Возобновляемое тепло - Renewable heat

Возобновляемое тепло - это применение возобновляемой энергии, относящееся к производству тепла из возобновляемых источников; например, питание радиаторов водой, нагретой сфокусированным солнечным излучением, а не котлом, работающим на ископаемом топливе. Технологии возобновляемого тепла включают возобновляемое биотопливо, солнечное отопление, геотермальное отопление, тепловые насосы и теплообменники. Изоляция почти всегда является важным фактором при внедрении возобновляемого отопления.

Во многих более холодных странах для отопления потребляется больше энергии, чем для подачи электроэнергии. Например, в 2005 г. Соединенное Королевство потребляло 354 ТВт-ч электроэнергии, но потребность в тепле составляла 907 ТВт-ч, большая часть из которых (81%) была удовлетворена за счет газа. Только жилищный сектор потреблял 550 ТВтч энергии на отопление, в основном за счет метана. Почти половина конечной энергии, потребляемой в Великобритании (49%), приходилась на тепло, из которых 70% использовалось домашними хозяйствами, а также в коммерческих и общественных зданиях. Домохозяйства использовали тепло в основном для отопления помещений (69%).

Относительная конкурентоспособность возобновляемой электроэнергии и возобновляемого тепла зависит от национального подхода к политике в области энергетики и окружающей среды. Немногие возобновляемые технологии (будь то тепло, электричество или транспорт) конкурентоспособны с ископаемым топливом без какой-либо оценки углерода или субсидий. В этих странах, таких как Швеция, Дания и Финляндия, где государственное вмешательство было наиболее близко к технологически нейтральной форме оценки углерода (например, углеродным налогам и налогам на энергию ), возобновляемое тепло сыграло ведущую роль в очень существенном вкладе возобновляемых источников в конечный результат. потребление энергии. В этих странах, таких как Германия, Испания, США и Великобритания, где вмешательство правительства было установлено на разных уровнях для разных технологий, применений и масштабов, вклад технологий возобновляемого тепла и возобновляемой электроэнергии зависел от относительных уровней поддержки, и в целом привели к более низкому вкладу возобновляемых источников в конечное потребление энергии.

Ведущие технологии возобновляемого тепла

Солнечное отопление

Солнечное отопление - это стиль строительства здания, в котором энергия летнего или зимнего солнечного света используется для обеспечения экономичного снабжения здания первичным или дополнительным теплом. Тепло может использоваться как для отопления помещений (см. Солнечное нагревание воздуха ), так и для нагрева воды (см. Солнечное нагревание воды ). Конструкции солнечного отопления делятся на две группы:

  • Пассивное солнечное отопление зависит от конструкции и конструкции дома для сбора тепла. При проектировании пассивных солнечных батарей также необходимо учитывать хранение и распределение тепла, которое может осуществляться пассивно, или использовать воздуховоды для активного отвода тепла к фундаменту здания для хранения. В одной из таких конструкций была измерена температура дома до 24 ° C (75 ° F) в частично солнечный зимний день (-7 ° C или 19 ° F), и утверждается, что система пассивно обеспечивает большую часть помещений. отопление здания. Дом площадью 4000 квадратных футов (370 м 2 ) стоил 125 долларов за квадратный фут (или 370 м 2 по цене 1351 доллар / м 2 ), как и стоимость традиционного нового дома.
  • Активное солнечное отопление использует насосы для перемещения воздуха или жидкости из солнечного коллектора в здание или складское помещение. Такие приложения, как солнечное нагревание воздуха и солнечное нагревание воды, обычно улавливают солнечное тепло в панелях, которые затем могут использоваться для таких применений, как обогрев помещений и дополнение к водонагревателям в жилых домах. В отличие от фотоэлектрических панелей , которые используются для выработки электроэнергии, солнечные нагревательные панели менее дороги и улавливают гораздо большую долю солнечной энергии.

Для систем солнечного отопления обычно требуется небольшая дополнительная резервная система отопления, обычная или возобновляемая.

Геотермальное отопление

Горячие источники расположены в Неваде.

Доступ к геотермальной энергии осуществляется путем бурения водяных или паровых скважин в процессе, аналогичном бурению на нефть. Геотермальная энергия - это огромный, недостаточно используемый ресурс тепла и электроэнергии, который является чистым (выделяет мало или совсем не выделяет парниковые газы), надежным (средняя доступность системы составляет 95%) и выращивается внутри страны (что снижает зависимость населения от нефти).

Земля поглощает солнечную энергию и сохраняет ее в виде тепла в океанах и под землей. Температура почвы остается постоянной на уровне от 42 до 100 ° F (от 6 до 38 ° C) круглый год в зависимости от того, где вы живете на земле. Геотермальная система отопления использует постоянную температуру под поверхностью Земли и использует ее для обогрева и охлаждения зданий. Система состоит из ряда труб, установленных под землей и соединенных с трубами в здании. Насос обеспечивает циркуляцию жидкости по контуру. Зимой жидкость в трубе поглощает тепло земли и использует его для обогрева здания. Летом жидкость поглощает тепло из здания и сбрасывает его в землю.

Тепловые насосы

Тепловые насосы используют работу для перемещения тепла из одного места в другое и могут использоваться как для отопления, так и для кондиционирования воздуха. Несмотря на капиталоемкость, тепловые насосы экономичны в эксплуатации и могут питаться от возобновляемой электроэнергии. Два распространенных типа тепловых насосов - это воздушные тепловые насосы (ASHP) и грунтовые тепловые насосы (GSHP), в зависимости от того, передается ли тепло из воздуха или из земли. Тепловые насосы с воздушным источником не эффективны, когда температура наружного воздуха ниже -15 ° C, в то время как тепловые насосы с источником тепла не работают. Эффективность теплового насоса измеряется коэффициентом производительности (CoP): на каждую единицу электроэнергии, используемую для перекачки тепла, тепловой насос с воздушным источником вырабатывает от 2,5 до 3 единиц тепла (т. Е. Имеет CoP от 2,5 до 3). ), тогда как GSHP выделяет от 3 до 3,5 единиц тепла. Исходя из текущих цен на топливо в Соединенном Королевстве, предполагая, что CoP составляет 3–4, GSHP иногда является более дешевой формой отопления помещений, чем электрическое, масляное и твердотопливное отопление. Тепловые насосы могут быть подключены к межсезонному аккумулятору тепловой энергии (горячей или холодной), удваивая ЦС с 4 до 8 за счет извлечения тепла из более теплой земли.

Межсезонный теплообмен

Основная статья: Сезонное хранение тепловой энергии

Тепловой насос с межсезонной теплопередачей сочетает в себе активный сбор солнечной энергии для хранения излишков летнего тепла в тепловых банках с тепловыми насосами из грунтовых источников для извлечения его для обогрева помещений зимой. Это уменьшает необходимый "подъем" и удваивает КП теплового насоса, поскольку насос запускается с теплом от теплового банка вместо холода от земли.

CoP и лифт

Тепловой насос CoP увеличивается по мере того, как разница температур, или «подъем», уменьшается между источником тепла и местом назначения. CoP можно максимизировать во время проектирования, выбрав систему отопления, требующую только низкой конечной температуры воды (например, теплый пол), и выбрав источник тепла с высокой средней температурой (например, земля). Для горячего водоснабжения (ГВС) и обычных радиаторов требуется высокая температура воды, что влияет на выбор технологии теплового насоса. Низкотемпературные радиаторы представляют собой альтернативу обычным радиаторам.

Тип и источник насоса Типичный вариант использования Вариация CoP теплового насоса в зависимости от выходной температуры
35 ° C
(например, стяжка с подогревом) 		45 ° C
(например, низкотемпературный радиатор или стяжка пола с подогревом) 		55 ° C
(например, низкотемпературный радиатор или деревянный пол с подогревом) 		65 ° C
(например, стандартный радиатор или ГВС) 		75 ° C
(например, стандартный радиатор и ГВС) 		85 ° C
(например, стандартный радиатор и ГВС)
Высокоэффективный воздух ASHP при -20 ° C   2.2 2.0 - - - -
Двухступенчатая АШП на воздухе при -20 ° C Низкая температура источника. 2,4 2.2 1.9 - - -
Высокоэффективный воздух ASHP при 0 ° C Низкая температура на выходе. 3,8 2,8 2.2 2.0 - -
Прототип транскритического СО
2 (R744) Тепловой насос с трехсторонним охладителем газа, источник при 0 ° C 		Высокая температура на выходе. 3.3 - - 4.2 - 3.0
Вода GSHP при 0 ° C   5.0 3,7 2,9 2,4 - -
GSHP шлифованный при 10 ° C Низкая температура на выходе. 7.2 5.0 3,7 2,9 2,4 -
Теоретический предел цикла Карно , источник -20 ° C   5,6 4.9 4.4 4.0 3,7 3,4
Теоретический предел цикла Карно, источник 0 ° C   8,8 7.1 6.0 5.2 4.6 4.2
Теоретический предел цикла Лоренца ( CO
2 насос), возвратная жидкость 25 ° C, исходная 0 ° C 		  10.1 8,8 7.9 7.1 6.5 6.1
Теоретический предел цикла Карно, источник 10 ° C   12,3 9.1 7.3 6.1 5,4 4.8

Резистивный электрический нагрев

Возобновляемая электроэнергия может быть произведена за счет гидроэнергетики, солнечной энергии, ветра, геотермальной энергии и сжигания биомассы. В некоторых странах, где возобновляемая электроэнергия недорога, резистивное нагревание является обычным явлением. В таких странах, как Дания, где электроэнергия стоит дорого, не разрешается устанавливать электрическое отопление в качестве основного источника тепла. Ветровые турбины имеют большую мощность в ночное время, когда существует небольшой спрос на электроэнергию, накопительные нагреватели потребляют эту более дешевую электроэнергию ночью и выделяют тепло в течение дня.

Отопление на древесных пеллетах

Дровяная печь.
Древесные пеллеты.

Пеллетное отопление и другие типы систем отопления на дровах достигли наибольшего успеха при обогреве помещений, находящихся вне газовой сети, обычно предварительно отапливаемых с использованием топочного мазута или угля. Для твердого древесного топлива требуется большое количество выделенных складских помещений, а специализированные системы отопления могут быть дорогими (хотя во многих европейских странах существуют схемы предоставления грантов для компенсации этих капитальных затрат). Низкие затраты на топливо означают, что отопление на древесном топливе в Европе часто возможно. для достижения срока окупаемости от 3 до 5 лет. Из-за больших требований к хранению топлива древесное топливо может быть менее привлекательным для городских жилых домов или для помещений, подключенных к газовой сети (хотя рост цен на газ и неопределенность поставок означают, что древесное топливо становится более конкурентоспособным). по сравнению с загрязнением воздуха от отопления дровами по сравнению с теплом нефти или газа, особенно мелкими частицами.

Дровяное отопление

Сжигание древесного топлива на открытом огне крайне неэффективно (0-20%) и загрязняет окружающую среду из-за частичного сгорания при низкой температуре. Точно так же, как сквозняки в здании теряют тепло из-за потери теплого воздуха из-за плохой герметичности, открытый огонь несет ответственность за большие потери тепла, вытягивая очень большие объемы теплого воздуха из здания.

Современные конструкции дровяных печей обеспечивают более эффективное сжигание, а затем отвод тепла. В Соединенных Штатах новые дровяные печи сертифицированы Агентством по охране окружающей среды США (EPA) и горят чище и эффективнее (общая эффективность составляет 60-80%) и потребляют меньшие объемы теплого воздуха из здания.

Однако «очиститель» не следует путать с чистым. Австралийское исследование реальных выбросов от нагревателей древесины, удовлетворяющих действующим австралийским стандартам, показало, что выбросы твердых частиц составляют в среднем 9,4 г / кг сожженной древесины (диапазон от 2,6 до 21,7). Таким образом, обогреватель со средним расходом древесины 4 тонны в год выделяет 37,6 кг PM2,5, то есть частицы размером менее 2,5 микрометров . Это можно сравнить с легковым автомобилем, удовлетворяющим текущим стандартам Евро 5 (введенным в сентябре 2009 г.) из расчета 0,005 г / км. Таким образом, один новый дровяной обогреватель выбрасывает столько PM2,5 в год, сколько 367 легковых автомобилей, каждая из которых проезжает 20 000 км в год. Недавнее европейское исследование определило PM2,5 как наиболее опасный для здоровья загрязнитель воздуха, вызывающий, по оценкам, 492 000 преждевременных смертей. Следующий по величине загрязнитель, озон, является причиной 21 000 преждевременных смертей.

Из-за проблем с загрязнением Австралийский фонд легких рекомендует использовать альтернативные средства контроля климата. Американская ассоциация легких »настоятельно рекомендует использовать более чистые, менее токсичные источники тепла. Преобразование дровяного камина или печи для использования природного газа или пропана устранит воздействие опасных токсинов, образующихся при сжигании древесины, включая диоксин, мышьяк и формальдегид.

«Возобновляемые источники энергии» не следует путать с «теплично-нейтральными». В недавней рецензируемой статье было обнаружено, что даже при сжигании дров из экологически чистых источников выбросы метана от типичного австралийского дровяного обогревателя, отвечающего текущим стандартам, вызывают большее глобальное потепление, чем отопление того же дома газом. Однако, поскольку большая часть дров, продаваемых в Австралии, не из экологически чистых источников, австралийские домохозяйства, использующие дровяное отопление, часто вызывают большее глобальное потепление, чем отопление трех аналогичных домов газом.

Печи с высоким КПД должны соответствовать следующим критериям проектирования:

  • Хорошо герметичен и точно откалиброван для всасывания небольшого, но достаточного объема воздуха. Ограничение воздушного потока имеет решающее значение; меньший приток холодного воздуха меньше охлаждает печь (таким образом достигается более высокая температура). Это также дает больше времени для отвода тепла из выхлопных газов и отводит меньше тепла от здания.
  • Топка должна быть хорошо изолирована, чтобы повысить температуру горения и, следовательно, целостность.
  • Хорошо изолированная печь излучает мало тепла. Таким образом, вместо этого тепло необходимо отводить из канала выхлопных газов. Эффективность поглощения тепла выше, когда теплообменный канал длиннее и когда поток выхлопных газов медленнее.
  • Во многих конструкциях теплообменный канал сооружается из очень большой массы теплопоглощающего кирпича или камня. Такая конструкция заставляет поглощенное тепло выделяться в течение более длительного периода - обычно в течение дня.

Возобновляемый природный газ

Возобновляемый природный газ определяется как газ, полученный из биомассы, качество которого повышено до качества, аналогичного природному газу . Повышение качества до уровня природного газа позволяет распределять газ потребителям через существующую газовую сеть. По данным Центра энергетических исследований Нидерландов, возобновляемый природный газ «дешевле, чем альтернативы, в которых биомасса используется на теплоэлектроцентрали или на местной установке сжигания». Удельные затраты на энергию снижаются за счет «благоприятных масштабов и рабочих часов», а капитальные затраты конечного пользователя устраняются за счет распределения через существующую газовую сеть.

Энергоэффективность

Возобновляемое тепло идет рука об руку с энергоэффективностью . Действительно, успех проектов возобновляемого отопления во многом зависит от энергоэффективности; в случае солнечного отопления, чтобы снизить потребность в дополнительном отоплении, в случае отопления на древесном топливе для снижения стоимости закупаемой древесины и объема хранимого, а в случае тепловых насосов - для уменьшения размера и инвестиций в тепловой насос, затраты на теплоотвод и электроэнергию.

Энергоэффективность здания можно улучшить двумя основными способами:

Изоляция

Улучшение изоляции может значительно снизить потребление энергии, удешевляя обогрев и охлаждение помещения. Однако улучшить существующее жилье часто бывает сложно или дорого. В новых зданиях можно использовать многие методы суперизоляции . Старые здания можно улучшить несколькими способами:

  • Изоляция сплошных стен: здание с сплошными стенами может выиграть от внутренней или внешней изоляции. Изоляция внешней стены включает добавление декоративных погодоустойчивых изоляционных панелей или другой обработки снаружи стены. В качестве альтернативы, внутренняя изоляция стен может быть нанесена с использованием готовых ламинатов теплоизоляции / гипсокартона или другими способами. Толщина внутренней или внешней изоляции обычно составляет от 50 до 100 мм.
  • Изоляция полых стен : здание с полыми стенами может извлечь выгоду из изоляции, закачанной в полость. Эта форма изоляции очень рентабельна.
  • Программируемые термостаты позволяют отключать обогрев и охлаждение помещения в зависимости от времени, дня недели и температуры. Например, спальню не нужно отапливать днем, но не нужно отапливать гостиную ночью.
  • Утепление крыши
  • Изолированные окна и двери
  • Черновая проверка

Пол с подогревом

Полы с подогревом иногда могут быть более энергоэффективными, чем традиционные методы обогрева:

  • Вода циркулирует в системе при низких температурах (35 ° C - 50 ° C), что делает газовые котлы, дровяные котлы и тепловые насосы значительно более эффективными.
  • В комнатах с подогревом теплее под потолком, где тепло не требуется, но теплее под ногами, где больше всего необходим комфорт.
  • Традиционные радиаторы часто устанавливают под окнами с плохой изоляцией, нагревая их без надобности.

Рекуперация тепла сточных вод

Утилизация тепла.

С помощью рециркуляции тепла горячей воды можно регенерировать значительное количество тепла из отработанной горячей воды . Основное потребление горячей воды - раковины, душевые, ванны, посудомоечные машины и стиральные машины. В среднем 30% горячей воды в доме используется для принятия душа. Поступающая пресная вода обычно имеет гораздо более низкую температуру, чем сточная вода из душа. Недорогой теплообменник утилизирует в среднем 40% тепла, которое обычно теряется, путем нагрева поступающей холодной пресной воды теплом исходящих сточных вод.

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки