摘要
为了探索电气化作为缓解气候变化的策略，我们研究了美国住宅热泵的采用情况，考虑到目前美国的住房存量。我们的研究询问 (a) 采用热泵的成本和收益如何随着渗透率的提高而变化，(b) 考虑到当今的住房存量、电网、能源价格和热泵技术，采用何种热泵的速度是经济的，以及 (c ) 不断变化的政策、创新和技术改进可能对热泵的采用产生什么影响。我们通过模拟美国 55 个城市中每个城市的 400 个具有代表性的单户住宅在采用热泵之前和之后的能源消耗来回答这些研究问题。我们使用能源价格，CO 2排放、标准空气污染物对健康的损害以及峰值电力需求的变化，以量化每个房屋热泵改造的成本和收益。结果表明，32% 的美国家庭将从安装热泵中获得经济利益，70% 的美国家庭可以通过安装热泵减少排放损害。我们表明，采用热泵的潜力因电网、气候、基准供暖燃料和住房特征而异。基于这些结果，我们确定了战略、技术和政策见解，以刺激美国住宅供暖部门的高热泵采用率和深度电气化，从而减少 CO 2排放和气候变化的影响。
为了避免气候变化的最坏影响，全球经济继续寻求减少温室气体排放的机会。这些机会之一是电气化，能源消耗活动从使用化石燃料转向清洁电力。在住宅领域，电气化的主要途径是用热泵取代现有的石油、天然气、丙烷加热器或低效电阻式电加热器，从而用电力替代原地化石燃料消耗。这种开关有可能减少温室气体或其他污染物的排放，前提是——在设备的整个生命周期内——用于为其供电的电力足够清洁，排放量低于直接燃烧化石燃料的排放量。
热泵是可逆空调。在夏天，它们充当空调。在冬天，它们会逆转制冷剂的流动，从室外吸收热量并将其释放到建筑物内。电力被用来做机械功来移动热量而不是产生热量。最终输送到加热空间的热量与作为电力供应的能量的比值通常远大于 1。即使考虑到通过燃烧煤或天然气发电不如在家用炉中燃烧天然气的效率，改用热泵通常会减少建筑物的净温室气体排放。像这样，1 ]。
然而，住宅热泵的采用带来的后果不仅仅是减少温室气体排放。它会增加标准空气污染物造成的健康损害。尽管住宅熔炉和锅炉通常比热泵产生更多的净温室气体排放，但它们产生的有害健康的污染物（如 SO 2、NO x 和 PM 2.5 ）通常比通过发电和输送相同数量的热量时产生的更少。用它来为热泵供电 [ 2 ]。采用热泵会使电网运行更加困难，因为大规模采用热泵会显着增加峰值电力需求 [ 3]]。它的私人成本可能超过其公共利益，因为热泵的安装成本高于熔炉或锅炉，而电力通常比天然气等燃料贵 [ 4 ]。鉴于这些后果，本研究考察了热泵采用的私人和公共权衡，并评估了这些权衡如何随着热泵采用的增加、热泵变得更便宜和电网变得更清洁而发生变化。
文献使用各种能源建模框架检查了采用热泵的影响。这些框架通常涉及模拟采用热泵前后房屋的能源消耗。通过将能源价格和排放估算预测到这些能源消耗概况中，一项研究估算了采用热泵之前和之后房屋的成本和/或排放。尽管这种一般策略是合适的，但文献显示出各种缺点，降低了该方法作为决策指南的有用性。
例如，许多研究未能检验经济学、峰值电力需求、健康损害和温室气体排放之间的权衡，也未能说明这些权衡如何影响热泵采用的潜力。Hanova 和 Dowlatabadi 估计了由于改用地源热泵而减少的 CO 2排放量对发电的 CO 2强度、能源成本和热泵效率的敏感性[ 5 ]。纽约州能源研究与发展局发现，住宅客户通常不会从改用电热泵中获益，但改用电热泵会减少 CO 2排放，并通过将需求从夏季高峰转移到公用事业部门创造价值 [ 6]]。两项研究均未考虑对其他污染物排放的影响。Waite 和 Modi 评估了（部分）加热电气化对电力系统峰值需求的影响，但没有考虑任何环境影响 [ 3 ]。Kaufman等人发现，在技术改进和气候政策相结合的情况下，在美国的各种气候条件下，热泵与燃气炉相比可能具有成本竞争力 [ 7 ]。一些研究探讨了这些权衡的各个方面，但忽略了热泵资本成本 [ 1 , 8 ]、峰值电力需求的变化 [ 9 ] 和/或标准空气污染物的货币化损害 [ 1 , 8 , 10], 11 ]。如果没有充分考虑这些权衡，就很难分析不同热泵采用率的利弊，因此大多数研究通过单独分析 100% 热泵采用的影响而忽略了这一讨论 [ 1 , 10 , 12 ]。
另一个缺点是无法以每小时的分辨率模拟房屋和电网排放。许多研究模拟了年度 [ 13 ] 或季节性 [ 9 ] 时间尺度的家庭能源消耗。同样，许多研究使用年化或平均因子来量化电网排放[ 1 ]。如果不使用每小时分辨率，这些研究就无法准确捕捉影响热泵采用权衡的供暖需求、热泵性能、电网排放或峰值电力需求的每日和季节性变化。
大多数先前的分析还假设一个静态电网：他们对收益和成本的分析仅适用于分析时的电网。事实上，美国电网已经获得 [ 14 ]，并且——如果当前的政策建议成功的话 [ 15 ]——在今天安装的热泵的整个生命周期内将继续变得更加清洁。在此分析中，我们考虑了电网的快速清理。与电力研究所 (EPRI) 2018 年国家电气化评估研究的“渐进”情景一致，我们假设电网 CO 2排放和健康损害在 2017 年至 2032 年之间分别下降了 45% 和 75% [ 16 ]；CO 2造成的损害排放价值为每吨 40 美元 [ 17 ]；热泵的成本和性能是静态的。我们还考虑了天然气生产、传输和分配过程中的甲烷泄漏，这会影响住宅熔炉和燃气发电厂。
文献还没有充分体现住房存量、电网区域和气候的多样性。许多研究通过模拟单一建筑类型 [ 2 , 13 , 18 , 19 ] 或少数建筑原型 [ 10 ] 来分析热泵的采用情况，这些建筑原型无法充分捕捉住宅存量中的建筑种类。尽管其他研究使用概率方法来生成成百上千的建筑模拟以更彻底地捕捉住房存量的多样性，但它们侧重于个别电网和气候 [ 1 , 8]。如果没有通过相同的建模方法模拟各种房屋、电网区域和气候，这些研究就没有充分探索使热泵采用如此微妙的各种情况。
由于这些缺点，文献没有充分探讨采用热泵的影响。它没有平衡采用热泵的经济、电网、健康和气候权衡，也没有考虑高热泵采用率的全部成本和收益。
在这项研究中，我们解决了上述差距。我们考虑了国家当前住房存量的异质性，以及这种异质性如何与区域电网和气候的差异相互作用。我们考虑了将热泵改造为当今房屋的资本和运营成本。我们还评估健康损害、温室气体排放造成的损害以及对峰值电力需求的影响。我们评估采用热泵的收益和成本如何随着热泵渗透率的增加而变化（即我们不假设渗透率为 100%）。我们的分析还认识到，如果没有政策，采用率可能会受到采用者的私人利益的驱动。我们考虑了这样一个事实，即电网将在当今安装的热泵的整个生命周期内发展。最后，我们进行敏感性分析以评估气候政策（例如碳税）和电网排放强度加速降低的影响。为此，我们研究了 55 个城市中每一个的 400 间具有当地代表性的房屋采用热泵的经济、排放和峰值需求权衡，以了解采用热泵的成本和收益如何随着渗透率的提高而演变。考虑到当今的住房存量、电网、能源价格和热泵技术，假设房主将成本降至最低，我们询问热泵采用率是多少是经济的。我们探索可以使用哪些政策、创新和技术改进来提高热泵的采用率。以及 55 个城市中每个城市的 400 间具有当地代表性的房屋采用热泵的峰值需求权衡，以了解采用热泵的成本和收益如何随着渗透率的提高而演变。考虑到当今的住房存量、电网、能源价格和热泵技术，假设房主将成本降至最低，我们询问热泵采用率是多少是经济的。我们探索可以使用哪些政策、创新和技术改进来提高热泵的采用率。以及 55 个城市中每个城市的 400 间具有当地代表性的房屋采用热泵的峰值需求权衡，以了解采用热泵的成本和收益如何随着渗透率的提高而演变。考虑到当今的住房存量、电网、能源价格和热泵技术，假设房主将成本降至最低，我们询问热泵采用率是多少是经济的。我们探索可以使用哪些政策、创新和技术改进来提高热泵的采用率。假设房主最小化他们的成本。我们探索可以使用哪些政策、创新和技术改进来提高热泵的采用率。假设房主最小化他们的成本。我们探索可以使用哪些政策、创新和技术改进来提高热泵的采用率。
通过回答这些问题，该分析填补了研究空白，该空白未能理解热泵采用率高的全部含义。填补这一研究空白促进了我们对热泵采用潜力和抑制更高采用率的挑战的理解。它有助于确定当前努力鼓励采用热泵的重点：地理位置和建筑特征。它还有助于我们预测新政策和创新可能如何改变供暖电气化的收益和成本的平衡。
为了量化整个美国大陆采用热泵的成本和收益，我们遵循五步法。
在步骤 1 中，我们模拟住宅能源消耗。我们使用 NREL 的 ResStock 工具为 55 个城市中的每个城市创建 400 套房屋的虚拟库存。我们使用 EnergyPlus 建筑模拟软件模拟这些房屋的能源消耗。结果是 22 000 个模拟的、每年 8760 小时的天然气、燃料油、丙烷和电力消耗的家庭级配置文件。
在第 2 步中，我们使用公开可用的数据来量化这些消费概况的能源成本、健康损害和 CO 2排放。我们将电力消耗乘以边际 CO 2排放、边际健康损害因素和州级电价。我们将家庭燃料燃烧乘以 CO 2排放率、季节性健康损害因素和州级年平均燃料价格。结果显示了与 22 000 个家庭能源配置文件中的每一个相关的年度能源成本、年度 CO 2排放量和年度健康损害。
在步骤 3 中，我们计算每个家庭采用热泵所产生的私人和公共净现值 (NPV)。对于每个模拟房屋，我们用空气源热泵取代现有的供暖技术。支持 ResStock 分析的 EnergyPlus 模型会自动调整热泵的大小。我们选择热泵 (HSPF/SEER) 的运行特性，如上一节所述。然后我们重新模拟房屋的能源状况并重新计算其成本、健康损害和排放。对于每栋房屋，采用热泵的私人 NPV 等于节省的能源成本减去安装热泵的摊销成本。对于每栋房屋，采用热泵的公共 NPV 等于基线气候损害和健康损害减去热泵气候损害和健康损害。
在步骤 4 中，我们量化了将从采用热泵中受益的住房存量百分比。从严格的私人成本角度来看，这包括采用热泵产生正私人 NPV 的所有房屋。从公共角度来看，我们还包括任何正公共 NPV 超过其负私人 NPV 的房屋，即通过补贴激励热泵采用可以实现净正（私人 + 公共）NPV。
在第 5 步中，我们使用房屋的每小时用电量来量化采用热泵对高峰用电需求的影响。对于 55 个城市中的每一个，我们使用步骤 1 中的电力配置文件来计算 400 个基准家庭的总电力需求。然后，我们使用更新的电力配置文件对步骤 4 中确定为热泵采用者的任何房屋执行相同的计算。通过比较总基准电力消耗概况与包括热泵采用者在内的总体概况，我们可以量化热泵采用如何改变每个城市的住宅电力概况，包括热泵采用如何改变峰值住宅电力需求。
按照这五个步骤，我们结合了经过验证的住宅建筑能源模拟工具、有关成本、健康损害和 CO 2排放的公开数据以及经济计算，以确定美国大陆采用热泵可降低经济成本和货币化环境的房屋伤害。以下部分提供了有关此方法不同组件的其他详细信息。
我们使用 ResStock [ 20 ]模拟了 55 个城市中每个城市 400 所房屋的能源消耗。ResStock 是一个住房特征数据库。它使用概率分布来描述这些房屋特征，这些概率分布取决于房屋的位置、面积、年份和其他属性。这种方法允许 ResStock 以概率方式生成数百个房屋的虚拟库存，这些房屋的复古、平方英尺、阁楼隔热、空气渗透、暖通空调效率、窗户质量和其他特征的分布准确地描绘了实际房屋库存的质量。
然后，我们将这些 ResStock 住房模型输入到 EnergyPlus 建筑能源建模程序中。EnergyPlus 使用房屋的建筑特征和天气数据来确定房屋的空调/炉子/热泵的大小，并计算其每小时的年度运行计划/能源消耗情况。
其他学术研究也使用了类似的方法。例如，Protopapadaki等[ 8 ] 和 Asaee等[ 12 ] 使用概率方法生成大量虚拟房屋样本，以输入建筑能源模拟工具。一些研究还使用 ResStock 工具本身 [ 1 ]。
为了减少模拟如此大量房屋的计算开销，我们采取了两个步骤来最小化每个城市需要模拟的房屋数量。我们的分析基于 NREL 的模拟结果，其中在 ResStock 中模拟了 80 000 所房屋，并报告了每所房屋的效率特性以及供暖、制冷和其他最终用途的年度能耗。首先，我们降低了模型的自由度。我们使用回归分析来确定对年度供暖或制冷需求影响很小的特征。对于这些特性——例如洗碗机效率、洗衣机效率——我们赋予所有房屋相同的价值。我们还删除了罕见的特征——例如，出现在极小部分房屋中的三层玻璃窗。
其次，我们使用这些更新的特征来模拟匹兹堡、达拉斯和旧金山的 1000 间房屋，并将这些房屋的年度供暖需求与 NREL 数据集中提供的每个城市的 4500 间房屋进行比较。通过对这 1000 个模拟房屋的子集进行随机抽样，我们估计了 NREL 模拟和我们的模拟之间年度供暖和制冷需求的累积密度函数之间的 r 平方拟合。有关这些比较的结果，请参阅 SI（可在stacks.iop.org/ERL/16/084024/mmedia在线获取）。我们得出的结论是，通过模拟 400 间房屋，我们可以预期捕获年供暖需求变化的 88%–96%，而使用 4500 间房屋的模型将捕获该变化。我们确定将模拟次数减少到例如 300 会显着降低这种拟合，而将模拟次数增加到例如 500 会增加计算费用而不会显着改善拟合。有关更多详细信息，请参阅 SI。
为了量化采用热泵的能源影响，我们模拟了 22 000 所房屋中的每一个，使用它们的基准 HVAC 技术和热泵改造。我们根据能源效率部的标准 [ 21 ] 为每个房屋改造了 8.5 HSPF、14.3 SEER 空气源热泵。热泵的能效随环境温度而变化，温度越低，热泵效率越低。EnergyPlus 工具使用具有每小时历史正常温度的环境天气文件。当加热负荷超过热泵容量时，这可能发生在热泵性能较低的低环境温度下，EnergyPlus 工具假设热泵作为电阻加热器运行（即 COP 为 1）。
我们模拟了美国大陆 55 个城市的住房存量。我们假设气候和电网排放将是热泵采用价值的重要指标。因此，我们选择了代表各种气候和电网区域的城市。气候区域是使用美国能源效率和可再生能源办公室的美国建筑项目 [ 22 ] 的数据定义的。电网区域被定义为北美电力可靠性公司 (NERC) [ 23 ]使用的子区域。
为了选择城市，我们首先为气候区域和电网区域的每种组合模拟一个城市。然后，我们添加了其他城市以更好地代表 (a) 人口和住房存量大的地区以及 (b) 地理边界大的气候/电力地区。使用这些准则，我们选择模拟图1所示的 55 个城市的住房存量。
图 1. 55 个灰色圆圈代表我们模型中模拟的城市。选择城市来代表 [ 23 ]定义的各种电网区域和每个电网区域内[ 22 ]定义的各种气候区域。黑线和文字显示了每个 NERC 区域的边界、名称和平均气候 + 健康损害强度（以美元/兆瓦时为单位）
为了代表美国住宅领域的所有 8000 万套单户住宅，我们扩大了模拟住房存量：我们扩大了每个城市的 400 套模拟房屋，以代表该城市附近地区的房屋总数，如数据所定义来自 NREL ResStock 计划。在旧金山、波士顿和洛杉矶等人口稠密的大型地区，每个模拟房屋都按比例放大以代表大约 10 000 个真实世界的房屋。在较小的、人口稀少的地区，如 Goodland、KS、Caribou、ME 和 Midland，TX，每个模拟房屋按比例放大以代表大约 500 所房屋。平均每个模拟城市代表145万套房屋，每套房屋按比例放大代表3600套房屋。
我们计算每个城市内化石燃料燃烧和每个电网区域内电力消耗的排放量以及相关的气候和健康损害。
对于每个电网区域，我们使用随季节和时段变化的边际排放和健康损害因素。这些因素是使用 Siler-Evans等人[ 24 ]开发的方法编制的，并由卡内基梅隆大学气候与能源决策中心 (CEDM) [ 25 ] 报告。对于 CO 2排放，这些因素以千克 CO 2 /MWh 电力消耗为单位报告。为了将这些气候损害货币化，我们将这些因素乘以 40 美元/吨CO 2的社会碳成本。对于健康损害，使用 Heo 开发的方法将 SO 2、NO x 和 PM 2.5的排放货币化等人[ 26 ] 并以耗电量 $/MWh 为单位进行报告。通过将每户家庭的每小时用电量乘以其电网的季节性/每小时气候和健康损害，我们可以计算每户家庭每年造成的电网排放损害。
为了解决天然气基础设施泄漏的温室气体甲烷，我们估算了每个 NERC 地区每 MWh 发电量泄漏的甲烷量，并通过甲烷的全球变暖潜势 (GWP)转换为 CO 2等效排放量。例如，我们发现，2017 年，美国电网西部地区（WECC）各州在电力部门消耗了 145 万 MMcf 的天然气 [ 27 ]。我们假设每消耗 MMcf 的天然气，就会有 0.023 MMcf 的甲烷泄漏到大气中 [ 28 ]。将该泄漏率乘以消耗的天然气的 145 万 MMcf，换算为吨，然后乘以 28 [ 29]]，我们估计 2017 年 WECC 电力部门造成的甲烷泄漏量为 18.6 Mt CO 2 -当量。通过将这 18.6 Mt 除以 WECC 州发电量的 724 TWh [ 27 ]，我们计算出 25.7 kg MWh -1的甲烷泄漏率因子。以同样的方式，我们计算了其他 NERC 区域的甲烷泄漏率因子。对于甲烷，我们使用 100 年 GWP 值 28。尽管有人建议使用 20 年 GWP 值，但最近的研究表明，这种替代 20 年时间的好处被夸大了 [ 30 ]。
在本研究中，相对于美国电网的其他子区域，我们将不同的电网区域称为具有低、中或高排放。我们通过计算平均损失来区分这些区别。如上所述，我们假设 SCC 为每吨 CO 2 [ 17 ] 40 美元，并且对于 PM 2.5、NO X 和 SO 2计算损害，使用由 Siler-Evans等人[ 24 ] 开发并由 CEDM [ 25 ] 报告的方法] 在每个地区，并将它们分类如下——<35 $/MWh = 低；35–50 $/MWh = 中等；>50 $/MWh = 高。有关更多详细信息，请参见图1。
由于热泵的使用寿命为 15 年 [ 31 , 32 ]，我们假设在热泵的使用寿命期间美国所有电网的排放量都会减少。为了捕捉这种影响，我们使用了 EPRI 国家电气化评估中的电网排放预测 [ 16 ]。我们使用该研究的“进步”情景（研究的“保守”和“变革”情景之间的平衡）假设从 2017 年到 2032 年，（a）煤炭能源将从 1200 TWh 下降 75% 到 300 TWh 和（b ) CO 2排放强度将从 850 lbs MWh -1下降 45%至 450 lbs MWh -1。我们假设大部分健康损害来自煤炭能源 [ 33]。因此，我们假设到 2032 年，每个电网区域的健康损害将下降 75%，CO 2排放量将下降45%。我们假设呈线性趋势。
对于加热燃料燃烧，我们计算了不同加热技术产生的 CO 2、SO 2、NO x 和 PM 2.5排放量，并使用特定城市的损害系数将这些排放量货币化。我们使用来自环境保护署的数据 [ 34 ] 来量化每种加热燃料的 CO 2排放量。为了量化每种加热燃料的 NO x 和 PM 2.5排放，我们使用来自布鲁克海文国家实验室的数据 [ 35 ]。我们应用化学计量计算，假设 3% O 2在排气中，计算各种能效等级下燃气和燃油加热器的每 mmBtu 燃料的千克排放量。通过为这些数据设置趋势线，我们根据现有熔炉的加热燃料和能源效率开发了 NO x 和 PM 2.5排放的线性模型。我们假设丙烷和天然气具有相似的排放特征。这些计算类似于Vaishnav等人[ 2 ]使用的 NO x 和 PM 2.5排放估算方法。对于 SO 2排放，我们使用 [ 36 ] 中的数据并假设燃料油中的硫含量为 0.0015% [ 37]]。使用这些计算，我们开发了一系列模型，用于计算ResStock 房屋中现有的每种不同加热技术产生的 CO 2、SO 2、NO x 和 PM 2.5排放的 kg/mmBtu 。
为了解决天然气基础设施泄漏的温室气体甲烷，我们估算了每热耗天然气的甲烷泄漏量，并通过甲烷的 GWP转换为 CO 2等价排放。我们假设，对于用于加热的天然气消耗的每热量，有 0.023 热量的甲烷逃逸到大气中 [ 28 ]。使用天然气的能量密度，我们将热量转换为千克并乘以 28——甲烷的 GWP [ 29 ]——计算出每消耗天然气1.27 千克 CO 2当量的比率。
将 SO 2、NO x 和 PM 2.5货币化健康损害，我们使用 EASIUR 健康损害模型。EASIUR 是一种降低复杂性的模型，它使用回归分析来近似更复杂的化学传输模型 CAMx 的结果。使用 EAISUR 在线工具，我们输入每个城市的地理坐标，以检索以 $/kg 为单位报告的三种污染物中每一种的货币化健康损害。这些数据在三个季节的 24 小时剖面中提供。通过对每个 ResStock 房屋的每种燃料的季节性、每小时能耗预测这些损害情况，我们估算了燃料燃烧造成的健康损害成本。请注意，不同城市的损害可能会有很大差异，人口较少且天气模式会迅速分散和稀释污染物浓度的地区，这些排放对健康的损害通常会更低，因为与具有不同天气模式的人口较多的城市相比，接触污染物的人会更少。将 CO 货币化2排放，我们假设碳的社会成本为 40 美元/吨CO 2。
在本研究的敏感性分析中，我们调整了电网的健康和气候损害因素以及碳的社会成本，以了解它们如何影响热泵采用的公共 NPV。对于电网，我们假设气候和健康损害以相同的速度减少。例如，如果电网 CO 2排放量从基线下降 50%，我们假设电网健康损害也下降 50%。因此，例如，通过减少电网排放和增加碳的社会成本，热泵采用的公共 NPV 将趋于增加。然后，对于正公共 NPV 大于负私人 NPV 的任何房屋，我们假设该房屋在获得补贴后将采用热泵，使其私人 NPV 为零。
我们使用 NPV 指标来量化能源成本、气候损害、健康损害和资本成本的整体正面或负面变化。我们从私人和公共角度计算采用热泵的 NPV，如等式 ( 1 ) 和 ( 2 ) 所示。
其中Ç能量是房子的电，燃气，燃油，或丙烷使用的年度费用，Ç健康是由有关房子的能耗标准，空气污染每年的健康损害，Ç气候是造成CO每年气象灾害2与房屋能源消耗相关的排放，K热泵是用热泵替换房屋现有加热器的净资本成本。此外，i等于利率，n等于计算 NPV 的年数。我们使用i = 7% 和n= 15 年，代表热泵的使用寿命以及通过将该资本投资到其他地方可以实现的利率。其他热泵研究使用具有相似利率和寿命值的相同 NPV 计算 [ 2 , 10 ]。
能源成本的计算方法是将每个房屋的天然气、燃料油、丙烷和/或电力的年消耗量乘以能源价格。能源价格是美国能源信息管理局 [ 38 ]公布的年度平均零售价，并且因每种燃料和美国各州而异。我们假设这些基础燃料价格在整个研究期间持续存在，尽管消费者看到的价格可能会根据某些情景中假设的碳价格上涨。我们对历史年均价和州均价的假设是分析的局限性。然而，鉴于未来能源价格的潜在巨大不确定性 [ 39]，这种简化的假设可以更容易地描述住房存量、发电组合、税收政策和技术改进的影响。使用第2.3节中描述的方法计算健康和气候损害。
净热泵资本成本K heatpump的计算如公式 ( 3 ) 所示。
其中C热泵是购买和安装热泵的成本，C管道系统是安装管道系统的成本，C更换是用类似技术更换现有加热器的成本。因此，净热泵成本K heatpump是用热泵替换房屋现有加热器而不是用类似技术替换它的额外成本。也就是说，我们假设房主最有可能在他们现有的加热器接近使用寿命时购买热泵，并且需要更换新的类似加热器或新的热泵系统。
热泵资本成本和现有加热器更换成本来自国家住宅效率措施数据库 [ 40 ]。管道成本数据来自 [ 41 ]提供的成本调查汇编。我们假设这些成本中的每一个都根据现有房屋的特征而有所不同。
在所有情况下，我们使用 143.30 美元/千瓦容量的系数加上从 3300 美元到 4800 美元不等的固定成本来计算热泵安装成本。对于现有中央空调系统的房屋，我们假设固定成本为 3300 美元，这是报告的用新热泵系统替换现有热泵系统的平均值。对于现有炉子和踢脚板但没有中央空调系统的房屋，我们假设固定成本为 3700 美元，这是从头开始安装热泵系统报告的平均值。对于现有锅炉的房屋，我们考虑了拆除循环散热器设备的额外劳动力，并假设固定成本为 4800 美元，这是从头开始安装热泵系统报告的最高价值。
对于已经拥有中央管道系统的房屋，我们将管道系统成本计算为 0 美元。否则，我们使用取决于房屋面积的固定成本。ResStock 模型有四个不同的房屋面积箱。我们对面积小于 1500 平方英尺的房屋使用 1500 美元的成本，对面积在 1500 到 2500 平方英尺之间的房屋使用 3000 美元的成本，对面积在 2500 到 3500 平方英尺之间的房屋使用 4500 美元，对于面积更大的房屋使用 6000 美元超过 3500 平方英尺。
我们使用线性方程计算用类似技术更换现有加热器的更换成本，C更换= a + bx，其中x是现有加热器的千瓦容量。该方程取决于基准燃料 [ 40 ]。对于燃气加热器，我们使用 2500 + 13.3 x。对于燃油加热器，我们使用 4100 + 13.3 x。对于丙烷加热器，我们使用 3800 + 13.3 x。对于电阻加热器，我们使用 1600 + 170.6 x。
我们使用四个步骤计算峰值需求的变化作为每个城市热泵采用率的函数。首先，我们计算每栋房屋采用热泵时的私人净现值。其次，我们按照增加私人 NPV 的顺序对房屋进行排序。第三，我们汇总房屋的电力消耗情况，以匹配热泵采用率。例如，在 400 户家庭的样本中，30% 热泵采用率的电力需求将是安装热泵的私人 NPV 最高的 120 户家庭的电力需求加上其他 280 户保持热泵的电力需求。他们的基线加热技术。第四，我们计算所得聚合电力分布的第 99 个百分位值。
通过比较采用热泵前的峰值电力需求和采用热泵后的峰值电力需求，我们可以计算出不同热泵采用率下峰值需求的百分比变化。
我们对峰值需求的分析假设补充热量是由电阻加热提供的（即以 1 的 COP 运行的热泵）。显然，如果由天然气提供补充热量，峰值需求可能会减少（热泵的私人经济效益可能会提高）[ 3 ]。然而，使用天然气作为备用热量与通过电气化脱碳的目标背道而驰。实际上，Waite 和 Modi [ 3 ] 得出的结论是，对于双源热泵，天然气可能只需要提供 1% 和 2% 的热能。然而，目前尚不清楚天然气分配网络在如此低的利用率下是否具有经济可行性。
尽管存在一些数据来帮助量化巩固电网以适应高峰需求的成本（例如，以美元/千瓦为单位），但我们选择避免将高峰需求增加货币化。有许多配电网络和电网具有过剩的输配电能力。在这些城市，增加电力需求可能是有益的，因为它提高了现有输配电基础设施的利用率，而且额外的线路容量可以轻松满足更高的高峰需求。与其试图量化每个城市输配电网络的储备容量，我们只报告高峰需求的变化，并将该信息的评估和货币化留给每个城市特定情况的专家。
我们发现，如今有 1670 万套房屋（占美国单户住宅存量的 21%）可以通过用热泵更换现有的加热器而在经济上受益。再加上已经拥有热泵的 870 万户家庭，仅根据私人经济效益，美国的热泵采用率可能会增加到 32%。
这 1670 万套房屋的私人经济效益每年达 71 亿美元，如图2所示。该私人收益包括每年节省的 120 亿美元能源减去热泵技术的摊销改造成本。采用热泵的公共利益每年可避免 6 亿美元的健康损害和 17 亿美元的避免气候损害。住宅每年的 CO 2排放量从 506 公吨下降到 464 公吨，下降了 8.3%。
图 2. 现有的热泵采用率为当前美国单户住宅的 11%。假设年度和州平均电力和天然气价格计算，热泵采用的私人 NPV 对另外 21% 的美国房屋是积极的。采用热泵的健康益处差异很大。气候效益主要随着热泵的采用而增加：仅在 170 万套房屋（占美国住房存量的 2.1%）中，采用热泵会增加 CO 2排放。然而，减排成本可能很高：尽管 2240 万套房屋（占美国住房存量的 28%）的减排成本在 0 到 200 美元/吨CO 2 之间，但仍有 510 万套房屋（占美国住房存量的 6% ）有减排成本成本超过 1000 美元/吨CO 2. 这些估计基于历史电网运行和假设——在热泵的 15 年寿命中——电网 CO 2排放量减少 45%，健康损害减少 75%。如果电网变得比我们分析中假设的更快或未来安装的热泵更清洁，私人和社会成本就会下降。
温和气候（混合气候和沿海气候）最有可能采用热泵，如图3所示。在这些气候条件下，冬季温度足够温和，可以支持高效的热泵性能，而夏季又足够热，可以从热泵的高效空调中产生显着的好处。另一方面，寒冷气候下的房屋从采用热泵中获得的收益最小。
图 3. 热泵采用、补贴潜力和公共损害因电网区域和气候温度而异。有关显示各种电网区域和气候区域的地图，请参见图1。
随着热泵渗透率超过 60%，累积的气候损害继续下降，而累积的私人成本和健康损害则猛增。如果所有单户住宅都采用热泵，那么住宅 CO 2排放量将减少至 346 公吨——减少 160 公吨或 32%，这相当于每年 64 亿美元的气候效益。尽管这种气候效益是可观的，但它付出了巨大的代价：49 亿美元的健康损失和 267 亿美元的私人经济成本。使用这些数字，美国大陆 100% 采用热泵的累计年价值为负 252 亿美元，其中不包括建造配电基础设施以适应增加的峰值电力需求的成本。
此外，热泵通过增加CO 2排放量为美国房屋的2.1％和即被减污更大的成本超过1000 $ /吨CO 2为美国房屋的6％。基于这些数字，可能很难证明非常高的热泵采用率是合理的。
考虑到当前的电网、技术和能源价格，每当美国房屋因私人经济利益而用热泵替换其现有加热器时，采用热泵通常也有益于公共健康和气候。请参见图3 中蓝色的未阴影部分。
在很多情况下，采用热泵会导致公共危害——即采用热泵的公共 NPV 为负。但这些案例中的大多数都与不喜欢热泵的房屋保持一致——即采用热泵的私人 NPV 为负且可能不太可能采用热泵的房屋。请参见图3的红色阴影部分。
然而，在某些情况下，采用热泵会带来私人经济利益，但会损害公共利益。请参见图3和图4的蓝色阴影部分。这种私人和公共结果的不一致几乎只发生在目前使用丙烷供暖的房屋中。影响集中在较高发射的电网区域和中等发射网格区域的较冷部分。丙烷相对清洁，但价格昂贵。用热泵代替丙烷加热器通常具有私人经济意义。但是在较冷的气候中，热泵将以较低的效率运行，并且在排放较高的电网中，丙烷到热泵的转换通常会增加排放损害。
图 4. 热泵的采用、补贴潜力和公共损害因基准供暖燃料、电网区域、气候温度和住房特征而异。结论基于当前的住房存量，而电网损害则基于历史电网以及这些损害下降的假设，如第2.3节所述。
有许多房屋采用热泵会带来公共利益，但采用热泵的可能性不大，因为私人 NPV 为负。政策可以激励这些房屋安装热泵。例如，一项政策可以 (a) 确定采用热泵的公共利益超过私人损失的房屋，以及 (b) 补贴热泵资本成本，使私人损失为零。如图3和图4所示，我们将可能实施此政策的房屋子集归类为“补贴潜力” 。
该补贴潜力类别几乎涵盖本研究中的每个城市，并包括另外 380 万套房屋。这样的政策将耗资 26 亿美元——每年摊销成本为 2.8 亿美元——并将每年分别增加 1.9 亿美元和 4.05 亿美元的健康和气候效益。
如图2所示并得到 Davis [ 11 ] 的证实，可以通过小额补贴激励许多美国房屋采用热泵。然而，我们表明，这些热泵装置中只有一小部分会产生超过其补贴成本的排放收益。
家庭采用热泵是否带来好处的最重要指标可能是其当前的取暖燃料。将家庭的取暖燃料从天然气转换为热泵很少会产生好处，尤其是在寒冷的气候中，几乎没有房屋，这种转换是有意义的。如果有机会用热泵有益地取代天然气加热器，它将用于炎热或温和气候下的中等效率房屋（1970-1989 年份）。
将使用电阻加热器的房屋换成热泵几乎总是会产生明显的好处。在较冷气候和高排放电网地区的大型（>1500 SF）、低效率（<1990 年份）房屋中，用热泵替换电阻加热器变得更具吸引力。
燃料油加热的房屋几乎总是从热泵的采用中产生积极的公共利益。但这通常会给房主造成私人经济损失。近 65% 的燃油供暖房屋处于寒冷气候中，如果房主仅根据成本选择供暖模式，那么热泵采用率不可能超过 20%。用热泵替换燃油加热器的最大机会在于小型（<1500 SF）、低效率（<1990 年的老式）房屋。
如前所述，用热泵代替丙烷加热器对房主来说通常是经济的，但对空气质量有害。在高排放电网（即 MRO 和 RFC）中尤其如此，其中近 50% 的丙烷供暖房屋都位于这些电网中。
在美国采用热泵几乎总是会减少 CO 2排放：只有 170 万（2.1%）的美国房屋采用热泵会导致更高的 CO 2排放。参见图2和图5。因此，当仅将热泵视为脱碳手段时，推动非常高的采用率是有意义的。
图 5. 每栋房屋采用热泵造成的气候变化和健康损害。每个点代表一个模拟房屋。在大多数情况下，采用热泵会减少气候损害，但会增加健康损害。右上象限中明显的线性点带显示了电阻加热器对不同电网的改造。对于特定电网，健康损害与温室气体损害的比率相当恒定。特定点沿该线性带行进的距离取决于从电阻加热器切换到热泵所节省的电量。
然而，同样的关系不适用于健康损害。采用热泵通常会增加标准空气污染物（如 SO 2、NO x 和 PM 2.5 ）对健康造成的损害。. 与发电厂相比，住宅熔炉和锅炉在较低的燃烧温度和更严格的空气质量法规下运行。也就是说，发电厂产生的空气污染物标准比住宅加热器多得多。尽管采用热泵在地理上将污染从城市家庭转移到农村地区——那里往往建有发电厂，接触污染的人可能较少——但污染物的净增加以及这些污染物经常传播数百英里的能力总体上会增加健康损害。如图5所示，这种情况——采用热泵会增加整体健康损害——发生在 4750 万套美国房屋中，占非热泵住房存量的 67%。Michalek等人[ 42] 和 Holland等人[ 43 ] 观察到，当乘用车通电时，损坏也会发生类似的变化。
对于其中 2610 万套房屋，采用热泵的气候效益超过了健康损害。这产生了一个正的净公共价值。因此，采用热泵对健康的损害往往被气候效益所抵消。
然而，还有许多其他房屋的情况恰恰相反：采用热泵的气候效益被健康损害所掩盖。在采用热泵提供气候效益的 6960 万套房屋中，1970 万套造成的健康损害超过了其气候效益。这产生负的净公共价值。
通过减少电力部门的标准空气污染物排放，可以提高采用热泵的公共利益。例如，这可以通过加强对电厂污染物的监管来实现——例如通过脱硫、催化还原、静电除尘器和淘汰煤炭 [ 44 ]。
除了增加对健康的损害之外，非常高的热泵采用率的另一个潜在挑战是巩固电网以可靠地适应更大的峰值电力需求的成本 [ 8 ]。图6显示热泵采用率如何影响每个城市的峰值住宅电力需求。许多城市都看到了可管理的电网加固需求。在 100% 采用热泵时，我们发现 24 个研究城市（占美国住房存量的 41%）的峰值住宅需求增加了 50% 或更少。此外，在炎热气候下的城市——制冷需求推动峰值电力消耗，而新的热泵可能会比家庭现有的空调提供更高的制冷效率——甚至可能会看到热泵的采用导致峰值住宅电力需求的下降。
图 6. 在炎热气候下，热泵通常会取代效率较低的现有空调机组，从而降低整体住宅高峰需求。在寒冷气候下，热泵通常会取代化石燃料炉或锅炉，这增加了整体住宅高峰需求。“热泵采用者”和“补贴潜力”的定义见图3。
然而，在 100% 采用热泵的情况下，我们发现 24 个研究城市（占美国住房存量的 44%）的峰值住宅电力需求增加了 100% 以上。这些城市往往处于较冷的气候中，热泵必须经常在极低的温度下运行，这会降低热泵的性能。
然而，在较低的热泵采用率下，大多数城市只会注意到峰值住宅电力需求的微小变化。根据图3 中“热泵采用者”和“补贴潜力”类别显示的热泵采用率，我们发现在少数情况下峰值住宅需求增加了 40%，而在大多数城市中不到 20%。许多配电网络可能有多余的容量来处理这些增加而无需任何升级。
到目前为止，我们的结果是基于上述和第2节中详述的假设：在当今安装的热泵的整个生命周期内，电网变得更加清洁。如果这些假设发生变化，该分析的结果可能会发生变化。在下一节中，我们将讨论热泵采用率对电网排放和社会碳成本的敏感性，以及热泵技术的成本和效率。
我们对采用热泵的 15 年影响进行建模，并假设电网排放（包括 CO 2和标准污染物）随着时间的推移而减少。尽管如此，电网排放下降的速度可能比我们假设的更快或更慢。碳的社会成本——代表碳排放造成的货币化损害的价格或经济外部性——在未来也可能增加。
这些变化中的每一个都会影响热泵采用的公共 NPV。更清洁的电网和更高的碳社会成本通常会激励热泵提供的脱碳。图7说明了这种效果。
图 7. 除非碳的社会成本首先增加，否则减少的电网排放无法激励高热泵采用率。热泵采用率包括11%的现有热泵住宅，21%的采用热泵仅用于私人利益的住宅，以及补贴采用热泵将提供净公共利益的住宅。请注意，x 轴的最左侧部分——15 年平均电网排放接近于零——即使不是不可能，也是不太可能的。为了说明起见，探索了完整的 x 轴。
使用我们目前 40 美元/吨的碳社会成本假设，具有更少 CO 2和标准空气污染物排放的更清洁的电网不会激励更多的热泵采用。对于许多房屋而言，采用热泵意味着 CO 2排放量的小幅减少、显着的健康损害和/或大量的私人经济成本。所有这些挑战都不利于热泵作为具有成本效益的深度脱碳的手段。
克服这些挑战需要的不仅仅是清洁电网——它需要社会更加重视 CO 2排放造成的损害——即更高的碳社会成本。但是，如果这两种情况同时发生，碳成本的适度增加和电网排放的减少可以加强大力采用热泵的论据。例如，如果电网排放比我们的假设低 35%，碳的社会成本达到 300 美元/吨CO 2，那么通过 75% 的热泵采用率可以为社会带来净收益。
上面的分析描述了用 8.5 HSPF、14.3 SEER 热泵替换房屋的基准供暖技术的影响。与使用相同技术更换现有加热器的成本相比，这种更换成本平均为 6600 美元。但热泵的成本和效率可能会因项目、激励措施或技术研发而发生变化。
热泵成本和效率的变化将影响热泵采用的私人和公共 NPV。更便宜的热泵增加了热泵采用的公共 NPV，并减少了使其成为有吸引力的选择所需的节能。更高效的热泵具有更低的能源成本。图8说明了这些影响。
图 8. 降低成本提高了热泵效率对采用率的影响。热泵采用率包括 11% 的现有热泵房屋和采用热泵将产生正私人 NPV 的房屋。
我们表明，更高的热泵效率确实会提高热泵采用率，但收益会递减。这些收益递减在安装成本较高时尤为明显。例如，在基准成本下，升级热泵的效率对整体采用率几乎没有影响。
如果成本下降——例如通过技术进步、软性成本削减或补贴——那么效率更高的机组的收益递减就不那么明显了。例如，旨在支付更高效率热泵的一些额外成本的政策可能是同时降低成本和提高效率的有效方法。
与过去的研究相比，我们的论文更细致地描述了采用热泵的收益和成本。虽然过去的研究已经确定了热泵产生公共或私人利益或不利的整个区域 [ 2 ]，但我们发现，在大多数气候和大多数家庭类型中，热泵渗透率低于社会最佳渗透率（即公共 + 私人，NPV > 0）。与过去关于加热 [ 2 ] 和车辆电气化 [ 42 ]的环境影响的研究一致]，我们发现电气化通常会减少温室气体排放。然而，这些减少的好处可能会被更直接地导致近期死亡率的污染物损害的增加所淹没。过去的研究表明，全面电气化将急剧增加电力系统需求，并提出一个解决方案可能是继续使用天然气来提供少量的供暖 [ 3 ]。我们表明，虽然如果热泵只被那些通过这样做省钱的人采用，电力峰值需求不太可能急剧上升，但更高的渗透水平会急剧增加峰值电力需求。这将需要电力系统以创造性的方式进行调整，包括分布式发电和需求响应（例如参见 [ 45 ]）。
尽管我们的建模方法展示了采用热泵的公共和私人成本和收益的广泛图景，但它有两个主要缺点，可以在未来的工作中加以改进。
我们以基本的方式检查能源效率。ResStock 模型提供了许多特征来评估不同模拟房屋的能源效率——例如空气渗透、窗户类型、阁楼隔热。对这些特性及其对热泵采用的影响的彻底调查超出了本研究的范围。相反，我们使用房屋建造年份（即年份）作为能源效率的代理。这一假设与 ResStock 的设计方式一致，因为如果房屋年份较年轻，则随机生成的房屋具有高质量的风化、窗户、阁楼隔热和其他品质的可能性会增加。年份也是政策制定者在政策设计中可以轻松使用的指标。然而，鼓励采用热泵的政策驱动很可能伴随着提高住房质量的驱动。事实上，未来的房屋在设计时可能会考虑到电气化和效率，这可能会改变热泵的收益和成本之间的平衡。未来的工作应该评估采用热泵的这种改造的综合收益和成本。
高热泵采用率以及实现这些目标所需的政策、技术开发和创新将对电网和能源市场产生重大影响。我们假设燃料价格、边际电网排放、电价和热泵资本成本的值不变。实际上，随着热泵采用率的提高和电网变得更清洁，这些变量可能会以多种方式发生变化。例如，由于更大的制造规模经济和热泵安装人员的经验，热泵成本可能会降低，由于碳政策，电网可能会更快地变得更清洁，而燃料价格可能会随着住宅部门对这些燃料的需求减少而发生变化。我们对历史年均价和州均价的假设是分析的局限性。然而，39 ]，这种简化的假设可以更容易地描述住房存量、发电组合、税收政策和技术改进的影响。更完整的研究可能会检查这些不同的敏感性，以更好地了解我们解决方案的不确定性。
尽管这些缺点可能会影响我们发现的某些价值，但我们预计它们不会影响本研究的主要结论。采用热泵是一个涉及多个能源部门和行业的多方面问题，但我们的分析足以捕捉到这种复杂性，可以对美国采用热泵的公共和私人成本和收益进行合理评估。最后，虽然我们试图解释这样一个事实，即在当今安装的热泵的整个生命周期内电网可能会变得更清洁，但显然需要其他方法来预测电网结构变化对排放的影响 [ 46，47 ] 甚至产生对当前电网排放的替代估计 [ 48 ]。
采用热泵与脱碳非常吻合。在某些情况下，这种一致性很弱——对于 8% 的美国房屋，采用热泵要么增加 CO 2排放量，要么产生非常高的减排成本。虽然在美国普遍采用热泵的价值值得怀疑，但 80%–90% 的极高采用率可能会以具有成本效益的方式减少温室气体排放。
然而，鉴于当前的能源价格、电网排放预测和热泵技术，我们发现不太可能有如此高的采用率。从私人经济的角度来看，我们发现采用热泵为美国 21% 的单户住宅带来了净经济效益。如果包括现有热泵的房屋，则总采用率为 32%。从公共福利的角度来看，我们发现采用热泵的气候和健康 NPV 对 70% 的非热泵美国住房存量是正的。考虑到巩固电网以应对增加的峰值电力需求的成本时，该比率可能会降低：许多城市将经历的后果。
因此，我们发现热泵作为脱碳工具的优点，但要实现高采用率存在许多障碍。然而，我们的分析揭示了克服这些障碍的关键技术、政策和战略见解，所有这些不仅适用于美国，也适用于其他国家或司法管辖区：
有针对性的战略、技术和政策举措可以支持住宅供暖行业的高热泵采用率和深度电气化。随着电网变得更清洁，电气化将大大减少 CO 2排放。
这项工作的资金来自阿尔弗雷德 P 斯隆基金会和气候与能源决策中心 (SES-0949710)，通过国家科学基金会与卡内基梅隆大学之间的合作协议。特别感谢国家可再生能源实验室的 Eric Wilson 和 Joseph Robertson 为 ResStock 计划提供培训和故障排除。
页面更新：2024-05-18
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