С наступлением зимы в одном миллионе зданий Нью-Йорка начинается жара. Большинство печей или котлов этих зданий работают на ископаемом топливе, таком как природный газ и нефть; в результате на отопление и горячую воду приходится около 42 процентов общих выбросов парниковых газов в городе. Больше статей тут.

Виджей Моди, профессор кафедры машиностроения Колумбийского университета и преподаватель Института Земли, и его исследовательская группа изучают, как обезуглерожить отопление. Его решение? Тепловые насосы, работающие на электричестве - поскольку все больше и больше электричества получают из возобновляемых источников , «сделать электричество экологичным гораздо проще и доступнее, чем сделать зеленое топливо».

«Политики признали ценность тепловых насосов, - сказал он, - и они являются частью целей губернатора штата Нью-Йорк в области энергоэффективности, согласно которым к 2030 году мы должны получать 25 процентов тепла от тепловых насосов».

Электрифицированное отопление важно и для остальной нации. Чтобы предотвратить катастрофические последствия изменения климата, мы должны как можно скорее сократить выбросы углерода до нуля. Согласно отчету Института Роки-Маунтин за 2018 год,   достижение целей «глубокой декарбонизации» по сокращению выбросов парниковых газов на 75 процентов или более повлечет за собой, среди прочего, устранение большей части выбросов, производимых при сжигании природного газа, нефти или пропана в Американские дома и предприятия для отопления и горячего водоснабжения.

Что такое тепловой насос?

В популярном типе теплового насоса есть наружный блок, содержащий компрессор и конденсатор, который работает с внутренним блоком (хотя тепловые насосы также могут содержаться в одном блоке). В жаркую погоду тепловой насос работает как кондиционер, забирая тепло из воздуха внутри дома и передавая его наружу, охлаждая дом.

Внешний блок теплового насоса

В прохладные месяцы он забирает тепло из наружного воздуха и передает его внутрь; Как ни странно, даже в холодную погоду наружный воздух содержит достаточно тепла, чтобы согреть ваш дом. В то время как большинство тепловых насосов передают тепло из воздуха, существуют геотермальные насосы и насосы для источников воды, которые передают тепло от земли или ближайшего источника воды; другие действуют как водонагреватели.

Тепловые насосы более энергоэффективны, чем печи и котлы, поскольку вместо выработки тепла они просто перемещают тепло из одного места в другое, и они могут как обогревать, так и охлаждать дом. Они обеспечивают наиболее эффективный обогрев и охлаждение, производя от двух до четырех единиц тепла на каждую единицу используемой энергии - газовая печь производит чуть меньше одной единицы тепла на единицу энергии.

По сравнению с печами и отоплением плинтусов тепловые насосы могут снизить потребление энергии на 50 процентов. И, согласно исследованию Совета по защите природных ресурсов (NRDC) , в течение срока службы новый тепловой насос с воздушным источником может снизить выбросы парниковых газов на 46–54 процента по сравнению с альтернативами природному газу.

Как перейти на тепловые насосы

Обезуглероживание отопления в Нью-Йорке представляет собой сложную задачу из-за плотности города, огромного спроса на энергию, устаревшей инфраструктуры, разнообразия типов зданий и нехватки места. Лаборатория устойчивого развития Quadracci Моди  изучает, как это можно сделать, изучает преимущества электрификации отопления и решает потенциальные проблемы, которые могут возникнуть.

Когда природный газ стал дешевле нефти, многие здания в Нью-Йорке перешли с нефти на газ. Но поскольку первоначальные затраты на замену существующей системы природного газа на решение, полностью состоящее из тепловых насосов, высоки, Моди сомневается, что большинство людей предпочтут это сделать. Вместо этого, чтобы быть рентабельным, при модернизации можно было бы установить тепловые насосы, которые будут использоваться большую часть времени вместе с существующими системами отопления.

Он объяснил, что здания с печью, которая нагревает воздух и распределяет его, также могут включать в свой контур тепловой насос для нагрева воздуха. Потребуется небольшая модернизация. Большое высотное здание представляло бы большую проблему, потому что для этого потребовался бы тепловой насос промышленного размера, который было бы трудно модернизировать.

Тепловые насосы также могут быть более легко адаптированы, когда в зданиях необходимо добавить или заменить системы кондиционирования воздуха или природного газа, модернизировать свои электрические системы или провести ремонт кишечника. А новое строительство вполне может полностью полагаться на электрические тепловые насосы.

Опасения по поводу тепловых насосов

Есть опасения по поводу того, что может произойти, если зимой для отопления потребуется все больше и больше электроэнергии. В настоящее время пик потребности в электроэнергии в масштабах всей системы приходится на летние месяцы, когда используются кондиционеры; Моди утверждает, что у нас есть возможность увеличить использование тепловых насосов, пока мы не достигнем сопоставимого зимнего пика. Чтобы добраться туда и дальше, ветровые ресурсы могут стать решением. «У нас очень хорошие прибрежные ветровые ресурсы прямо здесь, в Нью-Йорке», - сказал Моди. «Это очень хорошо подходит для отопления, так как зимой дуют более сильные ветры, которые позволяют получать все большее количество тепла от энергии ветра».

Другая проблема заключается в том, что электрическая проводка во многих зданиях может быть не в состоянии обеспечить дополнительную электроэнергию, необходимую для тепловых насосов, работающих от 220/240 вольт. Моди предложил заменить оконные кондиционеры, работающие на 220/240 вольт, тепловыми насосами (которые также охлаждают). «Для большей части вашего отопления, когда температура выше нуля, все может быть в порядке», - сказал он. И, по крайней мере, в Нью-Йорке, «это то, что составляет 60 процентов потребности в отоплении. Вдобавок вы также сократите выбросы ».

Взгляд на будущее

Институт Роки-Маунтин привел несколько факторов, которые могут помочь ускорить этот переход и сделать тепловые насосы более рентабельными. По мере того, как тепловые насосы завоевывают популярность, а производители добиваются экономии на масштабе, цены будут падать. Интеллектуальная технология, которая может помочь изменить время потребления энергии, может, например, позволить тепловым насосам предварительно нагревать дом в полдень, когда тарифы на электроэнергию могут быть ниже, и помочь интегрировать больше возобновляемой энергии в сеть. Установление цен на углерод может побудить больше людей установить тепловые насосы.

Однако даже при нынешней электросети в штате Нью-Йорк электрификация отопления снижает выбросы парниковых газов. А поскольку сеть все больше и больше работает на возобновляемых источниках энергии, выбросы при отоплении могут быть полностью устранены.

«Вполне возможно, что в следующие 20 лет мы придумаем, как сделать электричество экологически чистым и дешевым. Тогда мы все время использовали бы тепловые насосы », - сказал Моди. «Но путь к этому сложен - поскольку мы делаем этот переход, он должен быть рентабельным».

Что касается строительства новых домов, исследование NRDC показало, что в Калифорнии установка электрических тепловых насосов вместо систем на природном газе может сэкономить домовладельцам аванс в размере 1500 долларов и сотни долларов ежегодно на эксплуатационных расходах. Но поскольку первоначальные затраты на установку или модернизацию тепловых насосов могут отпугнуть некоторых людей от перехода, коммунальным предприятиям, правительствам и производителям необходимо продвигать технологию тепловых насосов и делать ее более доступной. Финансовые стимулы имеют ключевое значение. «Мы даем очень большие стимулы для покупки электромобиля», - сказал Моди. «Но доллар за доллар, было бы намного лучше сделать это для отопления… потому что сокращение выбросов будет очень значительным за те же деньги».

Институт Роки-Маунтин предоставил коммунальным предприятиям и лицам, определяющим политику, дополнительные рекомендации для облегчения долгосрочной электрификации:

Сделайте переход на тепловые насосы приоритетным направлением в зданиях, которые в настоящее время используют пропан и масло для отопления и горячего водоснабжения, поскольку на них приходится более 20 процентов выбросов при обогреве помещений и воды.
Прекратите установку систем природного газа в новых зданиях, поскольку эта инфраструктура в конечном итоге устареет по мере декарбонизации общества.
Чтобы управлять повышенным спросом на электричество и существующее электрифицированное отопление, создавайте инициативы, которые включают новые тарифы, энергоэффективность и побуждают потребителей переводить потребление энергии в непиковые часы.
Обновите стандарты и цели энергоэффективности, включив в них сокращения выбросов как электроэнергии, так и газа, чтобы коммунальные предприятия не подвергались штрафам за неснижение спроса на электроэнергию.
Лаборатория Моди изучает, как электрифицированное отопление повлияет на всю энергетическую систему в контексте декарбонизации. Исследователи изучают электромобили, где они будут приняты, установку солнечных панелей и домашних аккумуляторных батарей, как все это влияет на расположение ветряных, солнечных батарей и передачи, а также общие последствия для домовладельцев и поставщиков. Основываясь на своих исследованиях, он призвал: «Мы должны идти полным ходом, чтобы установить возобновляемые источники энергии и больше прибрежных ветроэнергетических установок в штате Нью-Йорк. Вначале это дорого, но по мере того, как вы устанавливаете больше, эти затраты снижаются. Достижение 50-60% [сокращение выбросов], что является нашей краткосрочной целью, возможно, относительно доступно, и технология для этого есть ».