美国医院工程学会（ASHE）资助了一项在华盛顿州奥林匹亚市Providence St. Peter Hospital（PSPH）进行的脱碳可行性案例研究，旨在验证在PSPH实现范围1和范围2碳中和的技术和财务可行性。该设施被选为典型的大型住院医院，代表了医疗保健行业的合理参考。医院的运营和独特特点，如需要蒸汽进行灭菌，使得它们比许多其他商业建筑更复杂，难以实现电气化。
本研究解决了两个主要挑战：（1）确定实现供热系统电气化的途径，同时保持能源供应的弹性并支持全面运营；（2）确定实现有益电气化对电力公用事业供应的影响。PSPH的目标是通过电气化现有的供热系统（两台双燃料锅炉）来消除基于燃烧的范围1排放。这一目标还包括停止天然气供应，以消除相关的上游甲烷泄漏，这与医院已购买的100%可再生电力相辅相成。
评估和脱碳PSPH的方法是仔细分析现有条件、能源使用和按用途划分的峰值供暖需求。下一步是通过投资某些技术来减少供暖负荷，并考虑整体影响。根据ASHRAE指南14《能源、需求和水节约测量》的要求开发了一个校准的能源模型，以填补任何数据空白并进一步支持能源和财务分析。推荐的战略基于系统思维方法，尽可能多地采取需求侧节能措施，以减少工厂负荷。安装的供暖能力为每小时2500万英热单位（Btu）或7,327千瓦（kW），测得的峰值负荷为20 MMBtu/hr（5,861 kW），如果所有需求侧措施都实施，可以减少到11 MMBtu/hr（3,224 kW）。减少的供暖负荷将使供暖热水（HHW）分配侧在管道尺寸较小和温度较低方面具有更大的灵活性。目标峰值HHW温度为140°F，以实现高效的热泵运行。然而，这取决于需求侧措施的实施水平，特别是围护结构升级的实施情况。在分配系统升级完成后，供热厂可以用空气源热泵作为正常运行的主要热能来源，并辅以热回收冷水机组和100,000加仑的HHW储存。
脱碳战略的实施需要分阶段进行，具体实施时间取决于可用资源。推荐的分阶段如下：
- 需求侧升级（九年期限）：
- 实施空气侧热回收升级。
- 增加保温和玻璃升级。
- 升级使用过程蒸汽的系统（厨房和无菌处理区域）。
- 继续实施其他节能措施。
- 分配系统升级（一至两年期限）：
- 在需求侧升级完成后将负荷迁移到现有的HHW管道。
- 将蒸汽管道更换为HHW管道（从春季开始，以便在冬季寒冷天气到来前有七个月的低供暖需求期）。
- 更换蒸汽转换器为服务热水环路的热交换器。
- 增加可变主HHW泵送系统。
- 工厂系统升级（三至五年期限）：
- 在中央公用设施厂增加一个南侧扩建或屋顶空间，以容纳空气源热泵。
- 升级电气基础设施，增加发电机并增加发电机夹套水热回收。
- 安装空气源热泵。
- 退役锅炉。
- 在锅炉足迹处安装热存储或微电网。
PSPH有两个相对独特的特点，简化了电气化和脱碳过程。首先，由于海洋气候不需要加湿，医院没有加湿。相对湿度数据分析表明，全年最低相对湿度为30%，每年低于30%的时间少于12小时，相对湿度从未低于20%。其次，服务热水（SHW）系统运行温度为120°F，这简化了从HHW环路提供SHW的过程，而不是运行较暖的HHW环路或应用独立的热泵系统。尽管根据疾病控制与预防中心的指导，通常运行SHW系统的温度为140°F，但PSPH在较低温度下未出现军团菌问题。
韧性策略是维持现场柴油燃料存储，以支持近期内的发电机和锅炉。发电机将升级以包括发动机夹套水热回收，在停电期间支持供热需求。热回收有效地将发电机转变为联合热电系统，为医院提供电力和热能。在热泵厂和发电机热回收运行熟练之前，锅炉将继续保留。当前的测试和应急电源使用占年度现场燃烧排放的大约4%。随着技术的成熟，将重新评估热存储和微电网等韧性解决方案，以替代锅炉。目前，现场燃料存储被视为一种韧性解决方案，因为它是一个小的排放源，由于运行时间少，有助于消除导致甲烷泄漏的天然气连接。
本研究根据最近通过的西雅图建筑排放绩效标准的监管框架，调查了2024年至2041年间医院的四种潜在情景：
- 情景0 是照常营业的情况，医院接受一次性750万美元罚款，并随着时间的推移进行渐进的资本改进。
- 情景1 是最小干扰情景，仅用两台电阻加热锅炉替换现有的双燃料锅炉，并增加支持发电机，其余系统保持不变。
- 情景2 实施100%室外空气系统的需方节能措施，用电热泵或独立电锅炉实现过程负荷的电气化，并实施一系列其他需方节能措施。然后将实施空气源热泵厂，以支持16 MMBtu/hr（4,689 kW）的供暖负荷。
- 情景3A 增加围护结构节能措施，更换单层窗户并在未隔热或部分隔热的墙壁上增加隔热。围护结构措施将供暖负荷减少到11 MMBtu/hr（3,224 kW）。
- 情景3B 分离出来以隔离绝缘改进的影响，这是一个成本高昂且投资回报率较差的升级。
第三方成本估算用于告知三种脱碳情景。第7章“资本设备和成本”描述了详细的系统、组件和材料清单。情景1的资本成本估计为57,711,000美元，或每平方英尺79美元；情景2的资本成本估计为62,171,000美元，或每平方英尺85美元；情景3A的资本成本估计为80,425,000美元，或每平方英尺110美元；情景3B的资本成本估计为68,400,000美元，或每平方英尺93美元。作为参考，医院的全面租户改善（TI）费用在每平方英尺100至150美元之间。然而，该面积是整个医院的总面积，即733,000平方英尺。此外，TI几乎完全集中在基础设施增强上，这是不典型的TI。
使用2024年的美元构建了一个17年的时间框架的成本模型，汇总了资本成本、能源成本和碳罚款。成本估计、能源模型和基于当前西雅图建筑排放绩效标准罚款结构的未来奥林匹亚市碳罚款估计。成本结果汇总如下图所示。
17年内每个案例的总拥有成本如下：
- 情景0：6720万美元（每平方英尺92美元）
- 情景1：12420万美元（每平方英尺169美元）
- 情景2：11260万美元（每平方英尺154美元）
- 情景3A：13000万美元（每平方英尺177美元）
- 情景3B：11840万美元（每平方英尺162美元）
最经济的全电气化解决方案是情景2，尽管它仍比情景0（照常营业情况）多花费4500万美元。值得注意的是，本研究未包括公用事业费率上涨或公用事业激励措施。此外，一些资本设备，如热泵，随着市场的成熟可能会降价。更多成本细节可在第2.4节中找到。
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