CO2 emissions during the operation of autonomous water heating systems

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. CO2 emissions during the operation of heat generators of autonomous heat supply systems is one of the most important indicators of the man-made impact on the Earth’s atmosphere. Heat generation is carried out by heat pumps, gas and electric boilers, solid and liquid hydrocarbon fuel systems. The purpose of the work — Assessment of the CO2 emission indicator per kilowatt of heat energy of the specified generators of heat supply systems with real energy efficiency of heat generators of heat supply systems with radiator-type heating devices.Materials and methods. Official data of the Federal State Statistics Service of the Russian Federation, reports of the Ministry of Energy, the Ministry of Economic Development, current GOST and regulatory documents are used. Experimental data were used to calculate the energy efficiency coefficients of heat generators of autonomous heat supply systems. The calculations were carried out by methods of mathematical modelling.Results. The values of CO2 emissions per kilowatt of heat energy for autonomous water heating systems in the generation of heat energy by heat pumps (ASHP), gas condensing and convection boilers, solid and liquid fuel boilers were determined.Conclusions. The assessment of CO2 emissions of heat generators of autonomous water heat supply showed dependence on the structure of production and transportation of electric energy, climate and heating devices used. All of these parameters are different for different countries. When analyzing country-specific data, different thermal units have minimal carbon footprint.

About the authors

A. L. Toropov

Engineering Center “April”

Email: Toropov@aprilgroup.ru
ORCID iD: 0000-0002-7457-6948

References

  1. Гимади В., Амирагян А., Поминова И., Курдин А., Колобов О., Мартынюк А. и др. Углеродоемкость электроэнергии в мире и России // Энергетический бюллетень. 2019. № 72. С. 82–85.
  2. Белобородов С.С. Cнижения эмиссии СО2: развитие когенерации или строительство ВИЭ? // Энергосовет. 2018. № 1 (51). С. 16–25.
  3. Hussy С., Klaassen E., Koornneef J., Wigand F. International comparison of fossil power efficiency and CO2 intensity — Update 2014. Netherlands : ECOFYS, 2014. 84 p.
  4. Киселёв Г.Ю., Троценко В.М., Петрова Е.В., Криволапов В.А., Гиршин С.С., Бубенчиков А.А. и др. Потери электрической энергии в электрических сетях // Омский научный вестник. 2023. № 1 (185). С. 80–85. doi: 10.25206/1813-8225-2023-185-80-85. EDN TIXXEB.
  5. Шведов Г.В., Сипачева О.В., Савченко О.В. Потери электроэнергии при ее транспорте по электрическим сетям: расчет, анализ, нормирование и снижение. М. : Издательский дом «МЭИ», 2013. 424 с. EDN SUOPLV.
  6. Vadiee A., Dodoo A., Jalilzadehazhari E. Heat supply comparison in a single-family house with radiator and floor heating systems // Buildings. 2019. Vol. 10. Issue 1. P. 5. doi: 10.3390/buildings10010005
  7. Sarbu I., Sebarchievici C. A study of the performances of low-temperature heating systems // Energy Efficiency. 2014. Vol. 8. Issue 3. Рр. 609–627. doi: 10.1007/s12053-014-9312-4
  8. Sarbu I., Sebarchievici C. Performance evaluation of radiator and radiant floor heating systems for an office room connected to a ground-coupled heat pump // Energies. 2016. Vol. 9. Issue 4. P. 228. doi: 10.3390/en9040228
  9. Livonen M. The guid to radiators for low temperature heating. Zonhoven. Belgium : Radson, 2012. 85 p.
  10. Persson T. Lågtemperaturvärmesystem: En kunskapsöversikt. Falun, Sweden : Högskolan Dalarna, 2000. 103 p.
  11. Myhren J.A., Holmberg S. Design considerations with ventilation-radiators: Comparisons to traditional two-panel radiators // Energy and Buildings. 2009. Vol. 41. Issue 1. Рр. 92–100. doi: 10.1016/j.enbuild.2008.07.014
  12. Olesen B.W., de Carli M. Calculation of the yearly energy performance of heating systems based on the European Building Energy Directive and related CEN standards // Energy and Buildings. 2011. Vol. 43. Issue 5. Рр. 1040–1050. doi: 10.1016/j.enbuild.2010.10.009
  13. Casasso A., Capodaglio P., Simonetto F., Sethi R. Environmental and economic benefits from the phase-out of residential oil heating: a study from the Aosta valley region (Italy) // Sustainability. 2019. Vol. 11. Issue 13. P. 3633. doi: 10.3390/su11133633
  14. Ravina M., Gamberini C., Casasso A., Panepinto D. Environmental and health impacts of Domestic Hot Water (DHW) boilers in urban areas: a case study from Turin, NW Italy // International Journal of Environmental Research and Public Health. 2020. Vol. 17. Issue 2. P. 595. doi: 10.3390/ijerph17020595
  15. Торопов А.Л. Исследование работы газовых клапанов конвекционных котлов малой мощности // АВОК: Вентиляция, отопление, кондиционирование воздуха, теплоснабжение и строительная теплофизика. 2020. № 3. С. 58–71. EDN VZQWKW.
  16. Хаванов П.А. Атмосферные газовые горелки автономных генераторов // АВОК. 2003. № 1. C. 54.
  17. Торопов А.Л. Гидравлическая и тепловая устойчивость работы автономных систем поквартирного теплоснабжения // Вестник МГСУ. 2022. Т. 17. № 7. С. 944–953. doi: 10.22227/1997-0935.2022.7.944-953
  18. Наумов Н.Р., Марьяндышев П.А., Попов А.Н., Любов В.К. Исследование работы газовых котлов малой мощности // Вестник Череповецкого государственного университета. 2017. № 4 (79). С. 27–33. doi: 10.23859/1994-0637-2017-4-79-4. EDN ZCDJEB.
  19. Хаванов П.А., Чуленев А.С. Климатические параметры и эффективность конденсационных котлов // АВОК. 2016. № 3. C. 56–63. EDN VRANFD.
  20. Хаванов П.А., Чуленев А.С. Результаты испытаний конденсационного котла при различных режимах эксплуатации // Научное обозрение. 2015. № 10–1. С. 45–49. EDN UHPQER.
  21. Табунщиков Ю.А. Конденсационные котлы в автономном теплоснабжении // АВОК: Вентиляция, отопление, кондиционирование воздуха, теплоснабжение и строительная теплофизика. 2016. № 4. С. 26–31. EDN WANDZV.
  22. Bonaros V., Gelegenis J., Haris D., Giannakidis G., Zeryas K. Analysis of the energy and cost savings caused by using condensing boilers for heating dwellings in Greece // 5th International Conference on Applied Energy ICAE2013. 2013. doi: 10.13140/RG.2.1.2731.4406
  23. Aksenov A.K., Kosorukov D.P. Application of condensation economizers in order to increase the energy efficiency of gas boilers of a traditional type // International Multi-Conference on Industrial Engineering and Modern Technologies (FarEastCon). 2020. Рр. 1–4. doi: 10.1109/fareastcon50210.2020.9271452
  24. Leonzio G., Fennell P.S., Shah N. Air-source heat pumps for water heating at a high temperature: State of the art // Sustainable Energy Technologies and Assessments. 2022. Vol. 54. P. 102866. doi: 10.1016/j.seta. 2022.102866
  25. Tabatabaei S.A., Treur J. Comparative Analysis of the Efficiency of Air Source Heat Pumps in Different Climatic Areas of Iran // Procedia Environmental Sciences. 2016. Vol. 34. Рр. 547–558. doi: 10.1016/j.proenv.2016.04.048
  26. Xu Y., Huang Y., Jiang N., Song M., Xie X., Xu X. Experimental and theoretical study on an air-source heat pump water heater for northern China in cold winter: Effects of environment temperature and switch of operating modes // Energy and Buildings. 2019. Vol. 191. Рр. 164–173. doi: 10.1016/j.enbuild.2019.03.028
  27. Kul O., Ugural M.N. Comparative economic and experimental assessment of air source heat pump and gas-fired boiler: a case study from Turkey // Sustainability. 2022. Vol. 14. Issue 21. P. 14298. doi: 10.3390/su142114298
  28. Pieper H., Krupenski I., Markussen W.B., Ommen T., Siirde A., Volkova A. Method of linear approximation of COP for heat pumps and chillers based on thermodynamic modelling and off-design operation // Energy. 2021. Vol. 230. P. 120743. doi: 10.1016/j.energy.2021.120743
  29. Колечкина А.Ю., Захаров А.В. Повышение энергоэффективности зданий за счет использования систем горизонтальных теплообменников // Construc-tion and Geotechnics. 2016. Т. 7. № 1. C. 112–122. doi: 10.15593/2224-9826/2016.1.13
  30. Чичерин С.В. Место теплоснабжения в современном городе // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Строительство и архитектура. 2018. Т. 9. № 3. С. 79–87. doi: 10.15593/2224-9826/2018.3.08. EDN YKKDLF.
  31. Pollard A., Berg B. Heat pump performance. Jungeford, New Zealand : BRANZ Ltd, 2018. 24 p. doi: 10.13140/RG.2.2.25116.13449
  32. Rossi di Schio E., Ballerini V., Dongellini M., Valdiserri P. Defrosting of air-source heat pumps: effect of real temperature data on seasonal energy performance for different locations in Italy // Applied Sciences. 2021. Vol. 11. Issue 17. P. 8003. doi: 10.3390/app11178003
  33. Ruhnau O., Hirth L., Praktiknjo A. Time series of heat demand and heat pump efficiency for energy system modeling // Scientific Data. 2019. Vol. 6. Issue 1. doi: 10.1038/s41597-019-0199-y
  34. Myhren J.A., Holmberg S. Design considerations with ventilation-radiators: Comparisons to traditional two-panel radiators // Energy and Buildings. 2009. Vol. 41. Issue 1. Рр. 92–100. doi: 10.1016/j.enbuild.2008.07.014
  35. Olesen B.W., de Carli M. Calculation of the yearly energy performance of heating systems based on the European Building Energy Directive and related CEN standards // Nergy and Buildings. 2011. Vol. 43. Issue 5. Рр. 1040–1050. doi: 10.1016/j.enbuild.2010.10.009
  36. Торопов А.Л. Применение электрических котлов для водяного поквартирного теплоснабжения // Вестник МГСУ. 2023. Т. 18. № 9. C. 1451–1465. doi: 10.22227/1997-0935.2023.9.1451-1465
  37. Торопов А.Л. Энергетическая эффективность электрического котла с косвенным поверхностным резисторным нагревом теплоносителя // Вестник МГСУ. 2023. Т. 18. № 6. С. 927–934. doi: 10.22227/1997-0935.2023.6.927-934
  38. Пузырев Е.В. Детерминированный и стохастический подходы в расчетах и анализе потерь электрической энергии при оценке эффективности функционирования распределительных сетей : автореф. дис. … канд. техн. наук. Красноярск, 2019. 20 с.
  39. Прокопова Л.В., Волков Ю.В. Экологические проблемы при производстве электрической и тепловой энергии : практикум. СПб., 2019. 101 с.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».