Холодное централизованное отопление

Схематическая функция холодной сети централизованного теплоснабжения

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 помещений отопление, так и охлаждение . Температуры трансмиссии в диапазоне ок. Обычно температура составляет от 10 до 25 °C, что позволяет различным потребителям нагревать и охлаждать одновременно и независимо друг от друга. Производство горячей воды и отопление здания осуществляется с помощью водяных тепловых насосов , которые получают тепловую энергию из тепловой сети, а охлаждение может обеспечиваться либо напрямую через холодную тепловую сеть, либо, при необходимости, косвенно через чиллеры . Холодное локальное отопление иногда также называют энергосетью . Собирательным термином для таких систем в научной терминологии является централизованное отопление и охлаждение 5-го поколения . Благодаря возможности полностью работать на возобновляемых источниках энергии и в то же время способствовать балансированию нестабильного производства ветряных турбин и фотоэлектрических систем. , холодные локальные тепловые сети считаются многообещающим вариантом устойчивого теплоснабжения, потенциально без выбросов парниковых газов и выбросов.

Условия

По состоянию на 2019 год описанным здесь тепловым сетям пятого поколения еще не присвоено единое название, а также существуют различные определения общего технического понятия. В англоязычной технической литературе термины «Низкотемпературное централизованное отопление и охлаждение» (LTDHC), «Низкотемпературные сети» (LTN), «Холодное централизованное теплоснабжение» (CHD) и «Энергетические сети» или «Энергетическая сеть» используются . Кроме того, в некоторых публикациях есть противоречия в определениях при разграничении «теплых» сетей централизованного теплоснабжения, поскольку некоторые авторы рассматривают низкотемпературное централизованное отопление и охлаждение , а также сверхнизкотемпературное централизованное теплоснабжение как подвиды централизованного теплоснабжения 4-го поколения. Кроме того, определение так называемых сетей low-ex позволяет отнести их как к четвертому, так и к пятому поколению.

История

Одна из первых холодных локальных теплосетей использует просачивающуюся воду из базового тоннеля Фурка. в качестве источника тепла

Первой холодной сетью централизованного теплоснабжения является тепловая сеть в Арцберге в Верхней Франконии, Германия. На расположенной там электростанции в Арцберге, которая с тех пор была остановлена, неохлажденная охлаждающая вода забиралась между конденсатором турбины и градирней и подавалась по трубопроводу в различные здания, где затем использовалась в качестве источника тепла для тепловых насосов. Его использовали для обогрева школы и бассейна, а также различных жилых домов и коммерческих предприятий.

Еще одна очень ранняя электростанция была введена в эксплуатацию в Вульфене в 1979 году. Там 71 здание снабжалось тепловой энергией, забираемой из грунтовых вод. Наконец, в 1994 году была открыта первая сеть холодного отопления, использующая отходящее тепло промышленной компании, текстильной компании. Также в 1994 г. (по данным Пеллегрини и Бьянкини уже в 1991 г. ) в швейцарском поселке Обервальд построена холодная локальная тепловая сеть, которая работает за счет просачивающихся вод из базового тоннеля Фурка .

По состоянию на январь 2018 года в Европе действовало 40 схем, по 15 в Германии и Швейцарии. Большинство проектов представляли собой пилотные установки с тепловой мощностью от нескольких 100 кВтч до однозначного диапазона МВт, самая крупная установка имела мощность ок. 10 МВттепл. В 2010-е годы добавлялось примерно по три завода в год.

Концепция

Холодные тепловые сети – это тепловые сети, которые эксплуатируются при очень низких температурах (обычно от 10 до 25 °С). Они могут питаться от различных часто регенеративных источников тепла и позволяют одновременно производить тепло и холод. Поскольку рабочих температур недостаточно для производства горячей воды и отопительного тепла, температуру у потребителя повышают до необходимого уровня с помощью тепловых насосов . Таким же образом можно производить холод и возвращать отходящее тепло в тепловую сеть. Таким образом, подключенные потребители являются не только клиентами, но также могут выступать в роли просьюмеров , которые могут либо потреблять, либо производить тепло в зависимости от обстоятельств.

Концепция холодных локальных тепловых сетей основана на тепловых насосах подземных вод, а также на тепловых насосах с открытым контуром. В то время как первые в основном используются для снабжения отдельных домов, вторые часто встречаются 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. Как и обычные геотермальные тепловые насосы, холодные локальные тепловые сети имеют преимущество перед воздушными тепловыми насосами в более эффективной работе за счет меньшей разницы температур между источником тепла и температурой нагрева. Однако по сравнению с геотермальными тепловыми насосами холодные локальные тепловые сети имеют дополнительное преимущество: 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 различных зданий могут обеспечить баланс между требованиями к отоплению и охлаждению.

Холодное централизованное отопление особенно подходит там, где имеются здания разных типов (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. Альтернативно, сезонные системы хранения тепла позволяют сбалансировать спрос и предложение энергии. Используя различные (отходные) источники тепла и комбинируя источники тепла и поглотители тепла, можно также создать синергию и дальнейшее развитие теплоснабжения в направлении экономики замкнутого цикла . низкотемпературное отходящее тепло Кроме того, низкая рабочая температура сетей холодного отопления позволяет несложно подавать в сеть трудноиспользуемое . В то же время низкая рабочая температура существенно снижает тепловые потери тепловой сети, что ограничивает потери энергии, особенно летом, когда потребность в тепле незначительна. Годовой коэффициент производительности тепловых насосов также относительно высок, особенно по сравнению с воздушными тепловыми насосами. Исследование 40 систем, введенных в эксплуатацию до 2018 года, показало, что тепловые насосы достигли сезонного КПД не менее 4 для большинства изученных систем; самые высокие сезонные значения COP составляли около 6.

Технологически холодные тепловые сети являются частью концепции умных тепловых сетей.

Компоненты

Источники тепла

Сети холодного отопления идеально подходят для использования отработанного тепла промышленных и коммерческих зданий.

В качестве поставщиков энергии для сети холодного отопления могут использоваться различные источники тепла, в частности, возобновляемые источники, такие как земля, вода, тепло коммерческих и промышленных отходов, солнечная тепловая энергия и окружающий воздух, которые можно использовать по отдельности или в сочетании. Благодаря в целом модульной конструкции холодных локальных теплосетей по мере дальнейшего расширения сети можно постепенно разрабатывать новые источники тепла, так что более крупные теплосети могут питаться из множества различных источников.

На практике почти неисчерпаемыми источниками являются, например , морская вода , реки , озера или грунтовые воды . Из 40 сетей холодного отопления, действующих в Европе по состоянию на январь 2018 года, 17 использовали в качестве источника тепла водоемы или подземные воды. Вторым по значимости источником тепла была геотермальная энергия . Доступ к нему обычно осуществляется через геотермальные скважины с использованием вертикальных скважинных теплообменников. Однако можно также использовать поверхностные коллекторы, например агротермальные коллекторы. В этом случае горизонтальные коллекторы впахиваются в сельскохозяйственные угодья на глубину от 1,5 до 2 м, т. е. ниже рабочей глубины сельскохозяйственных машин, которые могут по мере необходимости извлекать тепло из почвы. Эта концепция, позволяющая дальнейшее использование в сельском хозяйстве, была реализована, например, в сети холодного теплоснабжения в немецком городе Вюстенрот .

Кроме того, существуют сети холодного отопления, которые добывают геотермальную энергию из туннелей и заброшенных угольных шахт . Также можно использовать отходящее тепло промышленных и коммерческих предприятий. Например, две сети холодного отопления в Аурихе и Херфорде используют отходящее тепло молочных заводов, а еще один завод в Швейцарии использует отходящее тепло электростанции, работающей на биомассе, а еще одна сеть холодного отопления использует отходящее тепло текстильной компании. Другие возможные источники тепла включают солнечную тепловую энергию (особенно для регенерации геотермальных источников и зарядки резервуаров-хранилищ), большие тепловые насосы, использующие тепло окружающей среды, канализационные системы, комбинированные теплоэлектростанции и котлы пиковой нагрузки, работающие на биомассе или ископаемом топливе, для поддержки других источников тепла. источники тепла. Низкие рабочие температуры сетей холодного отопления особенно благоприятны для солнечных тепловых систем, ТЭЦ и систем утилизации отработанного тепла, поскольку в этих условиях они могут работать с максимальной эффективностью. В то же время сети холодного отопления позволяют промышленным и коммерческим предприятиям, имеющим потенциал отходящего тепла, таким как супермаркеты и центры обработки данных , чтобы подавать тепловую энергию в сеть без какого-либо серьезного финансового инвестиционного риска, поскольку на температурном уровне холодных теплосетей возможна прямая подача тепла без теплового насоса.

Другим источником тепла также может быть обратная линия традиционных сетей централизованного теплоснабжения. Если рабочая температура холодной отопительной сети ниже температуры почвы, то сама сеть также может поглощать тепло из окружающей почвы. В этом случае сеть действует как своего рода геотермальный коллектор .

(Сезонное) накопление тепла

Функция геотермального коллектора тепла. Эти коллекторы также можно использовать для сезонного хранения.

Аккумулирование тепла в виде сезонного хранения является ключевым элементом систем холодного локального отопления. Чтобы сбалансировать сезонные колебания производства и потребления тепла, многие системы холодного отопления строятся с сезонным накоплением тепла. Это особенно подходит в тех случаях, когда структура потребителей/потребителей не приводит к в значительной степени сбалансированному спросу на тепло и охлаждение или когда нет достаточного источника тепла, доступного круглый год. Хорошо подходят водоносные горизонты и хранилища через скважины. Они позволяют аккумулировать избыточное тепло летней половины года, например, от охлаждения, а также от других источников тепла и, таким образом, нагревать землю. В период отопления процесс затем меняется на обратный: нагретая вода перекачивается и подается в холодную тепловую сеть. Однако возможны и другие типы аккумулирования тепла. Например, в сети холодного отопления в Фишербахе используется хранилище льда.

Тепловая сеть

Системы холодного локального отопления допускают разнообразные 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 закрытыми системами, в которых несущая жидкость, обычно рассол циркулирует . в цепи. Системы также можно дифференцировать по количеству используемых трубопроводов. В зависимости от соответствующих условий возможны конфигурации от одной до четырех труб:

• Однотрубные системы обычно применяют в открытых системах, использующих в качестве источника тепла поверхностные или грунтовые воды и отпускающих их обратно в окружающую среду после прохождения через тепловую сеть.
• В двухтрубных системах обе трубы эксплуатируются при разных температурах. В режиме отопления более теплый из них служит источником тепла для тепловых насосов потребителей, а более холодный поглощает теплоноситель, охлаждаемый тепловым насосом. В режиме охлаждения источником служит более холодная труба, тепло, вырабатываемое тепловым насосом, подается в более теплую трубу.
• Трехтрубные системы работают аналогично двухтрубным системам, но существует также третья труба, которая работает с более теплой водой, так что (по крайней мере, в случае систем отопления с низкой температурой подачи, таких как полы с подогревом) отопление может происходит без использования теплового насоса. Тепло обычно передается через теплообменники . В зависимости от температуры тепло возвращается в более теплую или холодную трубу после использования. В качестве альтернативы третью трубу можно также использовать в качестве охлаждающей трубы для прямого охлаждения через теплообменник.
• Четырехтрубные системы функционируют как трехтрубные, за исключением того, что для прямого отопления и охлаждения имеется по одной трубе. Таким образом энергетические каскады . можно реализовать

В целом трубопроводы холодных теплосетей можно спроектировать проще и дешевле, чем тепло-/горячих систем централизованного теплоснабжения. Благодаря низким рабочим температурам отсутствуют термомеханические напряжения, что позволяет использовать обычные полиэтиленовые трубы без изоляции, как используемые для питьевого водоснабжения. Это обеспечивает как быструю и экономичную установку, так и быструю адаптацию к различной 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. Потребность насосов в энергии также выше из-за больших объемов. С другой стороны, локальные системы холодного отопления потенциально могут быть установлены там, где потребность в тепле подключенных зданий слишком низка для работы обычной тепловой сети. Например, в 2018 году 9 из 16 систем, по которым было доступно достаточно данных, были ниже порога тепловой мощности 1,2 кВт/м длины сети, который считается нижним пределом экономичной работы традиционных «теплых» локальных систем отопления.

Подстанция

Водяной тепловой насос

По сравнению с обычными «горячими» сетями централизованного теплоснабжения подстанция холодных локальных теплосетей сложнее, занимает больше места и, следовательно, дороже. Тепловой насос, а также резервуар для хранения горячей воды должны быть установлены у каждого подключенного потребителя или потребителя. Тепловой насос обычно проектируется как водо-водяной тепловой насос с электрическим приводом и также часто физически отделен от холодной тепловой сети теплообменником. Тепловой насос повышает температуру до уровня, необходимого для обогрева помещения и производит горячую воду. но его можно использовать и для охлаждения дома и подачи вырабатываемого там тепла в тепловую сеть, если охлаждение не производится непосредственно, без применения теплового насоса. ​​резервная система, например, нагревательный элемент Также может быть установлена . Также может быть установлен бак-аккумулятор тепла для системы отопления, что обеспечивает более гибкую работу теплового насоса. Такие резервуары для хранения тепла также помогают сохранить небольшой размер теплового насоса, что, в свою очередь, снижает затраты на установку.

Роль в будущих энергетических системах

Низкотемпературные тепловые сети, включающие холодные локальные системы отопления, рассматриваются как центральный элемент декарбонизации теплоснабжения в контексте трансформации энергосистемы и смягчения последствий изменения климата . 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, а также использование ранее неиспользованного потенциала отработанного тепла. Кроме того, они рассматриваются как важный подход к увеличению использования возобновляемых источников энергии. и сокращение потребностей в первичной энергии и местных выбросов при производстве тепла. Отказавшись от технологий сжигания для подачи в холодную тепловую сеть, выбросов углекислого газа и местных выбросов загрязняющих веществ . можно полностью избежать Сети холодного тепла также рассматриваются как возможность создания в будущем тепловых сетей, которые будут на 100% питаться за счет возобновляемых источников энергии .

Широкая электрификация теплового сектора является центральным компонентом объединения секторов.

Еще одним перспективным подходом является использование систем холодного местного отопления и других систем отопления с тепловым насосом для объединения секторов . Таким образом, технологии производства энергии в тепло, с одной стороны, используют электроэнергию для отопления, а с другой стороны, сектор отопления может помочь предоставить системные услуги для компенсации колебаний производства зеленой электроэнергии в электроэнергетическом секторе. Таким образом, локальные сети холодного отопления могут способствовать контролю нагрузки с помощью тепловых насосов и вместе с другими системами хранения помогают обеспечить надежность энергоснабжения.

Если крыши снабжаемых зданий оборудованы фотоэлектрическими системами, то часть электроэнергии, необходимой для работы тепловых насосов, можно также получать с крыши потребителя. Например, в Вюстенроте было построено 20 домов PlusEnergy, все из которых оснащены фотоэлектрическими системами, солнечной батареей и резервуаром для хранения тепла для максимально возможной степени самообеспечения за счет гибкого управления тепловым насосом.

Дальнейшее чтение

• Симона Буффа; и др. (2019), «Системы централизованного отопления и охлаждения 5-го поколения: обзор существующих примеров в Европе», Renewable and Sustainable Energy Reviews , vol. 104, стр. 504–522, номер документа : 10.1016/j.rser.2018.12.059.
• Марко Пеллегрини; Аугусто Бьянкини (2018), «Инновационная концепция холодных сетей централизованного теплоснабжения: обзор литературы», Energies , vol. 11, с. 236, дои : 10.3390/en11010236 , hdl : 11585/624860
• Список научной литературы на сайте mwirtz.com/5gdhc_literature.html . Проверено 13 сентября 2020 г.

Внешние ссылки на примеры

• Майнвотер Херлен
• Шлезвиг, холодное локальное тепло. Архивировано 17 января 2021 г. на Wayback Machine.

• Перечень сетей холодного централизованного теплоснабжения
• «Холодная» локальная тепловая сеть экономит 40 000 кг CO2 в год . Энергетическое агентство NRW. Проверено 13 марта 2017 г.
• Холодное локальное отопление в Дорстене: новаторский проект с использованием тепловых насосов реализуется уже четыре десятилетия и продолжается до сих пор . В: EE News , 14 ноября 2019 г. Проверено 28 июня 2020 г.