具有高成本效益的电网交互式节能建筑.pdf
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1、报告/2024.4具有高成本效益的电网交互式节能建筑美国某零售建筑集群的脱碳潜力rmi.org/4具有高成本效益的电网交互式节能建筑执行摘要.5 电网交互式节能建筑介绍.7什么是电网交互式节能建筑(GEB)?.7脱碳建筑改造项目取得成功的基本要素.8零售建筑集群项目背景.9建模方法.12投资方案与结果.14内部收益率为10%的方案.15内部收益率为6%的方案.18热泵方案.21改造措施分析.23在各气候区和电费类型中的可行性.23需求管理策略.24电网交互式节能建筑对电力需求的影响.25适用于整个零售行业的洞察.29对其他项目的好处.30总结.32参考文献.33目录rmi.org/5具有高成本
2、效益的电网交互式节能建筑研究目的本研究评估了电网交互式节能建筑(Grid-interactive Efficient Building,GEB)在美国某大型零售商的建筑节能改造项目中的潜在价值,并制定了一项能源项目投资计划,分析评估了如何最大程度地提高商店的能效、降低能源成本、减少碳排放并使其作为电网的资源。报告还提供了适用于零售门店的节能措施、可再生能源发电和电网协调策略,指出了整个零售业的机遇。本研究通过深入评估该零售商旗下的零售门店,提出了包含一整套措施的优化投资方案并提供了推动脱碳的投资路径。我们在43个州、7个气候区、7种电价结构和各种现有条件下,选取了总共113家零售门店作为样本进
3、行了分析,共评估了三种投资方案:内部收益率(IRR,可解释为一项投资的预期年增长率1)10%的方案,内部收益率6%的方案以及一个协同各类措施的热泵方案。这三种投资方案均以与零售商的讨论结果为基础,分别代表具有10%内部收益率的高收益投资门槛、实现GEB措施部署数量最大化且回报合理的6%内部收益率门槛以及建议安装热泵并与其他措施组合后能够达到10%内部收益率门槛的第三中间方案。建筑碳排放占全球碳排放的39%。为了避免气候变化产生的最坏影响,我们必须在2030年之前将排放量减少一半,GEB对此将发挥至关重要的作用,主要通过减少建筑物的能耗与排放,帮助我们的电力系统变得更清洁、可靠和稳定。本研究旨在
4、展示零售建筑如何以低成本高效益的方式发挥GEB的潜力,如何将可再生能源、负载柔性化措施和节能措施结合起来,减少峰值能耗并帮助实现一个清洁、有弹性的电网。主要研究结果该公司目前对其旗下零售门店的用电量和电力需求的管理良好。此次分析所选的商店是全国一些最高效的零售购物中心。根据Energy Star Portfolio Manager(ESPM)I的数据,所分析的门店平均比全国94%的零售购物中心更高效。我们为这家零售商确定了几项具有高成本效益的策略来帮助它减少峰荷需求量、提高能效并减少其整体的碳排放。1.在确保6%内部收益率的情况下,该零售商可以减少37%的能源成本和27%的碳排放。在内部收益率
5、为10%的高收益方案中,该零售商可以减少26%的年度能源成本和19%的碳排放。升级照明设备和安装屋顶太阳能是实现节能和提升成本效益的关键因素。可在50%以上的门店以具有高成本效益的方式落实需求侧响应措施。这些措施有助于提高该建筑改造项目的成本效益并在现有电网的基础上进一步减少碳排放。I Energy Star Portfolio Manager:是一个能够用来检测并追踪建筑(主要针对商业建筑)能源消耗以及二氧化碳排放的在线工具。建筑的业主可以通过上传建筑的能耗等信息,获得对于建筑能效水平的评价。能源之星计划还基于同类建筑的能耗水平,对于建筑提供能效认证和评分。执行摘要rmi.org/6具有高成
6、本效益的电网交互式节能建筑2.通过新的或改进后的需求管理、节能和屋顶太阳能措施,该零售商的113家门店可减少约5MW或17%的电力需求。峰荷需求降低的潜力因门店而异,并受到当前设备与控制方式的影响。采用电直热采暖的门店可以减少高达50%的峰值负荷。3.在被分析的门店中,目前有17%(19家)可以通过安装热泵并结合其他节能、需求侧管理以及屋顶太阳能措施实现高成本效益。这些门店中的大多数将采用热泵替换电直热。它们可以作为积累热泵经验的试点项目。4.为了在满足投资门槛的同时,最大限度地降低峰荷需求量、提高碳减排量,需要针对具体地点制定改造方案。目前能够通过热泵和电池储能获得可观回报的门店可以作为其他
7、门店的试点,让后者在不久的将来获得更有吸引力的回报。适用于整个零售行业的洞察该零售业建筑改造项目本身是一个高效、灵活经营的典范,本报告中的碳减排结果可供其他大型零售商场借鉴。以下是向整个行业推荐的具有高成本效益的碳减排策略:使用集中化的企业级能源管理信息系统(Energy Management Information System,EMIS)测量、监测和控制设备性能 采取需求侧灵活管理策略,例如分时段开启暖通空调设备以避免同时出现峰荷、在需求峰荷期之前预先调节空间温度(之后慢加速启动设备)。控制时序需要考虑到变化的成本和碳强度(至少每月调整一次)更换为有集成式传感器套件的LED灯具 使用大小合
8、适的屋顶太阳能模组减少用电量 在气候较暖的地区,在屋顶上安装反射阳光的白色屋顶膜 使用空气源热泵热水器 通过将电气化与可再生能源发电、节能与用电柔性措施相结合,可以使全国许多地方的高效屋顶热泵空调机组(Rooftop Units,RTUs)发挥高成本效益。在评估能源升级方面的投资时,应考虑如何发挥出这些措施的协同作用随着联邦和州碳政策和激励措施的变化以及技术的改进,电气化和电池储能将变得更加经济。热泵改造试点项目将为这家零售商提供用于评估电气化方案经济性的更多信息。这些零售商店的运营方应定期重新评估这些措施的成本效益。在不同的电价和气候区落实GEB措施都能带来经济效益,并且无论建筑改造项目位于
9、何处,都应该予以考虑。在公司持有的固定资产(这里特指公司旗下所属的零售商店)层面规划GEB升级将:减轻行政管理负担。通过批量采购协议减少初始成本。确保资金投入到收益最大的项目。rmi.org/7具有高成本效益的电网交互式节能建筑电网交互式节能建筑介绍什么是电网交互式节能建筑(GEB)?电网交互式节能建筑是一种能够连续、整合地优化能源使用以满足电网服务、用户需求以及降低成本的高效节能建筑。3图1 电网交互式节能建筑的典型日建筑负荷情况及其改变用电量的方式资料来源:美国能源部电网交互式节能建筑发展路线图4GEB采取五项关键策略调整建筑运营方式,以实现节省成本、提高使用者舒适度和成为电网的一项资产的
10、目标。1.节能:在不降低使用者舒适度的情况下,持续减少全天用电量。2.降低负荷:在短时间内减少用电负荷。这一策略通常是用来响应需求计划的要求。3.错峰用电:将用电量转移到一天中的不同时段以避开高成本或高排放时段,也称为“移峰填谷”。4.调频/调压:根据电网运营商的信号,在秒级或亚秒级自主平衡电力供给/需求或无功功率吸收/供给。5.发电:利用屋顶太阳能光伏或其他现场资源满足建筑需求并将多余的电力输送到电网。节能电力需求降低负荷电力需求错峰用电电力需求发电电力需求调频/调压电力需求每天时间 每天时间 每天时间 每天时间 每天时间 rmi.org/8具有高成本效益的电网交互式节能建筑随着建筑技术和电
11、价结构变得更加复杂,仅通过传统的用能强度(Energy Use Intensity,EUI)基准评估建筑性能将不再适合用于评价建筑集群的能效水平。现代建筑可以根据市场信号调整自身能耗,优化成本或排放。这些信号将越来越多地由电网运营商或第三方服务商提供。为了实现GEB,投资需要同时考虑建筑内部条件(如舒适度、使用率、照明),和外部条件(如市场价格信号、天气或排放)。通过加入GEB硬件和软件,可以使建筑从基本的节能措施升级到灵活的错峰用电,这既有益于建筑集群的所有者、公用事业公司,同时也满足了使用者的舒适度需求和偏好。脱碳建筑改造项目取得成功的基本要素图2 实现脱碳建筑的基本要素附图2说明了GEB
12、战略如何帮助实现脱碳。脱碳建筑的运行不会造成导致气候变化的温室气体排放,这就需要使用零碳能源来取代现有的化石燃料系统。为了以具有高成本效益的方式实现符合巴黎气候协定的零碳建筑,就需要对建筑落实电气化和用电柔性措施,并在使用电或其他低碳能源的同时部署现场可再生能源和储能解决方案。本报告侧重于根据投资总预算及目标回报率确定具有高成本效益的GEB措施,这限制了实现碳减排量最大化的可能性。但如果侧重于碳排放,那么措施组合的选择就应该考虑最大化碳减排,而不应受到投资限额的限制。考虑电网碳排放信号的需求侧灵活调节具有较大的减碳潜力。5建筑可以管理用电负荷,以使得电网和建筑层面应用更多的可再生资源发电成为可
13、能。在建筑群层面可以部署的能效提升措施、灵活性设施以及分布式能源是实现高成本效益脱碳的重要基础。II RECs是Renewable Energy Certificates的缩写,指可再生能源证书,用作证明可再生能源的发电量和属性,可以类比国内的绿色电力证书(绿证)。电网交互式节能建筑(GEB)效率需求用电柔性场地内可再生能源和储能零碳能源(电气化、RECsII/抵消、绿色燃料等)零碳电网零碳、可持续、柔性 建筑本研究分别评估了实现脱碳建筑的四个基本要素。rmi.org/9具有高成本效益的电网交互式节能建筑零售建筑集群项目背景本研究基于真实的建筑资产、用电量和某大型零售公司旗下门店的财务数据。作
14、为美国最大的连锁百货公司之一,该公司门店覆盖了49个州、多个气候区和多家电力公司。由于其1200家门店中每家门店的用电情况都有所不同,因此选择哪些门店进行建模分析对于确立整个零售公司的可靠投资战略至关重要。本报告分析了GEB升级给该公司旗下具有代表性的门店所带来的潜力。图3 美国各地的门店及其用电强度(EUI)(颜色代表用电强度,大小代表了门店面积)为了提出有效的建议,研究把重点放在该零售商的350家持有时间较长的零售门店上。在这350家门店中,选择 了113家门店作为代表,其能效水平与该零售商所有的全国门店一致。在选择这些门店时,考虑了以下七个因素。现场EUI(kBtu/ft2)rmi.or
15、g/10具有高成本效益的电网交互式节能建筑图4 具有代表性的门店样本的选择标准门店选择标准变量 考虑因素州 43个州气候覆盖1-7气候区采暖方式 天然气和电力太阳能 代表组中包含有和没有屋顶太阳能装置的门店需求响应 代表组中包含已加入需求响应服务的门店电力成本 包含了从低到高的电力成本项目成本 包含了从低到高的项目成本门店规模 从约5万平方英尺到约11万平方英尺该零售商的门店目前管理良好效率基准该零售商旗下的零售门店的用电强度(EUI)为20-40 kBTU/ft2,平均值远低于能源之星的零售门店EUI中位数(103.5 kBTU/ft2)。通过采取以下节能和需求管理措施,该零售商旗下门店在一
16、般基准条件下的平均节能等级优于94%的美国零售商场:建筑控制:该零售商安装了一个稳健的能源管理信息系统(EMIS)来监测和控制暖通空调设备以及门店内的其他终端用电设备。通过该EMIS,可按区域设置设备运行时间表与温度设定值,并且可以在企业云端上进行远程监测/控制。LED照明升级:被评估的门店中,大约有一半的门店使用了不带集成式传感器的LED灯具取代了荧光灯。照明优化:这些门店在适当区域安装了人员传感器和照明调节功能。许多能源研究的目标是将建筑能耗降低到能源之星的标准,但该零售商的门店已经超过了这个水平。除考虑建筑的EUI之外,针对电网交互式节能建筑的投资策略还需要全面考虑其他相关因素。rmi.
17、org/11具有高成本效益的电网交互式节能建筑需求管理需求管理能力取决于精细的控制措施和建筑自动化系统。该零售商已经实施了各种减少需求的策略,以减少每月峰荷需求时段的费用。所采取的主要策略有:通过分时段启动暖通空调设备来降低需求:在EMIS中设置目标功率值,锁定压缩机的第三/第四级,并通过屋顶热泵空调系统(RTU)进行循环。当前的控制逻辑主要用于削减夏季峰值负荷。需求响应:在所分析的113家门店中,有29家门店直接或间接(与其他用能方组成聚集商)参与了需求响应计划。当被要求进行需求响应活动时,该零售商的许多门店能够进行温度回调、对建筑进行预冷、限制风机/压缩机的用电量并在该时段后慢加速启动。用
18、电柔性和需求响应取决于足够的控制技术和市场信号。建筑在升级为电网交互式建筑后,将能够适应不断变化的电价和电网的碳排放信号。电价结构该零售商旗下的零售门店面对着各种各样的电价结构。RMI对每一类复杂问题进行了建模,将所有电价归纳为七种电价结构(见附图5)以便分析可能的关联性。电费不根据时间变化的建筑将无法从错峰用电措施中获利。图5 电价结构一览电价结构 门店数量电力需求和电价描述非季节性非阶梯电价46 费率恒定,不随用电量以及使用时段和季节而变化。非季节性阶梯电价 21费率全年保持不变。如果建筑超过某个功率或用电量限值,费率就会降低。季节性非阶梯电价 11费率取决于在一年中的用电时段,无上限值;
19、费率不会因为建筑用电量的增加而改变。季节性阶梯电价 14费率取决于一年中的用电时段。如果建筑超过某个功率或用电量限值,费率就会降低。分时电价(TOU)5费率取决于一天中用电的时段,但全年保持统一。费率不会因为建筑用电量的增加而改变。季节性分时电价 14费率取决于一天中的用电时段和一年中的用电时间。无上限值;费率不会因为建筑用电量的增加而改变。季节性分时阶梯电价 2费率取决于一天中的用电时段和一年中的用电时间。如果建筑超过某个功率或用电量限值,费率就会降低。rmi.org/12具有高成本效益的电网交互式节能建筑建模方法RMI使用其建筑集群能源优化工具(Portfolio Energy Optim
20、ization tool,PEO)评估该113家门店。PEO采用了“规模化定制”的能源建模方法。“规模化”指该工具能够一次性生成和模拟所有113个能源模型,“定制”是指为每家门店构建一个自下而上、准确表示该门店现有条件的能源模型。在本报告中,每家门店的名字都被匿名化和标准化。该零售商旗下零售门店的信息取自客户提供的各种数据集,包括调查问卷、图纸、暖通空调控制时序、账单信息和间隔数据III。这些数据集被输入到建筑集群能源优化工具(PEO)中,生成根据每家门店情况加以校准的EnergyPlus模型。PEO建模框架图6 RMI建筑集群能源优化工具(PEO)操作步骤 针对该零售商的总体投资计划,包括每
21、家门店的投资机会针对选中的113家门店,我们总共分析了13类措施,包括60多个能源和财务变量,共转化成4500多个能源模型。根据客户提供的投资标准和能效目标,我们以每项措施的结果为依据,选择特定门店的改造方案,并模拟计算出这些方案的相互协同作用。最终,我们对于特定门店的结果进行叠加,得出针对整个零售建筑集群的建议以及成本效益分析。以下措施被认为与该零售商的门店最为相关(该列表并未包含所有被评估的措施)各项措施的相互作用被加入到每个模型中,从而充分利用电气化协同效应所带来的降本优势。III 间隔数据:指在规定时间间隔(每15分钟或1小时)通过电表等仪器记录的建筑运行数据(如用电量、用气量等)。几
22、何形状+位置碳排放电费负荷能源系统来自PEO数据库的每个ECM(建筑节能措施)改进后的建筑属性改造后的建筑群能耗水平针对该零售商的总体投资计划,包括每家门店的投资机会建筑群的基准能耗水平ECM组合Modelkit模板Modelkit模板基于投资方案的组合措施rmi.org/13具有高成本效益的电网交互式节能建筑图7 对该零售商建筑改造项目采取的措施类别 措施 措施内容说明用电柔性电池储能最大限度地提高错峰用电量或内部收益率冰蓄冷对热泵屋顶机组配备冰蓄冷照明调节 减少用电(不包括错峰用电)分段启动加热和冷却盘管 通过分段启动盘管或风机减少每月峰荷需求节能优化外围护保温结构屋顶和外墙的隔热每项措施
23、包含几种不同的R值方案(如R20、R30和R40)和保温材料类型。屋顶膜深色或浅色屋顶膜优化外窗用高性能的窗户取代目前的窗户;增加玻璃膜层外门升级 安装外门风幕和快速开合的卸货门可减少渗透暖通空调升级安装高能效屋顶机组,包含热回收、调速电机、双焓经济器控制、风量调节和低压损滤芯等装置LED照明升级 LED灯改造;升级为带集成式传感器的LED灯具吊扇使用集成能源信息管理系统(EMIS)的吊扇增加风速,从而实现在提升夏季设定温度的情况下不降低室内舒适度电气化空气源热泵RTU用空气源热泵取代燃气炉可再生能源屋顶太阳能光伏系统新的太阳能光伏模组或增加现有的屋顶太阳能光伏数量。由于零售商每一幢建筑的购电
24、协议不同而且在未来可能有变化,因此屋顶太阳能光伏系统模型计算了全生命周期持有成本(Total Cost of Ownership,TCO)。rmi.org/14具有高成本效益的电网交互式节能建筑投资方案与结果基于上述分析,我们为该零售商提供了其门店升级改造的不同方案,每个方案都有不同的净现值(NPV)、投资回收期和碳减排潜力。这些投资方案专为113家样本门店构建。它们根据零售商的投资预算以及RMI和NREL的建议制定。内部收益率为10%的方案:满足内部收益率为10%的高收益投资标准的措施可以显著减少能耗和碳排放。内部收益率为6%的方案:降低投资门槛可以最大限度地提高建筑集群可投资的用电柔性、效
25、率和可再生项目。热泵方案:高能效热泵方案的评估是基于上述10%内部收益率的情景进行的,该方案仅选择符合投资门槛的门店接受热泵改造。图8 为该零售商推荐的每个投资方案路线的预计净现值、投资收回期和碳减排潜力需要指出的是,任何本研究提出的方案都不建议拆除任何有剩余使用寿命的设备。替换现有设备的措施按“增量成本”,即同类产品与高能效产品之间的成本差异定价。本分析没有使用对天然气或电力价格的预测,而是使用了当前的电价结构和能源价格。碳强度的计算基于EPA的eGrid计划所定义的指定州级碳排放。内部收益率为10%的方案,减少8057吨二氧化碳热泵方案减少8344吨二氧化碳投资回收期(年)净现值(百万)6
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