In het vorige hoofdstuk hebben we geleerd dat elektrificatie van transport het energieverbruik van transport kan verminderen tot een vijfde van zijn huidige niveau; en dat openbaar vervoer en fietsen ongeveer 40 keer energie-efficiënter kunnen zijn dan autorijden. Hoe zit het met de verwarming? Wat voor soort energiebesparingen kan technologie of verandering van levensstijl opleveren?
De energie die nodig is om een gebouw te verwarmen, wordt bepaald door de volgende 3 termen :
- GTV = gemiddeld temperatuurverschil
- WVG = warmteverlies gebouw
- EVS = efficiëntie van het verwarmingssysteem
energieverbruik = GTV x WVG / EVS
Laat me deze formule uitleggen (die in hoofdstuk E in detail wordt besproken) met een voorbeeld. Mijn huis is een halfvrijstaand huis met drie slaapkamers gebouwd rond 1940 (figuur 21.1). Het gemiddelde temperatuurverschil tussen binnen en buiten hangt af van de instelling van de thermostaat en van het weer. Als de thermostaat permanent op 20 °C staat, kan het gemiddelde temperatuurverschil 9 °C zijn. Het warmteverlies van het gebouw beschrijft hoe snel warmte uit muren, ramen en scheuren ontsnapt, in reactie op een temperatuurverschil. Het lekken wordt soms de warmteverliescoëfficiënt van het gebouw genoemd. Het wordt gemeten in kWh per dag per graad temperatuurverschil. In hoofdstuk E bereken ik dat de warmteverliescoefficient van mijn huis in 2006 7,7 kWh per dag per °C was. Het product van
gemiddeld temperatuurverschil × warmteverliescoefficient
is de snelheid waarmee warmte uit het huis stroomt door geleiding en door ventilatie. Bijvoorbeeld als het gemiddelde temperatuurverschil 9 °C is, dan is het warmteverlies
9 °C × 7,7 kWh / d / °C ≅ 70 kWh / d.
Om het benodigde vermogen te berekenen, delen we ten slotte dit warmteverlies door de efficiëntie van het verwarmingssysteem. In mijn huis zit een condenserende cv ketel die een efficiëntie heeft van 90%, dus we vinden:
opgenomen vermogen = 9 °C × 7,7 kWh / d / °C / 0,9 = 77 kWh / d.
Dat is groter dan de eis voor ruimteverwarming die we in hoofdstuk 7 hebben geschat. Het is groter om twee redenen: ten eerste gaat deze formule ervan uit dat alle warmte door de ketel geleverd wordt, terwijl in feite enige warmte wordt geleverd door de bewoners, gadgets en de zon; ten tweede, in hoofdstuk 7 hebben wij aangenomen dat een persoon slechts twee kamers altijd op 20 °C houdt; Om het hele huis op deze temperatuur te houden zal altijd meer energie nodig zijn.
Oké, hoe kunnen we het energieverbruik voor verwarming verminderen? Nou, er zijn drie invalshoeken.
- Verminder het gemiddelde temperatuurverschil. Dit kan worden bereikt door de thermostaat naar beneden draaien (of, als u vrienden in hogere kringen heeft, door het weer te veranderen).
- Verminder de warmteverliezen van het gebouw – Dit kan door de isolatie van het gebouw te verbeteren – denk aan driedubbele beglazing, tocht-bestrijding, en een zeer goede isolatie van de zolder – of, met een radicalere aanpak, het gebouw slopen en vervangen door een beter geïsoleerd gebouw; of misschien door te wonen in een gebouw met een kleine vloeroppervlak per persoon. ( De warmteverliezen worden groter, naarmate het vloeroppervlak van een gebouw toeneemt, omdat de oppervlakken van buitenmuren, ramen en dak dan meestal ook groter worden.)
- Verhoog de efficiëntie van het verwarmingssysteem. U zou kunnen denken dat een rendement van 90% niet hoger kan, maar eigenlijk kunnen we veel beter.
De thermostaat
De thermostaat (begeleid door wollige truien) is moeilijk te verslaan, wanneer het aankomt op de prijs kwaliteitsverhouding van een technologie. Je zet hem lager en je gebouw verbruikt minder energie. Tovenarij ! In
Groot-Brittannië, voor iedere graad die u de thermostaat lager zet, daalt het warmteverlies met ongeveer 10%. De thermostaat van 20 °C naar 15 °C verlagen zou het warmteverlies bijna halveren. En dankzij “gratis” warmtebronnen in het gebouw, zal de energiebesparing van de verwarming zelfs groter zijn dan de reducties in het warmteverlies.
Helaas heeft deze opmerkelijke energiebesparende technologie wel enige bijwerkingen. Sommige mensen noemen het veranderen van de thermostaat een verandering van levensstijl en zijn er niet blij mee. Ik zal later wat tips geven om deze levensstijl kwestie te omzeilen. Ondertussen, als bewijs dat “de belangrijkste component in een gebouw met slimme verwarming de bewoner is,” toont figuur 21.2 gegevens van een Carbon Trust-onderzoek, naar het warmteverbruik in twaalf identieke moderne huizen. Deze studie laat ons met verbazing naar de familie op nummer 1 staren, wiens warmteverbruik twee keer is zo groot als die van de heer en mevrouw Wollig op nummer 12. Maar we moeten ook naar de cijfers kijken: de familie op nummer 1 verbruikt 43 kWh per dag. Maar als dit schokkend is, wacht even – heb ik niet geschat dat mijn huis meer zou kunnen verbruiken dan dat? Inderdaad, mijn gemiddelde gasconsumptie van 1993 tot 2003 was iets meer dan 43 kWh per dag (figuur 7.10 ), en ik dacht dat ik een zuinig persoon was! Het probleem is het huis. Alle moderne huizen in het Carbon Trust-onderzoek hadden een warmteverliescoëfficient van 2,7 kWh / d / °C, maar mijn huis had een warmteverliescoefficient van 7,7 kWh / d / °C! Mensen die in huizen als een vergiet wonen…
De oorlog tegen warmteverliezen
Wat kan gedaan worden tegen warmte lekkende oude huizen, behalve een bulldozer bestellen? Figuur 21.3 geeft schattingen van de verwarming in oude woningen. Vrijstaande, twee-onder-een-kapwoningen en rijtjeshuizen in volgorde van steeds dichter op elkaar staan. Het isoleren van de zolder en de spouwmuur verlaagt het warmteverlies in een typisch oud huis met ongeveer 25%. Dankzij secondaire warmtebronnen resulteert deze vermindering van 25% van het warmteverlies zich in ongeveer 40% minder verbruik van de verwarmingsketel.
Laten we deze ideeën nader bekijken.
Een voorbeeld
Ik heb u mijn huis voorgesteld op pagina in hoofdstuk 7. Laten we het verhaal oppikken. In 2004 heb ik een condensatie cv ketel geïnstalleerd, ter vervanging van de oude cv ketel. (Condenserende ketels gebruiken een warmtewisselaar om warmte van de uitlaatgassen over te dragen aan de binnenkomende lucht ) Tegelijkertijd verwijderde ik de warmwaterboiler uit het huis (dus heet water wordt nu alleen op aanvraag gemaakt) en ik plaatste thermostaten op de radiatoren in alle slaapkamers. Samen met de nieuwe condensatieketel kwam er een nieuwe thermostaat waarmee ik verschillende temperaturen kan instellen voor verschillende tijden van de dag. Met deze veranderingen is mijn consumptie afgenomen van een gemiddelde van 50 kWh / d tot ongeveer 32 kWh / d.
Deze verlaging van 50 tot 32 kWh / d is behoorlijk bevredigend, maar dat is het niet genoeg, als het doel is om iemands voetafdruk van fossiele brandstoffen tot onder één ton CO2 per jaar te verminderen. 32 kWh / d gas
komt overeen met meer dan 2 ton CO2 per jaar.
In 2007 begon ik meer aandacht te besteden aan mijn energiemeters. Ik had spouwmuurisolatie laten aanbrengen (figuur 21.5) en de zolder geisoleerd. Ik heb de achterdeur met een enkel glas vervangen door een deur met dubbele beglazing, en een extra deur met dubbel glas aan de veranda toegevoegd (figuur 21.6). Het belangrijkste van dit alles was dat ik meer aandacht besteedde aan mijn thermostaat instellingen. Deze aandacht heeft geleid tot een verdere halvering van het gasverbruik. Het verbruik van vorig jaar was 13 kWh / d!
Omdat ik in dezelfde periode het huis heb aangepast en gedragsveranderingen heb doorgevoerd, het is moeilijk om zeker te zijn welke veranderingen het belangrijkste waren. Volgens mijn berekeningen (in hoofdstuk E) heeft de verbeterde isolatie het warmteverlies met 25% verminderd, van 7,7 kWh / d / °C tot 5,8 kWh / d / °C. Dit is nog steeds veel meer dan welk modern huis dan ook. Het is frustrerend moeilijk om het warmteverlies van een bestaand huis te verminderen!
Dus mijn belangrijkste tip is om de thermostaat slim te gebruiken. Wat is een redelijk niveau om de thermostaat in te stellen? Tegenwoordig lijken veel mensen te denken dat 17 °C ondraaglijk koud is. De gemiddelde temperatuur in de Britse huizen in 1970 was in de winter 13 °C ! De perceptie van een mens of die het warm heeft, hangt af van wat hij doet en wat hij het laatste uur of zo gedaan hebben. Mijn suggestie is, denk niet in termen van thermostaatinstelling. In plaats van de thermostaat op één waarde te fixeren, probeert u hem de meeste tijd op een lage waarde te laten staan (zeg 13 of 15 °C) en hem alleen tijdelijk te verhogen als u het koud heeft. Het is net als de lichten in een bibliotheek. Als u zichzelf toestaat om de vraag te stellen “wat is het juiste lichtniveau bij de boekenplanken? ” dan zult u ongetwijfeld antwoorden” helder genoeg om de boektitels te lezen” en dan heeft u altijd felle lichten aan. Maar die vraag veronderstelt dat we het lichtniveau op één waarde moeten houden; en dat hoeven we niet te doen. We kunnen lichtschakelaars plaatsen die de lezer kan inschakelen en die zichzelf weer uit schakelen na een
bepaalde tijd. Evenzo hoeven thermostaten niet de hele tijd op 20 °C te blijven staan.
Voordat ik het onderwerp thermostaat instellingen zal verlaten, moet ik het hebben over airconditioning. Wordt u er niet gek van om in de zomer een gebouw binnen te gaan waar de thermostaat van de airconditioning is ingesteld op 18 °C ? Deze gekke gebouwbeheerders onderwerpen iedereen aan temperaturen die in de wintertijd te koud zouden zijn! In Japan zijn de “airco” richtlijnen van de regering dat de airconditioning wordt ingesteld op 28 °C.
Betere gebouwen
Als u de kans krijgt om een nieuw gebouw te bouwen, zijn er veel manieren om ervoor te zorgen dat het energieverbruik voor verwarming veel kleiner is dan die van een oud gebouw. Figuur 21.2 geeft het bewijs dat moderne huizen zijn gebouwd volgens veel betere isolatienormen dan die van de jaren 1940. Maar de bouwnormen in Groot-Brittannië zouden nog veel beter kunnen, zoals hoofdstuk E bespreekt. De drie belangrijkste ideeën voor het beste resultaat zijn: (1) echt dikke isolatie in vloeren, wanden en daken; (2) zorg dat het gebouw volledig luchtdicht is afgesloten en gebruik actieve ventilatie om frisse lucht aan te voeren en muffe, vochtige lucht af te voeren, gecombineerd met warmtewisselaars die passief veel van de warmte uit de verwijderde lucht terugwinnen; (3) ontwerp het gebouw om zo veel mogelijk gebruik te maken van de zon.
De energiekosten van verwarming
Tot dusverre heeft dit hoofdstuk zich geconcentreerd op temperatuurregeling en warmteverlies. Nu gaan we kijken naar de derde factor in de vergelijking
vermogen = temperatuurverschil × warmteverlies / efficiëntie van het verwarmingssysteem
Hoe kan warmte efficiënt geproduceerd worden? Kunnen we warmte goedkoop krijgen? Tegenwoordig wordt gebouwverwarming in Groot-Brittannië voornamelijk geleverd door het verbranden van de fossiele brandstof, aardgas, in ketels met rendementen van 78% tot 90%. Kunnen we af van fossiele brandstoffen en tegelijkertijd gebouwverwarming efficiënter maken?
Eén technologie die wordt gepresenteerd als antwoord op het Britse verwarmingsprobleem heet “warmtekrachtkoppeling” (WKK), of zijn moderne neef, “micro-WKK. “Ik zal warmtekrachtkoppeling nu toelichten, maar ik ben tot de conclusie gekomen dat het een slecht idee is, omdat er een betere technologie bestaat, die warmtepompen heet, en ik zal die technologie een paar pagina’s verder beschrijven.
Warmtekrachtkoppeling
Het standaardbeeld van grote conventionele elektriciteitscentrales is dat ze zeer inefficiënt zijn en grote hoeveelheden warmte via schoorstenen of koeltorens laten verdwijnen. Een meer geavanceerde visie erkent dat om thermisch energie om te zetten in elektriciteit, het onvermijdelijk is om warmte op een koude plaats dumpen (fig uur 21.8). Dat is hoe warmtemotoren werken. Er moet een koude plaats zijn. Maar het is ongetwijfeld zo dat we gebouwen als stortplaats zouden kunnen gebruiken in plaats warmte af te voeren via koeltorens of zeewater. Dit idee wordt “Warmtekrachtkoppeling” (WKK) of cogeneratie genoemd, en wordt al decennia lang in continentaal Europa toegepast – in veel steden, is een grote krachtcentrale geïntegreerd met een stadsverwarmingssysteem. Voorstanders van de moderne incarnatie van warmtekrachtkoppeling, “micro-WKK”, suggereren dat kleine wkk installaties moeten worden geinstalleerd in afzonderlijke gebouwen of bij kleine groepen van gebouwen, die warmte en elektriciteit leveren aan die gebouwen, en elektriciteit exporteren naar het elektriciteitsnet.
Er is zeker enige waarheid in de opvatting dat Groot-Brittannië nogal achter loopt als het gaat om stadsverwarming en warmtekrachtkoppeling, maar de discussie wordt belemmerd door een algemeen gebrek aan cijfers, en door twee bijzondere fouten. Ten eerste, bij het vergelijken van verschillende manieren om brandstof te gebruiken, wordt de verkeerde maatstaf van “efficiëntie” gebruikt, namelijk een die aan elektriciteit een gelijke waarde toekent als aan warmte. De waarheid is dat elektriciteit meer waard is dan warmte. Ten tweede wordt algemeen aangenomen dat “afvalwarmte” in een traditionele wkk installatie kan worden vastgelegd voor een nuttig doel zonder de elektriciteitsproductie te verminderen. Dit is helaas niet waar, zoals de cijfers laten zien. Het leveren van nuttige warmte aan een klant vermindert altijd tot op zekere hoogte de geproduceerde elektriciteit. De echte nettowinst van gecombineerde warmte en elektriciteit is vaak veel kleiner dan de hype zou doen geloven.
Een laatste hindernis voor een rationele bespreking van warmtekrachtkoppeling is een recente mythe, die een gedecentraliseerde technologie op de een of andere manier groener maakt. Dus terwijl grote gecentraliseerde fossiele warmtekrachtcentrales “slecht” zijn, zijn kuddes met lokale micro-WKK installaties doordrenkt met goedheid. Maar als decentralisatie een goed idee is, dan moet “klein is mooi” uit de cijfers blijken. Decentralisatie zou in staat moeten zijn om op eigen benen te staan. En wat de cijfers daadwerkelijk laten zien is dat gecentraliseerde elektriciteitsopwekking veel voordelen heeft in zowel economische als energetische termen. Alleen in grote gebouwen is er enig voordeel voor lokale generatie, en meestal is dat voordeel slechts ongeveer 10% tot 20%.
De overheid heeft een doelstelling voor de groei van warmtekrachtkoppeling tot 10 GW elektrisch vermogen voor 2010, maar ik denk dat de groei van gasaangedreven warmtekrachtkoppeling een vergissing zou zijn. Zo’n combinatie van warmte en stroom is niet groen: het gebruikt fossiele brandstof en het verplicht ons om verder te gaan met het gebruiken van fossiele brandstof. Aangezien warmtepompen een betere technologie zijn, geloof ik dat we over gas aangedreven WKK installaties heen moeten springen om direct warmtepompen te gebruiken.
Warmtepompen
Net als stadsverwarming en warmtekrachtkoppeling zijn er al warmtepompen op grote schaal toegepast in continentaal Europa, maar vreemd genoeg zelden in Groot-Brittannië.
Warmtepompen zijn koelkasten die andersom werken. Voel de achterkant van uw koelkast: die is warm. Een koelkast verplaatst de warmte van binnen naar buiten (zijn achterpaneel). Dus een manier om een gebouw te verwarmen is om een koelkast omgekeerd te laten draaien, plaats de binnenkant van de koelkast in de tuin om de tuin te koelen; en laat het achterpaneel van de koelkast in uw keukenraam, om de keuken op te warmen. Wat niet duidelijk is aan dit gekke idee, is dat dit een heel efficiënte manier is om uw huis te verwarmen. Voor elke kilowattuur aan stroom die uit het elektriciteitsnet wordt gehaald, kan de omgedraaide koelkast drie kilowattuur aan warmte uit de tuin halen, zodat er in totaal vier kilowatt aan warmte in uw huis komt. Dus warmtepompen zijn ongeveer vier keer zo efficiënt als een standaard elektrische kachel. Terwijl het rendement van de elektrische kachel 100% is, heeft de warmtepomp een rendement van 400%. De efficiëntie van een warmtepomp wordt meestal de prestatiecoëfficiënt of COP genoemd. Als de efficiëntie 400% is, dan is de prestatiecoëfficiënt 4.
Warmtepompen kunnen op verschillende manieren worden geconfigureerd (figuur 21.10). Een warmtepomp kan de lucht in uw tuin afkoelen met behulp van een warmtewisselaar (in feite een witte doos van 1 meter lang, figuur 21.11), in welk geval het een luchtbron warmtepomp heet. Als alternatief kan de pomp de grond afkoelen met grote lussen met waterleiding in de grond (vele tientallen meters lang), in welk geval het een grondbron warmtepomp wordt genoemd. Warmte kan ook uit rivieren en meren gepompt worden.
Sommige warmtepompen kunnen de warmte in twee richtingen pompen. Wanneer een luchtbron warmtepomp achteruit draait, dan gebruikt hij elektriciteit om de buitenlucht op te warmen en de lucht in uw gebouw af te koelen. Dit wordt airconditioning genoemd. Veel airconditioners zijn warmtepompen die op deze manier werken. Grondbron warmtepompen kunnen ook werken als airconditioning. Dus één apparaat kan worden gebruikt om in de winter te verwarmen en in de zomer te koelen.
Mensen zeggen soms dat grondbron warmtepompen “geothermische energie” gebruiken, maar dat is niet de juiste naam. Zoals we in hoofdstuk 16 zagen, biedt geothermische energie slechts een heel klein vermogen per oppervlakte-eenheid (ongeveer 50 mW / m2), in de meeste delen van de wereld; warmtepompen hebben niets te maken met deze kleine warmtestroom, en ze kunnen zowel voor verwarming als voor koeling worden gebruikt. Warmtepompen gebruiken de grond als een buffer om er warmte uit te halen of om in op te slaan. Wanneer ze aanhoudend warmte onttrekken, dan wordt die warmte feitelijk aangevuld door warmte van de zon.
Er zijn nog twee dingen te doen in dit hoofdstuk. We moeten warmtepompen vergelijken met warmtekrachtkoppeling. En we moeten we bespreken wat de limieten voor grondbron warmtepompen zijn.
Warmtepompen, in vergelijking met warmtekrachtkoppeling
Vroeger dacht ik dat warmtekrachtkoppeling geen overbodige luxe was. “Natuurlijk, moeten we de afvalwarmte van elektriciteitscentrales gebruiken om gebouwen te verwarmen in plaats van de lucht in te smijten met een koeltoren! ” Maar zorgvuldig kijkend naar de cijfers die de prestaties van echte WKK-systemen beschrijven, ben ik tot de conclusie gekomen dat er betere manieren zijn om elektriciteit te produceren en gebouwen te verwarmen.
Ik ga een diagram in drie stappen opbouwen. Het diagram toont hoeveel elektrische energie of warmte-energie kan worden geleverd met chemische energie. De horizontale as toont de elektrische efficiëntie en de verticale as geeft de warmte efficiëntie weer.
De standaardoplossing zonder WKK
In de eerste stap laten we eenvoudige energiecentrales en verwarmingssystemen zien die pure elektriciteit of pure warmte leveren. Condensatieketels (de linkerbovenhoek, A) zijn 90% efficiënt omdat 10% van de hitte via de schoorsteen verdwijnt.
De gascentrales in Groot-Brittannië (de rode stip rechts onder, B) zijn momenteel 49% efficiënt in het omzetten van de chemische energie van gas naar elektriciteit. Als u een mix van elektriciteit en warmte uit aardgas wilt, u kunt die verkrijgen door geschikte hoeveelheden gas te verbranden in een elektriciteitscentrale en in een cv ketel. Dus de nieuwe standaardoplossing kan elke elektrische efficiëntie en warmte-efficiëntie op de lijn A-B leveren door elektriciteit en warmte te maken met behulp van twee afzonderlijke installaties.
Om een historisch perspectief te geven, toont de diagram ook de oude standaard verwarmingsoplossing (een gewone niet-condenserende ketel, met een rendement van 79%) en de standaard manier om een paar decennia geleden elektriciteit te produceren (een kolencentrale met een elektrisch rendement van ongeveer 37% ) .
Warmtekrachtkoppeling
Vervolgens voegen we warmtekrachtkoppeling systemen toe aan het diagram. Deze leveren tegelijkertijd, uit chemische energie, zowel elektriciteit als warmte.
Elk van de gevulde punten geeft de werkelijke gemiddelde prestaties van WKK-systemen weer in het Verenigd Koninkrijk, gegroepeerd naar type. De holle punten gemarkeerd met “CT” geven de prestaties van ideale WKK-systemen weer die zijn geciteerd door de Carbon Trust; de holle stippen gemarkeerd met “Nimbus” zijn de productspecificaties van de fabrikant. De punten gemarkeerd met “ct” zijn de efficiencies die door de Carbon Trust worden genoemd voor twee echte systemen (in het Freeman Hospital en Elizabeth House).
Het belangrijkste om op te merken in dit diagram is dat de elektrische efficiëntie van de WKK-systemen aanzienlijk kleiner is dan de efficiëntie van 49% geleverd door energiecentrales die alleen op elektriciteit gericht zijn. Dus warmte is geen “gratis bijproduct.” Verhoging van de warmteproductie schaadt de elektriciteitsproductie.
Het is gebruikelijk om de twee cijfers bij elkaar op te tellen (de efficiëntie van elektriciteitsproductie en warmteproductie) in een enkele “totale efficiëntie”- bijvoorbeeld de tegendrukstoomturbines die 10% elektriciteit en 66% warmte leveren zouden “76% efficiënt” genoemd kunnen worden, maar ik denk dat dit een misleidende samenvatting van de prestaties is. Immers, met deze methode, is de 90% efficiënte condensatieketel “efficiënter” dan alle WKK-systemen! Feit is dat elektrische energie meer waard is dan warmte.
Veel van de WKK-punten ( CHP-punten) in deze figuur zijn superieur aan de “oude standaard manier om dingen te doen “(elektriciteit opwekken uit kolen en warmte uit standaard ketels). En de ideale WKK-systemen zijn iets beter dan de “Nieuwe standaard manier om dingen te doen” (elektriciteit halen uit gas en warmte van condenserende cv ketels). Maar we moeten in gedachten houden dat dit kleine voordeel enkele nadelen heeft – een WKK-systeem levert alleen warmte op de plaats waar die is aangesloten, terwijl de kleinere condensatieketels overal geinstalleerd kunnen worden waar een gasleiding aanwezig is; en vergeleken met de standaard manier van dingen doen, zijn WKK-systemen niet zo flexibel in de mix van elektriciteit en warmte die zij leveren; een WKK-systeem werkt alleen het beste bij het afleveren van een bepaalde mix van elektriciteit en warmte; deze beperking leidt tot inefficiënties op momenten dat, bijvoorbeeld, overtollige warmte wordt geproduceerd; in een typisch huis, komt veel van de vraag naar elektriciteit in relatief korte spikes en heeft weinig te maken met de vraag naar verwarming. Een laatste probleem met sommige micro-WKK-systemen is dat wanneer ze meer elektriciteit produceren dan nodig is voor eigen gebruikt, ze deze elektriciteit niet goed aan het elektriciteitsnet kunnen leveren.
Als laatste voegen we warmtepompen toe, die elektriciteit van het elektriciteitsnet gebruiken om omgevingswarmte in gebouwen te pompen.
De steile groene lijnen tonen de combinaties van elektriciteit en warmte die u kunt verkrijgen in de veronderstelling dat warmtepompen een prestatiecoëfficiënt COP van 3 of 4 hebben, ervan uitgaande dat de extra elektriciteit voor de warmtepompen wordt gegenereerd door een gemiddeld gascentrale of door een topklasse gas energiecentrale met een energieverlies van 8% in het nationale elektriciteitsnetwerk tussen de krachtcentrale en het gebouw waar de warmtepomp staat opgesteld. De efficiëntie van een moderne gasgestookte elektriciteitscentrale is 53%, ervan uitgaande dat die optimaal werkt. (Ik kan me voorstellen dat de Carbon Trust en Nimbus een soortgelijke aanname hebben gedaan bij het verstrekken van de cijfers die in dit diagram worden gebruikt voor WKK-systemen.) In de toekomst zullen warmtepompen waarschijnlijk nog beter worden dan ik hier aanneem. In Japan zijn nu dankzij krachtige wetgeving ter bevordering van warmtepomp rendementen, warmtepompen beschikbaar met een COP van 4.9.
Merk op dat warmtepompen een systeem kunnen bieden met een efficiëntie die “beter is dan 100%” kan zijn. Bijvoorbeeld als de “beste gascentrale”, elektriciteit levert aan warmtepompen kan een combinatie van 30% efficiënte elektriciteit en 20% * 4 = 80% efficiënte warmte leveren, een “totale efficiëntie” van 110%. Geen gewoon WKK-systeem zou ooit deze prestaties kunnen evenaren.
Laat me dit uitleggen. Warmtepompen zijn superieur in efficiëntie vergeleken met condensatie cv ketels, zelfs als die warmtepompen worden gevoed met elektriciteit van een elektriciteitscentrale die aardgas verbrandt. Als u veel gebouwen zou willen verwarmen met behulp van aardgas dan kunt u condensatieketels installeren, die “90% efficiënt ” zijn, of u kunt hetzelfde gas in een nieuwe gas gestookte elektricteitscentrale gebruiken om elektriciteit te maken en elektriciteit-aangedreven warmtepompen installeren in alle gebouwen; de efficiëntie van de tweede oplossing zou ergens tussen 140% en 185% liggen. Het is niet nodig om grote gaten in de tuin te graven en een vloerverwarming te installeren om de voordelen van warmtepompen te krijgen; de beste luchtbron warmtepompen (die slechts een kleine externe doos vereisen, zoals een airconditioner) kan warm water leveren aan normale radiatoren met een prestatiecoëfficiënt boven de 3. De lucht-bron warmtepomp in figuur 21.11 (p147) levert direct warme lucht in een kantoor.
Ik concludeer dus dat warmtekrachtkoppeling, ook al lijkt het een goed idee, waarschijnlijk niet de beste manier is om gebouwen te verwarmen en elektriciteit te maken met aardgas, ervan uitgaande dat een luchtbron of grondbron warmtepomp in de gebouwen geïnstalleerd kan worden. De warmtepomp oplossing heeft nog andere voordelen die benadrukt moeten worden: warmtepompen kunnen geinstalleerd worden in gebouwen waar elektriciteit beschikbaar is; ze kunnen werken op elke elektriciteitsbron, zodat ze blijven werken wanneer het gas op raakt of de gasprijs door het dak gaat; en warmtepompen zijn flexibel: ze kunnen in- en uitgeschakeld worden om aan de vraag van de gebruikers van het gebouw te voldoen.
Ik benadruk dat deze kritische vergelijking niet betekent dat WKK altijd een slecht idee is. Wat ik hier vergelijk zijn methoden voor het verwarmen van gewone gebouwen, waarvoor slechts warmte met een lage temperatuur nodig is. WKK kan ook worden gebruikt om warmte met een hogere temperatuur te leveren aan industriële gebruikers ( 200 °C, bijvoorbeeld). In dergelijke industriële omgevingen is het onwaarschijnlijk dat warmtepompen goed zouden kunnen concurreren omdat hun prestatiecoëfficiënt lager zou zijn.
Grenzen aan de groei (van warmtepompen)
Omdat de temperatuur van de grond, een paar meter onder het oppervlak, dicht bij de 11 °C blijft, of het nu zomer of winter is, is theoretische gezien de grond een betere plaats voor een warmtepomp om zijn warmte uit te halen dan de lucht, die in de winter 10 tot 15 °C kouder kan zijn zijn dan de grond. Dus warmtepomp-adviseurs moedigen waar mogelijk de keuze voor een grond-bron boven een lucht-bron warmtepompen aan. (Warmtepompen werken minder efficiënt als er een groot temperatuurverschil is tussen binnen en buiten.)
De grond is echter geen grenzeloze warmtebron. De warmte moet ergens vandaan komen en aarde is geen erg
goede thermische geleider. Als we de warmte te snel uit de grond halen, dan zal de grond zo koud worden als ijs, en dat vermindert het voordeel van de grond-bron warmtepomp.
In Groot-Brittannië is het belangrijkste doel van warmtepompen gebouwen in de winter te verwarmen. De ultieme bron van deze warmte is de zon, die de warmte in de grond aanvult door directe straling en door geleiding door de lucht. De snelheid waarmee warmte uit de grond wordt gezogen moet aan twee voorwaarden voldoen: het mag de temperatuur van de grond in de winter niet te veel verlagen; en de warmte die in de winter wordt onttrokken moet op de een of andere manier in de zomer weer worden aangevuld. Als er een risico bestaat dat in de zomer de grond onvoldoende opwarmt om de in de winter onttrokken warmte weer aan te vullen, dan moet de aanvulling actief worden geregeld – bijvoorbeeld door het systeem in de zomer omgekeerd te laten werken, waarbij warmte weer in de grond wordt gepompt (en dus boven voorzien is van airconditioning).
Laten we een aantal cijfers aan deze discussie toevoegen. Hoeveel grondoppervlak heeft een grond-bron warmtepomp nodig? Stel dat we een buurt hebben met een vrij hoge bevolkingsdichtheid – zeg 6200 mensen per km2 (160 m2 per persoon), de dichtheid van een typisch Britse buitenwijk. Kan iedereen gebruik maken van grond-bron warmtepompen, zonder actieve aanvulling in de zomer? Een berekening in hoofdstuk E geeft een voorlopig antwoord van nee: als we wilden dat iedereen in de buurt een warmtestroom van ongeveer 48 kWh / d per persoon zou kunnen onttrekken (mijn schatting van onze typische vraag naar winterwarmte), dan zou de grond in de winter bevriezen. Het vermijden van onredelijke afkoeling van de grond vereist dat de warmtewinning minder is dan 12 kWh / dag per persoon. Dus als we overschakelen op grondwarmtepompen, dan moeten we aan het ontwerp zomerwarmte injectie toevoegen, om de grond opnieuw te vullen met warmte voor gebruik in de winter. Deze zomer injecties kunnen warmte van airconditioning of warmte van op het dak gemonteerde zonnepanelen voor waterverwarming gebruiken. (Zomer zonnewarmte wordt opgeslagen in de grond voor later gebruik in de winter door Drake Landing Solar Com-munity in Canada [www.dlsc.ca].) We kunnen als alternatief ook gewoon lucht-bron warmtepompen gebruiken, en dan is er geen limiet om al de warmte te produceren die we nodig hebben – zolang er elektriciteit is om de warmte te transporteren. In het VK, komen luchttemperaturen niet ver onder het vriespunt, dus zorgen over slechte prestaties van lucht-bron pompen in de winter, die in Noord-Amerika en Scandinavië kunnen voorkomen zijn waarschijnlijk niet van toepassing in Groot-Brittannië.
| oppervlak per persoon (m2) | |
|---|---|
| Bangalore | 37 |
| Manhattan | 39 |
| Paris | 40 |
| Chelsea | 66 |
| Tokyo | 72 |
| Moscow | 97 |
| Taipei | 104 |
| The Hague | 152 |
| San Francisco | 156 |
| Singapore | 156 |
| Cambridge MA | 164 |
| Sydney | 174 |
| Portsmouth | 213 |
Mijn conclusie: kunnen we de energie die we nodig hebben voor verwarming verminderen? Ja. Kunnen we tegelijkertijd van fossiele brandstoffen af? Ja. Zonder het laaghangende fruit te vergeten – isolatie van gebouwen en slimme thermostaten – zouden we al onze fossiele cv ketels moeten vervangen door elektrische warmtepompen; daardoor we kunnen de voor verwarming benodigde energie terugbrengen tot 25% van het huidige niveau. Natuurlijk zou dit plan voor de elektrificatie van verwarming meer elektriciteit vereisen. Maar zelfs als de extra elektriciteit afkomstig zou zijn van gasgestookte centrales, dan zou dat nog steeds een veel betere manier zijn om te verwarmen dan wat we vandaag doen, door gas te verbranden. Warmtepompen zijn toekomstbestendig, omdat ze met elektriciteit uit iedere bron gebouwen efficiënt te kunnen verwarmen.
Tegenstanders maken bezwaar tegen de prestatiecoëfficiënt van lucht-bron warmtepompen die waardeloos is – slechts 2 of 3. Maar hun informatie is verouderd. Als we zo verstandig zijn om top-of-the-line warmtepompen te kopen, kan dat veel beter. De Japanse overheid heeft in het afgelopen decennium de energie efficiëntie normen verhoogd wat tot gevolg heeft gehad dat de prestaties van airconditioners enorm verbeterd zijn; dankzij deze wettelijke bepalingen, zijn er nu lucht-bron warmtepompen met een prestatiecoëfficiënt van 4,9; deze warmtepompen kunnen zowel heet water als warme lucht maken.
Een ander bezwaar tegen warmtepompen is “oh, we kunnen niet toestaan dat mensen efficiënte warmtepompen installeren, want dan gaan ze die gebruiken voor airconditioning in de zomer. ” Kom op zeg – ik haat overbodig gebruik van airconditioning net zoveel als iedereen, maar deze warmtepompen zijn vier keer efficiënter dan welke andere verwarmingsmethode dan ook! Laat me een betere keuze zien. Houtpellets
Aantekeningen en verdere lectuur
Zolder en spouwmuurisolatie vermindert het warmteverlies in een typisch oud huis met ongeveer een kwart. Eden and Bending (1985).
De gemiddelde binnentemperatuur in Britse huizen in 1970 was 13 °C! Bron:Vakgroep Handel en Industrie (2002a, paragraaf 3.11)
Het VK loopt nogal wat achter als het gaat om stadsverwarming en warmtekrachtkoppeling . De afvalwarmte van Britse centrales zou aan de verwarmingsbehoeften van het hele land kunnen voldoen(Wood, 1985).
In Denemarken leverden in 1985 district verwarmingssystemen 42% van de ruimteverwarming, waarbij warmte 20 km of meer werd getransporteerd in de vorm van heet water onder druk. In West-Duitsland ontvingen in 1985, 4 miljoen woningen 7 kW per woning uit stadsverwarming. Tweederde van de geleverde warmte was afkomstig van energiecentrales. In Vasteras, Zweden werd in 1985 98% van de warmte van de stad geleverd door elektriciteitscentrales.
Warmtepompen zijn ongeveer vier keer zo efficiënt als een standaard elektrische kachel. Zie www.gshp.org.uk. Sommige warmtepompen die beschikbaar zijn in het VK, hebben al een coëfficiënt groter dan 4.0 [yok2nw]. Er is inderdaad een overheidssubsidie voor water-bron warmtepompen die alleen van toepassing is op pompen met een COP beter dan 4.4 [2dtx8z]. Commerciële grond-bron warmtepompen zijn verkrijgbaar met een COP van 5.4 voor koeling en 4.9 voor verwarming [2fd8ar].
Lucht-bron warmtepompen met een prestatiecoëfficiënt van 4,9 … Volgens HPTCJ (2007), zijn warmtepompen met een prestatiecoëfficiënt van 6,6 beschikbaar sinds 2006 in Japan beschikbaar. De prestaties van
warmtepompen zijn in Japan in een decennium verbeterd van 3 naar 6 dankzij overheidsvoorschriften. HPTCJ (2007) beschrijft een lucht-bron-warmtepomp-boiler met de naam Eco Cute met een prestatiecoëfficiënt van 4.9. De Eco Cute kwam op de markt in 2001. www.ecosystem-japan.com.
Meer informatie over warmtepompen: European Heat Pump Network ehpn.fiz-karlsruhe.de/en/,
www.iceenergy.co.uk.