隨著(zhù)全球各國對能源價(jià)格上漲和氣候變化的日益關(guān)注，凈零設計和運營(yíng)策略在建筑專(zhuān)業(yè)人士中越來(lái)越受歡迎。
國際能源署(IEA)發(fā)布的《到2030年實(shí)現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(shí)間是建筑業(yè)的實(shí)現凈零排放的關(guān)鍵期，但目前對于交付凈零建筑所需的大多數技術(shù)和方法目前還未走上正軌，也沒(méi)有明確的、被廣泛接受的零能耗指標。
近幾年，美國綠色建筑委員會(huì )制定了一種電網(wǎng)優(yōu)化建筑倡議(Grid Optimal Buildings Initiative)，鼓勵建筑設計師和運營(yíng)商評估建筑能源使用和負載類(lèi)型，以及與供電電網(wǎng)之間的關(guān)系，并制定優(yōu)化建筑峰值負載系數、能源使用時(shí)間、需求靈活性和彈性能力的策略，重新定義建筑設計和運營(yíng)如何能夠經(jīng)濟有效地支持電網(wǎng)的去碳化和完全可再生的電力供應。
以美國為例，建筑物使用了全美75%的電力，運用建筑物電網(wǎng)優(yōu)化方式可以更好地將建筑物納入可持續公用事業(yè)電網(wǎng)管理，把建筑物作為一種資產(chǎn)來(lái)實(shí)現電網(wǎng)脫碳，以減少對化石燃料發(fā)電廠(chǎng)的依賴(lài)，逐漸擺脫單向電量流動(dòng)。
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)項目之一，不僅利用被動(dòng)式和主動(dòng)式建筑-電網(wǎng)集成策略，而且還采用實(shí)時(shí)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，能夠實(shí)現并加速電網(wǎng)的脫碳。
1 一座對電網(wǎng)響應迅速的建筑
這座大樓建于1979年，建筑面積約1424平方米，于2018年開(kāi)始改造設計，2021年竣工，2022年年中完成微電網(wǎng)安裝。經(jīng)過(guò)這兩年的翻新，將原本的低效結構改造成電網(wǎng)優(yōu)化建筑結構，安裝太陽(yáng)能電池和其他可再生能源供電等。
與傳統的凈零能耗建筑不同，該建筑會(huì )準確計劃電力的生產(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)。它可以準確地告知建筑物何時(shí)產(chǎn)生和使用電力，以減少高成本、高碳時(shí)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(dòng)，讓建筑物能耗實(shí)現零排放。
該建筑可以監測每小時(shí)通過(guò)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)可以調整為從內部?jì)δ茈姵毓╇?，以不增加外部電網(wǎng)排碳負擔。若外部建筑物需要用電，它也能將存儲在內部?jì)δ茈姵刂械碾娸斔徒o外部電網(wǎng)。
另外，微電網(wǎng)也能在電網(wǎng)出現故障時(shí)為建筑物的一部分供電，并在當地發(fā)生災難時(shí)充當緊急行動(dòng)中心。
該建筑的微電網(wǎng)可以統籌調節所有建筑用電設備，例如建筑內23個(gè)電動(dòng)汽車(chē)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(shí)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，以減少能源使用，利用風(fēng)扇來(lái)在建筑的上層循環(huán)冷空氣。直到下午6點(diǎn)，關(guān)閉整個(gè)建筑，把儲能系統中的電量輸送回電網(wǎng)。
一般來(lái)說(shuō)，當太陽(yáng)能充足時(shí)，太陽(yáng)能發(fā)電，儲能電池系統則會(huì )在中午左右充電。晚上，建筑物可以使用這些能源或將其重新接入電網(wǎng)，以減少該州對污染氣體發(fā)電廠(chǎng)的依賴(lài)。
2 可持續性的減碳設計
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，設計團隊還對建筑確定了可持續的設計策略。
首先，對永久性建筑進(jìn)行荷載改造，如自然場(chǎng)地遮陽(yáng)，可以減少熱吸收，并在電網(wǎng)能源密集使用期間消除進(jìn)一步的冷卻負荷。同樣，全電氣化和高效的暖通空調系統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(hù)、日光傳感器和感應照明LED 燈具經(jīng)過(guò)編程，可在自然光可用時(shí)最大限度地減少燈具照明需求。
其次，能源設施改造。由于新的設備規格，該建筑物的天然氣管道被拆除，包括三個(gè)天然氣供暖和制冷裝置，取而代之的是四個(gè)屋頂熱泵替代品和一個(gè)分體式熱泵系統，以解決居住者密度的增加和與原有辦公樓設計相比空間規劃的變化。新的廚房空間還增加了高級感應烹飪裝置和一個(gè)商用電磁爐。
最后，進(jìn)行室內外空間簡(jiǎn)單翻新來(lái)減少建筑物的碳足跡。重新調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(shù)齡的橡樹(shù)，在夏季為建筑提供降溫。
現在，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(dòng)全球能源系統轉型的一個(gè)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(lái)能源安全，也給社區帶來(lái)彈性的能源供應。
