在花了无数个小时从绿色建筑顾问(GBA)，建筑科学公司，能源先锋等方面研究信息后，我在密歇根州西北部(气候区6A，寒冷)承担了一个基本DIY，全电动的新建项目。我将回顾总体战略和概念，包括现实世界的数据、细节和搬进来三年来获得的一般经验。

在设计我们家的时候，我从那里获得了很多灵感很好的房子、被动屋和净零能源项目。这些方案通常可以归结为首先最小化建筑能源负荷，然后尽可能有效地满足这些负荷。前者侧重于建筑围护结构，而后者则涉及系统:暖通空调、水加热和烹饪。

建筑物的信封

对建筑围护结构的周到关注消除了部分供暖和制冷能源，从需要使用。与标准最低要求相比，通常通过连续的外部刚性绝缘、更好的窗户、遮阳策略和更好的气密性来实现。通过减少山脊线、拐角、凸起和类似的过渡来简化质量，极大地促进了这些策略的成功应用。

我设计这座房子的想法很简单;这种特征更多地体现在饰面上，而较少地体现在体量上(一个带有两个山脊线屋顶的矩形)。框架是2×6，有一个单顶板和地板/天花板托梁与螺栓对齐。我装了5个。外墙护套上的外部绝缘材料——也许太多了，但当地有工厂用的多利索。

我用工字托框起天花板，在顶部安装了结构甲板，并将这个(阁楼地板)密封到墙护套上。这种方法简化了空气密封，为安装20英寸的标准屋顶桁架提供了一个很好的平台。高小马墙壁。

工字托提供了一个服务腔并取消了大约60个建筑部件，包括顶板、接线盒和Romex电缆的无数孔，否则这些部件需要小心密封。在那里是两个小的孔用于Romex维修外部灯，一个大的孔用于管道通风口;都是很好的。通过山墙的一端进入阁楼，上面除了松散填充的纤维素什么也没有。

密封性

随着家庭变得越来越紧凑，应该考虑使用烘干机(如果不使用无气孔烘干机)，厨房抽油烟机,甚至浴的粉丝．否则，补充空气将从意想不到的来源，风扇或电器可能无法提供其额定CFM。我们发现这一点很困难，尽管在这里和Building Science Corp的文章中已经指出了这一点。

我们有一个与主管道通风口相连的密封污水坑。当抽油烟机或烘干机运行时，管道通风口有效地成为恶臭的补充气源。我密封了污水池的盖子和橡胶垫片周围的PVC管与硅胶，以阻止下水道气体的回流。

看看HERS的报告，鼓风机门在50pa时的拉力仅为212 CFM——这是一个紧张的房子。作为参考，厨房抽油烟机的额定最高为399 CFM，中间设置时可能为100-250 CFM。烘干机的额定温度约为200立方厘米，虽然这里没有安装，但浴风扇的额定温度约为50-150立方厘米。

如果没有补充气源，这些系统很可能无法提供额定CFM。

我安装了一个化妆空气系统，由一个管道和电动阻尼器组成。该阻尼器由一个差压传感器控制，该传感器监测室内和室外压力之间的差异。当室内压力下降时，这是抽油烟机或烘干机运行的标志，风门打开提供补充空气。

加热和冷却

为了满足剩余的加热和冷却负荷，我选择使用热泵，它可以从相同的设备提供加热和冷却。许多寒冷气候系统可以在零下15ºF的温度下工作，有些甚至可以在更低的温度下继续工作(即使是非常冷的空气也含有热量，热泵能够捕获并泵入室内)。考虑到围护结构，一个小型微型微型热泵系统可以满足气候区6和气候区7的大部分供暖需求，如果不是全部的话。

此外，这些系统可以非常有效地满足这些负载。根据不同型号，铭牌效率(性能系数或COP)在17ºF时超过300%，在47ºF时超过400%，而电阻和化石燃料加热器在90-100%范围内达到峰值。虽然现实世界的效率会有所不同，但即使在非常寒冷的气候条件下，热泵的年均净效率仍然可以超过200%。与丙烷和取暖油相比，这种性能水平通常可以提供更低的取暖费用，有时还可以与天然气竞争，特别是在低电价地区。

题外话:我保证我们不会破坏热力学定律效率100%!相反，这是对效率的不同定义。效率的基本定义是输出的能量除以输入的能量。在这种情况下，我们只关心我们必须支付的输入能量，即电力，而忽略了从空气中获得的自由能量。另一种看待它的方式是:用上述性能规格支付的每一单位能源，在额定温度为17ºF的条件下提供超过3单位的加热。

我家用的是两台单区富士通Halcyon寒冷气候迷你分离式热泵系统(AOU12RLS3Y和AOU12RLS3H)。两个室内机都是无管道挂壁式:客厅的一个提供厨房、餐厅和入口区;另一间位于走廊，设有三间卧室和两间浴室。

墙壁单元非常适合住宅的生活区，并保持恒定的温度。在家里睡觉的一端，有一点差异，但在我们的容忍范围内。整个冬天，他们都让房子保持温暖，即使气温下降到零下或徘徊在个位数。

如果卧室的门是关着的，温度会比走廊低一点。对我们来说，这是可以的，因为我们除了睡觉外，不会在卧室里花太多时间，晚上我们会把门打开。另外，我们喜欢凉爽的温度睡觉。下面的图表有助于量化这种体验。

我在客厅的迷你系统上安装了一个数据记录仪来监控它的能源使用情况。在下面的图表中，我们可以看到一个寒冷的日子(平均7ºF)，两个温暖的日子(平均16ºF和22ºF)和一个温和的日子(平均31ºF)的每日和每小时的能源消耗。我们可以预期能源使用与平均室外温度之间存在合理的相关性，但其他因素如太阳能或内部收益也会起作用。天气温和的时候我们用了7千瓦时，而天气寒冷的时候我们用了14千瓦时。看看每小时的图表，我们可以看到，在天气温和的时候，当温度在40华氏度左右时，机组从下午3点到5点进入待机状态。

通风

充足的通风经常被忽视，但它对于良好的室内空气质量至关重要，在收紧建筑时更重要，特别是在寒冷的气候下，窗户通常整个冬天都是关闭的。有一些选择通风,但是在寒冷的气候下，一个紧凑的房子平衡系统与热/能量回收是最优的方法。

我安装了一个Broan 160TE HRV，为卧室、起居空间和地下室提供新鲜空气，并从浴室、厨房和地下室排出。浴室里有升压开关，没有浴扇。

此外，厨房抽油烟机需要排到室外。我曾经在一个密闭的房间里尝试过一个带过滤器的循环抽油烟机，因为我想避免信封上的额外洞。然而，它没有辜负它的名字，只是循环气味，烟雾和水蒸气，需要很长时间才能消散。另一个在GBA和建筑科学公司指出的事情。

生活热水(DHW)

当涉及到热水时，热泵也是答案。有两个选项热泵热水器(HPWHs):具有室外压缩机和室内储罐的分体式系统，或压缩机位于储罐顶部的单体系统。单元式系统最适合放在寒冷气候的室内，因为系统的性能随着温度的降低而降低。在40ºF左右，大多数系统将切换到纯电阻模式，消除了热泵的任何能源效率优势。

当放置在室内时，HPWHs使空间凉爽。在冬天——好吧，在平月——降温效果并不理想，但在夏天通常不是问题。因此，一个单一的HPWH的理想位置通常是地下室，大型杂物间，或绝缘车库。否则，将它放置在任何由热泵调节的区域可能是一个很好的解决方案，因为热泵可以有效地弥补HPWH捕获的热量损失。这些单元比标准电阻单元的声音更大，根据位置的不同，可能需要考虑声音衰减。

在寒冷的气候下，单一加热器不应该完全或部分管道到外部，因为在较冷的温度下性能下降。不建议采用排风管道，因为这些系统有较大的CFM抽气量和较长的运行时间，这会导致重新调节补充空气的能量损失。

一些系统允许调度操作，可以设置为在工作或睡觉时运行，例如，如果噪音是一个问题。将这些控制策略与更高的设定值和更大的储罐相结合，可以潜在地缓解大多数噪音或冷却问题。或者，分离系统可以避免这些问题，但成本更高。

在我家，我们从标准的50加仑开始。电阻热水器。我安装了一个循环回路，既可以占用又可以控制温度。每个使用点都有占用传感器，温度传感器位于靠近厨房供应的环上——最远的点。然后换到50加仑。HPWH (Richmond 10E50-HP4D)，我们使用大约11千瓦时/天的热水。

安装了高压pwh后，我们开始采用节电模式，平均每天使用约3.5千瓦时的相关能源。这与预期的减少2/3的能源消耗一致。

然而，我们经常用完热水。我观察到，在装置启动之前，上部和下部燃料箱的温度漂得相当低。再循环回路很可能加剧了这个问题——手册上说，在节能模式下运行时，不建议再循环。

我们切换到高要求模式，这涉及到更频繁的操作电阻元件。我原以为耗电量至少会翻倍，但令我惊讶的是，耗电量只增加了约60%，达到5.5千瓦时/天，而且我们还没有意外地耗尽热水。

我用手机上的一个免费应用程序，从3英尺远的地方测量了压缩机运行时60dba左右的声音，听起来就像窗户上的空调。这套公寓位于地下室未完工的一侧，用作储藏室和公用设施区，所以噪音真的不是问题。只有当我们在房间里时，我们才会听到它在运行，但如果它靠近卧室或其他生活空间，我肯定会采取有效的缓解策略。

烹饪

当从燃气转向电动烹饪时，两个灶台选择是标准电或磁感应(唯一的电烤箱选择是标准电阻)。感应系统利用灶台表面下的线圈来产生磁场。磁场在高电阻锅内诱发小电流，使其升温。这个过程最终比标准的对应过程更高效、反应更快、更安全。大部分的能量直接转移到平底锅，磁场高度可控，反应迅速，没有直接加热炉表面-它只会得到和平底锅一样热。

我和我的妻子喜欢烹饪，我们曾担心从燃气到电磁炉的转变，但最终这并不是什么大问题。我们安装了GE PHS930SLSS感应电炉。我们刚开始的几顿饭都烧焦了，但很快就想通了。我们喜欢的一些东西:

• 有一个高度的温度控制，19设置，和快速反应。
• 在这个模型上很容易使用控件。触摸开/关，然后在适当的级别触摸控件或使用+/-按钮。
• 水沸腾得很快。
• 灶台不会变得那么热，这使灶台更干净，年轻的厨师更安全。
• 我们分不清气熟和感应熟的区别。

一些注意事项:

• 我们不得不牺牲一些锅碗瓢盆，因为它们不兼容电磁法。
• 可能会有一些嗡嗡声和咔哒声，这在重量较轻的平底锅或混合型平底锅(非金属与感应兼容底座)中更常见。
• 其中一些类型的锅并不总是被检测到，即使他们是感应兼容。当它无法检测到平底锅时，控制装置会闪烁。
• 比“燃烧器”大的平底锅会有冷斑的区域，而不是直接在它上面。

总之，我们对感应炉灶面．

整体能源使用

在2021日历年，我们使用了12330千瓦时的电力。一个大致的分析进一步细分为20% (2.3k千瓦时)用于供暖和制冷，15% (2k千瓦时)用于热水，65% (8k千瓦时)用于其他所有费用。

美国能源信息管理局(EIA)关于2010年至2015年中西部地区新建住宅的数据显示，采暖和制冷约占50%(11.3千瓦时)，热水占18%(4.2千瓦时)，其他所有设施占32%(7.1千瓦时)——总使用量为22,600千瓦时。与这些数据相比，我们更新的高性能住宅总体上减少了45%的能源消耗:取暖和制冷减少了80%，热水减少了45%，插头负载增加了13%。

这些环评数据没有控制建筑的规模或居住者数量，当涉及到热水使用和其他类别时，这些比建筑的年份更有影响力。然而，尽管这种比较并不完美，但它说明了当人们进入高性能领域时，建筑的能源使用是如何变化的。

最终的想法

我们住在全电力的家里已经是第四年了，没有燃气设备，我们并不觉得自己错过了什么——房子很温暖，水很热，食物也很美味。我们的能源使用和公用事业成本一直很低，尽管我们使用的通常是最昂贵的能源选择。这是通过高性能的设计方法实现的:首先，通过深思熟虑的围护结构设计大幅降低负荷，然后通过热泵尽可能有效地满足这些负荷。

在更大的规模上，我们的设计选择为住宅的清洁能源未来做好了准备。我们可以和电网一起进步，也可以跨越式发展光伏系统;我们的公用事业提供社区太阳能面板购买选项以及。最终，我可以自信地说，全电动住宅在寒冷的气候下也能工作。

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Nathan Russell是一名能源工程师经理除了效率．他希望利用自己的第一手施工经验和技术背景来促进高性能建筑和实践的采用。图片由作者提供，特别注明者除外。