通过电池储能推动净零能耗建筑发展：技术经济、碳及韧性评估

《Sustainable Energy Technologies and Assessments》：Advancing net-zero energy buildings through battery energy storage: a techno-economic, carbon, and resilience assessment

　　

# 电池储能推动零净能建筑的成本、碳排与韧性发展

- 电池储能推动零净能建筑的成本、碳排放与韧性发展
- 电池储能在建筑中引入了成本与碳的权衡问题
- 富余能量、电池类型和容量决定性能结果
- 仅有铅酸电池能在系统寿命期内实现投资回收
- 所有电池类型在不到12年内即可抵消其隐含碳

## 引言

根据联合国和国际能源署的数据，建筑与建筑行业的能源消耗和CO2排放量已从COVID-19疫情期间反弹至历史新高[1]，[2]。在美国，能源信息署估计住宅和商业部门的能源消耗分别约占总能源消耗的19.7%和17.2%，合计约37%[3]。政策是住宅和商业市场演变的关键因素。从2021年到2024年，拜登政府在地方、州和联邦层面为推动建筑部门脱碳积累了 momentum。一个明确的例子是第14057号行政令，该命令为联邦建筑制定了雄心勃勃的路径，目标是在2045年实现净零排放，并在2032年将排放量减少50%。马萨诸塞州、马里兰州和纽约州等州纷纷跟进，通过更新法规和通过相关条例来推动建筑脱碳的各个方面。在电网逐步通过增加风能和太阳能等清洁能源发电技术的采用而脱碳的背景下，能源效率、电气化和现场能源发电成为建筑脱碳的常见策略。在这一框架下，零净能（NZE）建筑成为能源效率和脱碳的新范式，甚至被纳入加利福尼亚州[4]和马萨诸塞州[5]的住宅建筑法规。根据新建筑研究所（NBI）的数据，截至2026年2月，美国已有197栋经过验证的零净能建筑，616栋建筑正在努力实现这一认证[6]。零净能建筑通常通过将其现场产生的富余清洁电力出售给电网，来抵消100%的环境排放。

自2025年1月起，美国政府的优先事项已从脱碳转向能源充裕与主导地位。2025年12月，美国能源部（DOE）撤销了零排放建筑的国家级定义[7]，鼓励各州和地方政府采取类似做法。尽管联邦对脱碳支持减少如何影响高效建筑和零净能建筑的需求目前仍为时过早，但建筑仍遵循一些优秀的设计指南：建设高能效建筑，使其产生的能量达到年能耗的100%。事实上，这类建筑减少了已处于紧张状态电网的电力需求，有助于增强电网韧性，并最小化新用能设施（如数据中心）接入所需的基础设施投资[8]。

随着美国范围内停电频率和持续时间的增加，韧性正变得越来越重要[9]，[10]。因此，商业部门不应仅依赖清洁能源发电策略，还应依靠提供韧性并促进与地方公用事业公司合作的技术。提高对停电的韧性是现有近200栋零净能建筑面临的最大挑战之一。最大的机遇之一在于与地方公用事业公司合作，通过启用电网互动策略，同时提高建筑和电网的韧性。能源存储技术是商业可用的电网边缘技术之一，也是零净能建筑的有效候选方案，特别是那些产生富余电力的建筑。在能源存储技术中，电池储能系统（BESS）已被证明是提供建筑韧性的有效解决方案。BESS还通过将能量在适当时间充放电来脱碳建筑运营并降低能源成本。然而，在建筑中安装BESS也会增加能源损失和隐含碳[11]，[12]，且BESS提供的价值强烈依赖于当地因素，如电网结构、公用事业分时电价、天气、建筑使用者行为、韧性需求以及现场清洁能源的可及性等。

早期关于零净能建筑（NZEB）的研究主要关注通过高性能建筑围护结构、高效暖通空调系统、照明优化和现场可再生能源发电来最小化年运行能耗，特别是屋顶光伏系统。年度净能量平衡成为主要的性能指标，导致了实现零净能运行的多种定义和方法论。然而，最近的研究认识到，仅运营能源中性不一定意味着生命周期温室气体排放量最小化。因此，研究逐渐向零净排放建筑转变，后者纳入了与建筑材料和能源系统相关的运营排放和隐含碳，从而为建筑脱碳提供了更全面的框架[13]，[14]，[15]，[16]，[17]。

众多技术方法已被研究以推动零净能建筑超越年度能源中性的表现。这些方法包括需求侧能效措施、建筑电气化、需求响应、光伏发电和BESS。光伏耦合BESS受到了越来越多的关注，因为它可以提高现场可再生能源利用率、减少峰值需求、增加自消费、在停电期间提供备用电源并实现电网互动的建筑运行。最近的研究还表明，最优电池容量和调度策略显著影响经济性能和运营排放[18]，[19]。在更新的零能建筑2.0框架中，洛克山脉国家实验室（NLR）指出，将储能与可再生能源供应相结合可以增强资源管理和韧性[20]。这些研究表明，将BESS与光伏集成是推动零净能建筑迈向下一代并减少其碳足迹、增强韧性的核心所在。

尽管取得了重大进展，仍存在若干重要的研究空白。已发表的研究关于商业建筑中BESS集成的研究主要关注技术经济容量确定或储能的经济学价值。例如，Ashabi等人[21]开发了一个简化的技术经济模型来确定商业建筑中的BESS容量，而Kanwhen和Mohamed[22]开发了一种基于负荷曲线的方案来对商业建筑适合储能的程度进行排名。这些研究展示了建筑负荷特征和经济考量的重要性，但未提供多种电池化学在经济学、碳排放和韧性指标方面的比较评估。Zhao等人[23]利用实测建筑负荷和光伏发电数据扩展了此类分析，但其分析集中于锂离子电池，主要评估不同电费方案下的经济表现。最近的研究趋向于更广泛的技术环境评估，例如Chatzigeorgiou等人[24]使用高分辨率的真实世界数据评估了公共建筑中光伏-BESS系统的经济可行性、能源自给率和环境足迹，但未提供多种化学的比较和停电韧性评估。电池相关的隐含碳在评估低碳建筑时仍是一个重要考量，这一点在更广泛的隐含碳文献中也有体现[25]，但在这些建筑规模的BESS研究中，它与经济和韧性评估并未集成。最后，相比而言，很少有研究在相同的长期实测运行条件下评估多种BESS技术，同时考虑财务表现、运营碳排放、隐含碳和停电韧性[22]。

如表1所示，以往研究已针对建筑规模BESS部署的重要方面进行了探讨，但电池技术数量、评估维度和数据来源的组合存在显著差异。本研究结合了一栋经验证的零净能建筑的实测运行数据，对多种化学、多种容量下的经济表现、运营和隐含碳排放以及停电韧性进行了评估。

因此，本研究采用了一种综合分析程序来评估经过认证且正在运营中的零净能建筑的电池储能系统，使用了实测建筑运行和光伏发电数据。本研究的贡献不在于开发新的电池调度或优化算法，而在于开发并应用一种一致的比较分析程序，针对多种BESS技术和容量，在相同的实测建筑负荷和光伏发电条件下进行。该程序在相同的建筑负荷和光伏发电条件下，同时量化了经济表现、生命周期碳排放和停电韧性。除了传统的经济指标如简单投资回报期和净现值（NPV）外，分析还确定了CO2足迹平衡期，即累积运营CO2减排量抵消与BESS制造相关的隐含碳所需的时间。分析还使用建筑实测的每小时负荷和模拟的电池在停电发生时的荷电状态来评估停电韧性。分析聚焦于一个代表性案例：位于德克萨斯州休斯顿地区的HARC建筑。该建筑以可持续性为首要目标进行设计，获得了多项奖项和认证，包括零净能、LEED铂金级、ENERGY STAR 99/100，并自2024年1月起成为美国首批获得美国环保署NextGen认证的建筑物之一[26]。

本研究的主要贡献有四方面：（1）在相同运行条件下对六种商业可用的BESS化学物质进行比较评估；（2）将该框架应用于经过验证的零净能建筑，使用高分辨率的长期实测运行数据；（3）同时评估经济表现、运营排放、隐含碳和停电韧性；以及（4）在财务回收、碳足迹平衡和极端最坏情况下电网中断后的建筑自主运行之间识别技术选择和容量权衡。

## 方法论

本文开发了一套评估方法，用于评估零净能建筑中电池储能系统的经济、环境和韧性影响。该方法结合了每小时建筑能源模拟、生命周期碳核算、经济分析和停电韧性评估。尽管分析程序适用于任何配备光伏发电和电池储能的建筑，但本研究使用休斯顿先进研究中心的数据进行演示。

## 关于HARC建筑

休斯顿先进研究中心（HARC）是一家独立非营利研究机构，依据《国内税收法典》第501(c)(3)条款获得认可，总部位于德克萨斯州休斯顿地区。HARC的使命是推动可持续经济、健康环境和高品质生活的实用解决方案。新HARC总部大楼于2017年3月完工。该建筑位于德克萨斯州伍德兰兹的8801 Gosling Road，是一个……

## 基准建筑表现

能源数据被整理为每个应用场景的小时用量曲线，以便更便于使用数据集。HARC建筑的总能源需求被分解为四类用途：插电负荷、照明、暖通空调和其他。HARC建筑的总能源需求为69,223.66 kWh。图2显示插电负荷和暖通空调是能源消耗的主要贡献者，分别占45%和40%。

根据eGRID数据，HARC建筑属于SERC Mississippi Valley区域……

## 结论

本文表明，通过集成BESS，零净能建筑可以在显著降低碳足迹的同时提高韧性。使用HARC建筑的真实、细粒度数据，分析显示仅屋顶太阳能就可将运营排放减少超过45%。然而，仅光伏太阳能无法提供商业建筑所需的韧性水平。在HARC，白天由太阳能光伏系统产生的大量富余电力被导出到电网……

## CRediT作者贡献声明

Vatsal Bhuva：审阅与编辑、撰写初稿、可视化、验证、方法论、形式分析、数据整理、概念化。Carlos Gamarra：审阅与编辑、撰写初稿、可视化、验证、方法论、形式分析、概念化。Tianrun Zhang：审阅与编辑、数据整理。Pam Gallagher：审阅与编辑。Likun Chen：可视化、数据整理。

## 资助

本研究是作者在HARC专业工作的一部分。

## 利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或可能影响本文所报告工作的个人关系。

Vatsal Bhuva | Carlos Gamarra | Tianrun Zhang | Pam Gallagher | Likun Chen