主题：【翻译】可再生能源－－消除温室效应 1序 -- hwd99

21 聪明的取暖

图21.1 1940年建造的我的家

上一章我们讨论了电动车能够在目前水平上降低能耗至五分之一（译者注，应该是降低约50－70%，也就是降低到目前三分之一水平）。使用公共交通工具，可降低能耗40倍（译者注，这个结果说明我国今后城市交通的发展方向应该是公共交通，类似日本）。那么，取暖如何？技术或生活方式转变能提供何种节能方案？

室内取暖能耗计算可用下式计算：

能耗＝室内外温差*房屋泄露率/加热系统效率

详细讨论参见第E章，现在举例来说明，如图21.1是1940年建造的我的家。室内外温差由室内温度控制器来决定。如果设置到20度，平均温差约9度。房屋泄露率表示了热量通过墙，窗户，裂缝，门等散失的速率，又叫热损系数。测量单位是每天kWh/度。在第E章，我估算2006年，我的房屋热损系数是7.7kWh/天/度。因此，平均温差*热损系数就是房屋通过热传导等损失的能量，例如，按照上述热损系数7.7kWh/天/度，我们得到我的房屋损失热量速度是

9度*7.7kWh/天/度＝70 kWh/天

我们用这个数据除以加热系统效率就得到能耗。我的房屋使用压缩天然气锅炉，热效率是90%，于是我们发现：

能耗＝9(度)*7.7(kWh/天/度)/90%=77 kWh/天.

这个数据比第7章估计数据大。 主要原因是，第一，这个式子假定热量都来自锅炉，实际还有其它来源，如太阳能，小电器散发的废热。第二，在第7章，我们假定人们只是保持2个房间温度在20度，这里我们假设所有房间，所有时候都一直保持20度。

下面我们讨论如何降低取暖能耗？主要有3种方法。

1、 减少温差。调低控温器温度就是一个办法

2、 减少房屋热损。主要通过增加建筑物绝热：考虑三重玻璃，减少换气，顶层阁楼上加绝热材料，或者更换更好的绝热材料，或换较小住房。（房屋热损与房屋面积同步增加）

3、 增加加热系统效率。也许你认为，90%已经很高了，很难再改进了，但是，实际上我们可以做得更好。

图21.2 12个房屋的能耗，面积86平米，热损系数是2.7kWh/天/度

制冷技术：温度控制器

调低温度控制器温度，你就可以使用较少的能量。象变魔术一样。在英国，每降低一度，可以减少能耗10%。从20度降低到15度，将减少能耗一半。感谢房屋偶尔会获得能量，其提供的能量有时会大于热损。

不幸的是，这个好用的节能技术也有缺点。有人对降低温度没有多少感觉。下面简要证明，最重要的聪明点是居住在房屋的主人。图21.2是一项研究资料，监测了12个房屋的能耗。它使我们关注第一个家庭，他的能耗是第12号家庭能耗的2倍。然而，我们还应注意，他的能耗是43kWh/天，此前我们还估算过我的房屋取暖能耗，那个数字竟然比这个还大？实际上，从1993到2003年，我的房屋取暖能耗比43kWh/天略大（参见图7.10）。我想我是一个节俭的人，问题是房子。所有在该项研究中的房屋的热损是2.7kWh/天/度，而我的房子的热损是7.7kWh/天/度。

战胜泄露

除掉使用推土机推倒重来，我们还能做什么？图21.3列出了老式孤立房屋，半孤立房屋和有阳台房屋的措施及热损。增加顶楼绝缘或墙壁绝缘，减少热损25%，感谢外来热量，这使我们减少40%能量消耗。下面看看实测结果。

图21.3老式孤立房屋，半孤立房屋和有阳台房屋的措施及热损

图21.4 我的房屋从93－2004年的能耗

实例

我在第53页介绍了我的房屋，2004年我安装了一个锅炉，取代了老式天然气锅炉。同时我除去了热水罐，每个房间安装温度控制器，在锅炉上加装了加热控制器，可以设置每天目标温度。我的能耗从每天50降低到32kWh。

对这个结果，我很满意。但是，这还不够，如果目标是降低二氧化碳排放量到每年1吨，而32kWh/天对应的排放超过每年2吨。

2007年，我关注了能源消耗表。我在墙壁上安装了绝热材料，改善了屋顶绝热性能。将单层玻璃后门该成双层玻璃后门。前面增加了一个双层玻璃门。最重要的是，我关注了温度控制，从而降低了燃气消耗。最近一年，我的能耗是13kWh/天。

优于这个实例包括了很多不同措施，我们很难估计那个最重要。按照我的计算（第E章），通过增加绝热材料，减少泄露25%，从7.7kWh/天/度降低到5.8kWh/天/度，这仍然大于任何现代房屋。降低旧房屋热损是非常困难的。

我的体会是加装温度控制。将温度控制到多少比较合适？现在很多人倾向于设置到17度。但是，1970年伦敦房屋室内平均温度是13度。人们感觉是否足够暖取决于他们正在做什么，以及过去一小时做过什么等。我建议，不要仅仅想着如何设置温度控制器，可以先将温度控制在一个比较低的温度，如13或15度，然后，如果你感到冷，就临时增加温度。这象图书馆的灯，如果你问，需要将灯光亮度调到多大，你会回答，能够读书就够了。你会将灯光一直设置在那个水平。但是，问题是，你不用一直将灯光设置在那个水平，我们可以让读者来时打开灯，走时关上灯。类似地，我们也不需要将温度一直设置在20度。

在结束温度控制部分钱，我还需要提到空调。夏天很多空调温度控制到18度，常常使人感到发疯。那些疯子管理员倾向于认为喜欢比冬天还低的温度。在日本，政府推荐空调温度设置到28度。

更好的房屋

如果你新建房屋，有很多中途径保证，能耗比老房子低。图21.2显示，现代房屋建设使用比1940年代更好的绝热材料。但是，根据第E章讨论，英国在房屋建设标准方面还可以做得更好。取得最好效果的三个关键因素是，第一，在地板，屋顶和墙壁上使用更好的绝热材料。第二保证房屋很好地密封，使用有热交换装置的换气管道更新空气，除去室内潮湿空气。第三，改善设计，尽可能利用太阳能。

制热耗能

到目前为止，本章讨论了温度控制和热损。下面我们讨论等式的第三个因子。

能耗＝室内外温差*房屋泄露率/加热系统效率

如何有效地获得热能？我们是否获得便宜的热能？今天，在英国，室内取暖主要燃烧化石燃料天然气加热锅炉，热效率78－90%。我们是否能够摆脱化石燃料，同时提高效率？

热电联供是解决英国热能供应问题的一项技术，还有类似的微型热电联供。我将简单解释热电联供，但是，我的结论是，这是一个坏主意。因为还有更好的技术，叫热泵。我将详细介绍它。

图21.8 发电站工作原理

热电联供

一般认为，大型集中式发电站是没有效率的，因为热能从烟囱和冷却塔中跑走了。更复杂的观点是，将热能变成电，我们不可避免地将废热排放到低温处。如图21.8是发电站工作原理，必须有一个低温处。很自然地，人们就想，能否将我们的房屋作为发电系统的低温处，用来接受废热，从而利用废热取暖。这就是热电联产。它在欧洲已经广泛应用几十年，在很多城市，一个大型发电厂就会带一套本地区供热系统。而小型或微型热电联供则建议在一座或几座建筑物内设置一套热电联供系统，象建筑物内供电和热，同时输出一些电能到电网。

区域热电联供，对英国来说是一种倒退，主要问题是缺乏数字分析，包括两个问题：第一，当比较不同方案的耗能时，不恰当地使用了效率，就是说，将电和热等价看待了。而实际上，电能比热能价值高很多。第二，传统认为，从发电厂取走废热，不会损害发电能力。这也是不正确的。数字显示，取走用于供热的热能常使发电量下降。热电联产带来的效益常常比人们相信的要少得多。

还有一个导致热电联供迅速增长的神话是，分散技术是绿色的，而大型电厂是坏东西。如果真是这样，则我们从数字上应该能看到。大型发电厂在经济上和能源效率上常常占据优势，只有在大型建筑物，分散技术才会显示优势，而且收益仅10－20%。

政府计划到2010年增加10GW（等于一千万千瓦），但我认为增加燃气热电联供是个错误。它不是绿色，需要使用化石燃料，使我们仍然绑在化石燃料上，无法摆脱。热泵技术较好，我认为，我们应该从热电联供蛙跳到热泵技术上。

图21.10 热泵

热泵

在欧洲大陆，热泵技术广泛应用，但在英国则很少。热泵是反向运转的制冷机。感受一下制冷机背部，它是热的。制冷机将热能从内部取走，送到另一处。因此，如果 反过来运转，从自然界或外界取来热能，供应室内，就能加热室内。这个技术在效率上很有优势，当你从电网中取走一个千瓦的热能，同时热机从外界还取来3千瓦热能，从而得到4千瓦热能。因此，热泵的效率是电炉的4倍，如果电炉效率是100%，则热泵效率是400%。通常将热泵效率称为性能系数cop。如果热泵效率是400%，则COP是4.

热泵有多种运行方式。可以通过热交换器从空气中获得热能，叫空气热泵，也可以从地下获得热能，叫地源热泵。可以反过来运转，从室内空气取走热能，从而称为制冷空调。许多空调就是热泵工作在这种模式下，成为空调。地源热泵同样可以制冷，因此，一套设施可以同时用于夏天制冷，冬天取暖。

人们常说，地源热泵使用了地下能源，这不正确。第16章将介绍地热能，能量密度很低，仅50毫瓦/平米。热泵能量密度大得多，它们没有起多大作用。热泵仅仅将地下作为废热排放处，或从中取走热。当温度低取走热能，是由太阳能来补充。

本章留下了两件事，我们需要比较热泵和热电联产，我们需要讨论地源热泵的限制。

比较热泵和热电联产

人们常认为，让发电废热从烟囱中白白流失，不与用来加热房间，用于取暖。 然而，仔细检查热电联产系统性能数据，我的结论是，有更好方法获得电能和取暖热能。我使用三个步骤来画一个图，图上显示，从化学能能获得多少电能或热能。横左边是电效率，纵坐标是热效率。

没有热电联产的标准解决方案

图

第一步，我们使用电站和加热系统，获得电能或热能。

锅炉（图中左上A）的效率是90%，另外10%从烟囱流失了。英国天然气电站的发电效率是49%，如果想同时获得电能和热能，可以燃烧部分气体。这样我们使用两台设备分别产热和电，就会得到AB连线上任一点的两种效率。图中还显示了老式系统两种设施效率都较低，分别为79%和37%。

热电联产

限制我们加上热电联产系统到图上，这些系统同时获得热和电。每个实心点代表不同类型安装在英国的系统平均性能。中空表CT显示的是理想的热电联产系统，标注Nimbus是厂家数据，标注ct则是两国实际系统（自由人医院和伊丽莎白房子）。

在此图上，我们可以清楚地看到，热电联产系统发电效率明显低于天然气发电系统49%效率。因此，热不是免费使用的。增加热能供应将降低发电量。

通常人们常常将两种效率加起来，得到一个总效率，例如，发电效率10%，产热效率66%，则总效率76%。我认为，这误导了系统性能。根据这种指标，锅炉效率90%，是最有效率的热电联产系统，事实上，电能比热能价值高得多。

图中许多热电联产点比老式标准系统效率高，理想的热电联产系统也比现在的标准系统略好。但是，我们还要记得，它还有一些缺点，它只能将热传输到特定的供热系统，而单独锅炉供热可以安装到任何地点。热电联产系统在灵活性方面缺点很明显：这导致大多数时候，例如，供热过多，通常一个房间需要的热能是不断变化的，导致系统效率下降。另一个问题是，它们向电网供电的质量差，会导致电网不稳。

最后，我们来讨论热泵，使用电网中电来加热房间。

两条陡的绿线代表了制冷性能系数是3和4时，电能输送损失8%情况下，使用热泵来供热的发电和供热效率。目前最好的天然气发电站的效率是53%，假设它工作在最佳状态，得到的直线也在图上。未来热泵性能会进一步提供，日本通过法律强制改进效率，热泵性能系数已经达到4.9。

请注意，热泵使系统性能超过100%。例如，最好的天然气发电站输出电路到用户，使用热泵可以得到30%电能效率和80%热效率，总效率110%。没有任何热电联产能够达到这个效率。

结论是，在使用高效天然气发电情况下，热能效率超过锅炉。如果你想使用天然气来给建筑物供暖，安装最好的锅炉，效率是90%，如果你让发电站发电，安装电驱动的热泵，可以获得的效率是140－185%。我们不需要在花园挖洞，安装地板加热系统。最好的空气热泵能将热水输送到散热器上，获得性能系数3.图21.11是热泵将热空气输送到办公室。

因此，我认为热电联产听起来是个好注意，但他不是最好的解决建筑物取暖问题的最佳办法。比不上热泵技术。热泵的优点包括，可以安装到任何一个有电供应的建筑物，它们运行很灵活，适合个人使用需要。

我这里强调，热电联产并非总是坏主意。这里所说的建筑物供暖，需要的热能质量非常低（就是低温）。而热电联产能供应高质量的热能给工业用户。例如200度蒸汽。在这种情况下，使用热泵，其性能系数就会大幅度下降（与加热温度相关），从而不是一个好的选择。

热泵增长的限制因素

通常地下数米深处的温度接近11度，不管是夏天，还是冬天。冬天气温常常比此低10－15度。因此，热泵拥护者建议尽量使用地源热泵，因为温差大，使效率下降。

但是，地下不是没有限制的热源。热是来自其它地方，而大地不是良好的导热体。如果我们从地下吸热太快，地下会变得冷如冰，地源热泵的优势就消失了。

使用热泵的主要目的是给建筑物加热。最终的热源是太阳，通过直接辐射或空气导热来补充地下热能。热泵从地下吸热速度，必须满载两个限制条件：不能使地下温度下降太多，冬天被热泵吸走的热能，必须能够被夏季的太阳能补充。如果达不到这个要求，则应对在夏季反转运转热泵，也就是给房间制冷，加热地下。

图21.12 热泵安装密度

让我们总结这个讨论中的关键数据，热泵需要多大的地面？假设我们居住在人口密度很高的地区，例如，每平方公里6200人，等于每人160平米。这时英国郊区典型的人口密度。是否每个人都可以使用热泵，而夏季也不存在热能补偿。 第E章计算得到的答案是不行。如果我们每人从地下每天取走48kWh能力，我们将使地下结冰。如果避免这种情况出现，我们必须限制每人使用的热能低于每天12kWh。因此，如果我们使用地源热泵，那么，我们在夏季就必须向地下注入热能。夏季注入可以使用空调或屋顶太阳能。Drake Landing介绍了这个方法，参见 www.dlsc.ca。我们还可以使用部分空气热泵，只要有了电能，就可以获得所需要的热能。空气热泵的性能与冬季气温密切相关，英国冬季气温还是很冷，热泵性能很好，而北欧冬季温度太低，就不适合使用空气热泵。

结论：是否可以降低取暖能耗？当然。是否同时摆脱化石燃料，是的。不与忘记简单的方法，增加建筑物绝热，关注温度控制。我们应该使用热泵来替代化石燃料，这样可以降低能耗到当前水平25%。这样会需要更多电力。即使额外的电能来自化石燃料，这仍然比我们直接使用天然气锅炉的效率要高，或者说，同样供热要求下，减少了能耗。

反对者说，空气热泵性能系数仅2－3，但是这个信息太老了，过期了。如果你小心一点，就能卖得顶级热泵。我们还可以做得更好，日本政府通过法律驱动，已经极大地改进了空调性能，使热泵性能系数大于4.9.这些热泵能同时供应热水和热空气。

另外一个反对意见是，我们不同意安装空气热泵，因为这样会导致夏季使用空调。等等，我和其它人一样，讨厌夏季空调，但是，热泵效率是其它取暖方式的4倍（译者注，应该是2倍左右）。我们没有更好的选择。使用颗粒树木，使得只有少数人能依靠它，我们生产不了足够多的木材供取暖，只有森林住户。其它人，还是得依靠热泵。

• 【索引】有关“全球变暖”问题的讨论整理汇总(三)