Некоммерческое
партнерство
инженеров
Инженеры по отоплению, вентиляции, кондиционированию воздуха, теплоснабжению и строительной теплофизике
(495) 984-99-72 НП "АВОК"

(495) 621-80-48 Секретарь (тел./факс) ООО ИИП "АВОК-ПРЕСС"
(495) 107-91-50

АВОК ассоциированный
член
Summary:

Эффективность использования топливных элементов в жилом секторе

Описание:

Жилыми зданиями потребляется значительная доля энергии, и поэтому применение энергосберегающих технологий в бытовом секторе в перспективе дает возможность существенно снизить энергоемкость экономики. Одной из наиболее перспективных инновационных технологий, обеспечивающих эффективное использование энергии и экономию невозобновляемых энергоресурсов, является применение топливных элементов. Главным недостатком топливных элементов на сегодняшний день является их высокая стоимость. В настоящей статье приведены результаты исследования эффективности применения топливных элементов в жилом секторе, проведенного зарубежными специалистами. Ими было выполнено энергетическое моделирование установки на основе топливных элементов с тепловым насосом, предназначенной для энергоснабжения типовых жилых зданий в различных климатических зонах, и проведено сравнение с системой теплоснабжения традиционного типа.

Эффективность использования топливных элементов в жилом секторе

Жилыми зданиями потребляется значительная доля энергии, и поэтому применение энерго­сберегающих технологий в бытовом секторе в перспективе дает возможность существенно снизить энергоемкость экономики. Одной из наиболее перспективных инновационных технологий, обеспечивающих эффективное использование энергии и экономию невозобновляемых энергоресурсов, является применение топливных элементов. Главным недостатком топливных элементов на сегодняшний день является их высокая стоимость. В настоящей статье приведены результаты исследования эффективности применения топливных элементов в жилом секторе, проведенного зарубежными специалистами. Ими было выполнено энергетическое моделирование установки на основе топливных элементов с тепловым насосом, предназначенной для энергоснабжения типовых жилых зданий в различных климатических зонах, и проведено сравнение с системой теплоснабжения традиционного типа.

Топливные элементы

Системы на основе топливных элементов

Системы на основе топливных элементов обладают высоким коэффициентом полезного действия и минимизируют вредное воздействие на окружающую среду. На фоне растущего спроса на технологии малой энергетики такие системы все чаще выбираются за рубежом в качестве бытовых источников энергоснабжения. Проектировать систему на базе топливных элементов правильнее всего на основании реальных данных по годовой энергетической нагрузке, которую можно разделить на электрическую и тепловую.

Природный газ является наиболее доступным источником энергии для топливного элемента. Топливные элементы, работающие на природном газе, обладают пониженной энергоэффективностью при работе с частичными нагрузками: они требуют предварительного нагрева и не способны быстро реагировать на переменную нагрузку. В табл. 1 приведены общие свойства бытовой установки на базе топливных элементов.

Таблица 1. Общие свойства установки на топливных элементах, применяемой в жилом доме.
Выработка
энергии, кВт ч
электрической 1,0
тепловой 1,3
Энергоэффективность
(КПД), %
по электричеству 34,0
по теплу 44,0
Источник энергии: природный газ;
Габариты: высота 800 мм, ширина 500 мм, глубина 580 мм

Различные системы на базе топливных элементов

В литературных источниках предлагается и анализируется несколько систем на базе топливных элементов. В жилых домах можно использовать как твердотельные оксидные топливные элементы (SOFC), так и топливные элементы с протонообменной мембраной (PEMFC).

Сравнение систем энергоснабжения

Предложен метод сравнения системы энергоснабжения на базе топливных элементов с традиционной системой теплоснабжения. Системы на базе топливных элементов были спроектированы для одинаковых типовых зданий, расположенных в четырех климатических зонах, характеризующихся разным количеством градусо-суток отопительного периода (ГСОП) и периода охлаждения (ГСОхП) (табл. 2). В каждой из рассматриваемых зон отмечены преимущества использования топливных элементов: низкие эксплуатационные расходы и небольшие объемы выбросов СО2, что обусловлено экономичным потреблением и более эффективным использованием природного газа.

СПРАВКА

Принцип работы топливного элемента (газовой батареи): в процессе электрохимической реакции водорода и кислорода происходит образование молекул воды и при этом выделяется тепловая и электрическая энергия.Топливные элементы

Ежегодное энергопотребление было определено для среднего пользователя и включало энергозатраты на отопление, охлаждение, горячее водоснабжение и использование электрической энергии бытовыми приборами. Экономия эксплуатационных расходов и снижение выбросов СО2 рассчитывались на каждый год и 15-летний период. В расчетах на долгосрочный период использовался метод расчета чистых дисконтированных затрат. Объемы выброса СО2 рассчитывались с использованием международных данных по углеродному следу (carbon footprint). Срок окупаемости определялся при помощи простого (бездисконтного) метода.

Таблица 2
Характеристика климатических зон
ЗОНА ГСОП, град-сут. ГСОхП, град-сут. Количество дней
с температурой
наружного воздуха
ниже
–15 °С
выше
22 °С
1 – теплый
климат
983627 130 137
2 – умеренный
климат
1 702169 186 88
3 – холодный
климат
2 327165 204 68
4 – континен-
тальный климат
4 665286 286 5

Исходные условия исследований

Исследуемое здание представляет собой типичный двухэтажный жилой дом площадью 206 м2, рассчитанный на четырех человек. Ежедневное потребление электроэнергии составляет 16 кВт•ч, а среднее потребление горячей воды – 300 л/сут.

Традиционная система теплоснабжения включает конденсационный котел для отопления и бытового горячего водоснабжения, а также холодильную установку для кондиционирования воздуха. Для отопления и охлаждения в рассматриваемом здании используются доводчики (фэнкойлы). Электроснабжение обеспечивается городскими сетями.

Внедряемая в рассматриваемое здание система энергоснабжения на базе топливных элементов, работающих на природном газе, включает тепловой насос для отопления и ГВС, охлаждения и предусматривает выработку электрической энергии (рис. 1), в том числе для работы теплового насоса. Во время работы выделяется углерод. Весь процесс заключается в использовании природного газа для производства электроэнергии.

Схема системы энергоснабжения жилого дома на базе топливных элементов

Рисунок 1.

Схема системы энергоснабжения жилого дома на базе топливных элементов

Расчет нагрузок по отоплению и охлаждению проводился посредством программы почасового анализа (Hourly Analysis Program – HAP) на основании регистрируемых данных. HAP – это программное обеспечение для энергетического моделирования, получившее мировое признание и использующее стандарты ASHRAE. Анализ полученных результатов

Тепловые нагрузки существенно различаются в зависимости от климатической зоны (рис. 2). В зонах 3 и 4 с континентальным климатом годовая нагрузка по отоплению выше, чем для зон 1 и 2. И наоборот, благодаря более теплому климату охлаждение становится важнее, чем отопление в зонах 1 и 2.

Месячные нагрузки по отоплению / охлаждению, рассчитанные при
помощи программы HAP

Рисунок 2.

Месячные нагрузки по отоплению / охлаждению, рассчитанные при помощи программы HAP

Экономия определяется разницей в эксплуатационных расходах между традиционной системой и системой на базе топливных элементов и является прямой функцией от величины нагрузок по отоплению и охлаждению (рис. 3). Технология на базе топливных элементов более выгодна в континентальном климате, что обусловлено нагрузкой по отоплению. В умеренных климатических зонах выгода от применения топливных элементов зависит от потребности в охлаждении.

Снижение эксплуатационных расходов (экономия) при использова-
нии системы на базе топливных элементов

Рисунок 3.

Снижение эксплуатационных расходов (экономия) при использова- нии системы на базе топливных элементов

Системы на топливных элементах значительно влияют на объем выбросов углерода. Кроме того, с увеличением потребности в тепловой нагрузке количество выбросов СО2 растет, поэтому континентальные зоны, где более низкие зимние температуры и длительный отопительный период, характеризуются большими выбросами углерода. Окупаемость инвестиций и величина экономии от использования системы энергоснабжения на базе топливных элементов различаются из-за климатических условий (табл. 3). Однако если срок окупаемости приемлем в континентальном климате, это будет верно и для очень жаркого климата. В умеренных климатических зонах срок окупаемости больше, и на данный момент такие системы сложно реализовать.

Таблица 3.
Экономические показатели использования системы энергоснабженипя на топливных элементах (годовые и на 15-летний период).
Климат Тип
системы
Инвестиции ($) Экспл. расходы ($/15 лет) Чистая
текущая
стоимость ($/15 лет)
Бездис-
контный
период
окупаемости ($/год)
Углерод-
ный
след
(кг СО2/15 лет)
Период
окупа-
емости,
лет

Зона 1

Традиционная 5 110 32 937 14 190 2 196 162 300 11,7
Топл. элемент 16 940 17 826 7 6801 189 86 550
Экономия -11 830 15 111 6 510 1 007 75 750

Зона 2

Традиционная 5110 30930 129902063 141990 12,2
Топл. элемент 16940 16405 68881094 86295
Экономия -11830 14525 6102 969 55695

Зона 3

Традиционная 5110 35566 153232371 174150 9,6
Топл. элемент 16940 17148 73881143 84900
Экономия -11830 18418 7935 1228 89250

Зона 4

Традиционная 5110 46297 199463087 225150 6,6
Топл. элемент 16940 19535 84161302 96450
Экономия -11830 26762 11530 1785 128700

Выводы

В результате исследования подтверждена эффективность новой технологии – системы на базе топливных элементов, которая применялась в жилом доме. Система энергоснабжения на базе топливных элементов оказалась более эффективной, чем традиционная. Эксплуатационные расходы уменьшились приблизительно на 50 %. Еще один важный момент – снижение объемов выбросов углерода.

Обсуждались вопросы экономической доступности данной технологии и в результате сделан вывод, что бытовое применение системы на базе топливных элементов осложняется ее дороговизной. На протяжении последних лет активно ведутся работы по ее усовершенствованию, и в ближайшем будущем ожидается снижение ее стоимости.

Статья подготовлена по материалам журнала «The REHVA European HVAC Journal», № 51/2, март 2014 года

купить online журнал подписаться на журнал
Поделиться статьей в социальных сетях:

Статья опубликована в журнале “Энергосбережение” за №1'2016

распечатать статью распечатать статью PDF pdf версия


Реклама
Реклама на нашем сайте
Rambler's Top100 Rambler's Top100 Яндекс цитирования



Кондиционирование, отопление, вентиляция

Подписка на журналы

АВОК
АВОК
Энергосбережение
Энергосбережение
Сантехника
Сантехника
Онлайн-словарь АВОК!


Реклама на нашем сайте