隨著全球各國對能源價格上漲和氣候變化的日益關注，凈零設計和運營策略在建筑專業人士中越來越受歡迎。

 

國際能源署（IEA）發布的《到2030年實現零碳就緒建筑的技術和創新途徑》研究報告表明， 2030年以前這段時間是建筑業的實現凈零排放的關鍵期，但目前對于交付凈零建筑所需的大多數技術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。

 

近幾年，美國綠色建筑委員會制定了一種電網優化建筑倡議（Grid Optimal Buildings Initiative），鼓勵建筑設計師和運營商評估建筑能源使用和負載類型，以及與供電電網之間的關系，并制定優化建筑峰值負載系數、能源使用時間、需求靈活性和彈性能力的策略，重新定義建筑設計和運營如何能夠經濟有效地支持電網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，運用建筑物電網優化方式可以更好地將建筑物納入可持續公用事業電網管理，把建筑物作為一種資產來實現電網脫碳，以減少對化石燃料發電廠的依賴，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，正是采用電網優化的改造試點項目之一，不僅利用被動式和主動式建筑-電網集成策略，而且還采用實時控制減少電力需求的能源措施，成為世界上第一座“電網優化（Grid Optimal）”的建筑，能夠實現并加速電網的脫碳。

 

1 一座對電網響應迅速的建筑

 

這座大樓建于1979年，建筑面積約1424平方米，于2018年開始改造設計，2021年竣工，2022年年中完成微電網安裝。經過這兩年的翻新，將原本的低效結構改造成電網優化建筑結構，安裝太陽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，該建筑會準確計劃電力的生產和使用，最有效地使用能源，甚至將電力回饋至電網，這就是建筑電網優化后的微電網。它可以準確地告知建筑物何時產生和使用電力，以減少高成本、高碳時代的電力需求。

 

這是該建筑改造最創新的部分，以新的方式與可再生能源電網互動，讓建筑物能耗實現零排放。

 

該建筑可以監測每小時通過外部電網的排碳信號，若電網排碳高，則該建筑的微電網可以調整為從內部儲能電池供電，以不增加外部電網排碳負擔。若外部建筑物需要用電，它也能將存儲在內部儲能電池中的電輸送給外部電網。

 

另外，微電網也能在電網出現故障時為建筑物的一部分供電，并在當地發生災難時充當緊急行動中心。

 

該建筑的微電網可以統籌調節所有建筑用電設備，例如建筑內23個電動汽車充電器、建筑燈、HVAC和水加熱等，以確保外部電網有充足的清潔能源時才從電網中獲取電量。

 

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，利用風扇來在建筑的上層循環冷空氣。直到下午6點，關閉整個建筑，把儲能系統中的電量輸送回電網。

 

一般來說，當太陽能充足時，太陽能發電，儲能電池系統則會在中午左右充電。晚上，建筑物可以使用這些能源或將其重新接入電網，以減少該州對污染氣體發電廠的依賴。

 

2 可持續性的減碳設計

 

除建筑電網優化外，為了進一步減少電網的碳排放壓力，設計團隊還對建筑確定了可持續的設計策略。

 

首先，對永久性建筑進行荷載改造，如自然場地遮陽，可以減少熱吸收，并在電網能源密集使用期間消除進一步的冷卻負荷。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、日光傳感器和感應照明LED 燈具經過編程，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，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商用電磁爐。

 

最后，進行室內外空間簡單翻新來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；建筑外環境保留兩棵300年樹齡的橡樹，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，將成為推動全球能源系統轉型的一個關鍵部分。原因在于，這樣的建筑電網優化模式能給家庭帶來能源安全，也給社區帶來彈性的能源供應。