Будущее электрификации в системах отопления и охлаждения зданий

Новые технологии в электрическом отоплении и охлаждении

Инновационные решения в области проектирования тепловых насосов, компрессоров с переменной скоростью, хладагентов, тепловых хранилищ и интеллектуальных элементов управления делают электрические системы HVAC жизнеспособными практически во всех климатических условиях, включая холодные северные регионы, где газовые печи давно доминируют.

Холодный климат Воздушно-источник Тепловые насосы (ccASHP)

Современные тепловые насосы с воздушным источником холодного климата могут обеспечить полную тепловую мощность при температурах наружного воздуха до -25 ° C (-13 ° F), при этом многие модели поддерживают COP выше 2,0 при -15 ° C. Эти системы используют компрессоры с переменной скоростью, усиленные циклы впрыска пара (EVI) и передовые конструкции теплообменников для извлечения тепла из холодного наружного воздуха. Производители, такие как Mitsubishi Electric, Daikin, Fujitsu и LG, в последние годы продвинули оболочку производительности. Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии (NREL) [[FLT: 1]] продемонстрировала, что ccASHP могут обеспечить надежное, эффективное отопление в таких штатах, как Миннесота, Нью-Йорк и Вермонт, превосходя электрическое сопротивление резервного копирования и часто побеждая эксплуатационные расходы газовой печи, когда цены на топливо благоприятны.

Ducted vs. Ductless Options (недоступная ссылка)

Холодно-климатические тепловые насосы доступны как в беспроводных (мини-расщепленных), так и в протоковых (центральных) конфигурациях. Бездуховные мини-разрезы идеально подходят для модернизации в зданиях без существующих воздуховодов, предлагая контроль зоны за зоной и устраняя потери воздуховода. Центральные проточные тепловые насосы хорошо работают в домах с существующими системами принудительного воздуха, хотя тщательный размер и конструкция воздухообработчика имеют решающее значение для характеристик холодной погоды. Переменные скоростные воздухообработчики, которые постепенно наращиваются, могут поддерживать комфорт без короткой езды на велосипеде или холодных сквозняков.

Геотермальные (наземные) тепловые насосы

Наземные тепловые насосы (GSHP) используют стабильную температуру земли - обычно от 10 ° C до 16 ° C (50° F до 60° F) на глубинах нескольких метров - для достижения еще более высокой эффективности, чем системы воздушного источника. КС хорошо спроектированной системы GSHP часто колеблется от 4,0 до 6,0 для отопления и от 6,0 до 8,0 для охлаждения. Поскольку температуры земли менее изменчивы, чем наружный воздух, GSHP поддерживают пиковые показатели круглый год без снижения эффективности, наблюдаемого в блоках воздушного источника во время экстремального холода. Основным барьером является высокая стоимость установки, которая может варьироваться от 15 000 до 40 000 долларов США для типичной жилой системы, в основном из-за бурения или траншей для наземной петли. Однако федеральные и государственные стимулы, наряду с более длительным сроком службы оборудования (25 + лет для петли, 20 + лет для теплового насоса), делают GSHP конкурентоспособными по стоимости в течение 15 - 20 лет.

Водонагреватели теплового насоса (HPWH)

На отопление воды приходится примерно 18% потребления энергии в домах США. Гибридные водонагреватели тепловых насосов передают тепло из окружающего воздуха в помещении (или иногда наружного воздуха) в резервуар для воды, достигая эффективности в три-четыре раза выше, чем обычные электрические блоки сопротивления. При установке в безудержных подвалах или гаражах они также обеспечивают осушение и охлаждение окружающего пространства. Последние стандарты эффективности Министерства энергетики США эффективно предписывают технологию тепловых насосов для новых электрических водонагревателей выше определенного размера, ускоряя принятие на рынок. Интегрированные водонагреватели тепловых насосов (R-744), уже распространенные в Японии и Европе, начинают выходить на североамериканский рынок, предлагая еще более высокую эффективность в холодном климате.

Умные термостаты и расширенные элементы управления

Умные термостаты превратились из простых программируемых устройств в сложные облачные платформы, которые учатся поведению пассажиров, реагируют на временные тарифы на электроэнергию и взаимодействуют с программами реагирования на коммунальные потребности. Термостат Ecobee или Nest может автоматически регулировать заданные параметры на основе заполняемости, прогнозов погоды и сигналов сети в режиме реального времени. При сочетании с тепловыми насосами интеллектуальные элементы управления могут оптимизировать баланс между скоростью компрессора, вспомогательным сопротивлением тепла и работой вентилятора для максимизации эффективности при сохранении комфорта. Новые системы управления энергией «все дома» теперь интегрируют HVAC, нагрев воды, зарядку электромобилей, производство солнечной энергии и хранение аккумуляторов в единую платформу оптимизации, позволяя домам стать активными участниками энергетической сети.

Термическое хранение: лед и материалы, изменяющие фазу

Тепловое хранение энергии (ТЕС) позволяет зданиям смещать нагрузки на охлаждение или отопление от пиковых часов спроса на электроэнергию. Системы хранения льда, например, используют тепловой насос или чиллер для изготовления льда ночью, когда электричество дешево и низкоуглеродно, затем расплавляют лед в течение дня, чтобы обеспечить охлаждение без использования компрессора. Материалы фазового изменения (PCM), встроенные в строительные материалы или специализированные резервуары для хранения, могут поглощать или выделять скрытое тепло, сглаживая пиковые нагрузки. В то время как TES используется в коммерческих зданиях в течение десятилетий, появляются продукты жилого масштаба, особенно для систем тепловых насосов, которые должны поддерживать эффективность во время пиковых событий спроса на электроэнергию. Комбинирование теплового хранения с тепловыми насосами может увеличить возобновляемое самопотребление и уменьшить нагрузку на сеть во время зимних холодов, когда спрос на электрические всплески нагрева.

Проблемы и возможности перехода на электрификацию

Несмотря на быстрый технологический прогресс, путь к повсеместной электрификации зданий сталкивается с реальными препятствиями. Эти проблемы должны решаться с помощью инноваций, политики и отраслевого сотрудничества для обеспечения справедливого и эффективного перехода.

Авансовые расходы и доступность

Покупка и установка теплового насоса холодного климата или геотермальной системы может стоить в два-четыре раза больше, чем сопоставимая газовая печь и центральный кондиционер. Для семей с низким и средним уровнем дохода эти первые затраты являются значительным барьером, даже когда экономия топлива на протяжении всего срока службы компенсирует инвестиции с течением времени. Возможности для сокращения затрат включают объемное производство, рациональную практику установки (например, подход «раздел теплового насоса» [FLT: 0]] с использованием предварительно заряженных линейных наборов ) и механизмы финансирования, такие как погашение на счетах или программы чистой энергии (PACE), оцениваемые недвижимостью. Несколько штатов, включая Калифорнию, Нью-Йорк и Массачусетс, запустили программы стимулирования, специально предназначенные для электрификации с низким доходом, со скидками от 5000 до 12 000 долларов США за установку теплового насоса.

Электрическая панель и обновление проводов

Многие существующие дома были построены с электрическими панелями мощностью 100 или даже 60 ампер, которые могут быть недостаточными для дополнительной нагрузки теплового насоса, нагревателя воды теплового насоса, электрической индукционной кухонной плиты и зарядного устройства для электромобилей. Обновление панели до 200 ампер может стоить от 2000 до 6000 долларов США или более, в зависимости от местных кодов и необходимости замены служебной проводки от коммунальных услуг. Такие инновации, как устройства управления нагрузкой, которые автоматически сбрасывают или расставляют приоритеты для нагрузок, чтобы оставаться в пределах емкости панели, могут избежать дорогостоящих обновлений. Следующее поколение «умных панелей» от таких компаний, как Span и Leviton, предлагают мониторинг и контроль уровня схемы, позволяя домовладельцам электрифицироваться без обновления службы.

Сетевая инфраструктура и пик спроса

Массовое внедрение электрического отопления в холодном климате может создать новые пиковые периоды спроса - обычно в зимние утра, когда температура самая низкая, и домохозяйства одновременно повышают температуру. Коммунальные службы и сетевые операторы готовятся к этому сценарию, инвестируя в модернизацию сетей, развертывая программы реагирования на спрос и поддерживая тепловое хранение. Исследование 2023 года, проведенное группой Brattle, показало, что управляемая зарядка электромобилей и гибкая работа тепловых насосов могут снизить влияние пиковой нагрузки электрификации на 30% до 50%, избегая или откладывая расходы на обновление сети в США на 1,5-3 миллиарда долларов к 2035 году. Ставки использования и программы управления спросом в подписном стиле могут стимулировать клиентов переключать свои нагрузки на отопление и охлаждение от критических часов пик.

Разработка рабочей силы и установка качества

Установка теплового насоса требует иных навыков, чем замена газовой печи. Правильные размеры, заряд хладагента, уплотнение воздуховодов и конфигурация воздушного потока имеют решающее значение для достижения номинальной эффективности и комфорта. Многие подрядчики HVAC более опытны в оборудовании для сжигания, и отрасль сталкивается с нехваткой технических специалистов, обученных проектированию и диагностике теплового насоса. Для устранения этого разрыва требуются расширенные программы обучения, стандарты сертификации (такие как сертификация теплового насоса NATE) и интегрированные партнерские отношения по развитию рабочей силы между производителями, торговыми школами и коммунальными службами. Программы, такие как учетные данные установщика теплового насоса Building Performance Institute (BPI) и инициатива штата Нью-Йорк по чистому теплу, являются хорошими моделями.

Мифы о холодной климатической производительности

Некоторые потребители и подрядчики по-прежнему считают, что тепловые насосы не могут работать в холодном климате. Хотя это было верно десять лет назад, современные модели холодного климата опровергли миф. Полевые исследования в Миннесоте, Аляске и Канаде показывают, что хорошо спроектированные системы ccASHP могут удовлетворять 100% от общей нагрузки на отопление дома, при этом резервное копирование с электрическим сопротивлением требуется только в самые холодные дни (обычно несколько часов в год). Ключом является правильный размер. недостаточный размер приводит к чрезмерному использованию резервного копирования и низкой эффективности, в то время как чрезмерный размер приводит к короткому циклу и более высоким затратам. Точные расчеты нагрузки (Manual J) и конструкция системы необходимы.

Интеграция с возобновляемой энергией и Smart Grid

Электрификация и возобновляемые источники энергии являются взаимодополняющими силами. По мере того, как солнечные фотоэлектрические, ветровые и аккумуляторные батареи становятся все более распространенными, электрическое отопление и охлаждение могут быть приурочены к использованию чистого, дешевого электричества. Эта синергия является центральной в концепции здания с нулевой энергией.

Солнечный + тепловой насос парный

Дом с солнечной батареей на крыше может питать свой тепловой насос в солнечные часы, эффективно используя собственную генерацию для кондиционирования помещений и нагрева воды. Политика чистого учета позволяет избыточной солнечной генерации компенсировать сетевое электричество, используемое ночью. Добавление домашней батареи или теплового хранилища может еще больше увеличить самопотребление. Во многих регионах комбинация солнечного + теплового насоса + интеллектуальные элементы управления могут снизить годовые счета за электроэнергию на 60-80% по сравнению с обычным газ + электросетевой дом.

Транспортное средство-сеть (V2G) и двунаправленная зарядка

Электрические аккумуляторы транспортных средств представляют собой большой распределенный ресурс накопления энергии. В будущем двунаправленные зарядные устройства EV могут позволить припаркованному EV выгружать электричество обратно в дом или сеть во время пикового спроса, включая пики, вызванные электрическим отоплением. Интеграция теплового насоса, EV и управления аккумулятором в единую энергетическую платформу создает «виртуальную электростанцию», которая может помочь стабилизировать сеть, обеспечивая резервную мощность здания. Несколько пилотных проектов в Калифорнии, Техасе и Европе тестируют эту концепцию.

Политические стимулы и стимулы

Действия правительства на нескольких уровнях ускоряют электрификацию зданий HVAC. Ключевые политики включают обновленные стандарты бытовой техники, строительные кодексы, которые поэтапно прекращают подключение ископаемого топлива, а также финансовые стимулы для домовладельцев и подрядчиков.

Федеральные и государственные стимулы (США)

Закон о снижении инфляции (IRA) 2022 года включает в себя несколько положений, которые непосредственно поддерживают принятие тепловых насосов:

• Высокоэффективная программа скидок на домашнюю электронику (HEEHR): До 8000 долларов за тепловой насос (домохозяйства с высоким уровнем дохода), плюс 1750 долларов за водонагреватель теплового насоса и 4000 долларов за обновление электрической панели.
• Налоговый кредит на энергоэффективное улучшение дома (25C): До 2000 долларов США в год для квалифицированного теплового насоса (включая водонагреватели теплового насоса) до 2032 года.
• Программа помощи в погоде: Расширенное финансирование домохозяйств с низким доходом для повышения эффективности и установки тепловых насосов.
• Программы государственного уровня: Такие штаты, как Нью-Йорк (NYS Clean Heat), Массачусетс (Mass Save), Калифорния (Tech Clean California), Колорадо (Heat Pump Rebates) и другие предлагают дополнительные стимулы, слоированные поверх федеральных кредитов, часто покрывающие 50% или более затрат на оборудование и установку.

Стандарты производительности зданий и запреты на ископаемое топливо

Растущее число юрисдикций требует электрификации в новом строительстве или капитальном ремонте. Местный закон 97 Нью-Йорка накладывает ограничения на выбросы углерода на крупные здания, эффективно подталкивая их к тепловым насосам и электрификации. Энергетический кодекс Калифорнии (титул 24) все больше благоприятствует тепловым насосам, и более 90 калифорнийских городов и округов приняли кодексы охвата, которые ограничивают или запрещают подключение к газу в новых домах. В Европе пересмотренная Директива об энергетической эффективности зданий (EPBD) призывает государства-члены поэтапно отказаться от котлов на ископаемом топливе к 2040 году. Эти политические сигналы посылают четкое направление рынка, поощряя производителей инвестировать в производство тепловых насосов и подрядчиков для обучения своих сотрудников.