人们大部分时间都在建筑物内度过，从住宅到办公楼、商店和学校。虽然这些建筑用途各异，但它们至少有一个共同点：为了照明、运行供暖和制冷系统、使用电器和设备，它们需要大量的能源。如今，建筑物约占全球最终能源消费的30%，并且超过一半的最终电力需求来自建筑物。
当前，全球建筑行业正在快速增长，特别是在发展中经济体。随着电力接入的扩大和收入的增加，越来越多的人开始购买诸如空调等电器，并且随着气温不断升高，空调的使用频率也在增加。然而，如果更加关注经过验证的能源效率政策，建筑行业的能源消耗可以显著减少，同时保持甚至改善所提供的能源服务质量。这不仅可以降低建筑行业的排放，还可以为能源消费者节省开支。
利用使建筑物能够在一天中更灵活地使用能源的技术，可以释放出更大的潜力。当建筑物和电网可以相互通信时，可以减轻高峰时段的压力，并消除能源需求高峰。随着全球建筑面积的激增，优先考虑效率和灵活性对于世界能源系统的安全性和可持续性至关重要。
电气化和可再生能源的增长正在改变建筑的能源消费方式
随着经济活动的增加和电气化的扩展，建筑物正在消耗更多的能源，越来越多的热泵在家庭中运行，电动汽车也在车库里充电。据统计，从2015年到2022年，住宅热泵的销售量增加了三倍；而在2023年，全球每五辆售出的汽车中就有一辆是电动汽车。目前，大多数电动汽车充电都发生在住宅和工作场所。
这些技术的普及对于在2050年前实现能源行业净零排放、限制全球变暖至《巴黎协定》设定的1.5°C目标至关重要，但这也推动了电力需求的增长。在国际能源署（IEA）的《既定政策情景》中，基于当前的政策设定，未来几十年建筑物的电力峰值需求将在全球所有地区增加。在中国，到本世纪中叶，电力峰值需求将翻倍，而在欧盟，电力峰值需求将增加三分之二。
2022-2050 年按最终用途划分的选定地区和国家/地区建筑物的峰值电力需求和贡献
在空间制冷需求显著且不断扩大的国家，这一增长尤为明显。例如，到2050年，印度空调的拥有量预计将增加十倍，导致建筑物电力峰值需求增长六倍。通过广泛采用更高效的建筑设计和更严格的电器最低能效标准，电力峰值需求的增长可能会减半。这一设想来自IEA的《已宣布承诺情景》，该情景假设各国按时全面实现其国家能源和气候目标。例如，在印度，这些措施预计将使制冷对峰值需求的贡献减少一半以上，缓解电力网络的相关压力。
2022-2050 年印度和印度尼西亚建筑物的峰值电力需求和按最终用途划分的贡献
与此同时，全球范围内风能和太阳能光伏（PV）的部署正在加速，各国希望提高能源安全并实现能源系统的脱碳，使电力供应更加依赖天气。由于可再生能源发电的日常和季节性波动，系统层面的盈余和低发电时期将更加频繁。为了应对这些波动，必须提升能源系统的灵活性。
综合来看，这些发展将要求电力系统的运行方式发生重大变化。为了让能源系统顺畅且高效地运行，建筑物的总能源需求需要减少，同时还需建立调整电力需求的机制，以更好地匹配可再生能源的发电模式。
建筑可以为能源系统提供更多灵活性
建筑物本身也可以成为解决方案的一部分。它们可以承载各种分布式能源资源，如现场可再生能源发电和存储设施、电动汽车的智能充电设备以及其他连接设备。如果能够接收电网的信号并相应调整能源需求，建筑物就能够灵活地使用能源。
要实现这一潜力，建筑需要变得更加高效并与电网互动。首先，应提高能源效率，通过高性能的建筑外壳和高效设备减少总体能源需求。接下来，可以为建筑物配备太阳能光伏系统，以生产可再生电力，并储存多余的电能，以便在需要时使用。然后，为了促进与电网的互动，可以将智能传感器、控制装置、智能分析等数字解决方案与建筑能源管理系统或直接与设备集成。
2030 年和 2050 年 NZE 情景中家庭需求响应节省的电费
消费者可以从更大的灵活性中受益。例如，通过利用分时电价，他们可以将能源使用转移到电力价格较低的非高峰时段——灵活地操作电动汽车充电器、热水器和其他设备，以配合电网的需求和价格信号。随着越来越多的太阳能光伏被纳入电网，这可能意味着在白天更多地使用电力。根据IEA的分析，这类需求响应措施到2050年可将发达经济体家庭的电费减少7%至12%，在新兴市场和发展中经济体则可减少近20%。
2030 年和 2050 年 NZE 情景中按最终用途划分的家庭需求响应节省的电费
要实现这些效益，建筑和电网必须能够无缝对话
互操作性是确保电网与建筑物有效沟通的关键。为了支持这种对话，家电可以配备特殊装置，能够自动响应电网的信号。到2030年，建筑中的智能电表和其他具有自动控制功能的连接设备数量预计将比当前水平增加近一倍。
有迹象表明，这些技术开始得到更广泛的应用。英国已经为家电的智能通信接口制定了标准，这些接口可以接收来自网络中其他连接设备的能源使用指令。澳大利亚推出了一种需求响应设备，这是一种能够根据电网信号调整设备能耗的接口。
特殊认证如EcoPort标志表明，经过认证的设备配备了能够与电网通信的专用控制模块。美国华盛顿、俄勒冈和科罗拉多州现在要求新电热水器配备这种接口，以便它们能够参与由公用事业公司发起的需求响应计划。与此同时，澳大利亚和新西兰现在要求某些类型的空调在能源标签中包含有关其需求响应能力的信息。
在建筑层面，能源管理和自动化系统还可以对智能家电、电动汽车智能充电器、现场太阳能发电和存储进行监督控制。开放的通信协议——或普遍可访问的规则和标准，规范了不同设备和系统之间的信息交换——有助于实现互操作性和自动化控制，从而帮助管理分布式能源资源整合引发的电压和质量波动。
建筑和电网之间的互动在增加，但潜力远未充分发挥
建筑与电网之间更紧密的互动可能会显著减少能源需求、二氧化碳（CO2）排放，并降低电力系统成本。在美国，一项政府分析发现，广泛采用全国范围内的高效、互动型建筑，能够在高峰时段削减116吉瓦的能源需求——相当于200多座大型发电厂的产量。这还将每年减少8000万吨二氧化碳排放，到2030年为电力系统节省1000亿至2000亿美元。
尽管全球许多国家都在探索加强建筑与电网互动的机会，但到目前为止，进展总体上仅限于相对小规模的项目和计划。
2020年和2021年，苏格兰的一座公寓楼进行了一项演示项目，通过中断参与家庭的空间供暖来实现二氧化碳减排，时间间隔为5至10分钟。参与者报告称，他们的舒适度没有受到影响。在美国阿拉巴马州的一个智能社区中，当地的微电网与高效住宅中的供暖和空调系统进行通信，以确定如何优化使用、生产和储存太阳能发电。与没有这种能力的类似住宅相比，更高效且灵活的系统组合实现了35%至45%的节能。
电网运营商还可以与虚拟电厂等智能聚合器进行通信，虚拟电厂能够通过动态平衡电力供需来增强电网的稳定性，同时利用多样化的分布式能源资源来减缓波动，并实时优化电网运行。东南亚已有多个虚拟电厂在运行，包括马来西亚、菲律宾、新加坡、泰国和越南。
此外，新建筑可以设计得更加适应未来与电网的紧密互动。建筑法规可以包含强制要求，为安装热泵、电动汽车充电站、太阳能光伏系统和电池存储预留足够的空间和布线，例如加利福尼亚州的2022年能源法案。
将能效和灵活性融入政策制定是必不可少的
支持未来能源系统的建筑效率和灵活性提升并非易事。要有效开发和实施合适的政策组合至关重要，而将能效要求、灵活性考量以及需求响应功能纳入建筑和家电的相关法规，是促进高效、与电网互动的建筑普及的关键。
同时，必须制定政策条款，支持智能传感器和控制设备与建筑能源管理和自动化系统的集成。比如，在美国华盛顿州，要求制造商确保设备能够参与需求响应；在加利福尼亚州，要求新建建筑所安装的设备采用开放式通信协议等，都是具体的实例。
为了支持这一进程，国际能源署（IEA）开发了一个分析框架，用于评估一个国家的建筑领域，并提供加速政策和技术解决方案落地的建议，推动高效电网互动建筑的发展。国际能源署的“数字需求驱动电力网络”（3DEN）计划还为如何利用数字工具支持电力系统的脱碳和现代化提供政策建议。
3DEN发布的报告《释放新兴市场与发展中国家智能电网机遇》为能源政策制定者提供了如何推动对智能且具有韧性电力网络投资的指导。而即将发布的报告《管理电力需求与供应的季节性变化》将提供工具和策略，帮助应对需求侧和供应侧的波动，同时考虑天气对系统运行及灵活性需求的影响。
资料来源：IEA
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