微电网如何帮助建筑实现能耗零碳排放

随着全球各国对能源价格上涨和气候变化的日益关注，净零设计和运营策略在建筑专业人士中越来越受欢迎。

国际能源署(IEA)发布的《到2030年实现零碳就绪建筑的技术和创新途径》研究报告表明， 2030年以前这段时间是建筑业的实现净零排放的关键期，但目前对于交付净零建筑所需的大多数技术和方法目前还未走上正轨，也没有明确的、被广泛接受的零能耗指标。

近几年，美国绿色建筑委员会制定了一种电网优化建筑倡议(Grid Optimal Buildings Initiative)，鼓励建筑设计师和运营商评估建筑能源使用和负载类型，以及与供电电网之间的关系，并制定优化建筑峰值负载系数、能源使用时间、需求灵活性和弹性能力的策略，重新定义建筑设计和运营如何能够经济有效地支持电网的去碳化和完全可再生的电力供应。

以美国为例，建筑物使用了全美75%的电力，运用建筑物电网优化方式可以更好地将建筑物纳入可持续公用事业电网管理，把建筑物作为一种资产来实现电网脱碳，以减少对化石燃料发电厂的依赖，逐渐摆脱单向电量流动。

位于美国加利福尼亚州圣罗莎431东街的索诺玛清洁能源公司( Sonoma Clean Power, SCP ) 公司所在的总部大楼，正是采用电网优化的改造试点项目之一，不仅利用被动式和主动式建筑-电网集成策略，而且还采用实时控制减少电力需求的能源措施，成为世界上第一座“电网优化(Grid Optimal)”的建筑，能够实现并加速电网的脱碳。

1 一座对电网响应迅速的建筑

这座大楼建于1979年，建筑面积约1424平方米，于2018年开始改造设计，2021年竣工，2022年年中完成微电网安装。经过这两年的翻新，将原本的低效结构改造成电网优化建筑结构，安装太阳能电池和其他可再生能源供电等。

与传统的净零能耗建筑不同，该建筑会准确计划电力的生产和使用，最有效地使用能源，甚至将电力回馈至电网，这就是建筑电网优化后的微电网。它可以准确地告知建筑物何时产生和使用电力，以减少高成本、高碳时代的电力需求。

这是该建筑改造最创新的部分，以新的方式与可再生能源电网互动，让建筑物能耗实现零排放。

该建筑可以监测每小时通过外部电网的排碳信号，若电网排碳高，则该建筑的微电网可以调整为从内部储能电池供电，以不增加外部电网排碳负担。若外部建筑物需要用电，它也能将存储在内部储能电池中的电输送给外部电网。

另外，微电网也能在电网出现故障时为建筑物的一部分供电，并在当地发生灾难时充当紧急行动中心。

该建筑的微电网可以统筹调节所有建筑用电设备，例如建筑内23个电动汽车充电器、建筑灯、HVAC和水加热等，以确保外部电网有充足的清洁能源时才从电网中获取电量。

例如，2022年9月的热浪席卷美国，该建筑在下午就降低了其底层HVAC系统，以减少能源使用，利用风扇来在建筑的上层循环冷空气。直到下午6点，关闭整个建筑，把储能系统中的电量输送回电网。

一般来说，当太阳能充足时，太阳能发电，储能电池系统则会在中午左右充电。晚上，建筑物可以使用这些能源或将其重新接入电网，以减少该州对污染气体发电厂的依赖。

2 可持续性的减碳设计

除建筑电网优化外，为了进一步减少电网的碳排放压力，设计团队还对建筑确定了可持续的设计策略。

首先，对永久性建筑进行荷载改造，如自然场地遮阳，可以减少热吸收，并在电网能源密集使用期间消除进一步的冷却负荷。同样，全电气化和高效的暖通空调系统减少了建筑物在高峰冷却和供暖期间的电力需求。建筑物的天窗、窗户、日光传感器和感应照明LED 灯具经过编程，可在自然光可用时最大限度地减少灯具照明需求。

其次，能源设施改造。由于新的设备规格，该建筑物的天然气管道被拆除，包括三个天然气供暖和制冷装置，取而代之的是四个屋顶热泵替代品和一个分体式热泵系统，以解决居住者密度的增加和与原有办公楼设计相比空间规划的变化。新的厨房空间还增加了高级感应烹饪装置和一个商用电磁炉。

最后，进行室内外空间简单翻新来减少建筑物的碳足迹。重新调整建筑入口通道的方向以最大限度地利用采光，并安装大型吊扇保持室内舒适度和气密性以提高能源效率;建筑外环境保留两棵300年树龄的橡树，在夏季为建筑提供降温。

现在，该建筑不仅是一座清洁、高性能的建筑，也是一座灵活的建筑，将成为推动全球能源系统转型的一个关键部分。原因在于，这样的建筑电网优化模式能给家庭带来能源安全，也给社区带来弹性的能源供应。