蒙姿合，落基山研究所咨询师；Kate Chrisman，落基山研究所部门总监

去年11月的一个晴天，热切的参会者们涌入位于加利福尼亚州伯克利镇的一座现代化高能效建筑。在稍显昏暗的礼堂里，他们集聚一堂共同讨论加利福尼亚州的一条新法规，此法规规定，该州所有的新建建筑都必须生产与其消耗等量的能源。虽然这座位于伯克利的建筑获得了LEED白金认证（美国的一项建筑能效评级标准，只有最具能效的建筑才能获得认证），但它所消耗的电量仍然多于其现场可再生能源发电量，仍需要依赖电网供电（点击这里查看该建筑的详细能源用量）。这样的建筑符合当前的标准，但加利福尼亚州打算更进一步。

在美国，建筑部门的能源消耗量占全美能耗总量的40%，因此蕴藏着巨大的节能减排潜力。净零能耗（ZNE）建筑（指年能源消耗量和年能源生产量基本持平的建筑）能够降低运营成本，并充当电网的分布式可再生能源发电来源。与传统建筑相比，对环境的影响更小。净零能耗建筑的种种优势吸引了来自决策者和产业界的极大兴趣。2015年，全美共有191个经认证的净零能耗建筑项目，而到2016年，该数字激增至了332个。

从更广意义上衡量建筑行业：加利福尼亚州的气候领导力

加利福尼亚州是公认的清洁能源发展的领导者，并出台了积极的碳减排目标： 到2030年，该州承诺50%的能源将来自于可再生来源，且碳排放将比1990年水平下降40%。为了实现这些目标，该州为建筑行业制定了颇具雄心的目标：到2020年，所有新建住宅建筑必须达到净零能耗建筑标准；而到2030年，所有新建商业建筑也必须达到净零能耗建筑标准。由于净零能耗建筑普遍使用屋顶光伏系统来满足能源需求，这就意味着加利福尼亚州的太阳能光伏发电量将进一步增长。

事实上，加利福尼亚州的太阳能光伏发电装机容量已经远超其初始目标，2015年该州太阳能发电装机容量几乎占全美总量的一半。但可再生能源发电的迅速发展也给电网带来了新的挑战：如何满足傍晚峰值时段激增的用电需求？以2017年1月12日的实际情况为例（表1）。在那个周四，太阳能光伏发电时间主要集中在上午10点到下午3点之间。但电力需求峰值出现在了下午6点左右，此时太阳能光伏板正处于日落后的闲置状态。这一需求峰值和可再生能源发电时间的不匹配，导致了所谓的“鸭型曲线”问题（名称源于曲线的形状）。“鸭脖子”的坡度越陡，电网的负担就越大，因为它需要立即调度其它发电来源从而确保足够的电力供应。而在今后的五年里，加利福尼亚州预计将增加2万兆瓦太阳能发电装机，比当前的1.5万兆瓦装机又增加了133%。

图1（左）：加利福尼亚州2017年1月12日太阳能发电量。
图2（右）：加利福尼亚州2017年1月12日电力净需求量（需求总量减去分布式可再生能源发电量）。数据来源：加州独立电力调度中心 (CA ISO)

2015年，全美共有超过一百万座住宅建筑（包括独栋住宅和多户住宅）获得建造许可，并且每年还有成千上万的新建商业建筑项目落地。随着越来越多的此类新建建筑将遵循和应用净零能耗准则，更多的分布式太阳能光伏装机容量将被纳入电网。但由于能源用量在时间上并不总与现场发电量相匹配，净零能耗建筑还应通过特定的设计，来帮助电网实现弹性的最大化。这也将有助于管理电力消耗，使其更好地匹配能源生产。如果缺乏需求响应能力（根据相关奖励措施相应地降低或转移特定时间段的能源用量），或如果建筑的运行模式没能在晚高峰期间降低用能需求，那么净零能耗建筑将进一步加剧“鸭型曲线”问题。因此，要完全实现净零能耗建筑的节能减排潜力，这个问题必须得到解决。

确保净零能耗标准优先考虑能效和对电网的作用

净零能耗建筑已经带来了诸多创新；相比超低能耗建筑（一种超高能效建筑，在不考虑现场可再生能源容量的前提下，此类建筑的能源用量比传统新建建筑的能源用量最多能减少90%），净零能耗建筑的用能强度（单位面积能源用量）更低（见表3）。净零能耗建筑能够与电网进行双向交互，成为电网资产，而不仅仅是电网用户。但是，在推广净零能耗建筑标准的过程中，加利福尼亚州仍需要解决两个重要问题：首先，建筑在设计阶段中究竟是优先考虑能效还是能源生产；其次，建筑应该如何运行。

图3：经验证的净零能耗建筑、具有净零能耗潜力的建筑和超低能耗建筑的能耗对比

在设计阶段，净零能耗建筑可以通过优化可再生能源的生产，或限制能源需求量这两种策略来达成目标。优先考虑可再生能源发电的建筑，其总能源用量更高（同时发电容量也更高），此类建筑一般通过主动策略来管理能源，例如机械暖通空调系统、热存储和需求响应。虽然电网纳入更多可再生能源发电量是一件好事，但首要目标应更多放在降低碳排放。在第二种策略下，优先考虑能效的建筑更多采用被动策略，例如自然采光，优化建筑朝向，高保温性能和被动式措施等。通过应用侧重能效的设计策略，建筑能够确保更低的年耗能，因此对场内发电量的需求也更低。在加利福尼亚州，平均用电需求和峰值用电需求之间的差额（也称为负荷系数）已经超过了50%，这意味着很大一部分的发电装机容量仅仅是为了满足峰值需求。因此，为了降低电网的总体运营成本，系统更需要的是用电需求更平稳的建筑（不会突然或大幅增加需求量）。这就是为什么对于电网来说，能效提升往往比可再生能源发电本身更有价值：与可变的可再生能源不同，能效是不受时间变化限制的。更进一步考虑，通过提高需求响应能力、能源存储和区域层面可再生能源发电，净零能耗建筑也能够成为交互式电网资产。

对于第二个问题——建筑的运行方式而言，南加州的一个试点项目证明，安装了太阳能光伏和能源存储设备的净零能耗住宅能够通过正确的运行方式，1）根据分时电价或其它高级电价结构，优化用电量；2）协助平衡电网供需。通过实现根据电价水平进行调整的用电弹性（在电价最便宜时用电, 并在电价最贵时向电网供电），此类建筑能够为用户降低用电成本。在协助平衡电网供需方面，它们能够使用户在白天阳光最充足时为储能电池充电，并在晚间用电峰值时段向电网供电，从而使整个电网受益，通过为电网提供额外资源，来降低对调峰电厂（即成本高昂的仅用来满足峰值电力需求的电厂）的需求。因为电价结构通常也根据如何有利于平衡电网供需来设计，所以用户可以进一步降低用能成本。通过结合能效优先的设计策略，和平衡电网供需的运行方式，净零能耗建筑能作为电网资产，进一步为电网提供价值。清晰的定价结构和激励措施可以有助于这些设想的实现。

落基山研究所致力于推动净零能耗建筑的试点项目，并推广其应用范围。我们位于科罗拉多州巴索尔特的办公总部就是一个颇具代表性的例子，这座建筑采用了一体化设计，实现了超越净零能耗的表现。在当地寒冷的气候条件下，我们在设计阶段首先着眼于降低能源需求，之后增加了太阳能光伏和电池储能设备。通过同时运用发电和能源存储，我们以优化自身用能负荷的方式，帮助电力公司避免了从污染严重的调峰电厂调度电量（点击这里查看我们的实时能源生产和消耗数据）。但我们的总部大楼仅仅是一座建筑，我们希望将这个概念应用到更大的体系和社区范围。例如，在宾夕法尼亚州匹兹堡附近的一处钢铁厂旧址上，落基山研究所通过一体化能源规划，协助项目实现了能效的最大化。这一项目帮助业主实现了净零能耗区域开发的目标，同时为其提供了创新的商业模式，以提高对潜在租户的经济吸引力（点击这里查看详细案例分析）。

加利福尼亚州是全美第一个颁布净零能耗建筑标准的州，但这还远远不够。业内的一大趋势是主张以净零碳排放（ZNC）替代净零能耗（ZNE），从而将场外可再生能源的发电和购买（对太阳能资源有限的建筑更有价值）并入系统。这一趋势将更直接地与碳排放控制及气候行动相挂钩，并可能更适合像中国这样的高层建筑较多的市场环境。这些趋势也激励了硅谷的一个小城市，在州级强制法案基础上更进了一步，制定了在2025年实现净零碳排放的目标。

在美国，建筑行业碳减排最大的机遇来自于既有建筑。但在中国，通过与能源研究所（ERI）、劳伦斯伯克利实验室（LBL）和能源基金会中国（EF）的合作研究，我们发现了相反的结论：中国建筑行业要实现2050年碳减排目标，最大的机遇在于新建建筑市场。建筑能效升级的最佳和最直接的时机就是在其设计阶段。因此，虽然深度能效改造对中国非常重要， 将净零能耗的理念运用到新建建筑中更是中国市场的独特机遇。