加拿大聯邦建筑的電氣化與深度改造潛力

面對氣候危機，組織正尋求電氣化和可再生能源，以使建筑、能源系統和車輛擺脫化石燃料。但人們普遍擔心，過度投入電網可能會使系統不堪重負，導致停電。

在過去兩年里，RMI、SSG和whatIf？Technologies作為加拿大政府為國家首都區減少運營排放、到2050年實現凈零的咨詢項目的一部分，探索了這一挑戰。我們的分析表明，通過將電氣化與深度節能改造相結合，我們可以遏制建筑級電力需求增加以及電網需求峰值的增加。

為什么加拿大政府需要切換燃料

為了實現脫碳，加拿大政府需要從天然氣為建筑供暖中轉型。2016年，聯邦政府在國家首都區（NCR）的運營排放了370千噸一氧化碳2E（二氧化碳當量）。聯邦政府運營中超過60%的排放來自建筑物，其中大部分來自燃燒天然氣取暖。

2016年NCR聯邦運營燃料排放。

聯邦建筑通常老舊、通風嚴重，且早該升級了。政府建筑面積近50%被歸類為“狀況差或危急”。安大略省和魁北克省電力的低排放強度——由水電驅動——使得電氣化結合高性能建筑圍護結構升級成為同時提升和脫碳建筑的理想解決方案。

模型顯示，聯邦建筑存量脫碳的成本僅比未來三十年維持現有建筑存量的支出高出4%，因為這些存量正逐漸破敗。

熱泵的承諾

政府的建筑升級可能包括從天然氣轉向利用空氣、水或地面作為熱源或熱源的電熱泵，冬季供暖建筑，夏季冷卻。雖然建筑專業人士曾認為熱泵在寒冷氣候中無效，但技術已飛速進步。現已提供多種熱泵，適用于寒冷氣候和商業用途。

為了幫助加拿大政府了解如何在渥太華-加蒂諾地區超過2000棟建筑中使用熱泵，RMI采用了其組合能源優化建模方法。組合能源優化整合了整個組合中的建筑，同時定制每棟建筑的能源模型以反映每個設施的現有狀況。我們考慮了不同類型的熱泵應用，結合高性能熱包膜和能效升級，針對住宅、商業和綜合用途建筑量身定制。結果隨后被輸入了由whatIf？開發的CityInSight模型，以及SSG，用于評估截至2050年整個建筑組合的能源消耗和排放，考慮成本變化、排放因素及整個組合的資產管理計劃。

該模型表明，在未來三十年內，NCR聯邦政府建筑項目的脫碳在技術和經濟上都是可行的。如果結合建筑外殼升級等深度節能改造，幾乎所有建筑存量的供暖電氣化成本將比2020年至2050年間計劃的升級多出8.5億加元，同時節省約7億加元能源成本，幾乎消除排放。與政府在建筑運營上的支出相比，1.5億加元的凈成本只是杯水車薪。加拿大國家首都區擁有一個關鍵機遇，可以轉型其聯邦建筑組合，同時最大限度地減少需求增長對電網的影響。

建筑脫碳與電力需求

電網只有在配合需求峰值管理措施時，才能管理大規模供暖電氣化。這正是建筑護護結構改造——升級窗戶、墻壁和屋頂——發揮作用的地方。這些策略共同改變建筑用電的輪廓和時機，限制峰值用電需求。

對于NCR渥太華一側的建筑，包絡升級可以通過隔熱和減少空氣滲透來減少熱量增失來降低峰值需求，而電氣化則可能將這些峰值從夏季（制冷需求）轉移到冬季（供暖需求）。我們的模型表明，熱泵和外殼升級，以及其他效率措施，將導致改造后的冬季峰值不會比最初的夏季峰值高出多少。在渥太華，將建模建筑改裝為高性能外殼和熱泵對電力需求狀況的凈影響，如下圖所示。

在加蒂諾一側，大多數建筑已經用電供暖，電力需求在冬季達到峰值。對這些建筑進行外殼升級和熱泵改造并不會改變全年的需求負荷分布，但可將電網總峰值減少多達25%。

加蒂諾（上圖）和渥太華（下圖）聯邦大樓的每小時用電需求，涵蓋電氣化改造前后。

我們的分析顯示，結合效率改造，使用熱泵電氣化建筑物可以改變電力需求峰值的時間，甚至可能減少年度用電需求。 在組織和公用事業規劃電氣化未來時，效率是降低高峰需求、使零碳建筑轉型可行的關鍵方式。