如何以最低的成本使建筑物的供暖脱碳

本文探讨了一个国家如何以最低成本以及可能得到想要脱碳的自由派和保守派立法者支持的方式对建筑空间的供暖进行脱碳。

更容易让每个建筑物以最低的成本运营，让其他建筑物花钱减少CO 2。这与观察到的行为和经济理论是一致的。因此，要脱碳，必须有法律要求。

许多建筑物通过在熔炉内燃烧天然气来加热。这通常会加热管道内的金属翅片，从而加热在整个建筑物中循环的空气。或者，可以安装一个使用电力产生热量的系统。

用电产生热量的主要方式有两种：一种是热泵，另一种是简单的电加热元件。热泵的效率是加热元件的 2 到 4 倍。例如，一个人可以将 1 W 馈入热泵并获得 4 W 的热量；或将 1 W 馈入一个简单的加热元件并获得 1 W 的热量。一个人从热泵中得到的比他们投入的更多，因为它将热量从一个地方转移到另一个地方，而不是产生它。在建筑物供暖过程中，热量从建筑物外部转移到建筑物内部，这导致室外空气变冷。热泵已经在空调内部。因此，人们可以在一定程度上用它们进行加热，而无需额外的设备成本。

在大多数情况下，为热泵供电的电力是通过在发电厂燃烧天然气产生的，并排放 CO 2。人们可能更喜欢不排放 CO 2的“绿色”电力。但是，通常无法为建筑物提供额外的绿色电力。

当建筑物从燃气炉切换到热泵时，尤其是在室外温度非常低的情况下，建筑物的能源费用通常会增加。这是因为当室外温度降低时，热泵的效率会降低。

建设脱碳法的一个例子

为了解决气候变化，各国应考虑制定国家法律，要求以最低成本和可能得到大多数选民支持的方式对建筑供热进行脱碳。这不存在。但是，如果确实如此，它会是什么样子？下面是一个例子。

需要新的供暖、通风和空调 (HVAC) 设备来支持电力供暖。而且，如果业主愿意，可以同时安装设备以支持天然气供暖。如果两者都安装，建筑物可以在任何给定时间使用燃气、电力或两者来加热。

当支持室外温度高于 5˚C (41˚F) 时，热泵设备和电力的成本通常较低。然而，这些成本会随着室外温度的降低而增加。随后，立法者最初可能需要新设备来支持适度寒冷的温度，并在对气候的担忧更大时扩大这一要求。换言之，立法者定期设定新热泵支持的最低室外温度要求，并选择政治上可接受的水平。

在寒冷气候下以最低成本运营的业主用燃气炉补充他们的热泵。以较高成本运营的业主，也许是为了减少 CO 2，安装一个更大、更昂贵的热泵，并且从不使用天然气加热。

需要新设备与区域计算机进行通信。随后，建筑物可以访问天然气的现货价格（即瞬时价格）、电力的现货价格、每瓦额外电力的 CO 2排放量等。所有升级其 HVAC 设备的建筑物都需要通信，从小型大型商业建筑的住宅。

如果同时安装了燃气和电热，则要求系统能够每隔几分钟选择成本较低的选项。

在任何时候，具有电力和天然气能力的建筑物都可以从成本最低的运营转向成本更高的运营，并排放不同数量的 CO 2。在某些情况下，排放量增加，没有理由转换；然而，在其他情况下，排放量会减少。建筑物计算天然气和电力选项的成本和总 CO 2排放量，其中总排放量是指建筑物排放量加上发电厂排放量。当人们可以支付更多费用来减少总 CO 2时，系统会以减少一公吨CO 2所花费的美元为单位计算脱碳成本($/tCO 2 )。

在脱碳成本较低的情况下，系统必须切换并产生更多的天然气或电力成本，最高可达立法者设定的最高金额。例如，如果家庭需要每年多花费 100 美元来减少 CO 2，而最低运营成本是每年 700 美元，则系统运行成本为 800 美元，并将全年的总 CO 2排放量降至最低（700 美元 + 100 美元）。

这个额外的金额称为脱碳成本津贴 (DCA)，由联邦立法者每年以每平方英尺美元为单位设定。最初，这可能会被设置为低以获得政治支持。然而，随着气候变化的危害变得更加明显，它可能会增加。

立法者还设定了从最低成本（$/tCO 2 ）转换时的最高脱碳成本。财政保守的立法者不赞成脱碳成本高于建造太阳能农场或风电场的项目，后者通常≤50美元/吨CO 2。因此，最高 $/tCO 2可能会设置为其他脱碳机会的最高值，以获得广泛的政治支持。换句话说，系统一直运行直到它遇到两个限制之一。例如，如果立法者将 DCA 设置为 100 美元/年和 50 美元/吨CO 2，则系统将仅在脱碳成本≤50 美元/吨CO 2时切换，最高为每户每年100美元。

“绿色”电力是在不排放CO 2的情况下制造的，饱和绿色电力是指由于绿色供过于求而丢弃绿色电力。例如，一个城市需要 1.0 GW，附近一个饱和的太阳能农场可以生产 1.3 GW，而 0.3 GW 被丢弃。如果绿色电力没有饱和并且建筑物从燃气炉转换为电热泵，那么额外电力的 100% 可能来自排放 CO 2的天然气发电厂。因此，在切换到热泵时，我们更倾向于饱和消耗绿色电力；但是，这种情况很少见。随后，为了尽量减少 CO 2在全国排放量中，可以使用饱和的低成本绿色电力的建筑物更受青睐。为了保持公平，所有建筑物都支付高于最低成本运营的相同额外成本。然而，那些能够在饱和状态下获得廉价绿色电力的人更频繁地切换。那些转换得更多的人的额外费用由那些转换得更少的人支付。最终，每个人都支付了高于每平方英尺最低运营成本的相同额外成本，并且全国范围内的 CO 2排放量降至最低。

获得选票：脱碳

上述框架可能会得到政治支持，因为它不需要消费者承担高昂的成本。相反，它将成本与脱碳决策交由立法者决定，他们通过三个参数进行控制：DCA、最高 $/tCO 2脱碳成本以及新热泵支持的最低室外温度。显然，立法者会将这些参数保持在政治上可接受的水平。随着气候变化证据的增加，脱碳可能会通过这些参数增加。

国家暖通空调通信和控制系统

建议的框架需要国家计算机、区域计算机和建筑物之间的标准化通信。这不存在。换句话说，软件和标准需要开发、原型化、标准机构批准、HVAC 制造商支持和法律要求。在合理的时间内完成这项工作将是一个巨大的挑战。因此，政府和/或基金会应考虑尽早慷慨地资助下一代国家 HVAC 通信和控制的开发。

建立热政治

为了保持脱碳在政治上可行，各国应考虑将新法律分为两部分：

A) 要求新设备支持电加热，一定程度上可选配燃气炉。并要求与区域计算机通讯。

B) 要求消费者承担额外的 DCA 成本以减少 CO 2（美元/平方英尺/年），最大脱碳成本（美元/CO 2）。

A 部分和 B 部分都可能在政治上是可接受的，因为 A 部分本身以最低的成本运作，而 B 部分以政治上可接受的成本运作。两部分是有帮助的，因为 A 部分可以“以最低成本运营”出售，而 B 部分涉及定期考虑脱碳与额外成本。

人们可能会考虑禁止建筑物使用天然气的立法；然而，在许多情况下，由于燃料成本、设备成本增加，并且在某些情况下，CO 2排放量增加，这在政治上是不可行的。

建立热经济以脱碳

下表显示了通过不同方法为建筑物供暖的成本，以住宅单位、零售美元 ($) 每千兆焦 (GJ) 建筑物热量为单位。我们看看能源便宜的犹他州和能源成本更高的加州。我们看到一个非常冷的 –10˚C (14˚F) 的日子，一个寒冷的 0˚C (32˚F) 的日子，以及一个轻快的 10˚C (50˚F) 的日子。我们从 2019 年开始使用住宅零售价格，因为 COVID 之前的价格更加稳定。

图 1：燃气炉与电热泵加热的比较

上表显示了在效率为 90% 的燃气炉中燃烧天然气时的CO 2排放量。例如，值 0.50 表示排放的 CO 2是煤气炉排放量的一半。当从燃气炉切换到电热泵时，CO 2排放量在极冷 (–10˚C) 时增加 2%，在冷 (0˚C) 时减少 32%，在轻快 (10˚C) 时减少 49% ）。这假设电力是由一个效率为 44% 的发电厂燃烧天然气（无绿色电力）生产的。

可以看出，在非常寒冷的日子里，煤气炉的成本往往更低。在温暖的日子里，电热泵的成本往往更低。支持低于 5˚C (41˚F) 室外温度的热泵设备往往成本高昂；因此，如果建筑物可以通过热泵供暖，它可能会在较冷的日子补充燃气炉。

在许多情况下，低成本选项（即燃气或电力）也排放较少的 CO 2，因此没有理由从成本最低的操作切换。这是因为热泵效率高时CO 2低，效率高时成本也低。换言之，成本和CO 2排放均受热泵效率驱动，而该效率与外部空气温度成反比。

上表确定了一种情况（即加利福尼亚州 0˚C），可以通过增加成本从燃气炉转换为电力，以减少总 CO 2。在这种情况下，如果绿色电力处于饱和状态，脱碳成本为 34 美元/吨CO 2 ，否则为 108 美元/吨CO 2。因此，如果立法者将最大脱碳成本设定为 50 美元/tCO 2，除非绿色电力饱和，否则不会发生强制转换。

经济规律规定价格跟随消费。随后，电价可能会上涨，如果许多建筑物从天然气转向电力，天然气价格可能会下降。在设计被大多数地区接受的国家 DCA 系统时，需要考虑到这一点。

上表显示了燃气炉与电热泵的比较；但是，实际数字会因燃气价格、电价、室外温度和设备效率而异。本文中的电子表格是开源的，这意味着任何人都可以免费下载和修改它们。

脱碳竞赛

如果建筑脱碳战略正在寻求广泛的政治支持，它必须与其他脱碳倡议竞争。例如，如果一项计划以 250 美元/吨CO 2 的价格脱碳，另一项以 10 美元/吨CO 2的价格进行脱碳，那么立法者可能会青睐以同样的钱将 CO 2减少25 倍的计划。

与建筑供热政策竞争的脱碳机会列在2022 年 IPCC 缓解报告中，总结如下。单击此处获取高分辨率版本。

图 2：IPCC 2022 减缓报告列出了全球脱碳方案及其脱碳成本（$/tCO 2）。

这说明了人们可以做很多事情来减少 CO 2。对于每一项，它都以 $/tCO 2为单位显示成本。此外，它还显示了以这种成本可以减少的 CO 2量，以每年的 CO 2吨数为单位。

例如，成本为 0 至 20 美元/tCO 2的脱碳机会以浅橙色显示，成本为 20 至 50 美元/tCO 2的机会以深橙色显示。每个水平条的宽度表示在每个脱碳成本下世界每年可以减少多少吨。

蓄热

热存储通常需要在建筑物中放置一个水箱，用廉价和/或清洁能源（例如，低CO 2）加热或冷却它，然后在能源不太便宜和/或不太清洁时使用它。例如，如果一个风电场在凌晨 3 点由于饱和而丢弃电力（例如，没有燃烧天然气来发电），那么人们可能会用它来储存热量或冷量，并在以后由燃烧天然气。

降低安装地源的成本

地下土壤的温度通常为~14˚C (58˚F)，如果将管道嵌入土壤并通过管道循环水，他们就可以在该温度下获得水。如果通过热泵循环这些水，则可以在加热和冷却时减少大约两倍的电力消耗。这种技术被称为“地源热泵”（GSHP），它有两个缺点：占用土地，安装地下管道成本高（例如，每户住宅 2 万美元）。

为了降低地源热泵的成本，各国应考虑慷慨资助开发自动安装地下管道的机器。

人们可能更愿意让私营公司开发机器；然而，投资者可能会认为这“太大”、“太多活动部件”或“风险太大”。随后，为了推动这一进程，政府和/或基金会可能需要支持初始开发。

发电很复杂

电网通常由多个来源供电。例如，在任何特定时间，一个城市可能有 20% 的电力来自核电，3% 来自太阳能，7% 来自风能，70% 来自天然气发电站。太阳能发电场在阳光充足时发电，风力发电场在有风时发电，而其他来源的间歇性往往较少。

如果 HVAC 系统从天然气转换为电力，建筑物的电力消耗会增加，并且电网上的至少一个电源会增加其输出。通常，出于多种考虑，例如成本，只有一个会增加产量。此外，太阳能农场的输出不太可能发生变化，因为它是由太阳设置的，并且它的电力已经被消耗掉了。或者，如果太阳能农场处于“饱和”状态（即，由于拥有太多而丢弃绿色电力），那么它可以增加其输出而不是丢弃。然后人们可以将建筑物从天然气转变为电力供暖，而源头不会排放 CO 2。

在许多情况下，将建筑物从燃气改为电热会导致天然气发电厂排放的 CO 2分子数量物理增加，即使电网从可再生能源获得了一些电力。换句话说，在许多情况下，必须使电网完全脱碳，才能显着降低建筑物供暖的碳排放。

电力公司的计算机可以很容易地计算出有多少 CO 2分子物理排放到大气中，这是由于建筑物在任何给定时刻使用电热而不是燃气炉运行。这些信息可以显示在手机或网络浏览器上，以帮助业主更好地了解成本和 CO 2排放量。

脱碳：燃气炉与电热泵

建筑物通常从燃气炉或电热泵获取热量，无法一概而论地确定这些成本中的哪一个成本更低或排放的 CO 2更少。这是由于随着时间和地点而变化的多种因素造成的。例如，热泵的效率是外部空气温度的函数。天然气和电力的现货价格全天不同，地区之间也不同。甚至平均价格也有很大差异。例如，2019 年，犹他州的住宅平均零售电价为 0.08 美元/千瓦时，附近的加利福尼亚州为 0.17 美元/千瓦时。加州的天然气平均价格高出 65%。

煤气炉设备通常成本很低，因为它是一个物理金属室，几乎没有活动部件。或者，热泵更复杂，因此成本更高。然而，热泵包含在空调内部，因此也可以进行加热，而无需额外的设备成本。

不幸的是，在非常寒冷的一天所需的热泵的尺寸往往比在炎热的夏日所需的要大。例如，典型的空调在 38˚C (100˚F) 的夏季将热量提升 14˚C（例如，24˚C 到 38˚C），而典型的供暖系统在 –18˚C (0˚ F) 冬日将热量升高 42˚C（例如，–18˚C 至 24˚C）。后者是 3 倍，因此需要更大、更昂贵的热泵。为了减少对昂贵热泵的需求，可以在非常寒冷的日子同时运行燃气炉和热泵，或者仅在温度较高时（例如，室外温度≥ 5°C，41°F）运行电热泵并运行煤气炉冷的时候。

在升级现有的大型商业建筑以支持电热时，经常会遇到增加成本的障碍。两个例子如下：

新设备在物理上不适合现有空间，安装在屋顶上需要昂贵的结构加固。

以前的系统使用地下室的燃气锅炉将水加热到 80°C 的高温，并将其泵送到整个建筑物的风管内的热交换器。不幸的是，当支持更高的输出温度时，热泵效率低且成本高。作为一种补救措施，人们可能会在微冷的日子（例如，室外温度 ≥ 5˚C）循环使用热泵加热的低温水（例如，50˚C）并循环高温水（例如，80˚C）。 C) 在较冷的日子用天然气加热（例如，室外温度< 5˚C）。

为了应对改造成本挑战，新法律可能要求建筑物通过电热泵支持最低热量水平，并可选择通过燃气炉进行补充。随着对气候变化和设备的关注度提高，所需水平可能会在一段时间内增加。例如，最初的法律可能要求建筑物在室外温度超过 5°C (41°F) 时支持完全依靠电力运行。在许多地区，这是为建筑物供暖的大部分时间，通过热泵将热量从 5°C 提升到 24°C 很容易。此外，立法者可能会考虑降低室外温度所需的额外热泵设备成本，例如 0˚C (32˚F) 或 –5˚C (23˚F)。

建立热数学

典型的现代燃气炉的效率为 90%，这意味着当热废气排出建筑物时会损失 10% 的能量。

当室外温度非常低（例如，–10˚C，14˚F）时，典型的热泵效率为 200%，而在较温和时（例如，10˚C，50˚F），热泵效率为 400%。这些值大于 100%，因为热泵移动热量而不是产生热量。如果通过燃烧天然气产生电力，则将这些值乘以发电厂的效率（例如，35% 到 55%）以获得总效率。例如，如果发电效率为 44%（美国平均水平），热泵效率为 200%，则总和为 88%（44% × 200%）。这低于典型的 90% 燃气炉，这意味着电动选项会排放更多的 CO 2。或者，如果发电量为44%，热泵为350%，那么总量为154%（44%×350%），用电加热减少CO 242% (1 – (1/154%) ÷ (1/90%))。

通电有时会减少 CO 2，但并非总是如此。在任何给定时间准确计算总排放量需要建筑物和电网之间的通信。

税收不是脱碳成本最低的方式

人们可能会考虑对燃料征税或对碳征税，而不是通过需求方的沟通和控制来要求脱碳。但是，税收带来以下缺点：

许多消费者忽略了价格信号（“低效”）。

消费者因典型行为而受到惩罚（“惩罚性”）。

人们必须大幅提高价格以改变行为（即需求价格弹性低）。

它不会将超出最低成本选项的每一美元的CO 2排放量降至最低。

税收在政治上不受欢迎，而且通常不是成本最低的脱碳方式。

结论

更容易让每个建筑物以最低的成本运营，让其他建筑物花钱减少CO 2。这与观察到的行为和经济理论是一致的。因此，要脱碳，必须有法律要求。以最低成本和可能在政治上受欢迎的方式这样做需要：

建筑物、区域计算机和国家计算机之间的标准化通信

法律要求燃气加热设备最终在一定程度上被支持电力加热的设备取代，额外的燃气支持是可选的

要求消费者承担更多成本以达到国家立法者定期设定的脱碳水平的法律

更多研发以进一步降低成本，例如开发自动安装地源的机器，开发窗户隔热罩标准，开发风扇/阻尼器标准，以及开发建筑设备通信标准

发电脱碳

审核编辑：汤梓红