Возобновляемое тепло - Renewable heat

Возобновляемое тепло это приложение Возобновляемая энергия и это относится к возобновляемому производству тепла, а не к электроэнергии (например, замена котла на ископаемом топливе с использованием концентрирование солнечной тепловой энергии для питания радиаторов). Технологии возобновляемого тепла включают возобновляемое биотопливо, солнечное отопление, геотермальное отопление, тепловые насосы и теплообменники для восстановления потерянного тепла. Большое внимание уделяется утеплению.

Во многих более холодных странах для обогрева потребляется больше энергии, чем электроэнергии. Например, в 2005 г. Великобритания потребила 354 ТВт.[1] электроэнергии, но потребность в тепле составляла 907 ТВтч, большая часть которой (81%) была удовлетворена за счет газа. Только жилищный сектор потреблял 550 ТВтч энергии на отопление, в основном в виде газа. 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%) и нагрева воды.[2]

Относительная конкурентоспособность возобновляемой электроэнергии и возобновляемого тепла зависит от национального подхода к энергетической и экологической политике. Немногие возобновляемые технологии (будь то тепло, электричество или транспорт) могут конкурировать с ископаемым топливом без какой-либо оценки углерода или субсидий. В тех странах, как Швеция, Дания и Финляндия, где государственное вмешательство был наиболее близок к технологически нейтральной форме оценки углерода (т.е. налоги на энергию ), возобновляемое тепло играет ведущую роль в очень существенном вкладе возобновляемых источников в конечное 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, который использует энергию летнего или зимнего солнечного света для обеспечения экономичного снабжения здания первичным или дополнительным теплом. Тепло можно использовать как для отопление помещений (увидеть солнечное тепло воздуха ) и водяное отопление (увидеть солнечная горячая вода ). Конструкции солнечного отопления делятся на две группы:

  • Пассивный солнечный Отопление зависит от конструкции и конструкции дома для сбора тепла. Пассивная солнечная конструкция здания также необходимо учитывать накопление 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.[3] Площадь 4000 квадратных футов (370 м2) стоимость дома 125 долларов за квадратный фут (или 370 м2 по цене $ 1351 за м2), аналогично стоимости традиционного нового дома.
  • Активный солнечный отопление использует насосы удалить воздух или жидкость из солнечный коллектор в здание или склад. Такие приложения, как солнечное воздушное отопление и солнечное водонагревание обычно солнечное тепло улавливается панелями, которые затем могут использоваться для таких применений, как обогрев помещений и дополнение бытовых водонагревателей. В отличие от фотоэлектрические панели, 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.

Геотермальная энергия доступ к нему 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).[4]

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, находящуюся 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 циркулирует жидкость 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.[5]

Тепловые насосы

Тепловые насосы используйте работу для перемещения тепла из одного места в другое, и его можно использовать 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: воздушные тепловые насосы (ASHP) и грунтовые тепловые насосы (GSHP), в зависимости от того, передается ли тепло от воздуха или от земли. Тепловые насосы с воздушным источником не эффективны, когда температура наружного воздуха ниже, чем примерно -15 ° C, в то время как тепловые насосы с источником тепла не работают. Эффективность теплового насоса измеряется коэффициент производительности (CoP): на каждую единицу электроэнергии, использованной для перекачки тепла, тепловой насос с воздушным источником генерирует от 2,5 до 3 единиц тепла (т.е. имеет CoP от 2,5 до 3), тогда как GSHP генерирует 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.[6] Тепловые насосы могут быть подключены ксезонное хранение тепловой энергии (горячий или холодный), удваивая ЦС с 4 до 8 за счет извлечения тепла из более теплой земли.[7]

Межсезонный теплообмен

Основная статья: Сезонное хранение тепловой энергии

Тепловой насос с межсезонной теплопередачей объединяет активный сбор солнечной энергии для хранения излишков летнего тепла в тепловых банках.[8] с геотермальными тепловыми насосами для извлечения тепла для отопления помещений зимой. Это уменьшает необходимый «подъем» и удваивает КПД теплового насоса, поскольку насос запускается с теплом от теплового банка вместо холода от земли.

CoP и лифт

ЦС теплового насоса увеличивается по мере уменьшения разницы температур, или «подъема», между источником тепла и местом назначения. КПД 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 насосаТипичный вариант использованияВариация CoP теплового насоса в зависимости от выходной температуры
35 ° С
(например, стяжка с подогревом)		45 ° С
(например, низкотемпературный радиатор или стяжка пола с подогревом)		55 ° С
(например, низкотемпературный радиатор или деревянный пол с подогревом)		65 ° С
(например, стандартный радиатор или ГВС)		75 ° С
(например, стандартный радиатор и ГВС)		85 ° С
(например, стандартный радиатор и ГВС)
Высокоэффективный воздух ASHP при -20 ° C[9] 2.22.0----
Двухступенчатый ASHP воздух при -20 ° C[10]Низкая температура источника.2.42.21.9---
Высокоэффективный воздух ASHP при 0 ° C[9]Низкая температура на выходе.3.82.82.22.0--
Прототип транскритического CO
2 (R744) Тепловой насос с трехсторонним охладителем газа, источник при 0 ° C[11]		Высокая температура на выходе.3.3--4.2-3.0
Вода GSHP при 0 ° C[9] 5.03.72.92.4--
GSHP шлифованный при 10 ° C[9]Низкая температура на выходе.7.25.03.72.92.4-
Теоретическая Цикл Карно предел, источник -20 ° C 5.64.94.44.03.73.4
Теоретический предел цикла Карно, источник 0 ° C 8.87.16.05.24.64.2
Теоретический предел цикла Лоренца (CO
2 насос), возвратная жидкость 25 ° C, исходная 0 ° C[11]		 10.18.87.97.16.56.1
Теоретический предел цикла Карно, источник 10 ° C 12.39.17.36.15.44.8

Резистивный электрический нагрев

Возобновляемая электроэнергия может быть произведена с помощью гидроэнергии, солнечной энергии, ветра, геотермальной энергии и сжигания биомассы. В некоторых странах, где возобновляемая электроэнергия стоит недорого, резистивный нагрев обычное дело. В таких странах, как Дания, где дорогое электричество, не разрешается устанавливать электрическое отопление в качестве основного источника тепла.[12] Ветровые турбины имеют большую мощность ночью, когда спрос на электроэнергию невелик. аккумуляторы потребляйте эту более дешевую электроэнергию ночью и выделяйте тепло днем.

Отопление на древесных пеллетах

Дровяная печь.
Древесные пеллеты.

Отопление на древесных пеллетах и другие типы систем отопления на дровах достигли наибольшего успеха при обогреве помещений, не подключенных к газовой сети, обычно предварительно обогреваемых печным топливом или углем. Для твердого древесного топлива требуется большое количество специальных 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

Горение древесное топливо при открытом огне крайне неэффективен (0-20%) и загрязняет окружающую среду из-за низкотемпературного частичного сгорания. Точно так же, как в здании с сквозняками теряется тепло из-за потери теплого воздуха из-за плохой герметизации, открытый огонь несет ответственность за большие потери тепла, вытягивая из здания очень большие объемы теплого воздуха.

Современное дерево плита конструкции позволяют более эффективно сжигать, а затем отводить тепло. В США новые дровяные печи сертифицированы Агентство по охране окружающей среды США (EPA) и сжигать чище и эффективнее (общий КПД 60-80%)[13] и вытягивать из здания меньшие объемы теплого воздуха.

Однако не следует путать «очиститель» с «чистым». Австралийское исследование реальных выбросов дровяных обогревателей, соответствующих действующим австралийским стандартам,[14] обнаружили, что выбросы твердых частиц составили в среднем 9,4 г / кг сожженной древесины (от 2,6 до 21,7). Таким образом, обогреватель со средним расходом древесины 4 тонны в год выбрасывает 37,6 кг PM2,5, то есть частиц размером менее 2,5 микрометры. Это можно сравнить с легковой машиной, удовлетворяющей текущему Стандарты евро 5 (введен в сентябре 2009 г.) 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[15] определили PM2,5 как наиболее опасный для здоровья загрязнитель воздуха, который, по оценкам, стал причиной преждевременной смерти 492 000 человек. Следующий по величине загрязнитель - озон - стал причиной 21 000 преждевременной смерти.

Из-за проблем с загрязнением Австралийский фонд легких рекомендует использовать альтернативные средства для контроля климата.[16] 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.[17]

«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 действующим стандартам, вызывает 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.[18]

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 позволяет больше времени для отвода тепла от выхлопной газ, и потребляет меньше тепла из 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, а 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 биомасса который повышен до качества, аналогичного натуральный газ.[нужна цитата ] Повышая качество до уровня природного газа, становится возможным распределять газ среди потребителей через существующую газовую сеть.[19] По данным Центра энергетических исследований Нидерландов, возобновляемый природный газ «дешевле, чем альтернативы, в которых биомасса используется на теплоэлектроцентрали или на местной установке сжигания».[20] 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 энергоэффективность. 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 сократить потребление энергии, удешевляя обогрев и охлаждение помещения. Однако улучшить существующее жилье часто бывает сложно или дорого. Новые здания могут извлечь выгоду из многих методов суперизоляция. Старые здания можно улучшить несколькими способами:

  • Утепление сплошных стен: Здание с массивными стенами может выиграть от внутренней или внешней изоляции. Изоляция внешней стены включает добавление декоративных непогоды изоляционных панелей или другой обработки на внешней стороне 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 стен полостей: Здание с полыми стенами может получить выгоду, если в полость закачана изоляция. Эта форма изоляции очень экономична.[требуется разъяснение ][нужна цитата ].
  • Программируемые термостаты разрешить отключение обогрева и охлаждения помещения в зависимости от времени, дня недели и температуры. Например, спальню не нужно отапливать днем, но не нужно обогревать гостиную ночью.
  • Утепление крыши
  • Изолированные окна и двери
  • Черновая проверка

Пол с подогревом

Пол с подогревом иногда могут быть более энергоэффективными, чем традиционные методы отопления:

  • Вода циркулирует в системе при низких температурах (35 ° C - 50 ° C), что значительно повышает эффективность газовых котлов, дровяных котлов и тепловых насосов.
  • 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 плохо изолированными окнами, нагревая их без надобности.

Рекуперация тепла сточных вод

Утилизация тепла.

Значительное количество тепла из отработанной горячей воды можно утилизировать с помощью рециркуляция тепла горячей воды. Основное потребление горячей воды - это раковины, душевые, ванны, посудомоечные машины и стиральные машины. В среднем 30% горячей воды в доме используется для принятия душа.[21] 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 нагревания поступающей холодной пресной воды теплом исходящих сточных вод.

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ Отчет Департамента торговли и промышленности Кратко об энергетике Великобритании июль 2007 г., стр. 25 В архиве 27 мая 2008 г. Wayback Machine (URL доступен в мае 2008 г.)
  2. ^ Призыв правительства Великобритании предоставить данные о жаре, Управление по изменению климата, январь 2008 г. «Призыв к доказательствам», параграфы 11 и 12 В архиве 27 мая 2008 г. Wayback Machine (URL доступен в мае 2008 г.)
  3. ^ «Солнечный дом, солнечный дом, солнечный дом, солнечный дом». Solarhouseproject.com. Получено 2013-10-02.
  4. ^ «Обзор основ геотермальной энергетики». Управление энергоэффективности и возобновляемых источников энергии. Архивировано из оригинал на 2008-10-04. Получено 2009-06-25.
  5. ^ «Что такое геотермальная энергия? - Совет по геотермальным ресурсам». Geothermal.org. 2013-01-22. Архивировано из оригинал на 2013-10-05. Получено 2013-10-02.
  6. ^ Земляные тепловые насосы: затраты, экономия и финансовая поддержка В архиве 2 декабря 2016 г. Wayback Machine Дата обращения 2 декабря 2016.
  7. ^ "GSHP | Земляные тепловые насосы | GSHP | Отопление из грунтовых источников | Коэффициент полезного действия CoP | КПД грунтовых тепловых насосов | Накопители тепловой энергии". Icax.co.uk. Получено 2013-10-02.
  8. ^ «Тепловые банки хранят тепло между сезонами | Сезонное хранение тепла | Тепловые банки от ICAX сокращают выбросы углерода | Хранение тепловой энергии с использованием межсезонных аккумуляторов тепла | Подземное аккумулирование тепловой энергии UTES | Многоразовое тепло». Icax.co.uk. Получено 2013-10-02.
  9. ^ а б c d Канадская сеть возобновляемых источников энергии «Коммерческие земные энергетические системы», рисунок 29. Проверено 29 июля 2009 года.
  10. ^ Технический институт физики и химии Китайской академии наук «Современное состояние тепловых насосов с воздушным источником для холодных регионов», рис.. Проверено 19 апреля 2008 года.
  11. ^ а б SINTEF Energy Research 'Интегрированный CO2 Системы тепловых насосов для отопления помещений и горячего водоснабжения в энергосберегающих и пассивных домах », Дж. Стин, Таблица 3.1, Таблица 3.3 В архиве 2009-03-18 на Wayback Machine. Проверено 19 апреля 2008 года.
  12. ^ http://www.seas.columbia.edu/earth/wtert/sofos/DEA_Heat_supply_in_denmark.pdf
  13. ^ «Гореть чисто: горячие советы для лучшего огня» (PDF). Агентство по охране окружающей среды.
  14. ^ «Измерение реальных коэффициентов выбросов PM10 и профилей выбросов от древесных обогревателей с помощью мониторинга источников на месте и методов проверки атмосферы». Environment.gov.au. 2009-09-16. Получено 2013-10-02.
  15. ^ «Оценка воздействия на здоровье PM2,5 на европейском уровне, Технический документ ETC / ACC 2009/1». Air-climate.eionet.europa.eu. 2009-06-29. Архивировано из оригинал на 2010-07-22. Получено 2013-10-02.
  16. ^ [1] {date = 2014-06-01}
  17. ^ «Американская ассоциация легких предостерегает от сжигания древесины и призывает к более чистым альтернативам от зимней жары - Американская ассоциация легких». Lungusa.org. 2008-09-29. Получено 2013-10-02.
  18. ^ «Австралийские дровяные обогреватели в настоящее время увеличивают глобальное потепление и затраты на здоровье», Дороти Л. Робинсон, Исследование загрязнения атмосферы, статья в прессе, Дои:10.5094 / APR.2011.033
  19. ^ "'Экологичный газ попадает в европейскую газораспределительную систему'" (PDF). Dgc.dk. Получено 2013-10-02.
  20. ^ Центр энергетических исследований Нидерландов «Тепло из биомассы через синтетический природный газ». Проверено 22 марта 2006 года.
  21. ^ http://www.nrel.gov/docs/fy10osti/47685.pdf pg5

внешние ссылки