Porównanie ekonomiczne systemów ogrzewania i chłodzenia w ciepłym klimacie

Streszczenie

Systemy energetyczne sieciowe są powszechnie uznawane za zrównoważone i przyszłościowe rozwiązanie dla zaspokajania miejskich potrzeb grzewczych w zimnych klimatach. Pytanie pozostaje jednak, czy można je stosować w klimatach wymagających zarówno ogrzewania, jak i chłodzenia budynków. Podczas gdy systemy ciepłownicze są tradycyjnie projektowane tak, aby spełniać zapotrzebowanie na ogrzewanie lub chłodzenie, najnowsze projekty systemów oferują możliwość zintegrowania zarówno zapotrzebowania na ogrzewanie, jak i chłodzenie w tym samym systemie. Wspólną cechą tych systemów są niskie temperatury pracy, co daje użytkownikowi końcowemu możliwość wykorzystania sieci jako źródła ciepła lub pochłaniacza ciepła dla własnych pomp ciepła. Ci użytkownicy końcowi są powszechnie nazywani prosumentami, ponieważ mogą zarówno pobierać, jak i dostarczać energię cieplną na użytecznych poziomach temperatury do sieci ciepłowniczej. W tym dokumencie porównano zrównane koszty ogrzewania i chłodzenia w celu spełnienia zapotrzebowania na ogrzewanie przestrzeni, chłodzenie pomieszczeń i ciepłą wodę użytkową w dzielnicy z mieszanką nowych i starych budynków w Rzymie we Włoszech, poprzez zastosowanie niskotemperaturowej sieci cieplnej (4GDHC), ultraniskotemperaturowej sieci cieplnej (5GDHC) oraz rozwiązań ogrzewania i chłodzenia na poziomie budynku. Wyniki wskazują, że 4GDHC jest najbardziej konkurencyjnym rozwiązaniem w zakresie ogrzewania i chłodzenia dla danego przypadku. 

Wprowadzenie

Sieć ciepłownicza to terminologia stosowana do centralnych systemów ciepłowniczych. Energia sieciowa obejmuje dwie koncepcje: ciepłownictwo, które obejmuje centralnie wytworzone zasilanie ciepłem w celu potrzeb grzewczych podłączonych odbiorców, oraz chłodzenie sieciowe , który w przeciwieństwie do sieci ciepłowniczych jest systemem odprowadzania ciepła od podłączonych uzytkowników i odprowadzania go w odpowiednim miejscu centralnym. Zarówno ogrzewanie sieciowe , jak i chłodzenie sieciowe mają swoje korzenie w latach 80. XIX wieku i zostały sklasyfikowane na generacje na podstawie ich głównych osiągnięć. 

Historiczny rozwój ciepłownictwa, od systemu pary wodnej o wysokiej temperaturze, 1. generacji, do systemu niskotemperaturowego i wieloźródłowego, 4. generacji, opisany został w [1]. W [2] zdefiniowano ultraniskotemperaturowy system ciepłowniczy i chłodzący, powszechnie nazywany siecią cieplną i chłodzącą 5. generacji (5GDHC). Cechą definiującą 5GDHC jest wymóg stosowania pomp ciepła na poziomie budynku w celu podwyższenia temperatury dostarczanej przez system do poziomu niezbędnego do zaspokojenia zapotrzebowania użytkowników końcowych na ogrzewanie lub chłodzenie. Innymi słowy, zasadnicza różnica polega na przejściu z wykorzystania bezpośrednio użytecznych poziomów temperatury do spełnienia wymagań termicznych użytkownika końcowego na źródło ciepła do świadczenia usług jako źródło i pochłaniacz ciepła dla pomp ciepła na poziomie budynku. Ze względu na aktywną wymianę ciepła z siecią użytkownicy końcowi mogą zasadniczo pomagać w utrzymaniu równowagi cieplnej sieci dystrybucyjnej, dlatego użytkownicy końcowi są często uważani za prosumentów [3], [4]. Wymaga to jednak luźnej definicji pojęcia prosument, co zazwyczaj odnosi się do użytkownika końcowego obsługującego własną elektrownię w celu zaspokojenia swoich potrzeb energetycznych i dostarczającego nadwyżkę produkcji energii do sieci energetycznej [5]. W systemie 5GDHC użytkownicy końcowi dostarczają niepotrzebne strumienie odpadów do sieci, np. nie wytwarzają aktywnie energii cieplnej dla systemu. W [6] i [7] argumentuje się, że 5GDHC nie jest zgodny z pierwotną definicją generacji sieci ciepłowniczej, ze względu na indywidualny charakter wytwarzania ciepła, ale należy go uznać za obiecującą technologię o własnych zaletach.

Historiczny rozwój centralnego układu chłodzenia opisano w [8], gdzie 1. generacja to przemysłowy układ chłodniczy, a następnie 2. generacja, która zmienia medium dystrybucyjne na wodę i stosuje ekonomię skali, 3. generacja, która jest definiowana przez dywersyfikację źródeł chłodzenia, a 4. generacja, która umieszcza sieci chłodnicze w inteligentnym systemie energetycznym. W przeciwieństwie do systemów ciepłowniczych, systemy chłodnicze są zazwyczaj budowane do zaspokajania zapotrzebowania na chłodzenie w dużych budynkach przez cały rok, takich jak budynki biurowe, centra handlowe i budynki, które oprócz obciążeń związanych z chłodzeniem ze względu na warunki klimatyczne mają zapotrzebowanie na chłodzenie ze względu na wewnętrzne wzrosty ciepła, takie jak wentylacja, kontrola wilgotności i działanie urządzeń elektronicznych.

Wraz z przejściem z sieci ciepłowniczych opartych na paliwach kopalnych ogrzewanie sieciowe jest dobrze pozycjonowane, aby stać się wiodącym systemem dostarczania ciepła do obszarów miejskich w regionach z dominującym zapotrzebowaniem na ciepło. Pytanie pozostaje jednak, w jaki sposób odpowiednia sieć ciepłownicza jest porównywana z indywidualnymi pompami ciepła do zastępowania ogrzewania gazem ziemnym w regionach z zapotrzebowaniem zarówno na ogrzewanie, jak i chłodzenie. Zaletą indywidualnych pomp ciepła w ciepłych klimatach jest niemalże zastąpienie jeden-do-jednego istniejących kotłów gazowych oraz prosta zmiana zasilania energią napędową z sieci gazowej na sieć energetyczną Dodatkowo, pompa ciepła umożliwi zaspokojenie zapotrzebowania na ciepłą wodę użytkową (CWU), ogrzewanie przestrzeni oraz chłodzenie przy użyciu tego samej jednostki. Ta indywidualna elektryfikacja zapotrzebowania na ciepło może jednak stwarzać wyzwania dla sieci energetycznej, a mianowicie wymagać potencjalnego wzmocnienia sieci oraz dużej zdolności do generowania energii odnawialnej, która będzie nieaktywna przez dużą część roku ze względu na sezonowość zapotrzebowania na ciepło w budynkach.

O autorze: