图片来源:Alex Wilson
能源宅男的更多思考
为了减少能源消耗，绿色建筑通常会安装高于规范水平的绝缘材料。然而，厚绝缘是昂贵的，所以有时很难知道多少绝缘是最佳的。
为了帮助建筑商解决r值问题，我在2016年5月写了一篇文章(“多少绝缘才算多?”)报道了三位能源专家的r值建议:大卫·怀特、马克·罗森鲍姆和瑞秋·瓦格纳。
几年前，建筑科学家John Straube和Joseph Lstiburek(以及其他几位合著者)在一篇论文中提出了同样的问题“适用于所有气候区高性能住宅建筑的高r值围护结构。”2010年的论文由建筑科学公司(BSC)制作，由建筑美国项目出版，包括一个经常被转载的表格，其中包含北美洲所有气候区的r值建议。正如预期的那样，气候区越冷，推荐的r值就越高(见下图)。
尽管BSC的这些建议被一些读者理解为适合于净零能耗家庭，但论文的作者并没有这样说。Straube和Lstiburek并没有将表格中的建议与净零能源住宅设计联系起来(尽管他们确实写道，他们的建议适用于那些“希望提供立即或将来可以使用可再生能源供电的新住宅”的人)。
PV价格的下降
尽管如此，一些阅读了2010年论文的净零建造者仍然使用BSC表中的r值建议作为围护结构设计的起点。然而，鉴于光伏组件价格的急剧下降，一些专家最近对这些r值建议提出了质疑。在这篇论文撰写的七年中，美国居民光伏系统的安装价格从大约……
15个评论
我最喜欢的晨读
马丁，你总是以一种既教育又有趣的方式回答重要的问题。我期待着每一个新的博客条目，并通过阅读你对读者问题的回答来帮助自己渡过难关。来到GBA一直是我生活中的一个亮点(尽管偶尔会阻碍我的生产力!)多谢。
Nick Van Kleeck的回复
尼克,
我喜欢研究和报道我的博客。我很高兴知道有人喜欢读这些书。谢谢。
还有，嘿，别忘了买一本我的书！
有意识的或其他…
.．.这些数字几乎可以使Net Zero相当简单，而且数组仍然适合房子(看看那个时代的无数Net Zero房子)，即使在今天，Net Zero也不是极端的过度，正如本帖回应20中的蜡笔在餐巾上的分析所示:
//m.etiketa4.com/community/forum/green-building-techniques/102259/cheapest-way-build-net-zero-house
在BA-1005发布后不久，我将该规范与一些现有的“净零”住宅进行了比较，并认为它是在多种气候条件下实现“净零”的一个很好的粗略指南，并鼓励人们将其作为一个明确的设计目标。(我可能会因为把它夸大为“净零”指南而感到内疚，但它仍然是更真实的。)但随着PV变得越来越便宜，效率越来越高(也就是说，需要的屋顶面积越来越少)，它很可能会建造一个稍低的规格，但仍然可以实现，只要使用合理的能源使用模拟来优化它，以达到低能源使用。(BeOpt是你的朋友!https://beopt.nrel.gov/）
在“零碳网络”正在被纳入规范的地方(从2020年开始，加州所有的新住宅建筑)，我们很快就会发现，在更广泛的气候条件下，什么才是真正的成本效益。在奥斯汀(第2区)，净零准备已经是最低标准，他们已经在用2x6/R20墙，没有绝缘护套，其他组件基本上符合表中对第2区的建议。但我知道在3B区至少有一个零净值房屋，也是用2x6的高密度纤维素墙建造的。加州的全州授权将迫使房屋的建筑师和建筑商削尖他们的铅笔，以找到真正的经济平衡所在。由于总日照量的不同，即使是在气候区域内，它也会因位置而有所不同，但即使光伏是免费的，它也必须安置在可用的屋顶区域用于光子种植。
奇怪的是，表中关于地下室墙壁/爬行空间墙壁保温的建议已经成为IRC 2015第4C和第5区域的最低标准，但大多数其他组件仍有一段路要走。https://up.codes/viewer/general/int_residential_code_2015/chapter/11#N1102.1.2
分布式可再生能源对公用事业和公用事业商业模式的影响与净零能源(Net Zero Energy)有点正交，无论净零能源(Net Zero Energy)是否成为新的最低标准，都必须解决这个问题。中央发电机为输配电电网供电的单向潮流模式已经过时了。德国可再生能源深度渗透的问题更多的是由于其缓慢增长的煤炭和核能车队缺乏灵活性，而不是可再生能源本身。虽然美国的一些地区电网也存在这个问题，但大多数地区的联合循环天然气和大规模水力发电的组合要灵活得多，而且在更大的地区范围内进出口电力的输电网能力也比德国更好。NREL的2016年屋顶太阳能光伏技术潜力调查显示，在一些州(甚至是一些新英格兰州)，现有的适合光伏的屋顶区域每年可产生超过这些州所有电力消耗的50%以上。(见:http://www.nrel.gov/docs/fy16osti/65298.pdf)如果所有这些都建成了，无论如何都不会是净零，但PV输出峰值远远超过实时负载的时间将会很多!
当广泛分布的小规模可再生能源达到对配电电网运营商构成问题的程度时，存储和自我消耗仍然有效，而且每天都在变得更加经济。在瓦胡岛的一些超额订阅的馈电器上它们已经饱和了，当实时产量超过附近的实时负荷时，就会向电网反馈。现在，对于那些不愿意输出电力的新光伏和简单的并网，有不同的费率，在有反馈式问题的社区，只允许自我消费的新光伏。但是PV +电池+智能热水加热器+智能逆变器优化自耗电并网解决方案的成本已经比2010年的平均PV安装成本更低，而且比从电网购买电力的水平成本更低(即使没有补贴)。在2025年之前，新英格兰、纽约和加州也将实现这一目标。
即使在较低的部署级别，PV对电网的影响也是一个问题，但这是一个可解决的问题。加州的独立电网运营商在几年前就发现了这个问题，并根据其形状将每分钟每天的净负荷曲线图称为“鸭子曲线”。(在夏威夷，人们称之为“尼斯曲线”)。但这是一个可以解决的问题，可以使用现有技术(已经开始在受影响地区部署技术)进行成本有效的管理。你可以在这里找到一份像样的可读的白皮书:
http://www.raponline.org/wp-content/uploads/2016/05/rap-lazar-teachingducktofly-2014-jan.pdf
纽约州正在彻底改写电力市场规则，以使转型更便宜、更容易、更公平，这可能成为美国其他地区的典范。目前，对于大多数光伏或电池所有者来说，他们无法通过提供分布式资源可以提供的峰值功率容量或频率和电压控制辅助服务获得报酬，但当市场规则允许时，小规模光伏和存储的经济效益将会提高很多。在PJM电网地区，那些拥有智能热水器的人现在可以通过Mosiac Power等聚合商获得需求响应和辅助服务的报酬。报酬虽不高，但随着更多的光伏和储能接入电网，分布式资源的巨大规模将使大多数电网稳定性问题得以解决。使用智能Wi-Fi恒温器和智能热水器的分布式需求响应正变得越来越普遍，而且如果市场开放，它足够便宜，可以迅速增长。FERC第745号命令实质上规定，需求响应者应按其提供的服务支付与发电机相同的费率。该法院推迟了大约18个月，但最高法院将其定为任何跨越州界的电网的法律，它将很快成为规范，即使是在以前没有这些市场的地区。ISO新英格兰需求响应计划规则仍在编写中，但将于2018年6月生效:https://www.iso-ne.com/markets-operations/markets/demand-resources）
在向广泛分布的可再生能源转型最困难的州，这些州的公用事业市场受到监管，大型的全州垄断公用事业公司拥有大部分发电业务，因为中央发电机的沉没成本已被纳入公用事业费率。这与所谓的“放松管制”的市场不同，在“放松管制”的市场中，电力由独立的“商人”发电机提供，公用事业公司只拥有发电资产的一小部分(如果有的话)，而且不允许抬高电力成本。这些公用事业公司不需要承担发电设备的资本成本。随着分布式光伏，然后是分布式光伏+存储，下降到电网零售费率以下，搁浅发电资产的海啸即将到来。对于垂直一体化的公用事业公司来说，这是一个比“电线杆和电线”公用事业公司更严重的问题，因为股东实际上得到了投资回报的承诺，但千瓦时销售额的减少将迫使电价上涨，使自我发电和自我消费变得更加经济。被称为“公用事业死亡螺旋”的情况已经发生了——在德国的一些公用事业公司，澳大利亚的一些公用事业公司正处于死亡螺旋的边缘。但有了这些煤矿的“金丝雀”作为例子，监管机构和公用事业公司仍有时间做出回应。简单地将分布式光伏从电网中隔离是行不通的——这充其量是一种拖延战术，他们必须接受这一点。这列火车早已开出车站，净零屋还是没有。
Dana Dorsett的回复
丹娜,
我很欣赏你关于电网是否能吸收更多PV的乐观预测，在这个问题上我更倾向于同意你而不是Lstiburek的观点。(Joe Lstiburek暗示说，房主指望公用事业公司接受他们的光伏发电简直是疯了，因为公用事业公司很难处理多余的电力)。
我怀疑，像佛蒙特州的绿山电力公司这样具有前瞻性的公用事业公司，会比佐治亚州和佛罗里达州那些躲在沙子里的公用事业公司为即将到来的分布式电力革命做好更好的准备。我们将会看到。
不同的人,不同的…
.．.网格，尺寸，需求，邻居，沉没成本....
佐治亚电力公司及其母公司南方公司的搁浅资产风险似乎比佛罗里达电力和照明公司更大，但两者都很脆弱。新的Vogtle核电站未能在预算和时间表内执行，使GP/Southern更加脆弱，尽管GA监管机构允许他们在计划完成前几年对一些Vogtle成本进行评估。现在看来，GA监管机构甚至可能不允许他们完成这个项目，因为承包商西屋电气(Westinghouse)已经破产，没有明确的成本或时间表来完成它，即使比最初的合同高出数十亿美元。GA电力正面临电力需求增长趋于平稳甚至下降的环境，而且即使成本被限制在当前的支出水平，新的可再生能源的成本水平也低于Vogtle的产出。南方公司(Southern Company)还在考虑其肯珀(Kemper)“清洁煤”(现在只使用天然气)碳封存项目的巨大成本超支问题，该项目创下了美国有史以来最昂贵的发电资源纪录。密西西比州的监管机构不太可能允许这些巨额成本转嫁到纳税人身上。而这一切都是在分布式太阳能派对真正在那些阳光充足的州开始之前!(也许只有监管机构不允许FPL继续计划中的项目，FPL才免于类似的新核建设蠢事。)
绿山电力公司是佛蒙特州最大的公用事业公司，但规模仍然很小，服务的人口仅为亚特兰大市的10%，或迈阿密戴德县人口的五分之一。这种小尺寸使它们在灵活性上有优势，而且它们不需要支付现有(或在建)大型发电厂的巨额沉没成本。更好的是，他们正面解决了分布式资源问题，甚至参与了分布式资产的部署。他们的首席执行官玛丽·鲍威尔(Mary Powell)是业内最具进步精神的人之一，通过在转型早期与存储技术公司特斯拉(Tesla)达成协议，他们比大多数公司更有可能在这场海啸中走在前面。鲍威尔最近在播客上的采访展示了这个(相对)微小的实用工具是多么的灵活和前瞻性:
https://www.greentechmedia.com/articles/read/mary-powell-is-not-your-typical-utility-executive
由于与魁北克电网、NYISO电网以及更大的ISO-NE电网(他们的区域电网运营商)连接良好，而且规模相当小，因此即使服务区域内的分布式资源不能很好地平衡，也不存在足够的电网基础设施能够按需输入和输出电力的问题。但是，为了更好地服务他们的客户基础，最好是他们保持在这方面的领先地位，他们似乎能够胜任这项任务。邻近的马萨诸塞州也实施了网格存储命令(第一阶段的细节今天刚刚公布:http://www.utilitydive.com/news/massachusetts-targets-200-mwh-of-energy-storage-by-2020/446281/)也将有助于保持较低的成本平衡。随着MA在未来10年推出强制的近海风力发电，它也将给VT带来进口电力成本的下行压力。
所以，是的，绿山电力处于一个很好的位置，能够在可再生能源海啸中冲浪而不被摧毁!佛罗里达电力与照明公司和乔治亚电力公司的道路将更加艰难。
Lstiburek应该好好研究一下萨克拉门托市政公用事业区是如何处理分布式表后光伏和存储的，如何将其从成本/负债转变为资产，以节省纳税人的钱。(从这里开始:https://sepapower.org/resource/beyond-meter-planning-distributed-energy-future-volume-ii/)加州的监管环境还可以更新，以更好地利用电表后的资源(很可能会这样做)，但认为公用事业或电网运营商是疯子才接受居民光伏的说法，只适用于老派的垂直整合垄断模式，以及不那么智能的电网运营商规则。纽约REV(能源改革愿景:https://rev.ny.gov/)是相似的。从老派的中心和辐条模式向分布式资源模式转变是一个巨大的难题，但如果监管和商业模式保持同步，这是可以为每个人的利益进行分类的。电网不会停电，公用事业公司也不会在财务上崩溃。如果公用事业公司在拒绝分布式电力方面一意奋战，它们崩溃只是时间问题。到2030年，完全的电网故障或独立的微电网将成为经济上可行的解决方案，对规模更大、资金更充裕的电力用户来说，就像目前澳大利亚的业务扩张:http://reneweconomy.com.au/victoria-agribusiness-turns-to-196mw-wind-farm-with-20mw-storage-79170/
忘记表，运行
忘掉表格，用数字来计算你的情况。不要指望公用事业公司为不可靠的光伏电力支付高昂的费用。看看DWH以外的热存储(比电池便宜得多)。
我们的ZERH在达拉斯
据我所知，在达拉斯，为了在我们大部分5K+ sf的房屋中实现zerh，我们安装了2x6 @24”o.c.墙，采用DP纤维素和1/2”-1”外保温，有条件或无条件的阁楼采用全R38，密封和粘贴信封的工作非常好，1ACH50。我们添加了所有led和高效的电器，以实现无PV的HERS 42-43。我们可以以高出3-5%的成本实现这一目标。
当业主安装PV时，我们使用功率为2kW/sf的SunPower327。通常这为我们提供了房子所需的85-90%的能源(通常包括一个游泳池和青少年)。我们总共额外花费了8-10%的成本。
如果你问我，乔的猜测是相当不错的，我认为我们做了一个很好的例子，容易获得的投资回报率。
回复Jon R(评论#6)
乔恩,
我同意你的观点，电池很贵;要阅读我关于这个主题的文章，请参见离网家庭的电池．
但我对你的建议感到困惑，你建议“在家用热水之外考虑热储存(比电池便宜得多)”。
我的反应是这样的:(a)将华氏140度的储存热量与储存的电能进行比较，就像将龙虾与蜘蛛进行比较一样。当你需要电的时候，温水是没用的。(b)我看过很多涉及大型绝缘水箱的方案，但我从未见过一个有经济意义的方案。
回复Armando Cobo(评论#7)
阿曼德,
感谢您与我们分享您在达拉斯“零网络”家庭的实际经验。祝贺你能够提供净零成本，而只需要增加8%到10%的费用。
正如John Straube所说，“PV的价格令人震惊……如今，当我们谈论PV时，都是关于阵列的大小和美观，而不是价格。”
当你想要加热或者
当你想从PV获得热量或冷却时，它们是可比较的。我最近简要地看了一下水热存储与电池的对比，前者的成本是后者的1/3，甚至还算上了额外的水热泵，这样所有的能量都可以在阳光照耀的时候被利用。如果你只需要为交流电储存热量，那么(正如Dana指出的)，冰更有意义(而且正在出售)。我想看看其他类似系统的分析，比如离网情况下的交流电或0.45美元/千瓦时。
看到这我明白，在很大程度上，公用事业公司必须为最坏的情况(炎热的天气，太阳刚刚进入云层后面，等等)建造他们的电网，我得出的结论是，在大多数情况下，公用事业公司以每千瓦时0.07美元以上的价格购买住宅太阳能是没有意义的。对某些人来说，政治会扭曲市场，但我不会指望一个净零的房子，因为光伏发电是净零的电费。
加拿大日快乐
敬Joe Lstiburek和John Straube。他们为国家做出的贡献比我们大多数人都多。
加拿大日和水箱
也祝马尔科姆加拿大日快乐。
我还没有见过对电网或光伏缓冲有经济意义的热水箱或冷水箱，但我看到的那些水箱的额定压力和温度通常比基于热泵的系统所需要的高得多，所以我仍然乐观地认为，在某个时候，将会有一个便宜的水箱的组合，业主可以通过适当的控制与电网对话，轻松地获取热储存的价值。
Jon R的回复(评论#10)
乔恩,
我很欣赏你建议的由装有pv的住户(由当地公用事业公司购买)向电网输入电力的价格——每千瓦时7美分。一般来说，这可能是正确的。但对电力的需求并不是“平均”的。价格总是取决于(a)一天中的时间和(b)负载，所以在我看来，按时间计价的定价结构是不可避免的。
一些研究表明，使用时间定价可能会改变我们安装光伏系统的方式。在许多地方，朝西的阵列比朝南的阵列为光伏系统所有者带来更多的收入，即使朝西的阵列每年产生的电量更少。
和你一样，我也欢迎那些在独栋住宅中安装了大型水箱或制冰系统的业主或承包商提供的成本数据。我从来没见过这么合理的安装费用。然而，这种系统对于大型机构或商业建筑来说是有意义的，尤其是在当地电价较高的情况下。
这并不难
利用使用时间/可中断电价(或太阳能)和大型非加压塑料罐(高达120华氏度)提供良好的水热存储回报的方案并不难。另一方面，现代节能建筑趋势(超级绝缘，非循环系统，更好的热泵，没有地下室)可能会使它在典型情况下越来越不具有成本效益。
乘员健康和舒适的案例
建筑是一个系统，由于气候变化和能源成本的问题(由建筑科学公司完成的最低生命周期成本)，建筑围护结构和机械系统之间的关系驱动了我们的大部分决策，通常是最小化总体成本和/或排放。这对居住者的健康和舒适度有何影响?一般来说，我们只是假设这些超级绝缘、密封、热回收通风的建筑超过了任何最低要求。我并不是完全不同意这一点，尽管我确实觉得乘员健康和舒适度似乎比它应该得到的优先级低，而且有时这些问题需要时间才能出现。
我想把时间往前拨，到我们可能会看到的那个时候，建筑的能源是零排放的，这种能源的生命周期成本相对于建筑和材料的生命周期成本是相对较低的。在这种情况下，由于能源成本较低，即使墙体的保温水平相对较低，也不会导致更高的生命周期成本。有了充足、低成本的清洁能源，我们用什么来确定墙壁上“正确”的保温量呢?建筑物的HERS等级究竟意味着什么?在这种情况下，您的建筑围护结构/机械系统套件交付的居住者健康和舒适度将成为衡量建筑成功程度的更好标准。为此，建筑科学应该更好地将居住者的健康和舒适与建筑围护结构/机械系统包连接起来。未来可能会有类似于HERS的乘员健康和舒适评级。更好的是，包括居住者健康和舒适因素的整体建筑评级。
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