Холодное централизованное теплоснабжение - это технический вариант сети централизованного теплоснабжения, который работает при низких температурах передачи, значительно ниже, чем в традиционных системах централизованного теплоснабжения, и может обеспечивать как отопление, так и охлаждение . Температуры трансмиссии в диапазоне прибл. Обычно температура составляет от 10 до 25 ° C, что позволяет различным потребителям одновременно и независимо друг от друга нагревать и охлаждать. Производство горячей воды и обогрев здания осуществляется водяными тепловыми насосами , которые получают свою тепловую энергию от тепловой сети, а охлаждение может осуществляться либо напрямую через холодную тепловую сеть, либо, при необходимости, косвенно через чиллеры . Местное холодное отопление иногда также называютсеть анергия . В научной терминологии собирательный термин для таких систем - централизованное теплоснабжение и охлаждение 5-го поколения . Благодаря возможности полностью использовать возобновляемые источники энергии и в то же время способствовать уравновешиванию колебаний производства ветряных турбин и фотоэлектрических систем , холодные локальные тепловые сети считаются многообещающим вариантом для устойчивого, потенциально парникового газа и тепла без выбросов. поставлять.
Условия [ править ]
По состоянию на 2019 год описанные здесь тепловые сети пятого поколения еще не получили единого названия, а также существуют различные определения общей технической концепции. В англоязычной технической литературе используются термины низкотемпературное централизованное отопление и охлаждение (LTDHC), низкотемпературные сети (LTN), холодное централизованное теплоснабжение (CHD) и сети Anergy или сеть Anergy . Кроме того, в некоторых публикациях имеются противоречия в определениях в определении границ «теплых» сетей централизованного теплоснабжения, поскольку некоторые авторы рассматривают низкотемпературное централизованное теплоснабжение и охлаждение, а также сверхнизкотемпературное централизованное теплоснабжение.как подчиненные формы централизованного теплоснабжения 4-го поколения. Кроме того, определение так называемых сетей low-ex позволяет классифицировать их как четвертого, так и пятого поколения. [1]
История [ править ]
Первая холодная сеть централизованного теплоснабжения - это тепловая сеть в Арцберге в Верхней Франконии, Германия. На электростанции в Арцберге, которая с тех пор была остановлена, неохлажденная охлаждающая вода забиралась между конденсатором турбины и градирней и направлялась по трубопроводу в различные здания, где затем использовалась в качестве источника тепла для тепловых насосов. Он использовался для обогрева школы и бассейна, а также различных жилых домов и коммерческих предприятий. [2]
Еще одна очень ранняя установка была введена в эксплуатацию в Вульфене в 1979 году. Там 71 здание снабжалось тепловой энергией, которая бралась из грунтовых вод. Наконец, в 1994 году была открыта первая сеть холодного отопления, использующая отходящее тепло промышленной компании, текстильной компании. Также в 1994 году (по словам Пеллегрини и Бьянкини уже в 1991 году [3] ) в швейцарской деревне Обервальд была построена холодная локальная тепловая сеть, которая работает на просачивающейся воде из базового туннеля Фурка . [1]
По состоянию на январь 2018 года в Европе эксплуатировалось 40 турбин, по 15 в Германии и Швейцарии. Большинство проектов были пилотными установками с тепловой мощностью от нескольких 100 кВтч до однозначного диапазона МВт, самая большая установка имела мощность прибл. 10 МВтт. В 2010-е добавлялось около трех заводов в год. [1]
Концепция [ править ]
Холодные тепловые сети - это тепловые сети, которые работают при очень низких температурах (обычно от 10 до 25 ° C). Они могут питаться от множества часто регенерируемых источников тепла и позволяют одновременно производить тепло и холод. Поскольку рабочих температур недостаточно для производства горячей воды и тепла, температура у потребителя повышается до необходимого уровня с помощью тепловых насосов . Таким же образом можно производить холод, а отходящее тепло возвращать в тепловую сеть. Таким образом, подключенные потребители являются не только потребителями, но также могут выступать в качестве просьюмеров , которые могут либо потреблять, либо производить тепло в зависимости от обстоятельств. [1]
Концепция холодных локальных тепловых сетей основана на использовании тепловых насосов грунтовых вод и тепловых насосов открытого типа. В то время как первые в основном используются для снабжения индивидуальных домов, вторые часто используются в коммерческих зданиях, которые имеют потребности как в отоплении, так и в охлаждении и должны удовлетворять эти потребности параллельно. Холодное локальное отопление распространяет эту концепцию на отдельные жилые районы или районы. Подобно обычным геотермальным тепловым насосам, холодные локальные тепловые сети имеют преимущество перед воздушными тепловыми насосами в том, что они работают более эффективно из-за более низкой разницы температур между источником тепла и температурой отопления. Однако по сравнению с геотермальными тепловыми насосами холодные локальные тепловые сети имеют дополнительное преимущество, заключающееся в том, что даже в городских районах, где проблемы с пространством часто не позволяют использовать геотермальные тепловые насосы,тепло может храниться сезонно с помощью центрального аккумулирования тепла, и, кроме того, различные профили нагрузки в разных зданиях могут обеспечивать баланс между потребностями в отоплении и охлаждении.[1]
Холодное централизованное теплоснабжение особенно подходит там, где есть разные типы зданий (жилые, коммерческие, супермаркеты и т. Д.), И поэтому существует потребность как в отоплении, так и в охлаждении, что позволяет сбалансировать энергию в течение коротких или длительных периодов времени. В качестве альтернативы, сезонные системы хранения тепла позволяют поддерживать баланс спроса и предложения энергии. Используя различные (отходящие) источники тепла и комбинируя источники тепла и поглотители тепла, можно также создать синергетический эффект, а теплоснабжение можно далее развивать в направлении экономики замкнутого цикла . Кроме того, низкая рабочая температура холодно-отопительных сетей позволяет отводить малопригодное низкотемпературное отходящее тепло.в сеть несложным способом. В то же время низкая рабочая температура значительно снижает тепловые потери в тепловой сети, что ограничивает потери энергии, особенно летом, когда потребность в тепле небольшая. Годовой коэффициент полезного действия тепловых насосов также относительно высок, особенно по сравнению с тепловыми насосами с воздушным питанием. Исследование 40 систем, введенных в эксплуатацию до 2018 года, показало, что тепловые насосы достигли сезонного COP не менее 4 для большинства исследованных систем; самые высокие сезонные значения COP были около 6. [1]
Технологически холодные тепловые сети являются частью концепции интеллектуальных тепловых сетей. [1]
Компоненты [ править ]
Источники тепла [ править ]
В качестве поставщиков энергии для сети холодного отопления можно рассматривать различные источники тепла, в частности возобновляемые источники, такие как земля, вода, коммерческие и промышленные отходы тепла, солнечная тепловая энергия и окружающий воздух, которые могут использоваться по отдельности или в комбинации. [1] Благодаря модульной конструкции холодных локальных тепловых сетей, новые источники тепла могут постепенно развиваться по мере дальнейшего расширения сети, так что более крупные тепловые сети могут питаться из множества различных источников. [4]
На практике почти неисчерпаемыми источниками являются, например, морская вода , реки , озера или грунтовые воды . Из 40 сетей холодного теплоснабжения, действующих в Европе по состоянию на январь 2018 года, 17 использовали водные объекты или грунтовые воды в качестве источника тепла. Вторым по значимости источником тепла была геотермальная энергия.. Обычно доступ к нему осуществляется через геотермальные скважины с использованием вертикальных скважинных теплообменников. Однако также можно использовать поверхностные коллекторы, такие как агротермальные коллекторы. В этом случае горизонтальные коллекторы вспахиваются в сельскохозяйственных угодьях на глубине от 1,5 до 2 м, то есть ниже рабочей глубины сельскохозяйственных машин, которые могут при необходимости извлекать тепло из почвы. Эта концепция, допускающая дальнейшее использование в сельском хозяйстве, была реализована, например, в сети холодного теплоснабжения в немецком городе Вюстенрот . [1]
Кроме того, существуют сети холодного отопления, которые извлекают геотермальную энергию из туннелей и заброшенных угольных шахт . Также можно использовать отходящее тепло промышленных и торговых предприятий. Например, две сети холодного отопления в Аурихе и Херфорде используют отработанное тепло молочных заводов, а другой завод в Швейцарии использует отработанное тепло электростанции, работающей на биомассе, а другая сеть холодного отопления использует отработанное тепло текстильной компании. Другие возможные источники тепла включают солнечную тепловую энергию (особенно для регенерации геотермальных источников и зарядных накопительных резервуаров), большие тепловые насосы, использующие тепло окружающей среды, канализационную систему, комбинированное производство тепла и электроэнергии.установки и котлы пиковой нагрузки, работающие на биомассе или ископаемом топливе, для поддержки других источников тепла. Низкие рабочие температуры сетей холодного отопления особенно благоприятны для солнечных тепловых систем, когенерационных установок и рекуперации отработанного тепла, поскольку они могут работать с максимальной эффективностью в этих условиях. В то же время сети холодного отопления позволяют промышленным и коммерческим компаниям с потенциалом сбросного тепла, таким как супермаркеты , центры обработки данных и т. Д., Подавать тепловую энергию в сеть без каких-либо серьезных финансовых вложений, поскольку на уровне температуры холодного отопления сетей, возможна прямая подача тепла без теплового насоса. [1]
Еще одним источником тепла может быть обратная линия обычных сетей централизованного теплоснабжения. [1] Если рабочая температура холодной тепловой сети ниже температуры почвы, сама сеть также может поглощать тепло из окружающей почвы. В этом случае сеть действует как своего рода геотермальный коллектор . [5]
(Сезонное) накопление тепла [ править ]
Накопление тепла в виде сезонного накопления - ключевой элемент локальных систем холодного отопления. [4] Чтобы уравновесить сезонные колебания производства и потребления тепла, многие системы холодного отопления построены с сезонным накоплением тепла. Это особенно подходит, когда структура потребителей / просьюмеров не приводит к в значительной степени сбалансированному спросу на тепло и охлаждение или когда нет достаточного источника тепла, доступного круглый год. Резервуары водоносных горизонтов и хранение через скважинные поля хорошо подходят. [1]Они позволяют накапливать избыточное тепло летней половины года, например, от охлаждения, а также от других источников тепла и, таким образом, нагревать землю. Затем во время отопительного периода происходит обратный процесс, нагретая вода перекачивается и подается в холодную тепловую сеть. [3] Однако возможны и другие типы аккумулирования тепла. Например, в сети холодного отопления в Фишербахе используется ледяной резервуар. [1]
Тепловые сети [ править ]
Системы холодного локального отопления допускают различные конфигурации сети. Можно провести грубое различие между открытыми системами, в которых вода подается, проходит через сеть, где она подается соответствующим потребителям и, наконец, выбрасывается в окружающую среду, и закрытые системы, в которых циркулирует жидкость-носитель, обычно рассол. в цепи. Системы также можно дифференцировать по количеству используемых трубопроводов. В зависимости от условий возможны конфигурации от одной до четырех труб:
- Однотрубные системы обычно используются в открытых системах, в которых в качестве источника тепла используются поверхностные или грунтовые воды, которые после прохождения через тепловую сеть выпускают обратно в окружающую среду.
- В двухтрубных системах обе трубы работают при разных температурах. В режиме обогрева более теплый из двух служит источником тепла для тепловых насосов потребителей, а более холодный поглощает теплоноситель, охлаждаемый тепловым насосом. В режиме охлаждения более холодный служит источником, тепло, производимое тепловым насосом, подается в более теплый трубопровод.
- Трехтрубные системы работают так же, как двухтрубные системы, но есть также третья труба, которая работает с более теплой водой, так что (по крайней мере, в случае систем отопления с низкой температурой подачи, таких как теплый пол) отопление может происходит без использования теплового насоса. Тепло обычно передается через теплообменники . В зависимости от температуры, после использования тепло возвращается обратно в более теплую или более холодную трубу. В качестве альтернативы, третья труба также может использоваться как охлаждающая труба для прямого охлаждения через теплообменник.
- Четырехтрубные системы работают так же, как трехтрубные системы, за исключением того, что каждая из них имеет по одной трубе для прямого нагрева и охлаждения. Таким образом могут быть реализованы энергетические каскады .
В целом, трубопроводы холодных тепловых сетей могут быть спроектированы проще и дешевле, чем в теплых / горячих системах централизованного теплоснабжения. Благодаря низким рабочим температурам отсутствует термомеханическое напряжение, что позволяет использовать обычный полиэтилен.трубы без изоляции, используемые для питьевого водоснабжения. Это позволяет как быструю и экономичную установку, так и быструю адаптацию к разной геометрии сети. Это также устраняет необходимость в дорогостоящих рентгеновских или ультразвуковых исследованиях труб, сварке отдельных труб и трудоемкой изоляции соединительных деталей на месте. Однако по сравнению с обычными трубами централизованного теплоснабжения для передачи того же количества тепла необходимо использовать трубы большего диаметра. Энергопотребление насосов также выше из-за большего объема. С другой стороны, холодные локальные системы отопления потенциально могут быть установлены там, где потребность в тепле подключенных зданий слишком мала для эксплуатации обычной тепловой сети. Например, в 2018 году9 из 16 систем, по которым имелись достаточные данные, были ниже порогового значения в 1,2 кВт тепловой мощности / м длины сети, что считается нижним пределом для экономичной эксплуатации традиционных «теплых» локальных систем отопления.[1]
Подстанция [ править ]
По сравнению с обычными сетями «горячего» централизованного теплоснабжения, подстанция систем холодного местного отопления сложнее, занимает больше места и, следовательно, дороже. Тепловой насос, а также резервуар для хранения горячей воды должны быть установлены на каждом подключенном потребителе или потребителе. Тепловой насос обычно представляет собой водо-водяной тепловой насос с электрическим приводом и также часто физически отделен от сети холодного тепла с помощью теплообменника. Тепловой насос повышает температуру до уровня, необходимого для обогрева жилища и производства горячей воды [1], но его также можно использовать для охлаждения дома и подачи вырабатываемого тепла в тепловую сеть, если только охлаждение не осуществляется напрямую без использование теплового насоса. Резервная система, такая как нагревательный элементтакже может быть установлен. Также может быть установлен резервуар для хранения тепла для системы отопления, что обеспечивает более гибкую работу теплового насоса. [3] Такие резервуары для хранения тепла также помогают сохранить небольшой размер теплового насоса, что, в свою очередь, снижает затраты на установку. [4]
Роль в будущих энергетических системах [ править ]
Низкотемпературные тепловые сети, которые включают в себя холодные локальные системы отопления, считаются центральным элементом декарбонизации теплоснабжения в контексте преобразования энергетической системы и смягчения последствий изменения климата . [6] Системы местного и централизованного теплоснабжения имеют различные преимущества по сравнению с индивидуальными системами отопления: к ним относятся, например, более высокая эффективность систем, возможность использования комбинированного производства тепла и электроэнергии и использования ранее неиспользованного потенциала отходящего тепла. [5] Кроме того, они рассматриваются как важный подход к увеличению использования возобновляемых источников энергии [3]и сокращение потребности в первичной энергии и местных выбросов при производстве тепла. За счет отказа от технологий сжигания для подачи в холодную тепловую сеть можно полностью избежать выбросов углекислого газа и местных загрязняющих веществ. [1] Холодные тепловые сети также рассматриваются как возможность создания в будущем тепловых сетей, которые на 100% питаются за счет возобновляемых источников энергии . [4]
Еще один перспективный подход - использование холодных локальных систем отопления и других тепловых насосов для совмещения секторов . Таким образом, технологии преобразования энергии в тепло, с одной стороны, используют электрическую энергию для отопления, а с другой стороны, сектор отопления может помочь в предоставлении системных услуг для компенсации колебаний производства зеленой электроэнергии в секторе электроэнергии. Таким образом, локальные холодные тепловые сети могут способствовать регулированию нагрузки с помощью тепловых насосов и, вместе с другими системами хранения, способствовать обеспечению надежности энергоснабжения. [5] [1]
Если крыши поставляемых зданий оборудованы фотоэлектрическими системами, то также можно получать часть электроэнергии, необходимой для тепловых насосов, с крыши потребителя. Например, в Вюстенроте построено 20 домов PlusEnergy, каждый из которых оснащен фотоэлектрическими системами, солнечной батареей и резервуаром для хранения тепла для максимально возможной самообеспеченности за счет гибкой работы теплового насоса. [7]
Заметки [ править ]
- ^ Б с д е е г ч я J к л м п о р д Simone Buffa; и другие. (2019), «Системы централизованного теплоснабжения и охлаждения 5-го поколения: обзор существующих примеров в Европе», Renewable and Sustainable Energy Reviews , 104 , pp. 504–522, doi : 10.1016 / j.rser.2018.12.059
- ^ Леонард Мюллер: Handbuch der Elektrizitätswirtschaft: Technische, wirtschaftliche und rechtliche Grundlagen . Берлин / Гейдельберг 1998, стр. 266f.
- ^ а б в г Марко Пеллегрини; Аугусто Бьянкини (2018), «Инновационная концепция холодных сетей централизованного теплоснабжения: обзор литературы», Энергия , 11 , стр. 236, DOI : 10,3390 / en11010236
- ^ a b c d Стеф Бостен; и другие. (2019), «поколение центрального отопления 5 и системы охлаждения в качестве решения для возобновляемых источников питания городской тепловой энергии», Успехи в Geoscience , 49 , стр 129-136,. DOI : 10,5194 / adgeo-49-129-2019
- ^ a b c Маркус Бренненштуль; и другие. (2019), «Отчет по району с добавочной энергией с сетью низкотемпературного ЦТК, новым агротермальным источником тепла и прикладным реагированием на спрос», Прикладные науки , 9 (23), стр. 5059, DOI : 10,3390 / app9235059
- ^ Дитмар Schüwer (2017), "Konversion дер Wärmeversorgungsstrukturen" (PDF) , Energiewirtschaftliche Tagesfragen (на немецком языке ), 67 (11), стр. 21-25
- ^ Лаура Ромеро Родригес; и другие. (2018), "Вклад тепловых насосов , чтобы требовать ответа: на примере плюс-энергии жилище" , Applied Energy , 214 , стр 191-204,. DOI : 10.1016 / j.apenergy.2018.01.086
Дальнейшее чтение [ править ]
- Симоне Буффа; и другие. (2019), «Системы централизованного теплоснабжения и охлаждения 5-го поколения: обзор существующих примеров в Европе», Renewable and Sustainable Energy Reviews , 104 , pp. 504–522, doi : 10.1016 / j.rser.2018.12.059
- Марко Пеллегрини; Аугусто Бьянкини (2018), «Инновационная концепция холодных сетей централизованного теплоснабжения: обзор литературы», Энергия , 11 , стр. 236, DOI : 10,3390 / en11010236
- Список научной литературы на mwirtz.com/5gdhc_literature.html . Проверено 13 сентября, 2020.
Внешние ссылки на примеры [ править ]
- Mijnwater Heerlen
- Schleswig Kalte Nahwärme
 | Викискладе есть медиафайлы по теме холодного централизованного теплоснабжения . |
- »Kaltes« Nahwärmenetz spart 40.000 кг CO2 в Яр . Energieagentur NRW. Abgerufen am 13. März 2017.
- Kalte Nahwärme в Дорстене: Pionierprojekt mit Wärmepumpen läuft seit vier Jahrzehnten und bleibt weiter im Rennen . В: EE-News , 14 ноября 2019 г. Абгеруфен, 28 июня 2020 г.
