Как лучше всего реализовать декарбонизацию зданий с помощью тепловых насосов

Цели обучения

• Получите представление о неэффективности, сбоях и эксплуатационных расходах паровых систем.
• Определите стратегии оптимизации, гибридизации и полного перевода существующих систем на электрические альтернативы.
• Поймите ключевые проблемы, связанные с проектами по конверсии паровой энергии в гидравлическую, а также финансовое обоснование паровой декарбонизации.

Аналитика по декарбонизации

• Поэтапный подход к декарбонизации паровой системы может сократить выбросы, одновременно повышая энергоэффективность и снижая эксплуатационные расходы.
• Тепловые насосы и рекуперация тепла снижают потребность в пару и способствуют электрификации.

Дорожная карта поэтапной технической декарбонизации предлагает четкий и практический путь для инженеров-механиков, руководителей предприятий и специалистов по устойчивому развитию к созданию плана полностью электрифицированного отопления. Сначала оптимизируя существующую систему, затем стратегически гибридизируя ее с электрификацией и, в конечном итоге, переходя на низкотемпературное водяное отопление, здания могут постепенно снижать интенсивность выбросов углекислого газа, повышать энергоэффективность и снижать затраты на эксплуатацию и техническое обслуживание (см. Рисунок 1).

Рисунок 1. Дорожная карта поэтапной паровой декарбонизации. С разрешения: Affiliated Engineers Inc.

Исторически паровое тепло было основным методом подачи тепла на протяжении большей части 20-го века и остается важным источником тепла для многих коммерческих зданий и систем кампуса. Способность передавать огромное количество энергии через относительно небольшие трубы сделала пар очевидным выбором для высотных зданий и сетей централизованного теплоснабжения, обслуживающих густонаселенные городские центры. В таких городах, как Нью-Йорк и Чикаго, в конце 19 века были построены централизованные сети распределения пара, которые действуют до сих пор.

Термодинамические преимущества, которые сделали пар привлекательным несколько десятилетий назад, теперь работают против владельцев зданий, стремящихся снизить выбросы парниковых газов. Отказ от газовых или паровых котлов, работающих на жидком топливе, является непростой задачей и требует полной оценки конструкции отопления здания.

Плотность энергии пара позволяла первым инженерам-механикам отапливать огромные здания с трубами небольшого диаметра, а естественный перепад давления между котлом и оконечными устройствами возвращал конденсат обратно на станцию ​​с помощью относительно небольших конденсатных насосов или вакуумного возврата.

Для больших зданий, построенных до появления насосов с регулируемой скоростью, современных средств управления и эффективных двигателей, это были настоящие инженерные преимущества. Но те же характеристики, которые сделали пар мощным, теперь являются источниками неэффективности и выбросов углекислого газа.

КПД обычного парового котла в лучшем случае составляет около 85 %, и эти системы почти всегда работают на природном газе или нефти. Старые паровые котлы обычно имеют ограниченные возможности регулирования температуры, что на практике может привести к перепроизводству и сбросу избыточного тепла.

Дальнейшие потери происходят после паровой установки. В старых зданиях с оригинальной изоляцией потери при распределении могут составлять от 20% до 30% общей мощности котла. Даже в отремонтированных системах тепло по-прежнему исходит из ловушек, клапанов и других нарушений целостности изоляции. Эти потери при распределении не подлежат возмещению; они представляют собой сожженное топливо и выбросы углерода без полезного нагревательного эффекта.

Неисправности и обслуживание конденсатоотводчиков

Хотя конденсатоотводчики необходимы для слива сконденсированного пара (конденсата) без потери острого пара, они также являются серьезной точкой отказа. Типичное большое здание может иметь сотни ловушек, и исследования Министерства энергетики США показали, что уровень отказов в плохо обслуживаемых системах составляет от 15% до 25%.

Неисправно открытый конденсатоотводчик направляет острый пар непосредственно в линию возврата конденсата, тратя значительное количество энергии. Обследование ловушек и программы систематической замены могут дать экономию топлива от 10% до 20%.

Для эффективной работы паровая система требует значительного технического обслуживания. В большинстве юрисдикций США котел, работающий с давлением более 15 фунтов на квадратный дюйм, требует присутствия лицензированного стационарного инженера или оператора пара на месте, когда система находится в эксплуатации. Для больницы, университета или крупного коммерческого здания, где круглосуточно используется паровое отопление, это означает, что несколько лицензированных операторов работают в три смены семь дней в неделю. Низкотемпературные водогрейные котлы (LTHW) и системы тепловых насосов, напротив, в большинстве юрисдикций классифицируются как оборудование низкого или безнапорного оборудования и могут эксплуатироваться с гораздо меньшими требованиями к персоналу.

Финансовые и нормативные требования отдают предпочтение тепловым насосам

Финансовое обоснование паровой декарбонизации исторически подвергалось сомнению из-за длительных простых сроков окупаемости и высокой капиталоемкости конверсии системы. Эти расчеты меняются под действием трех сил: нормативных требований, коммунальных и государственных стимулов и более сложного подхода к оценке инвестиций.

Многие юрисдикции с агрессивными целями по сокращению выбросов парниковых газов внедряют стандарты, которые наказывают здания, которые не работают должным образом. Например, Местный закон № 97 города Нью-Йорка накладывает ограничения на интенсивность выбросов углекислого газа на здания площадью более 25 000 квадратных футов со штрафами в размере 268 долларов США за метрическую тонну углекислого газа (CO₂) сверх порогового значения. Для большого здания с паровой установкой эти штрафы могут достичь сотен тысяч долларов ежегодно к 2030 году, если не будут приняты меры. Подобные программы разрабатываются по всей территории США.

Скидки на коммунальные услуги при установке тепловых насосов могут снизить затраты на установку на 10–30 %, если таковые имеются. Программы грантов на уровне штата, особенно в штатах с агрессивными мандатами по декарбонизации зданий, обеспечивают дополнительный капитал для проектов, которые в противном случае не имели бы финансового смысла. Поскольку изменения в нормативно-правовой базе привели к изменениям в программах стимулирования, инженерам и владельцам зданий следует напрямую обращаться к местным коммунальным предприятиям, чтобы понять новейшие структуры стимулирования.

Для владельцев институциональных зданий, таких как университеты, системы здравоохранения и крупные корпорации, экологические, социальные и управленческие аспекты добавляют уровень стратегической ценности, который не проявляется в традиционной инженерной экономике. Здания, которые могут продемонстрировать низкий или нулевой эксплуатационный уровень выбросов углерода, способствуют институциональным обязательствам по нулевому выбросу, поддерживают отчетность об устойчивом развитии и все чаще учитываются при рейтингах облигаций и инвестиционных решениях. Концепция «окупаемости от устойчивости» отражает эту более широкую ценность: декарбонизированные здания менее подвержены волатильности цен на топливо, нормативным рискам и репутационным рискам.

Этап 1. Оптимизация производительности

Прежде чем какие-либо инвестиции в электрификацию приобретут смысл, необходимо довести существующую систему отопления до максимальной эффективности. Этот этап требует наименьших затрат, несет наименьший риск и часто обеспечивает самую быструю финансовую отдачу. Он также устанавливает исходные данные, такие как фактические профили нагрузки, коэффициенты потерь и состояние оборудования, которые определяют последующие решения и требования к будущей системе отопления.

Ретро-ввод в эксплуатацию (RCx): Исследование RCx может проверить производительность механических, электрических систем и систем управления, а также задокументировать неэффективность эксплуатации, накопившуюся из-за отложенного технического обслуживания, смены арендаторов и многолетних корректировок системы. Типичное использование RCx в здании с паровым отоплением выявит такие проблемы, как одновременное отопление и охлаждение, отклонения элементов управления от калибровки и заданные значения давления пара, которые были консервативно установлены десятилетия назад и никогда не пересматривались.

RCx и другие исследования характеристик зданий также могут предоставить ценную информацию о тепловых нагрузках и эксплуатационном поведении, которую можно использовать для подбора правильного размера будущей системы отопления, а не полагаться на устаревшие оценки пиковой потребности в отоплении. Они могут обеспечить более глубокое понимание возможностей управления и мониторинга существующей системы, выявляя пробелы в управляемости и возможности улучшения работы системы.

Снижение тепловой нагрузки: Может быть выгодно рассмотреть возможность другой модернизации здания, которую можно провести до замены паровой системы, поскольку снижение тепловой нагрузки уменьшит размер и стоимость заменяющей системы. Примеры мер по повышению энергоэффективности, которые могут снизить отопительную нагрузку:

• Высокопроизводительная замена окон
• Повышенная изоляция стен и крыши
• Герметизация и защита от атмосферных воздействий
• Уменьшение/изменение размера вентиляционного потока
• Рекуперация тепла воздух-воздух

По отдельности эти меры по снижению нагрузки могут не обеспечить достаточную экономию затрат на электроэнергию, чтобы оправдать первоначальные затраты. Но при оценке вместе с новой декарбонизированной системой отопления снижение пиковой мощности отопления может оказаться более экономически эффективным и эффективным.

Этап 2: Стратегическая гибридизация

Когда паровая система работает эффективно, на следующем этапе вводятся электрические альтернативы для нагрузок, которые можно отделить от центральной паровой установки с управляемым нарушением работы. Цель состоит не в том, чтобы заменить пар повсюду одновременно, а в том, чтобы определить подсистемы, в которых электрификация имеет непосредственный технический и экономический смысл. Новые технологии могут снизить общую нагрузку на котельную, работающую на ископаемом топливе, и повысить компетентность операторов.

Горячая вода для бытового потребления (ГВС) в точке использования: Производство горячей воды обычно является одной из крупнейших и наиболее стабильных паровых нагрузок в коммерческих и институциональных зданиях. Паро-водяные теплообменники, обслуживающие резервуары-хранилища ГВС, работают круглый год, в том числе в летние месяцы, когда котельная может работать исключительно для обслуживания этой единственной нагрузки.

Замена центрального парового ГВС на водонагреватели с тепловым насосом устраняет значительную паровую нагрузку и позволяет полностью отключать котлы в теплые месяцы. Водонагреватели с тепловым насосом обычно работают с коэффициентом полезного действия (COP) от 3,0 до 4,5, что означает, что они производят в три-четыре раза больше полезной тепловой энергии, чем потребляемая ими электроэнергия. Исторически водонагреватели с тепловым насосом с трудом могли производить воду до порога температуры 140 ° F, необходимого для хранения горячей воды в соответствии со стандартом ASHRAE 188: Легионеллез: управление рисками для систем водоснабжения зданий, директива 12, но новые продукты на рынке, такие как тепловые насосы с хладагентом CO2, способны удовлетворить эти требования в широком диапазоне условий.

Рекуперация тепла и интеграция отработанного тепла: Здания с круглогодичной нагрузкой на охлаждение, такие как центры обработки данных, лаборатории и коммерческие кухни, часто отбрасывают значительные количества низкопотенциального тепла через системы охлажденной воды, рассеивая его наружу через устройства отвода тепла, такие как градирня.

Чиллеры с рекуперацией тепла, также известные как тепловые насосы типа «вода-вода», могут улавливать это отходящее тепло для предварительного кондиционирования питательной воды котла, выработки горячей воды для бытовых нужд или подачи воды в низкотемпературные зоны отопления. Эта стратегия особенно привлекательна, поскольку она повышает общую энергоэффективность здания при одновременном снижении спроса на тепло (см. Рисунок 2).

Рис. 2. Чиллеры с рекуперацией тепла центральной установки. С разрешения: Affiliated Engineers Inc.

Плечо с eason o работа : Одним из наиболее устойчивых недостатков в работе паровой электростанции является необходимость поддерживать в котле рабочее давление даже тогда, когда отопительные нагрузки здания минимальны, например, в весенний и осенний межсезонья или в мягкую погоду. Это неотъемлемая проблема конструкции больших паровых котлов. Обычно не рекомендуется включать и выключать эти системы из-за технических сложностей с перезапуском этих систем, когда они остынут.

Электрические паровые котлы могут служить первой ступенью отопления в периоды низкой нагрузки, позволяя газовому оборудованию оставаться выключенным большую часть года. Если электрический котел рассчитан на эту базовую тепловую нагрузку, то первоначальные затраты будут более управляемыми и с меньшей вероятностью потребуют значительной модернизации электрооборудования.

Этап 3: Полный переход на LTHW и тепловые насосы

Полное исключение пара требует самых значительных инвестиций и тщательного проектирования, но это наиболее практичный путь к полной декарбонизации отопления зданий. Центральной проблемой является термодинамическое несоответствие: паровые системы рассчитаны на температуру подачи, превышающую 212°F, в то время как наиболее эффективные технологии тепловых насосов обеспечивают температуру в диапазоне от 120°F до 150°F. Для устранения этого разрыва необходимо уделить внимание трем взаимосвязанным системам: центральному заводу, распределительной инфраструктуре и терминальным узлам.

Технологии тепловых насосов центральной электростанции: Самый прямой путь замены паровых газовых котлов — электрорезистивными или электродными котлами. Однако эти типы котлов имеют практические проблемы при внедрении. Несмотря на то, что электрические котлы обычно работают с КПД от 95% до 99%, розничные тарифы на электроэнергию обычно в три-пять раз выше, чем тарифы на природный газ, что приводит к увеличению эксплуатационных затрат на электроэнергию. Кроме того, во многих существующих зданиях не хватает резервной электрической мощности для установки электрического котла, рассчитанного на пиковую тепловую нагрузку, что приводит к дорогостоящей модернизации электроснабжения здания.

Технология тепловых насосов гораздо более эффективна, чем электрические котлы, помогая снизить более высокие затраты на электроэнергию и одновременно свести к минимуму модернизацию электрической инфраструктуры. В зависимости от типа технологии теплового насоса и условий окружающей среды коэффициент COP может находиться в диапазоне от 2 до 5 и выше. Современные воздушные тепловые насосы для холодного климата сохраняют номинальную мощность до -13°F, что делает их подходящими для большинства климатических условий Северной Америки. Тепловые насосы с источником воды, работающие от геотермальных контуров заземления или систем рекуперации тепла сточных вод, предлагают более высокие и более стабильные КПД, но требуют технико-экономического обоснования для конкретного объекта.

Для предприятий с технологическими нагрузками, которым действительно необходим пар (больничные стерилизаторы, лабораторные автоклавы и предприятия общественного питания), промышленные тепловые насосы, способные генерировать пар низкого давления с КПД в диапазоне от 1,2 до 1,4, являются новой технологией, которая требует оценки по мере развития рынка.

Инфраструктура трубопроводов: Преобразование двухтрубной паровой системы в двухтрубную гидравлическую систему является наиболее капиталоемким элементом полной конверсии. В паровых системах используется одна труба для подачи и одна для возврата конденсата; для гидравлической системы требуются такие же отдельные системы, но часто большего размера, чем существующие паровые системы, которые они заменяют, поскольку горячая вода не такая энергоемкая, как высокотемпературный пар под давлением. Существующие паровые трубы следует оценить на предмет переоборудования в систему горячего водоснабжения, хотя размер труб, состояние материалов и конфигурация могут оказаться неподходящими. Там, где требуется замена труб, часто требуется поэтапное выполнение проекта, чтобы свести к минимуму нарушение работы жильцов.

Замена оконечного устройства: Системы LTHW работают при температуре подаваемой горячей воды в диапазоне от 120°F до 150°F. Поскольку паровая система обычно работает при гораздо более высоких температурах, переход на LTHW может потребовать изменения размеров радиаторов и змеевиков в вентиляционных установках, чтобы обеспечить достаточную мощность для выдерживания тепловых нагрузок.

Чугунные паровые радиаторы являются плохими кандидатами для эксплуатации в режиме LTHW, поскольку их масса и площадь поверхности рассчитаны с учетом перепада высоких температур, получаемого от пара. Варианты замены включают фанкойлы, низкотемпературные панельные радиаторы и теплые полы. Каждый вариант имеет различное пространство, стоимость и акустические последствия, которые необходимо оценивать в контексте.

Эффективным методом оценки змеевиков является тестирование температуры горячей воды. Оператор здания может постепенно снижать настройки горячей воды на 5°F до заданного целевого значения, одновременно отслеживая температуру в критически важных помещениях. Это тестирование может помочь проектировщикам понять, в каких помещениях потребуются змеевики измененного размера и где существующее оборудование уже может обеспечивать достаточное тепло при более низких температурах горячей воды (см. Рисунок 3).

Рисунок 3: Трубопроводы низкотемпературной горячей воды после переоборудования. С разрешения: Affiliated Engineers Inc.

Инженерные задачи

В проектах по переработке пара в воду возникает ряд проблем, которые требуют особого внимания в процессе проектирования.

Определение размера пиковой нагрузки, пожалуй, наиболее важное проектное решение. Инженеры, привыкшие рассчитывать паровые котлы для наихудших расчетных условий, должны противостоять искушению применить ту же методологию непосредственно к теплонасосным установкам. Тепловые насосы наиболее экономически эффективны при мощности от 80% до 90% пиковой нагрузки, с дополнительным электрическим сопротивлением или с сохраненным небольшим газовым котлом, рассчитанным на самые холодные часы года — гибридная конфигурация установки, которая значительно снижает капитальные затраты при сохранении надежности.

Интеграция элементов управления на этапах оптимизации и гибридизации также создает сложности, которые необходимо учитывать при проектировании преобразования. Здание, в котором заменены паровые котлы с множеством компонентов, таких как тепловые насосы ГВС, охладители с рекуперацией тепла и электрические котлы, требует последовательной стратегии автоматизации здания для управления всеми этими системами как единым целым.

Перевод заводского оборудования с паровых котлов на альтернативу на базе тепловых насосов требует дополнительных соображений из-за различных характеристик оборудования. Замена газовых или жидкотопливных котлов на тепловые насосы с электрическим приводом увеличит требования к электроснабжению и может привести к необходимости существенной модернизации электрической инфраструктуры, поддерживающей здание.

Подходы к проектированию резервирования или резервирования для здравоохранения и критической инфраструктуры могут различаться из-за эксплуатационных характеристик тепловых насосов и более сложных схем управления. Кроме того, системы тепловых насосов могут иметь требования к пространству, которые не позволяют повторно использовать существующие механические помещения паровой установки, особенно воздушные тепловые насосы, которые должны иметь доступ к наружному воздуху для передачи тепла. Все эти проблемы можно решить с помощью соответствующих конструктивных решений, и важно отметить, что паровая конверсия редко представляет собой простую замену одной части оборудования на другую.

Публикация «Как лучше всего реализовать декарбонизацию зданий с помощью тепловых насосов»