微電網(wǎng)如何幫助建筑實(shí)現(xiàn)能耗零碳排放

隨著全球各國對能源價格上漲和氣候變化的日益關(guān)注，凈零設(shè)計和運(yùn)營策略在建筑專業(yè)人士中越來越受歡迎。

 

國際能源署（IEA）發(fā)布的《到2030年實(shí)現(xiàn)零碳就緒建筑的技術(shù)和創(chuàng)新途徑》研究報告表明， 2030年以前這段時間是建筑業(yè)的實(shí)現(xiàn)凈零排放的關(guān)鍵期，但目前對于交付凈零建筑所需的大多數(shù)技術(shù)和方法目前還未走上正軌，也沒有明確的、被廣泛接受的零能耗指標(biāo)。

 

近幾年，美國綠色建筑委員會制定了一種電網(wǎng)優(yōu)化建筑倡議（Grid Optimal Buildings Initiative），鼓勵建筑設(shè)計師和運(yùn)營商評估建筑能源使用和負(fù)載類型，以及與供電電網(wǎng)之間的關(guān)系，并制定優(yōu)化建筑峰值負(fù)載系數(shù)、能源使用時間、需求靈活性和彈性能力的策略，重新定義建筑設(shè)計和運(yùn)營如何能夠經(jīng)濟(jì)有效地支持電網(wǎng)的去碳化和完全可再生的電力供應(yīng)。

 

以美國為例，建筑物使用了全美75%的電力，運(yùn)用建筑物電網(wǎng)優(yōu)化方式可以更好地將建筑物納入可持續(xù)公用事業(yè)電網(wǎng)管理，把建筑物作為一種資產(chǎn)來實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)脫碳，以減少對化石燃料發(fā)電廠的依賴，逐漸擺脫單向電量流動。

 

位于美國加利福尼亞州圣羅莎431東街的索諾瑪清潔能源公司( Sonoma Clean Power, SCP ) 公司所在的總部大樓，正是采用電網(wǎng)優(yōu)化的改造試點(diǎn)項(xiàng)目之一，不僅利用被動式和主動式建筑-電網(wǎng)集成策略，而且還采用實(shí)時控制減少電力需求的能源措施，成為世界上第一座“電網(wǎng)優(yōu)化（Grid Optimal）”的建筑，能夠?qū)崿F(xiàn)并加速電網(wǎng)的脫碳。

 

1 一座對電網(wǎng)響應(yīng)迅速的建筑

 

這座大樓建于1979年，建筑面積約1424平方米，于2018年開始改造設(shè)計，2021年竣工，2022年年中完成微電網(wǎng)安裝。經(jīng)過這兩年的翻新，將原本的低效結(jié)構(gòu)改造成電網(wǎng)優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)，安裝太陽能電池和其他可再生能源供電等。

 

與傳統(tǒng)的凈零能耗建筑不同，該建筑會準(zhǔn)確計劃電力的生產(chǎn)和使用，最有效地使用能源，甚至將電力回饋至電網(wǎng)，這就是建筑電網(wǎng)優(yōu)化后的微電網(wǎng)。它可以準(zhǔn)確地告知建筑物何時產(chǎn)生和使用電力，以減少高成本、高碳時代的電力需求。

 

這是該建筑改造最創(chuàng)新的部分，以新的方式與可再生能源電網(wǎng)互動，讓建筑物能耗實(shí)現(xiàn)零排放。

 

該建筑可以監(jiān)測每小時通過外部電網(wǎng)的排碳信號，若電網(wǎng)排碳高，則該建筑的微電網(wǎng)可以調(diào)整為從內(nèi)部儲能電池供電，以不增加外部電網(wǎng)排碳負(fù)擔(dān)。若外部建筑物需要用電，它也能將存儲在內(nèi)部儲能電池中的電輸送給外部電網(wǎng)。

 

另外，微電網(wǎng)也能在電網(wǎng)出現(xiàn)故障時為建筑物的一部分供電，并在當(dāng)?shù)匕l(fā)生災(zāi)難時充當(dāng)緊急行動中心。

 

該建筑的微電網(wǎng)可以統(tǒng)籌調(diào)節(jié)所有建筑用電設(shè)備，例如建筑內(nèi)23個電動汽車充電器、建筑燈、HVAC和水加熱等，以確保外部電網(wǎng)有充足的清潔能源時才從電網(wǎng)中獲取電量。

 

例如，2022年9月的熱浪席卷美國，該建筑在下午就降低了其底層HVAC系統(tǒng)，以減少能源使用，利用風(fēng)扇來在建筑的上層循環(huán)冷空氣。直到下午6點(diǎn)，關(guān)閉整個建筑，把儲能系統(tǒng)中的電量輸送回電網(wǎng)。

 

一般來說，當(dāng)太陽能充足時，太陽能發(fā)電，儲能電池系統(tǒng)則會在中午左右充電。晚上，建筑物可以使用這些能源或?qū)⑵渲匦陆尤腚娋W(wǎng)，以減少該州對污染氣體發(fā)電廠的依賴。

 

2 可持續(xù)性的減碳設(shè)計

 

除建筑電網(wǎng)優(yōu)化外，為了進(jìn)一步減少電網(wǎng)的碳排放壓力，設(shè)計團(tuán)隊(duì)還對建筑確定了可持續(xù)的設(shè)計策略。

 

首先，對永久性建筑進(jìn)行荷載改造，如自然場地遮陽，可以減少熱吸收，并在電網(wǎng)能源密集使用期間消除進(jìn)一步的冷卻負(fù)荷。同樣，全電氣化和高效的暖通空調(diào)系統(tǒng)減少了建筑物在高峰冷卻和供暖期間的電力需求。建筑物的天窗、窗戶、日光傳感器和感應(yīng)照明LED 燈具經(jīng)過編程，可在自然光可用時最大限度地減少燈具照明需求。

 

其次，能源設(shè)施改造。由于新的設(shè)備規(guī)格，該建筑物的天然氣管道被拆除，包括三個天然氣供暖和制冷裝置，取而代之的是四個屋頂熱泵替代品和一個分體式熱泵系統(tǒng)，以解決居住者密度的增加和與原有辦公樓設(shè)計相比空間規(guī)劃的變化。新的廚房空間還增加了高級感應(yīng)烹飪裝置和一個商用電磁爐。

 

最后，進(jìn)行室內(nèi)外空間簡單翻新來減少建筑物的碳足跡。重新調(diào)整建筑入口通道的方向以最大限度地利用采光，并安裝大型吊扇保持室內(nèi)舒適度和氣密性以提高能源效率；建筑外環(huán)境保留兩棵300年樹齡的橡樹，在夏季為建筑提供降溫。

 

現(xiàn)在，該建筑不僅是一座清潔、高性能的建筑，也是一座靈活的建筑，將成為推動全球能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)型的一個關(guān)鍵部分。原因在于，這樣的建筑電網(wǎng)優(yōu)化模式能給家庭帶來能源安全，也給社區(qū)帶來彈性的能源供應(yīng)。