未来之家：气候友好、电气化、更近一步
2023年2月6日
技术和政策正在逐步到位。但我们需要彻底改变美国房屋改造的商业模式和融资方式，才能扩大规模，应对气候挑战。
从地面上看，全电动、高效、电网互动式住宅的未来似乎近在咫尺 CES 2023活动 在拉斯维加斯举办。这项盛大的年度盛会长期以来一直是高科技消费电子产品的展示平台，包括最新的“智能”家居自动化系统、能源控制和电器。
以全球电气设备和技术巨头施耐德电气的家用产品系列为例，其中包括电池、电动汽车充电器、混合逆变器以及其最新版本的 智能电气面板. 与全球类似的智能面板非常相似 像 Eaton 这样的竞争对手或像 Span 这样的初创公司它允许房主通过智能手机应用程序监控和控制电路级别的电力需求，开关 电网和电池电源之间 并保持电力负荷 家庭布线或公用电网的限制 服务。
独立的Wi-Fi连接“智能插座”进一步提升了控制能力。施耐德屡获CES大奖的应用程序和 能源分解技术 来自初创公司 Sense 的智能家居系统可以帮助分析数据并自动执行所有这些设备的操作，以减少水电费，在停电期间保持家庭供电，甚至将家庭发电和储存的电力卖回给公用事业公司
施耐德电气用于监控和控制家用太阳能系统、电池、电动汽车充电器和主要电气负载的应用程序（施耐德电气）
诸如此类的产品以及在 CES 2023 上展出的其他产品，都是未来家居的基石——未来家居将使用电力而非化石燃料高效地供暖、制冷和供电，无论这些电力来自公用电网还是屋顶的太阳能电池板。在这个并非空想的家居中，这些电力还可以储存在电池中，为电动汽车充电，甚至可以通过由太阳能、风能和其他零碳能源供电的电网与邻居共享。
施耐德电气创新高级副总裁贾瑟·法鲁克表示：“目前，美国只有不到10%的家庭拥有太阳能、储能或类似先进技术。”但他表示，房屋建筑商、电力承包商甚至公用事业公司都开始将这种逐户转型视为必然趋势。
这是一个迫在眉睫的转变。建筑物燃烧化石燃料约占美国碳排放量的10%。 据智库 RMI 称这使得改用电供暖成为家庭脱碳的主要目标。（Canary Media 是 RMI 的独立附属机构。）
加上人们汽车燃烧的燃料和可被屋顶太阳能电池板取代的碳排放电力，这些碳排放影响的数字上升到全国总量的三分之一以上， 根据 非营利性电气化倡导组织 重塑美国.
这使得家庭电气化成为应对气候变化的重要工具。好消息是，实现这一愿景所需的技术几乎已经存在，CES 展会就证明了这一点。
然而，未来家居对太多美国人来说仍然遥不可及，而改变这种现状远不止在CES上展示一堆炫酷的电子产品那么简单。法鲁克认为，目前高端家居设备的价格——施耐德全系列家居设备约17000美元——必须通过规模经济、政府激励措施和私营部门融资结构进行调整，才能让各行各业的美国人都能负担得起。这其中包括居住在中等价位独栋住宅、多户公寓和共管公寓的人们；拥有住房和租房的人们；以及生活在极寒和极热气候地区的人们。
这些技术的推广还应伴随更广泛的能效审计和改造，以减少能源浪费，并帮助消费者降低水电费。但目前为止，全屋防寒保暖和能效改造业务尚未成熟。 没有完全对齐 业务包括销售太阳能电池板、电动汽车充电器、智能家电和家庭控制系统。
最后，至关重要的是，必须将公用事业纳入考量。向电力供暖和交通运输的转变将推动几代人以来最大的电力需求增长，给供电的电网带来巨大的新压力。如果电动汽车、电力供暖和制冷同时开启，可能会导致当地电网电路超负荷。在极端天气事件期间，或者仅在炎热的夏夜和寒冷的冬日清晨，它们还可能导致区域性电网缺电——这些压力已经 威胁美国电网 今天。
最终，整个社区可以连接起来，形成自我平衡、自给自足的清洁能源网络的基石。
建设电网基础设施来满足这些新兴需求将耗费数十年时间和数十亿美元。但如果电力家庭能够 因协调而获得奖励 他们何时以及如何使用电力来缓解这些压力，这可以消除其快速增长的障碍，同时也使更多人能够享受到更具成本效益的电力。
最终，整个社区可以连接起来，形成自我平衡、自我支持的清洁能源网络，有时被称为 虚拟发电厂 对于在电网启动和运行时与电网互操作的系统，或 微电网 当大型电网发生故障时，系统仍能保持自身供电。
但要实现这样的未来，我们首先需要解决许多根本性的挑战。
从高科技梦想之家到现实生活中的细节
为了了解如何让未来的家居生活更加便捷，我们需要将目光投向充满科技气息的 CES 会议厅之外，看看像加州奥克兰戴蒙德区退休高等教育管理者 Cheryl Ajirotutu 的家这样的地方。
自从加州2000-2001年能源危机以来，“我就知道我想要绿色环保，”阿吉罗图图说。她在自己20世纪20年代建造的两居室屋顶上安装了太阳能电池板，电费大约减少了一半，但她知道，自己还可以做更多，让自己的家更节能、更环保。只是她不知道从何入手。
通过她在奥克兰的工作 赛普拉斯·曼德拉培训中心在担任金融知识教育志愿者期间，Ajirotutu 听说 家庭电气化计划 从 东湾社区能源，一家为奥克兰居民提供服务的社区能源供应商，以及 集团力量是一家总部位于纽约的初创公司，专门为服务不足的社区提供效率和电气化改造。
Ajirotutu 去年申请了这个项目，她的家被选为100个获得资助的家之一。第一步是进行全屋能源审计，目的是揭示“你需要什么以及为什么需要它”，她说——这次经历彻底改变了她对能源消耗的理解。
能源审计促成了全屋改造。当地承包商重新为她家的墙壁、地板和阁楼做了隔热处理，安装了双层玻璃窗，并将荧光灯换成了LED灯。他们还把客厅里原本通过地板通风口吹热风的化石燃气炉换成了管道式电热泵系统，彻底消除了整个房子的冷点——“这真的改变了一切，”她说。
奥克兰居民 Cheryl Ajirotutu 在她建于 20 世纪 20 年代的家中安装了太阳能电池板。在 Revalue.io 首席执行官 Mark Hall 的帮助下，她还升级了隔热层，安装了双层玻璃窗和 LED 灯，并用电热泵取代了原来的化石燃气炉。（Canary Media）
总而言之，这些改进预计将使阿吉罗图图家的能源消耗减少约88%。本月晚些时候，她将燃气热水器换成热泵热水器后，就能彻底停止使用燃气了，这也是她的一大目标。
所有这些工作都无需预付任何费用。相反，Ajirotutu 只需每月支付 $310，这相当于一笔零利率贷款，用于支付项目成本。
“如果没有这些支持，这一切都不会发生，”阿吉罗图图说。她没有多余的钱来承担这种规模的项目，而且她通常对那些 似乎好得令人难以置信.
“与此同时，这些房屋，怎么说呢，都已经破败不堪了，”她说。“我们需要帮助。我们该如何获得帮助呢？”
“这就是马克的天才之处，”她说。“他让一切都变得经济实惠。”
马克·霍尔 (Mark Hall) 是 Revalue.io总部位于奥克兰的节能项目开发商BlocPower正与当地及少数族裔承包商以及劳动力发展组织合作，共同开发和执行其位于东湾的项目。他表示，到目前为止，他开发的项目已使家庭能源消耗平均减少了40%。
但霍尔表示，在热泵、智能配电板或能源管理系统投入使用之前，Revalue.io 的客户和承包商还有很多工作要做。首先，“我们面临大量的修复工作——清理碎片、处理石棉和防潮问题，”他说。一些能效项目和税收抵免不承担这类修复费用，这实际上会阻碍家庭使用这些系统。
霍尔表示，Revalue.io 也不能指望客户能够获得现金或信贷来支付改造费用。“对很多人来说，获得传统贷款项目所需的信用评分和相关证明文件是一个障碍，”他说道。“BlocPower 为我们的项目提供灵活的融资。这就是我们的合作关系。”
“另一个问题是承包商的劳动力，”他说道。Revalue.io 将为东湾经济困难社区的本地承包商和年轻人提供培训和客户资源，帮助他们在新兴的家庭电气化行业蓬勃发展，这是其使命的一部分。“很多承包商在电气化方面只专注于少数几个方面，而不是全部。其他承包商并没有真正推荐特定的电气化设备，或者他们只是在做燃气系统。”
奥克兰房主 Cheryl Ajirotutu 和 Revalue.io 首席执行官 Mark Hall 站在电动热泵旁，Ajirotutu 的家现在正在使用这台热泵供暖和制冷。（Canary Media）
家庭电气化理论与现实
承包商对家庭电气化的前景不太热衷是可以理解的。用类似型号的燃气炉替换坏掉的燃气炉要简单得多，也便宜得多，因此对承包商来说也更有利可图，而不用承担重新配置房屋以使用电热泵的成本和复杂性。
增加修复和全屋能效只会增加成本和复杂性。试点项目 BlocPower 在奥克兰 发现，如果将电加热、电器、配电板、照明、隔热材料、窗户、水管和管道等设施考虑在内，全电动改造的平均成本为$35,000。在其与Repower.io合作的更广泛的改造项目中，“我们完成的一些项目，就其从项目中获得的收入而言，为BlocPower带来了1%到2%的回报”，“只是为了让它们在经济上可行”，Hall说道。
虽然热泵将能量转化为热能的效率是燃气炉的三到四倍，但燃气和电力价格的波动可能无法使这种更高的效率转化为更低的成本。事实上，在BlocPower公司在奥克兰进行的九个试点改造项目中，只有两个项目在将水电费和每月还款额加起来以支付安装费用后，降低了住户的总体成本。其余项目的每月成本在改造后从$50增加到了$100。
这些结果凸显了广泛电气化的潜力与实现这一目标的现实挑战之间的差距。 重塑美国 据估计，4900万美国家庭（其中一半为中低收入家庭）可以通过全电供暖大幅节省能源开支，主要方式是用热泵取代化石燃料或老式电阻供暖系统来加热房间和水。这张地图显示了全国各县属于此类家庭的百分比。
“Rewiring America” 列出了全美范围内，通过改用电热泵供暖和热水系统有望降低能源费用的家庭比例。（Rewiring America）
但美国约有1.31亿户家庭，这意味着约有8000万户家庭选择全屋电气化并不能省钱。这些家庭包括用电成本过高的家庭，以及电价高于燃气价格、因此热泵带来的更高效率无法带来的经济效益的家庭。
对于近5000万户家庭来说，电气化并非轻而易举就能省钱。这些家庭中有很多 可能面临昂贵且耗时的 配电盘或公用电网服务升级，增加了超出其线路或电网连接设计承载能力的电力负荷。承包商可能难以获得所需设备。
“我们有 1 亿户家庭需要[升级]，每个房主都必须确信电气化或部分电气化是适合他们的道路。”
对于大约 4400 万美国家庭来说，将前期成本与长期利益联系起来更加复杂。 租房而不是买房在这些住宅中，租户往往支付账单，而房东则承担升级改造的费用。“租户和业主之间的利益分歧是一个关键问题，”霍尔说。
他担心，除非更多的房主、租户和房东能够认识到电气化对他们来说具有经济意义，并且除非更多的承包商、分销商和制造商能够看到满足客户需求的明确途径，否则未来家居的建设速度将远远不足以满足应对气候变化的需要。
争取政府支持家庭电气化
好消息是，家庭电气化的政策顺风从未如此强劲。去年 通货膨胀降低法案 将大大扩大联邦政府在推动这一转变中的作用。该法律包括利润丰厚的 家庭效率和电气化的税收抵免 投资领域，从隔热材料和窗户到热泵、太阳能、电池和电动汽车充电器。此外，联邦政府还向州一级的 针对低收入客户的计划 在理想情况下，激励措施几乎可以覆盖所涉及设备的全部成本。
“下一波浪潮是走向各州，逐个说服他们不需要天然气……这对公众健康构成严重威胁；而且会给公用事业带来高昂的成本。”
但分析人士一致认为，这些联邦税收抵免和激励措施的效果将取决于各州的有效实施。美国公用事业主要由州政府机构监管，建筑规范和强制要求则由州或地方政府层面执行。而针对住宅能效和电气化最重要的联邦补贴将依赖于各州能源机构的实施。
“我认为《通胀削减法案》里有很多很棒的内容。它就像一架电击器，击中了美国气候科技的心脏，”BlocPower首席执行官唐纳·贝尔德在8月份的一次采访中说道。“下一波浪潮是去各州，逐个说服他们，你们不需要天然气……天然气会严重危害公众健康；而且会给你们的公用事业带来高昂的成本。”
在气候议程最为雄心勃勃的州，一些旨在推动家庭电气化取得成效的政策、监管和商业结构正在开始涌现。这些包括 电气化友好型建筑规范, 建立脱碳授权 和 化石天然气设备禁令；鼓励业主和承包商安装更多气候友好型设备和改善整个家庭的效率；以及公用事业费率计划和融资或还款结构，以提高全电动系统的成本效益。
然而，所有这些联邦、州和地方政策在加快应对气候变化所需的工作步伐方面仍面临艰巨的挑战。迄今为止，最积极的州级电气化和脱碳政策侧重于新建建筑，而不是成本更高、更复杂的现有建筑改造。
正如非营利智库电气化政策主管莎拉·鲍德温所说 能源创新 强调 十二月演讲建筑行业“库存周转率本来就很慢”，这意味着供暖和制冷系统及设备需要几十年的时间才会磨损并需要更换。
为了加快这一进程，“建筑行业需要采取更全面的方法来应对市场转型、融资机制、修订后的公用事业监管方式、扩大劳动力培训以及为消费者精心设计的方案等潜在挑战，”鲍德温说道。换句话说，如今能效和电气化项目及项目的管理和融资方式几乎每个方面都需要升级。
许多公共和私营部门的参与者在推动美国家庭从化石燃料转向高效电器方面发挥着作用。（能源创新）
让公众加入家庭电气化潮流
但即使所有支持电气化的正确计划和政策都已到位，也并不一定意味着美国人会立即加入。
电气化软件和培训公司首席执行官内特·亚当斯 (Nate Adams) 表示：“我们有 1 亿户家庭需要 [升级]，每个房主都必须确信电气化或部分电气化是适合他们的道路。” 暖通空调 2.0说道。他说，虽然一小部分房主决定自行实施电气化，但大多数人还是依赖承包商来告诉他们有哪些选择。
亚当斯认为，单靠节能并不能解决问题。他表示，使用燃油、丙烷或电阻加热的美国家庭可以快速收回热泵的投入。但在美国大部分地区，燃气供暖仍然相当便宜，这意味着热泵可能需要运行10到20年才能收回前期成本。
电热泵的成本远低于电阻加热、丙烷加热和燃油加热，但仅略低于化石燃气加热。（Rewiring America）
“这并不能带来工作机会，”亚当斯说。相反，承包商必须向房主推销电气化和热泵的其他好处，例如最新的逆变器热泵可以更好地控制室内温度，并提高舒适度。他说，虽然有些顾客是出于环保或健康方面的考虑，但其他人可能会觉得这些推销方式令人反感。
亚当斯补充道，满足消费者的现状，而不是电气化倡导者希望他们去的地方，这一点也很重要。例如，承包商必须准备好提供经济高效且合适的电力方案，以取代 炉子和热水器发生故障时几乎所有房主实际上都准备在这个时候花钱。但他们也需要准备好说服房主进行更广泛的能源审计，以确定更全面、更主动的能效改进方法的价值。
这就是以下公司的目标： 大象能源，这是一家位于科罗拉多州丹佛市的初创公司，首席执行官 DR Richardson 将其描述为“家庭电气化的一站式商店”。该公司为房主提供基于软件的改造成本和节能潜力评估，管理系统设计和承包商选择，帮助他们获得各种联邦、州、地方和公用事业激励措施，并代表他们采购设备。
“我们正在利用资本主义来加速电气化进程。我们承担了所有设计和设备采购的风险，”理查森说道。他补充道，美国约有20万家暖通空调和电气承包公司，其中许多规模较小，缺乏资金或员工来应对不断变化的州、地方和公用事业激励措施，也无法批量订购最新的热泵或智能配电板。
大象能源的目标是成为“家庭电气化领域的Sunrun”，理查森说道，并列举了美国最大的住宅屋顶太阳能安装商Sunrun在超过22个州和波多黎各成功拓展业务的案例。Sunrun与全国各地的区域和本地安装商合作，并将从家庭太阳能评估到为客户安排的租赁和贷款证券化等所有业务整合在一起。
如何为快速扩大的投资提供资金？
1TP10整合并巩固美国家庭能源效率和家庭电气化领域目前支离破碎的商业格局，是快速扩大安装规模、有效应对气候变化的关键一步。但目前，实现这一目标所需的资金水平远低于预期。
BlocPower 已经 融资超过$1亿 资助加利福尼亚州、科罗拉多州、伊利诺伊州、纽约州和威斯康星州的大规模电气化改造项目，其中包括纽约州伊萨卡和加利福尼亚州门洛帕克雄心勃勃的100%建筑电气化计划。包括Elephant Energy在内的初创公司， 密封 和 服务第一金融 以及太阳能贷款机构，包括 马赛克 和 好跃 集体 筹集数亿美元 扩大家庭电气化市场 将承包商与商业贷款人联系起来、屋顶太阳能安装商和电动汽车公司。
但 BlocPower 能源效率和可再生能源融资负责人 Cullen Kasunic 告诉 Canary Media 私营部门对家庭能效和电气化的投资可能会高出几个数量级。美国能源部估计，美国人 每年花费约$1000亿 减少因建筑供暖、制冷和隔热效率低下而浪费的能源。Kasunic 估计，为应对此类浪费而进行的能效和电气化改造市场规模可能高达 17500 亿美元。Service 1st Financial 首席执行官 Anuj Khanna 估计，美国家庭用电器替代化石燃料炉灶和热水器的市场规模每年可能高达 1730 亿美元至 1740 亿美元——而且“这还只是替换市场”。
大多数家庭最终都需要更换旧的暖炉、热水器、炉灶和其他化石燃料电器。对于那些想要使用电动汽车的人来说，问题在于他们是否能够获得低成本的债务融资或其他方式来支付最新纯电动汽车更高的前期成本，而不是选择更便宜、更污染环境的选项。
Khanna 的公司通过以下方式应对这一挑战 制定租赁计划 它将前期设备、安装以及长期维护成本从房主通过银行和其他贷款机构转移到承包商。这种结构在家庭屋顶太阳能系统中已经很常见，但在家庭效率和电气化方面尚未发展到规模化。
BlocPower 能够为客户提供无前期成本的安装服务，并通过项目融资承诺每月支付费用 来自高盛 以及 微软气候创新基金. Sealed 已签署 与纽约格林银行的信贷安排 为其项目引入公共和私营部门的债务融资。创新的公私 州内的合作伙伴关系 和 联邦层面的目标是 扩大家庭效率和电气化的私人债务融资规模和范围，并为家庭增加太阳能、电池和电动汽车。
政策压力和经济强劲增长的双重推动，也促使家用电器制造商投资扩大美国市场的生产和分销。这些设备的价格区间旨在满足不同气候条件下不同收入水平的家庭需求，包括在寒冷气候条件下，老一代热泵技术正在被新技术取代。 可以承受零度以下的温度 泰然自若。
目前提供的技术包括 120伏热泵热水器 可以插入标准电源插座 Gradient 等初创公司推出的窗式热泵 可以为住宅和公寓供暖和制冷。BlocPower 已签署协议，将已在全球占据重要市场份额的技术引入美国，例如 富士通分体式终端热泵 取代整体式终端空调。该公司还与来自 Harvest Thermal 等初创公司，这使得 加热水和空气的热泵 并可以储存热量以缓解电网的需求。
使电力住宅能够响应电网
这些电网支持功能是让未来家居在今天成为现实所需的最后要素。多项研究表明，交通和建筑电气化虽然是应对气候变化的关键一步，并且从长远来看将带来净经济效益，但也会给原本设计时并未考虑到这些因素的公用电网带来新的压力。
找到管理这些新负荷的方法，以减轻这些压力，可以把这些压力转化为支持。电池和热泵 热水器可以储存多余的 例如，利用太阳能来应对日落后的电力短缺——一种是简单地将太阳能储存为电能，另一种是将其储存为额外的热水。电动汽车充电器和干衣机都可以进行调度，在电力短缺时避免使用电网电力，而在电力充足时启动。
这些“虚拟发电厂“由数以万计的家庭组成，协调他们的设备为电网服务，可以将每户数千瓦的能源转换价值转化为数兆瓦的公用事业计划和能源市场价值，并将该价值的一小部分返还给个人房主，以降低电气化成本。
BlocPower 首席执行官贝尔德表示：“我们认为这是一个绝佳的机会：带有热泵和屋顶太阳能的虚拟发电厂。”
能源部贷款项目办公室主任 Jigar Shah 也表示 数千亿美元 联邦贷款机构将推动清洁能源技术的部署。沙阿的目标之一是支持制造智能家电、太阳能+电池系统和其他 电网响应资产更加经济实惠且易于获取 为更广泛的美国人提供服务。
沙阿上个月在一次采访中表示：“消费者拥有所有这些他们已经付费的资产。”智能恒温器、热泵热水器、冰箱、洗衣机和烘干机、电动汽车充电器和其他电器，代表着美国家庭每月安装的电网需求量达数吉瓦。
但截至目前，绝大多数“尚未参与提供电网服务，”他说道。目前，电网正承受着极端天气带来的越来越大的压力，并且正在从依赖全天候化石燃料发电机转向依赖变化无常的太阳能和风能。
他说，让房主承诺将他们新安装的电器和设备用于电网服务，以换取较低的前期成本或持续的收入机会，可以同时解决消费者的负担能力和电网可靠性问题。
贝尔德表示，电网服务可以为 BlocPower 的使命提供重要的收入来源。在 2021年在美国参议院作证贝尔德描述了他的家人如何在布鲁克林一套没有暖气的公寓里长大，晚上不得不使用煤气炉取暖，同时还要打开窗户释放煤气炉散发出的有害气体。
他说，转向全电供暖可以让像他成长的那些社区“跳过天然气、天然气管道、燃气供暖和燃气热水的阶段”。“在布朗克斯区，有5000栋公寓楼仍在使用石油，”而纽约市则有10000栋公寓楼仍在使用石油。“我们将直接将这些公寓楼改用100%清洁电力。”
相反，如果公共和私营部门不能齐心协力，将家庭电气化作为优先事项，家庭可能会陷入碳排放、空气污染和成本日益增加的现状。
“如果你错过了这个窗口期，用另一个燃气炉替换了你的燃气炉，那么你的排放量将锁定 10 到 20 年。”
“科罗拉多州的天然气价格在过去两年里上涨了一倍多，”大象能源公司的理查森说。“热泵的成本效益要高得多。”但是，“如果你错过了这个窗口期，把燃气炉换成了另一个，你的排放量就会被锁定10到20年”——而这段时间里，国家就没必要削减它应该削减的温室气体排放量了。