本文探討了一個國家如何以最低成本以及可能得到想要脫碳的自由派和保守派立法者支持的方式對建筑空間的供暖進行脫碳。

更容易讓每個建筑物以最低的成本運營，讓其他建筑物花錢減少CO 2。這與觀察到的行為和經(jīng)濟理論是一致的。因此，要脫碳，必須有法律要求。

許多建筑物通過在熔爐內(nèi)燃燒天然氣來加熱。這通常會加熱管道內(nèi)的金屬翅片，從而加熱在整個建筑物中循環(huán)的空氣。或者，可以安裝一個使用電力產(chǎn)生熱量的系統(tǒng)。

用電產(chǎn)生熱量的主要方式有兩種：一種是熱泵，另一種是簡單的電加熱元件。熱泵的效率是加熱元件的 2 到 4 倍。例如，一個人可以將 1 W 饋入熱泵并獲得 4 W 的熱量；或將 1 W 饋入一個簡單的加熱元件并獲得 1 W 的熱量。一個人從熱泵中得到的比他們投入的更多，因為它將熱量從一個地方轉移到另一個地方，而不是產(chǎn)生它。在建筑物供暖過程中，熱量從建筑物外部轉移到建筑物內(nèi)部，這導致室外空氣變冷。熱泵已經(jīng)在空調(diào)內(nèi)部。因此，人們可以在一定程度上用它們進行加熱，而無需額外的設備成本。

在大多數(shù)情況下，為熱泵供電的電力是通過在發(fā)電廠燃燒天然氣產(chǎn)生的，并排放 CO 2。人們可能更喜歡不排放 CO 2的“綠色”電力。但是，通常無法為建筑物提供額外的綠色電力。

當建筑物從燃氣爐切換到熱泵時，尤其是在室外溫度非常低的情況下，建筑物的能源費用通常會增加。這是因為當室外溫度降低時，熱泵的效率會降低。

建設脫碳法的一個例子

為了解決氣候變化，各國應考慮制定國家法律，要求以最低成本和可能得到大多數(shù)選民支持的方式對建筑供熱進行脫碳。這不存在。但是，如果確實如此，它會是什么樣子？下面是一個例子。

需要新的供暖、通風和空調(diào) (HVAC) 設備來支持電力供暖。而且，如果業(yè)主愿意，可以同時安裝設備以支持天然氣供暖。如果兩者都安裝，建筑物可以在任何給定時間使用燃氣、電力或兩者來加熱。

當支持室外溫度高于 5?C (41?F) 時，熱泵設備和電力的成本通常較低。然而，這些成本會隨著室外溫度的降低而增加。隨后，立法者最初可能需要新設備來支持適度寒冷的溫度，并在對氣候的擔憂更大時擴大這一要求。換言之，立法者定期設定新熱泵支持的最低室外溫度要求，并選擇政治上可接受的水平。

在寒冷氣候下以最低成本運營的業(yè)主用燃氣爐補充他們的熱泵。以較高成本運營的業(yè)主，也許是為了減少 CO 2，安裝一個更大、更昂貴的熱泵，并且從不使用天然氣加熱。

需要新設備與區(qū)域計算機進行通信。隨后，建筑物可以訪問天然氣的現(xiàn)貨價格（即瞬時價格）、電力的現(xiàn)貨價格、每瓦額外電力的 CO 2排放量等。所有升級其 HVAC 設備的建筑物都需要通信，從小型大型商業(yè)建筑的住宅。

如果同時安裝了燃氣和電熱，則要求系統(tǒng)能夠每隔幾分鐘選擇成本較低的選項。

在任何時候，具有電力和天然氣能力的建筑物都可以從成本最低的運營轉向成本更高的運營，并排放不同數(shù)量的 CO 2。在某些情況下，排放量增加，沒有理由轉換；然而，在其他情況下，排放量會減少。建筑物計算天然氣和電力選項的成本和總 CO 2排放量，其中總排放量是指建筑物排放量加上發(fā)電廠排放量。當人們可以支付更多費用來減少總 CO 2時，系統(tǒng)會以減少一公噸CO 2所花費的美元為單位計算脫碳成本($/tCO 2 )。

在脫碳成本較低的情況下，系統(tǒng)必須切換并產(chǎn)生更多的天然氣或電力成本，最高可達立法者設定的最高金額。例如，如果家庭需要每年多花費 100 美元來減少 CO 2，而最低運營成本是每年 700 美元，則系統(tǒng)運行成本為 800 美元，并將全年的總 CO 2排放量降至最低（700 美元 + 100 美元）。

這個額外的金額稱為脫碳成本津貼 (DCA)，由聯(lián)邦立法者每年以每平方英尺美元為單位設定。最初，這可能會被設置為低以獲得政治支持。然而，隨著氣候變化的危害變得更加明顯，它可能會增加。

立法者還設定了從最低成本（$/tCO 2 ）轉換時的最高脫碳成本。財政保守的立法者不贊成脫碳成本高于建造太陽能農(nóng)場或風電場的項目，后者通常≤50美元/噸CO 2。因此，最高 $/tCO 2可能會設置為其他脫碳機會的最高值，以獲得廣泛的政治支持。換句話說，系統(tǒng)一直運行直到它遇到兩個限制之一。例如，如果立法者將 DCA 設置為 100 美元/年和 50 美元/噸CO 2，則系統(tǒng)將僅在脫碳成本≤50 美元/噸CO 2時切換，最高為每戶每年100美元。

“綠色”電力是在不排放CO 2的情況下制造的，飽和綠色電力是指由于綠色供過于求而丟棄綠色電力。例如，一個城市需要 1.0 GW，附近一個飽和的太陽能農(nóng)場可以生產(chǎn) 1.3 GW，而 0.3 GW 被丟棄。如果綠色電力沒有飽和并且建筑物從燃氣爐轉換為電熱泵，那么額外電力的 100% 可能來自排放 CO 2的天然氣發(fā)電廠。因此，在切換到熱泵時，我們更傾向于飽和消耗綠色電力；但是，這種情況很少見。隨后，為了盡量減少 CO 2在全國排放量中，可以使用飽和的低成本綠色電力的建筑物更受青睞。為了保持公平，所有建筑物都支付高于最低成本運營的相同額外成本。然而，那些能夠在飽和狀態(tài)下獲得廉價綠色電力的人更頻繁地切換。那些轉換得更多的人的額外費用由那些轉換得更少的人支付。最終，每個人都支付了高于每平方英尺最低運營成本的相同額外成本，并且全國范圍內(nèi)的 CO 2排放量降至最低。

獲得選票：脫碳

上述框架可能會得到政治支持，因為它不需要消費者承擔高昂的成本。相反，它將成本與脫碳決策交由立法者決定，他們通過三個參數(shù)進行控制：DCA、最高 $/tCO 2脫碳成本以及新熱泵支持的最低室外溫度。顯然，立法者會將這些參數(shù)保持在政治上可接受的水平。隨著氣候變化證據(jù)的增加，脫碳可能會通過這些參數(shù)增加。

國家暖通空調(diào)通信和控制系統(tǒng)

建議的框架需要國家計算機、區(qū)域計算機和建筑物之間的標準化通信。這不存在。換句話說，軟件和標準需要開發(fā)、原型化、標準機構批準、HVAC 制造商支持和法律要求。在合理的時間內(nèi)完成這項工作將是一個巨大的挑戰(zhàn)。因此，政府和/或基金會應考慮盡早慷慨地資助下一代國家 HVAC 通信和控制的開發(fā)。

建立熱政治

為了保持脫碳在政治上可行，各國應考慮將新法律分為兩部分：

A) 要求新設備支持電加熱，一定程度上可選配燃氣爐。并要求與區(qū)域計算機通訊。

B) 要求消費者承擔額外的 DCA 成本以減少 CO 2（美元/平方英尺/年），最大脫碳成本（美元/CO 2）。

A 部分和 B 部分都可能在政治上是可接受的，因為 A 部分本身以最低的成本運作，而 B 部分以政治上可接受的成本運作。兩部分是有幫助的，因為 A 部分可以“以最低成本運營”出售，而 B 部分涉及定期考慮脫碳與額外成本。

人們可能會考慮禁止建筑物使用天然氣的立法；然而，在許多情況下，由于燃料成本、設備成本增加，并且在某些情況下，CO 2排放量增加，這在政治上是不可行的。

建立熱經(jīng)濟以脫碳

下表顯示了通過不同方法為建筑物供暖的成本，以住宅單位、零售美元 ($) 每千兆焦 (GJ) 建筑物熱量為單位。我們看看能源便宜的猶他州和能源成本更高的加州。我們看到一個非常冷的 –10?C (14?F) 的日子，一個寒冷的 0?C (32?F) 的日子，以及一個輕快的 10?C (50?F) 的日子。我們從 2019 年開始使用住宅零售價格，因為 COVID 之前的價格更加穩(wěn)定。

圖 1：燃氣爐與電熱泵加熱的比較

上表顯示了在效率為 90% 的燃氣爐中燃燒天然氣時的CO 2排放量。例如，值 0.50 表示排放的 CO 2是煤氣爐排放量的一半。當從燃氣爐切換到電熱泵時，CO 2排放量在極冷 (–10?C) 時增加 2%，在冷 (0?C) 時減少 32%，在輕快 (10?C) 時減少 49% ）。這假設電力是由一個效率為 44% 的發(fā)電廠燃燒天然氣（無綠色電力）生產(chǎn)的。

可以看出，在非常寒冷的日子里，煤氣爐的成本往往更低。在溫暖的日子里，電熱泵的成本往往更低。支持低于 5?C (41?F) 室外溫度的熱泵設備往往成本高昂；因此，如果建筑物可以通過熱泵供暖，它可能會在較冷的日子補充燃氣爐。

在許多情況下，低成本選項（即燃氣或電力）也排放較少的 CO 2，因此沒有理由從成本最低的操作切換。這是因為熱泵效率高時CO 2低，效率高時成本也低。換言之，成本和CO 2排放均受熱泵效率驅動，而該效率與外部空氣溫度成反比。

上表確定了一種情況（即加利福尼亞州 0?C），可以通過增加成本從燃氣爐轉換為電力，以減少總 CO 2。在這種情況下，如果綠色電力處于飽和狀態(tài)，脫碳成本為 34 美元/噸CO 2 ，否則為 108 美元/噸CO 2。因此，如果立法者將最大脫碳成本設定為 50 美元/tCO 2，除非綠色電力飽和，否則不會發(fā)生強制轉換。

經(jīng)濟規(guī)律規(guī)定價格跟隨消費。隨后，電價可能會上漲，如果許多建筑物從天然氣轉向電力，天然氣價格可能會下降。在設計被大多數(shù)地區(qū)接受的國家 DCA 系統(tǒng)時，需要考慮到這一點。

上表顯示了燃氣爐與電熱泵的比較；但是，實際數(shù)字會因燃氣價格、電價、室外溫度和設備效率而異。本文中的電子表格是開源的，這意味著任何人都可以免費下載和修改它們。

脫碳競賽

如果建筑脫碳戰(zhàn)略正在尋求廣泛的政治支持，它必須與其他脫碳倡議競爭。例如，如果一項計劃以 250 美元/噸CO 2 的價格脫碳，另一項以 10 美元/噸CO 2的價格進行脫碳，那么立法者可能會青睞以同樣的錢將 CO 2減少25 倍的計劃。

與建筑供熱政策競爭的脫碳機會列在2022 年 IPCC 緩解報告中，總結如下。單擊此處獲取高分辨率版本。

圖 2：IPCC 2022 減緩報告列出了全球脫碳方案及其脫碳成本（$/tCO 2）。

這說明了人們可以做很多事情來減少 CO 2。對于每一項，它都以 $/tCO 2為單位顯示成本。此外，它還顯示了以這種成本可以減少的 CO 2量，以每年的 CO 2噸數(shù)為單位。

例如，成本為 0 至 20 美元/tCO 2的脫碳機會以淺橙色顯示，成本為 20 至 50 美元/tCO 2的機會以深橙色顯示。每個水平條的寬度表示在每個脫碳成本下世界每年可以減少多少噸。

蓄熱

熱存儲通常需要在建筑物中放置一個水箱，用廉價和/或清潔能源（例如，低CO 2）加熱或冷卻它，然后在能源不太便宜和/或不太清潔時使用它。例如，如果一個風電場在凌晨 3 點由于飽和而丟棄電力（例如，沒有燃燒天然氣來發(fā)電），那么人們可能會用它來儲存熱量或冷量，并在以后由燃燒天然氣。

降低安裝地源的成本

地下土壤的溫度通常為~14?C (58?F)，如果將管道嵌入土壤并通過管道循環(huán)水，他們就可以在該溫度下獲得水。如果通過熱泵循環(huán)這些水，則可以在加熱和冷卻時減少大約兩倍的電力消耗。這種技術被稱為“地源熱泵”（GSHP），它有兩個缺點：占用土地，安裝地下管道成本高（例如，每戶住宅 2 萬美元）。

為了降低地源熱泵的成本，各國應考慮慷慨資助開發(fā)自動安裝地下管道的機器。

人們可能更愿意讓私營公司開發(fā)機器；然而，投資者可能會認為這“太大”、“太多活動部件”或“風險太大”。隨后，為了推動這一進程，政府和/或基金會可能需要支持初始開發(fā)。

發(fā)電很復雜

電網(wǎng)通常由多個來源供電。例如，在任何特定時間，一個城市可能有 20% 的電力來自核電，3% 來自太陽能，7% 來自風能，70% 來自天然氣發(fā)電站。太陽能發(fā)電場在陽光充足時發(fā)電，風力發(fā)電場在有風時發(fā)電，而其他來源的間歇性往往較少。

如果 HVAC 系統(tǒng)從天然氣轉換為電力，建筑物的電力消耗會增加，并且電網(wǎng)上的至少一個電源會增加其輸出。通常，出于多種考慮，例如成本，只有一個會增加產(chǎn)量。此外，太陽能農(nóng)場的輸出不太可能發(fā)生變化，因為它是由太陽設置的，并且它的電力已經(jīng)被消耗掉了。或者，如果太陽能農(nóng)場處于“飽和”狀態(tài)（即，由于擁有太多而丟棄綠色電力），那么它可以增加其輸出而不是丟棄。然后人們可以將建筑物從天然氣轉變?yōu)殡娏┡搭^不會排放 CO 2。

在許多情況下，將建筑物從燃氣改為電熱會導致天然氣發(fā)電廠排放的 CO 2分子數(shù)量物理增加，即使電網(wǎng)從可再生能源獲得了一些電力。換句話說，在許多情況下，必須使電網(wǎng)完全脫碳，才能顯著降低建筑物供暖的碳排放。

電力公司的計算機可以很容易地計算出有多少 CO 2分子物理排放到大氣中，這是由于建筑物在任何給定時刻使用電熱而不是燃氣爐運行。這些信息可以顯示在手機或網(wǎng)絡瀏覽器上，以幫助業(yè)主更好地了解成本和 CO 2排放量。

脫碳：燃氣爐與電熱泵

建筑物通常從燃氣爐或電熱泵獲取熱量，無法一概而論地確定這些成本中的哪一個成本更低或排放的 CO 2更少。這是由于隨著時間和地點而變化的多種因素造成的。例如，熱泵的效率是外部空氣溫度的函數(shù)。天然氣和電力的現(xiàn)貨價格全天不同，地區(qū)之間也不同。甚至平均價格也有很大差異。例如，2019 年，猶他州的住宅平均零售電價為 0.08 美元/千瓦時，附近的加利福尼亞州為 0.17 美元/千瓦時。加州的天然氣平均價格高出 65%。

煤氣爐設備通常成本很低，因為它是一個物理金屬室，幾乎沒有活動部件。或者，熱泵更復雜，因此成本更高。然而，熱泵包含在空調(diào)內(nèi)部，因此也可以進行加熱，而無需額外的設備成本。

不幸的是，在非常寒冷的一天所需的熱泵的尺寸往往比在炎熱的夏日所需的要大。例如，典型的空調(diào)在 38?C (100?F) 的夏季將熱量提升 14?C（例如，24?C 到 38?C），而典型的供暖系統(tǒng)在 –18?C (0? F) 冬日將熱量升高 42?C（例如，–18?C 至 24?C）。后者是 3 倍，因此需要更大、更昂貴的熱泵。為了減少對昂貴熱泵的需求，可以在非常寒冷的日子同時運行燃氣爐和熱泵，或者僅在溫度較高時（例如，室外溫度≥ 5°C，41°F）運行電熱泵并運行煤氣爐冷的時候。

在升級現(xiàn)有的大型商業(yè)建筑以支持電熱時，經(jīng)常會遇到增加成本的障礙。兩個例子如下：

新設備在物理上不適合現(xiàn)有空間，安裝在屋頂上需要昂貴的結構加固。

以前的系統(tǒng)使用地下室的燃氣鍋爐將水加熱到 80°C 的高溫，并將其泵送到整個建筑物的風管內(nèi)的熱交換器。不幸的是，當支持更高的輸出溫度時，熱泵效率低且成本高。作為一種補救措施，人們可能會在微冷的日子（例如，室外溫度 ≥ 5?C）循環(huán)使用熱泵加熱的低溫水（例如，50?C）并循環(huán)高溫水（例如，80?C）。 C) 在較冷的日子用天然氣加熱（例如，室外溫度< 5?C）。

為了應對改造成本挑戰(zhàn)，新法律可能要求建筑物通過電熱泵支持最低熱量水平，并可選擇通過燃氣爐進行補充。隨著對氣候變化和設備的關注度提高，所需水平可能會在一段時間內(nèi)增加。例如，最初的法律可能要求建筑物在室外溫度超過 5°C (41°F) 時支持完全依靠電力運行。在許多地區(qū)，這是為建筑物供暖的大部分時間，通過熱泵將熱量從 5°C 提升到 24°C 很容易。此外，立法者可能會考慮降低室外溫度所需的額外熱泵設備成本，例如 0?C (32?F) 或 –5?C (23?F)。

建立熱數(shù)學

典型的現(xiàn)代燃氣爐的效率為 90%，這意味著當熱廢氣排出建筑物時會損失 10% 的能量。

當室外溫度非常低（例如，–10?C，14?F）時，典型的熱泵效率為 200%，而在較溫和時（例如，10?C，50?F），熱泵效率為 400%。這些值大于 100%，因為熱泵移動熱量而不是產(chǎn)生熱量。如果通過燃燒天然氣產(chǎn)生電力，則將這些值乘以發(fā)電廠的效率（例如，35% 到 55%）以獲得總效率。例如，如果發(fā)電效率為 44%（美國平均水平），熱泵效率為 200%，則總和為 88%（44% × 200%）。這低于典型的 90% 燃氣爐，這意味著電動選項會排放更多的 CO 2。或者，如果發(fā)電量為44%，熱泵為350%，那么總量為154%（44%×350%），用電加熱減少CO 242% (1 – (1/154%) ÷ (1/90%))。

通電有時會減少 CO 2，但并非總是如此。在任何給定時間準確計算總排放量需要建筑物和電網(wǎng)之間的通信。

稅收不是脫碳成本最低的方式

人們可能會考慮對燃料征稅或對碳征稅，而不是通過需求方的溝通和控制來要求脫碳。但是，稅收帶來以下缺點：

許多消費者忽略了價格信號（“低效”）。

消費者因典型行為而受到懲罰（“懲罰性”）。

人們必須大幅提高價格以改變行為（即需求價格彈性低）。

它不會將超出最低成本選項的每一美元的CO 2排放量降至最低。

稅收在政治上不受歡迎，而且通常不是成本最低的脫碳方式。

結論

更容易讓每個建筑物以最低的成本運營，讓其他建筑物花錢減少CO 2。這與觀察到的行為和經(jīng)濟理論是一致的。因此，要脫碳，必須有法律要求。以最低成本和可能在政治上受歡迎的方式這樣做需要：

建筑物、區(qū)域計算機和國家計算機之間的標準化通信

法律要求燃氣加熱設備最終在一定程度上被支持電力加熱的設備取代，額外的燃氣支持是可選的

要求消費者承擔更多成本以達到國家立法者定期設定的脫碳水平的法律

更多研發(fā)以進一步降低成本，例如開發(fā)自動安裝地源的機器，開發(fā)窗戶隔熱罩標準，開發(fā)風扇/阻尼器標準，以及開發(fā)建筑設備通信標準

發(fā)電脫碳

審核編輯：湯梓紅