气候变化下的跨部门权衡：基于替代模型平衡家庭能源账单、居住舒适度与电力系统外部性

本研究针对建筑电气化进程中家庭舒适度、能源成本与电网外部性间的多重矛盾，开发了RC-BEM（简化建筑能耗模型）框架。通过分析美国54个城市17,000户住宅在历史与未来气候下的数据，发现热舒适成本在老旧住宅中高50%，且低收入群体在137/212案例中面临更高边际成本。该研究为平衡能效政策与社会公平提供了量化工具，成果发表于《iScience》。

　　

随着全球建筑电气化进程加速，热泵(ASHP)作为低碳供暖解决方案被广泛推广，却暴露出新的矛盾：在寒冷气候下，热泵效率下降导致家庭能源账单激增，低收入居民可能被迫在"取暖或温饱"间抉择。同时，电力系统面临峰值负荷压力与空气污染外部性问题。传统建筑能耗模型如EnergyPlus虽精度高，但无法量化温度调节与多目标权衡的关系，且计算成本高昂。

美国密歇根大学环境与可持续发展学院的Shuhaib Nawawi团队开发了革命性的RC-BEM（简化建筑能耗模型），通过线性回归训练EnergyPlus模拟数据，实现毫秒级运算。该模型整合了居住舒适度（采用旅行成本法货币化）、电力边际污染因子（含SO₂
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的社会成本）和配网容量成本，对54个气候区17,749户住宅进行优化分析。

关键方法

1. 通过EnergyPlus生成含温度波动的训练数据
2. 建立RC-BEM线性方程预测每小时热流（含温度差、辐射等6变量）
3. 采用Lasso正则化防止过拟合
4. 整合美国人口普查数据估算收入与建筑特性关联

主要结果

维持室内舒适度在寒冷城市更耗能
在底特律等寒冷地区，T0场景（严格维持设定温度）年均能耗成本达2,500-2,900美元，较奥兰多高3倍。这源于热泵在低温下COP（性能系数）骤降（图S6），且寒冷地区电价更高（表S4）。非家庭成本（污染+峰值）在T0场景占比达52%，反映严格温控对电网的压力。

热舒适价值远超能源成本
1x场景（无温控约束）下，底特律冬季5%分位温度降至2°C，菲尼克斯夏季95%分位温度达42°C（图3）。3x场景（3倍舒适成本）使温度回归ASHRAE标准（27°C），表明居民实际支付意愿约为能源成本的3倍。

新建筑热舒适成本降低50%
对2,500-3,500平方英尺住宅，底特律2000年后建筑热舒适成本（19美元/°C-月）较1950年前建筑（39美元）降低52%（图4）。建筑规范的实施显著缩小了大户型与小户型的成本差距（5倍→2倍）。

收入与热舒适成本无稳定关联
在212组城市-收入-季节组合中，仅39组显示低收入者需显著多支付（如菲尼克斯7月1500-2499平方英尺住宅，75-100k收入群体支付19美元/°C-月vs高收入群体13美元）。但纳什维尔等湿润地区差异不显著（图5）。

讨论与意义
该研究首次通过可逆建模量化了建筑电气化的交叉矛盾：老旧住宅能效低下加剧能源贫困，而气候变暖可能通过降低供热需求部分抵消冷区负担。RC-BEM的快速计算特性支持精准定位脆弱群体（如底特律冬季低收入老年人群），为需求响应项目提供避免"温度牺牲"的优化方案。局限性在于健康损害的非线性货币化尚未完善，未来需结合流行病学数据改进。这项发表于《iScience》的工作，为制定兼顾气候目标与社会公平的建筑政策提供了科学基准。