图片来源:零能源项目
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计算机化的能源模型是高性能住宅建筑设计的一个重要元素，因为它允许设计师根据特定的场地特征、结构组件、机械效率和可再生技术来预测建筑物的能源性能。通过调整这些建筑性能的元素，设计师可以选择最具成本效益的特征组合。虽然模型只是预测，因此永远不会完全准确，但巧妙地使用建模工具应该会带来更经济、更节能的建筑。
这就留下了两个问题。能源建模对于有效地设计零能耗住宅有多重要?能量模型有多精确?
现在比以往任何时候
几十年来，高性能建筑设计的口号是大幅削减两大建筑负荷的能源使用量:空间供暖和水供暖。如果这些努力取得成功，现场购买或生产的能源就会减少。
虽然减少负荷仍然是一个基本的设计目标，但屋顶太阳能电力系统价格的急剧下降产生了一个新的设计问题:在外壳措施(绝缘和密封墙、窗户、天花板等)、高效机械设备和现场可再生系统之间的最佳平衡是什么?然而，在不同的项目和国家的不同地区，有四个因素使回答这个问题变得更加复杂:
能量模型不是根据直觉做出判断，而是为设计师提供量化的、具体项目的反馈和指导。
大多数住宅建筑没有利用这一工具，而是依赖建筑规范作为能源性能的唯一基准。即使是大多数第三方认证项目，如“能源之星”、“零能耗住宅”、“生活建筑挑战”和“地球优势”，也只是将能源建模用于项目符合性，而不是作为迭代设计工具，为给定的项目找到最具成本效益的节能和可再生能源措施。
设计师和能源顾问可以通过对能源相关特征的不同组合进行建模，以了解哪种组合以最少的成本产生最佳性能，从而释放能源建模作为设计工具的价值。如果你的目标是建造一个负担得起的零能耗住宅，那么能源模型是一个重要的规划工具，可以做出明智的决定，设计一个具有成本效益的建筑。
建模项目
有很多能源建模程序从中选择。由于使用不同假设的计算机预测永远不可能准确无误，我决定使用两种不同的建模程序，并将它们的结果与我自己家的实际能源使用情况进行比较。
我选择快速眼动/速度“能源之星”(Energy Star)和许多公用事业项目中常用的软件，以及由Build Equinox创建的免费在线计算器零．通过这种比较，我有机会根据这两种模型的信息，探索更经济有效地设计零能耗住宅的方案。
我的零能耗住宅有939平方英尺的居住空间，建于2015年。它是超级绝缘的，非常密封，并使用一个微型裂热泵来加热和冷却。热水是由热泵热水器供应的。屋顶上有一个4.3千瓦的光伏系统。我家在气候5区，大约有7000个供暖日数。为了从两个程序中得到最一致的结果，我对两个模型使用了相同的输入。
第一个图表显示了每个能源模型与我家实际能源使用情况的比较结果。
建模和现实比较如何?
这两个程序都没有准确预测这两年房子的性能。Build Equinox Zero预测的能源消耗比实际高出37%，而REM/Rate的数字甚至更高。这并不奇怪。每年都呈现出截然不同的天气模式。例如，2016年相对温和，而2017年前几个月的气温在零度以下，降雪量约为30英寸，完全覆盖了太阳能电池板长达数周。
计算机模型使用的是长期的天气平均值，因此不能指望它们与任何两年的快照相匹配。更复杂的是，气候变化的速度可能比预期的要快。
此外，两种计算机模型都不能预测居民的实际能源使用模式。就我的家庭而言，我们在使用能源方面可能比“普通”家庭在这些模型中的假设更节俭，这可能在一定程度上解释了这两个模型高估了我们的实际能源使用量。就像在模型中一样，设计师或顾问肯定会采取保守的方法。超出预期的性能意味着额外的能量可以为电动汽车或电动庭院设备提供动力。
在这两个程序中，Build Equinox Zero在我们的例子中更接近于预测实际的总体性能。它的估计属于正能量类别，与我们家庭能源使用的现实相匹配，而REM/Rate则更为保守，并预测家庭将不会达到零能量的性能水平。
为什么这两个计划都不太接近现实?要回答这个问题，深入研究更详细的报告会有所帮助。
净能量是通过太阳能电池板产生的能量减去总能量消耗。因此，负数意味着该场景不会达到零能量，而正数意味着该房屋产生的能量将超过其消耗的能量。
我们学到了什么
虽然每个能源模型产生的结果略有不同，但两个模型都揭示了这个家庭住宅能源使用的重要事实。插头负载、电灯和电器所消耗的能量远远超过了空间供暖、制冷和水供暖。这并不奇怪，因为这个家包括一个高度绝缘和空气密封的热围护结构，以及一个高效的热泵热水器和能量回收通风(ERV)系统。
在我的家的设计中，像大多数零能源项目一样，热围护结构、水加热和照明的效率是首要目标。因此，在像我这样的家庭中，提高能源效率的下一步将是关注电器和插头负载。事实上，研究表明，有线电视盒、游戏机、大屏幕和其他电子产品每年都在家庭能源蛋糕中占据很大份额。
由于电器的选择和插头负载的管理通常不在设计师或建筑商的控制之下，解决这一挑战的一个设计解决方案是在零能耗家庭中包括一个家庭能源管理系统。
研究结果还提出了另一种方法。随着屋顶太阳能系统的价格迅速下降，明智的做法是权衡增加太阳能的成本和其他节能措施的成本。在某种程度上，增加一些光伏电池板可能比建造更厚的墙壁、购买超级高效的窗户或安装能源管理系统更便宜。当然，太阳能电力系统可能受到的限制不仅仅是成本。太阳能暴露和可用的屋顶面积也必须考虑。在这里，能量模型可以帮助平衡各种设计问题。
建模程序比较起来如何
在空间加热、水加热和光伏生产的类别中，使用的两种模型相当接近。计算这些参数的方法已经很好地建立起来了，所以一致的程度是有意义的。
然而，从对照表中跳出来的一个数字是冷却能量的差异。REM/Rate估计冷却消耗是Build Equinox Zero的9倍。虽然百分比非常高，但绝对千瓦时数非常低，因为该位置的冷却需求几乎微不足道。
REM/Rate对太阳能发电的估计更接近现实，预测的千瓦时仅比实际产量多5%，非常接近太阳能承包商对我的太阳能产量的估计5767千瓦时。
如前所述，到目前为止，插头负载、电灯和电器的能耗是最大的。REM/Rate预测在此类别中消耗的能量比Build Equinox Zero多26%。这种差异可能是由每个程序使用的假设集造成的。
虽然两种模型之间以及两种模型与实际之间的总能耗差异很大，但实际上所有这些差异都可以归因于灯光、电子产品和电器类别。虽然百分比差异可能看起来很高，但这两个程序都为设计决策提供了有用的信息。
进化模型
现场蓄电池和电动汽车正在大举进入市场。能源建模软件的下一个发展步骤应该是将这些技术集成到计算中。太阳能、储存和运输的紧密结合，以及通常的节能措施，对于住宅部门实现零能源/零碳至关重要。
随着住房行业所有新建筑实现零能耗的势头日益强劲，建造具有成本效益的零能耗住宅至关重要。能量建模将是实现这一目标的关键一步。根据我对这两种不同的建模系统在我家里的实际能源使用情况的比较，所选择的建模程序可能不如以迭代方式使用能源建模来优化零能耗家庭的性能和可负担性的实践重要。
这篇文章最初发表于零能耗项目．
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16条评论
其他软件吗?
所以我想知道这两个建模程序，REM/Rate和Build Equinox Zero，与BEOpt和EnergyPlus这样的程序相比如何?布鲁斯，你有实际的热能使用信息来将你的供热负荷与模型预测进行比较吗?
我使用BEOpt来模拟我们即将到来的构建，它肯定会很高兴知道该程序是否超过了67%的实际能源使用!
BEOpt让我困惑的一件事是设备负载大小。在DView (BEOpt的图形输出)中可见的小时冷负荷模型表明，我的峰值冷负荷小于1吨(12000 Btu/小时)，但程序建议使用2吨机组，略高于24000 Btu/小时?有人对此有什么见解吗?
兰斯•彼得斯
太阳获得的热量
这些建模程序在多大程度上考虑了通过窗户获得的太阳热量?我知道，对于PHIUS，需要“阴影研究”来帮助量化这些信息。如果在REM/rate中忽略了这些收益，我怀疑这将导致估算值高于实际使用量。
>……达到零
>……在住宅领域实现零能源/零碳。
零能源和零碳是完全不同的东西。我会专注于后者，将前者视为无关紧要。
乔恩·R
好的。看起来很棒
乔恩·R
好的。听起来很有道理。但是我们怎么做呢?
净零碳
停止谈论“净零能源”将是一个良好的开端。并且开始更新工具来考虑碳(即使，现在，我们经常不得不简化并假设一些固定的碳/千瓦时)。
回复Jon R
乔恩,
目前的碳核算方法存在太多不确定性，以至于我对“实现净零碳”的讨论是否有用持怀疑态度。在大多数情况下，事实并非如此。
更多讨论:建筑业的碳排放．
根据供应商的选择，它可以是零碳/千瓦时@ Jon_R
在许多“脱钩”的电力国家中，电力输送和能源供应是分开的，电费纳税人可以选择与特定的供应商或电力经纪人签订合同。我目前正通过经纪人签订一份为期一年的100%风力发电合同，价格低于我的公用事业公司的标准报价。(我之前签了一份3年100%可再生能源的合同，在此期间，该合同的成本也略低于公用事业公司的标准组合，由于2014年极地涡旋周的天然气管道限制，以及ISO新英格兰电网地区的峰值和基本负荷电力严重依赖天然气发电，价格飙升)。
因此，通过一些碳核算方法，固定的碳/千瓦时常数为零，使我所有的电力使用净零碳。
考虑到我使用的是ISO-NE电网，根据其他碳核算方法，它甚至不接近净零碳，在ISO-NE电网中，每年输送的所有太瓦电力中，大约有一半的源燃料中含有碳。这里的准实时混合每5分钟更新一次，但不包括表后向电网输出的PV，只包括公用事业规模的PV输出(电网运营商实际上可以“看到”?):
https://www.iso-ne.com/isoexpress/web/charts/guest-hub?p_p_id=fuelmixgraph_WAR_isoneportlet_INSTANCE_WQKSMAX9RozI&p_p_lifecycle=0&p_p_state=maximized&p_p_state_rcv=1&p_p_col_id=column-3&p_p_col_pos=2&p_p_col_count=5
瑞克，我用PHPP
瑞克，我用PHPP和BeOpt。BeOpt确实包含了一些对太阳能增益的控制——远不及PHPP的水平，但相当不错。
我同意乔恩的观点，零碳才是真正重要的——这是体现能源和操作能源的结合。如果你能达到零能耗并将体内能量降到最低，这将是一个良好的开端，而研究和技术将会赶上来，使实现零碳排放就像今天实现零能耗一样容易。
>合同100%
>合同100%可再生能源
我也这样做——这是一件好事/绿色的事情——比许多能提高我的能源效率或降低净千瓦时使用量的事情要好。
邻居A正在建造一座几乎零能耗的房子。邻居B正在建造一座最低标准的全电力住宅，并将支付100%的净可再生公用事业电力。哪个邻居更环保?
净零碳
感谢Jon R指出净零能源和净零碳是不同的东西。
仅仅在家里安装太阳能并不能实现净零碳排放。每小时的网格构成都很重要。一个很好的方法是加州ISO电网(加州大部分地区的电网)的系统可视化:http://www.caiso.com/TodaysOutlook/Pages/emissions.aspx．你可以看到排放量在一天中是如何变化的。一个典型的住宅用电剖面在早晨和晚上达到峰值，这时没有太多的太阳能可用。这意味着供应组合中可再生能源更少，而天然气/化石更多，这意味着在这段时间内，单位能源的总电网排放量很容易翻倍。为了认真考虑排放问题，您需要使用逐小时排放因子。有一些已经完成和正在进行的项目来计算这些，例如。https://catalog.data.gov/dataset/hourly-energy-emission-factors-for-electricity-generation-in-the-united-states．
作为一个一般的例子，假设一个典型的家庭在早晨和晚上消耗了75%的能源，而排放率平均为250克CO2/kWh，白天消耗了25%的能源，而排放率平均为150克CO2/kWh，白天产生了100%的能源，电网排放率平均为150克CO2/kWh。如果家庭一天使用10千瓦时，这意味着总排放量为(0.75*10千瓦时*250克CO2/kWh) +(0.25*10千瓦时*150克CO2/kWh) = 2.25千克CO2，减去(1*10千瓦时*150克CO2/kWh) PV抵消= 1.5千克CO2，总排放量为0.75千克CO2。所以你减少了100%的能源使用，但只减少了67%的碳排放。
理想情况下，您希望设计您的家庭，使电力使用概况与太阳能光伏生产概况尽可能一致，甚至使用电池或热水器上的智能控制等，以将电力使用转移到太阳能峰值/最低排放小时。对于一个太阳能光伏占很大比例的电网来说，如果你在使用时间关税下，并且关心排放，那么将你的电池板定向到向西，以抵消当天晚些时候更高排放的电网组合，这甚至是有意义的。
回复Jon R(评论#9)
乔恩,
Q。邻居A正在建造一座几乎零能耗的房子。邻居B正在建造一座最低标准的全电力住宅，并将支付100%的净可再生公用事业电力。哪个邻居更环保?”
答:每个人对这个问题的回答都不一样，因为这个问题没有明确的答案。
对许多观察人士来说，公用事业公司向客户销售“100%可再生能源”的计划是基于会计技巧的欺诈计划。如果你的公用事业公司告诉你，你所有的能源都来自光伏和风能，而你的房子在无风的夜晚需要电力，公用事业公司将为你提供由化石燃料工厂产生的电力——因为太阳没有照耀，风也没有吹。
如果你是一个想要减少二氧化碳排放的环保主义者，那就住在节能的小房子或公寓楼里，尽可能少地使用能源。安装一个安装在屋顶上的光伏系统(如果你有自己的屋顶)可能是一个好主意。
保持谦逊也是一个好主意。我建议环保人士避免吹嘘“我的生活方式是碳中性的”或“我的房子是净零碳的”。除非你生活在非洲一个远离电网的小村庄，否则你的生活方式很可能不是碳中和的。
>欺诈…你所有的
>欺诈…你所有的能源都来自光伏和风能，你的房子在无风的夜晚也需要电力
我同意，但请注意，净零能耗房屋也会遇到同样的问题(尽管使用了更明确的术语)。
我不认为跟踪能源的使用和排放因素有那么难——但它确实需要更新一些工具。以及更多的意识到它的重要性。
从公用事业中选择100%的可再生能源
虽然从技术上讲，你在无风的夜晚使用的能源可能来自化石燃料(即使你指定100%的可再生能源来自你的公用事业)，公用事业将从可再生能源中获得更多的电力，所以从公用事业中选择可再生能源会有所帮助。
不存在无风之夜。@马丁
销售100%风力的电力经纪人并不局限于特定地点的某个风电场——他们交易的是来自众多风电场(一些是全国范围内的)的PPAs。风总是在某处吹着，就像太阳总是在某处照耀一样，即使在美国也是如此。但是从关岛的设施获得PV或风能到你在圣托马斯的房子可能有点困难，对吧?: -)
即使是晚上吹在北达科他州的风在缅因州平静的夜晚加热缅因州的全电力房屋的概念也不仅仅是有点夸张，因为MISO和ISO-NE电网运营商地区之间的传输连接实际上是零，并且跨越了多个独立的电网运营商边界。
在MA，有“绿色”选项，即通过公用事业公司购买电力(通常是在标准混合产品的基础上加价)，但也有第三方供应商选项(我一直在做的事情)，其中合同是通过(国家监管机构审查的)电力经纪人签订的，这是一个竞争激烈的市场，它通常可以击败标准混合定价。根据法律规定，公用事业公司不允许提高从发电机购买电力的成本，他们必须按成本支付，不允许签订长期的电力购买合同，但必须每6个月就从他们的供应中招标一次。电力经纪人没有这些限制，而且100%的可再生能源往往比电力公司提供的标准组合更便宜(更不用说标准组合价格加上绿色成本加成)。国家甚至还运营了一个比价购物网站:
http://www.energyswitchma.gov/#/
以邮政编码01803(我的办公室正好在这里)为例，账单中能源部分的标准组合是12.888美分/千瓦时，但有多家100%可再生能源供应商出售固定价格期限合同，低至10.600美分/千瓦时(6个月合同)，大多数(但不是全部)甚至在1年或3年合同中都超过了标准公用事业价格:
http://www.energyswitchma.gov/#/compare/2/1/01803/
请注意，阅读合同细节很重要——通常会有取消费用，并在期限结束时以未公开的价格自动重新订购，这导致了相当多的粗心大意的滥用。我之前以12.99美分签了3年期合同的那家公司既有高昂的取消费，又有自动续签，除非你在期限结束时采取行动选择退出。新改进的自动续订费率为17.99美分，取消费用为150美元。只要一个月的新合同+取消，就会超过过去3年的任何储蓄。州检察长办公室正在采取一些行动来限制这种滥用，但也有一项提议(恕我直言，这是一种误导)，即完全摆脱第三方电力销售的选择。这种类型的业务可以由国家监管(而且可能需要收紧)。
在马萨诸塞州，公用事业公司在第三方电力销售中的唯一部分只是计量和计费——他们不购买电力并将其转售给纳税人(他们做标准混合或绿色混合的方式)，并且不允许将第三方绿色电力计算在他们国家规定的最低可再生能源组合中。这些事情因州而异(很多)——零售电力销售没有单一的模式，所以很明显是YMMV。
回复Dana Dorsett
丹娜,
随着每一年的过去，我们越来越接近“风总在某处吹”的未来。但我们还没到那一步。
与此同时，正如你所报道的那样，“晚上吹在北达科他州的风在缅因州平静的夜晚为一座全电力的房子供暖的说法不仅仅是有点牵强。”
是的，它发展得非常快!@马丁
一些从上中西部向东输送大量风力的输电线路项目正在建设中，还有一些从粮食带向东南的输电线路，与TVA区域输电网相连。
在新英格兰地区，建造更多的输电线路基础设施是否会比海上风力发电更具成本效益，这是一个悬而未决的问题。这两种能源目前都不便宜，但风能正处于两位数的学习曲线上。在马塞诸塞岛附近的租赁地区，风真的一直在吹，只是有多大的问题。玛莎葡萄园岛南部风力发电场以60%的容量因子运行的估计可能被证明过于保守，因为技术仍在快速发展，容量因子逐年增加，成本逐年下降。一些10兆瓦级的涡轮机目前正在苏格兰附近进行测试(实际上它们“只有”8.8兆瓦)，一次旋转产生的电量相当于英国普通房屋一天的用电量，预计将大大降低海上风力发电的平均成本。马塞诸塞州规定的海上风电项目仍处于招标阶段，可能比3年前讨论的最激进的成本估计要便宜得多。
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