然而，随着建筑能源使用的脱碳，与建筑相关的温室气体排放量中更大一部分将来自隐含碳——来自材料提取、制造、运输、施工、使用、维护和维修以及废弃拆除的排放和废物处理。

从历史上看， 美国能源效率经济委员会(ACEEE) 对将隐含碳纳入已设定最低效率要求的能源法规犹豫不决。有关建筑材料和系统隐含碳的可靠数据有限，因此很难将隐含碳与能源使用相关排放（或运营碳）进行比较。随着不断努力改善这一数据，以及越来越多的州对历史上高碳材料采取“购买清洁”政策，我提出了能源法规的起点：让我们考虑将具体的碳减排作为一种选择，同时考虑专用的现场或场外可再生能源，以弥补为建筑服务的电网脱碳过程中的一些中期排放，如下图所示。未来对具体碳规范条款的扩展将建立在能源规范的初步努力和其他建筑规范的并行努力的经验教训之上。

专用可再生能源和隐含碳以实现净零排放

向基于排放的净零碳规范迈进需要额外的资源

虽然上述原则指导着我们，但从以能源为中心的规范向以碳为中心的规范过渡，并实现与这些原则一致的净零碳能源规范，需要进行重大的流程调整和支持分析。

标准化碳量化：量化温室气体排放有许多不同的方法。ASHRAE和国际规范委员会正在联合开发一种新的标准方法，即Standard 240P，用于量化建筑物在生命周期内的温室气体排放，这是一个很有前途的发展。 这一进程于去年12月启动，它有一个雄心勃勃的时间表，需要满足，以确保它是评估和比较未来版本ASHRAE 90.1和IECC减排条款的有效工具。

碳减排信用：最新的模型能源法规包括超出最低要求的效率选项菜单，建筑商必须选择一套措施来实现所需的总效率水平。模型法规将需要扩展或修改此方案，以便针对不同的建筑类型、气候和电网区域专注于温室气体减排措施。为了简化相对简单建筑物的合规性，模型法规应包括用于常见建筑类型的符合规定的这些碳减排措施的套餐。此外，法规内还可能需要指导，以确保这些套餐的预期性能水平，例如针对高效全电或双燃料建筑。

更新原型能源模型：作为美国能源部建筑能源规范计划的一部分，太平洋西北国家实验室维护着一套原型建筑模型，使用计算机模拟来评估 90.1 和 IECC 变更的节能效果。原型模型集旨在比较能源使用的总体变化；需要对其进行改进和扩展，以便比较潜在法规变更的排放影响，包括比较基于化石燃料的系统和基于电力的系统。目前正在针对每个气候区域的代表性城市评估原型模型，但需要扩展以考虑区域电网排放（例如，环境保护局的eGRID 子区域或 NRELCambium模型区域）。

新的隐含碳基准模型：没有等效的隐含碳原型模型，尽管至少有一些建筑物正在努力开发它们，并且有几种工具可用于评估建筑物的整个生命周期排放。需要隐含碳原型模型来评估隐含碳减排措施和针对个别建筑类型和整个建筑存量的规范建议。为了比较运营排放和隐含排放，模型需要全面、能够代表当前的低碳设计实践，并基于可靠且可比较的数据源。

协作：我们需要跨以实现整栋建筑的减排，无论是通过管辖区的可选条款还是在基本规范中。在规范开发委员会的背景下，这将意味着跨专注于建筑围护结构、HVAC设备和其他系统的小组委员会开展工作。虽然 IECC 和 ASHRAE 90.1 委员会都做出了这样的承诺，但我们现在需要采取行动，使我们走上净零碳规范的道路。

这些步骤将有助于确保各地区拥有所需的模板规范，以有效实施符合其气候目标的先进规范，并利用当前和即将到来的资金。