随着能源费用的上涨，许多人有兴趣放弃目前用于为大多数英国家庭供暖的化石燃料。 问题是如何实现它，因为 玛格丽特·哈里斯（Margaret Harris） 解释
在中世纪巴斯修道院教堂的石板深处，一个古老的现代奇迹正在悄悄地展现它的存在。 修道院于 2021 年 XNUMX 月完工 加热系统 将地板下的管道与位于地表以下 2000 米处的热交换器相结合。 在那里，一条建于近 1.1 年前的排水沟每天将 40 万升 XNUMX°C 的水从天然温泉输送到古罗马浴场的建筑群中。
通过利用这种温水流，该系统提供了足够的能量，不仅可以为修道院供暖，还可以为相邻的一排用作办公室的格鲁吉亚小屋供暖。 难怪修道院院长称赞它是“为我们美丽的历史悠久的教堂供暖的可持续解决方案”。
但这还不是全部。 一旦为修道院的供暖系统脱碳，官员们 耗资 19.4 万英镑的巴斯修道院足迹项目 将注意力转向大楼的电力。 与大多数教堂一样，修道院从东向西延伸，屋顶朝南。 在英国的北纬地区，这样的屋顶在一天中的大部分时间都沐浴在阳光下，这使它们成为太阳能光伏 (PV) 面板的理想选择。 格洛斯特大教堂——距离巴斯以北一小时车程——已经利用了这一有利的方向，在 2016 年成为英国第一座拥有 安装在屋顶上的太阳能电池板.
为了找出类似的设置是否适合巴斯修道院，Footprint 项目与巴斯大学领导的博士生合作 新型和可持续光伏博士培训中心 (CDT). 在发表于 能源科学与工程 （2022 10 892)，学生们计算出，精心设计的光伏电池板阵列可以提供修道院 35.7% 的电力，另外还有 4.6% 的电力可以在产生盈余的日子里卖回电网。 该阵列将在大约 13 年内收回成本，并在其 139,000 年的使用寿命内产生 12,000 英镑至 25 英镑的总利润。
家庭真相
在巴斯修道院的屋顶上安装太阳能电池板目前还只是一个想法。 正如 Footprint 项目总监内森·沃德 (Nathan Ward) 所说：“这是未来的一个可行选择——只要时机成熟。” 但对于英国各地的许多人——普通住户和著名建筑的保管人——来说，时机确实开始变得非常紧迫。 在俄罗斯入侵乌克兰、全球对天然气的强劲需求以及当地各种因素的推动下，能源价格一直上涨到前所未有的水平。
在 XNUMX 月份发布的预测中，咨询公司 Cornwall Insight 算计 如果情况不发生变化，到 355 年 2023 月，英国普通家庭每月可在能源上花费 XNUMX 英镑。 英国政府的能源价格保证， 在9月宣布, 通过补贴能源账单提供了一些救济。 即便如此，在 2021 年 2022 月至 XNUMX 年 XNUMX 月期间，能源供应商能够向英国家庭收取的最高单价 大幅增加，天然气从每千瓦时 (kWhr) 7 便士上升到 10.3 便士，电力从每千瓦时 21 便士上升到 34 便士。
巴斯物理学家 艾莉森沃克作为 CDT 的主任，她说当时她的团队的论文是， 更多的是一个假设性的提议，表明修道院对减少碳足迹是认真的。 然而，现在，“能源成本上涨如此之快，如果你自己发电，它可能会变得更便宜，并且更不容易受到我们今年所经历的能源价格波动的影响”，她说。
对于想要减少能源费用和/或碳足迹的住户来说，太阳能电池板是最简单和最便宜的方法之一。 硅基光伏面板是一项成熟的技术，其价格在过去 10 年中大幅下降，屋顶阵列仅需几天即可安装完毕。 但随着政府不再向家庭提供太阳能装置支持，前期成本成为许多人的障碍，而且安装人员的等待名单很长。
更糟糕的是，出于技术原因或外观原因，太阳能电池板并不适用于所有住宅。 “在英国，我们非常注重建筑的美学，”他说 迈克沃尔斯，拉夫堡大学物理学家 可再生能源系统技术中心. “有些建筑物，尤其是旧建筑物，人们不会安装太阳能电池板，因为它们看起来不好看或与整体外观不相称。” 格洛斯特大教堂的项目负责人安妮·克兰斯顿 (Anne Cranston) 指出，她的团队必须证明这些面板将“尽可能‘隐蔽’”，然后规划当局才会接受它们。
无论如何，单靠在屋顶上安装几块光伏电池板不足以让住户摆脱对化石燃料的依赖。 显然，太阳在晚上不发光，而北欧的平均直接正常日射——衡量单位面积太阳能量的指标——不超过几千瓦时/平方米2. 因此，即使在阳光最充足的冬日，典型的英国屋顶光伏阵列也不会产生足够的能量来加热它下面的房子——正如我在 XNUMX 月份在自己家里安装太阳能电池板时发现的那样（见方框“一次一个家” ”）。
如果太阳能电池板不是一个完整的解决方案，那么想要结束（或至少减少）对化石燃料的依赖并且缺乏巴斯修道院方便的罗马热水供应的住户必须找到其他解决方案。 一种选择是摆脱传统的燃气锅炉，并用替代供暖系统取而代之。 事实上，作为英国政府到 2050 年实现净零碳排放承诺的一部分，从 2025 年开始，在英国新建住宅中安装燃气锅炉将不再合法。 但改造现有场所的努力进展缓慢。 那么我们要如何“绿化”英国的住房存量呢？
保持热量
英国房屋散热平均比其他欧洲国家的房屋快三倍
我为这篇文章采访过的专家们在一点上是一致的：如果住宅隔热效果更好，一切都会容易得多。 “真的，答案是隔热、隔热、隔热，因为这是迄今为止降低能源成本的最佳方式，”Walker 说。 “效率并没有真正得到应有的重视，”赞同道 佐伊·罗宾逊，基尔大学可持续发展教授。
这些数字发人深省。 2020年 根据一项研究， 由智能供暖技术公司 Tado° 发现，英国家庭的平均散热速度比其他欧洲国家的家庭快三倍。 Tado° 的分析师使用从欧洲 80,000 名客户收集的数据得出结论，英国家庭在 20 °C 的一天加热到 0 °C，在关闭供暖五小时后平均下降三度，而只有一度在德国买房子。
表现不佳的部分原因是英国住房存量的老化。 但 劳里彼得，一位来自巴斯的利用太阳能产生燃料的专家说，这个问题也延伸到了新房子。 “历届政府在建造房屋的法规方面都退缩了，”他争辩说，并补充说这对于房屋的整体碳足迹及其能源使用来说是正确的。 “在房屋建造和绝缘方面，我们或多或少仍处于维多利亚时代的水平，坦率地说，这是一种耻辱。”
由于老建筑和宽松法规的结合，英格兰 28.5 万户家庭中有一半的墙体保温材料与巴斯修道院相同——也就是说，没有。 双层玻璃更常见，但根据 2020-2021 英国房屋调查, 14% 的英国家庭仍然缺少它。 更糟糕的是，改造率有 掉下悬崖. 2012 年，约有 2.3 万户家庭安装了新的阁楼、空心墙或实心墙隔热材料，但在政府用效果不佳的激励措施取代成功的改造计划后，这一数字已降至每年 200,000 万以下。
一次一个家
我住在一个有两个物理学家的家庭，所以当我们用热泵代替燃气锅炉并在屋顶安装太阳能电池板时，我们很自然地将安装视为科学实验，我们可以随着时间的推移监测结果。 我们会使用更少的能源吗？ 这对我们的账单有什么影响吗？
我们的爱德华七世时代的砖砌排屋相对于它的年代来说相对高效，有双层玻璃窗和阁楼和空心墙隔热材料。 即便如此，改用热泵仍需要做好准备。 在测量了我们的房间和窗户后，安装人员（一家当地的管道公司，将热泵作为副业）计算出我们需要一个 8 千瓦的热泵、一个新的高效热水箱和更长的双宽散热器每个房间。
强劲的需求使安装人员的时间紧迫，因此当他们在 2021 月中旬为我们提供一个位置时，我们接受了，即使这意味着最多两周没有供暖（这对于有小孩或残疾人的家庭来说更难). 高需求和供应链问题同样将太阳能电池板的安装推迟到 2022 月。 但是，改造完成后，效果非常好，正如这张 XNUMX 年 XNUMX 月至 XNUMX 年 XNUMX 月房屋能源使用情况图所示。
热泵于 19 月 2021 日开始工作。 在冬季剩余时间和初春期间，我们房屋的平均每日能源使用量（蓝线）约为 2021 年同期的一半（请注意，2022 年数据集基于季度或双月读数，而 3 年 XNUMX 月的使用量每周记录一次）。 XNUMX 月 XNUMX 日安装的太阳能电池板产生的影响较小，部分原因是电池空间和预算不足意味着一些电力被输出到电网（绿线）而不是用于房屋（粉线）。 房子还在晚上、阴天和用电高峰期继续供电（橙色线）。 尽管如此，到了春末夏初，面板的平均日产量通常超过了房屋的平均日使用量——这是一个令人鼓舞的结果。
经济利益不太明确。 英国的电力来自多种来源，包括可再生能源、天然气、核能和（很少）煤炭，但电价与最昂贵的来源（目前是天然气）挂钩。 英国的电价还包括不适用于天然气的环境税，尽管后者的环境成本更高。 因此，虽然我们的房子使用的能源更少，但它继续进口的能源比单位天然气要贵得多。 出售太阳能电池板的电力有帮助，英国政府（现已关闭）的国内可再生热能激励计划提供的热泵赠款也有帮助，但这部分问题最终与政治有关，而不是物理学。
抽热
除了让住户背负更高的能源费用和增加的碳排放量之外，不良的隔热材料也限制了改变家庭取暖方式的选择。 英国政府实现净零碳排放的计划在很大程度上依赖于 用热泵代替天然气锅炉， 到 19 年，我们的目标是拥有 2050 万台热泵，而目前只有 250,000 万台左右。 在某些方面，这是一种有意义的策略。
热泵的工作原理与冰箱相同，不同之处在于它们从室外的空气或地面吸收热量，使内部变暖。 并且由于热力学定律，它们的效率非常高：它们吸收的每单位电量，会释放出 3-4 单位的热量（请参阅“热泵的工作原理”专栏）。 该技术在商业上也很成熟，三菱电机和大金等主要制造商生产了一系列型号。
不幸的是，英国当前能源结构的某些方面给工程带来了麻烦。 于志斌格拉斯哥大学的工程师总结了这种情况。 “在英国，我们的大部分房屋都连接到燃气网络，因此我们的中央供暖系统专为锅炉设计，”他解释道。 通过在 60、70 甚至 80 °C 下循环水，传统的天然气锅炉可以让房子保持温暖（尽管成本很高），即使散热器很小，墙壁和阁楼隔热效果也很差。
相比之下，热泵的性能取决于热泵源（例如室外空气）与其供应（供暖系统周围循环的水或空气）之间的温差。 正如 Yu 解释的那样，如果差距很大，性能就会很低。 为实现最高能效，理想情况下您希望供应温度在 35 至 45 °C 之间。
这对于巴斯修道院使用的地板采暖系统来说可能没问题。 但是，如果水在相对温热的 45 °C 下在周围循环，标准尺寸散热器的传热面积很少大到足以使房间保持温暖。 结果，居住者最终可能会感到不舒服的寒冷——对于那些花费时间和精力拆掉燃气锅炉并安装热泵的人来说，这可不是什么好消息。
更大的散热器和更好的隔热性能可以解决这个问题——但要付出一定的代价。 据 Yu 介绍，一个足以为典型的半独立式住宅供暖的空气源热泵的成本通常在 3000 至 5000 英镑之间。 但包括改装散热器在内的完整安装成本可能是其两倍多，使整个项目比安装新锅炉的成本高出四到五倍。 “这是一个具有挑战性的情况，”他总结道。
热泵的工作原理
与通过电阻丝传递电流来工作的标准电加热器不同，热泵根据与冰箱相同的热力学原理运行。 他们的核心是一种工作流体，例如在相对较低的温度和压力下蒸发的二氟甲烷。 这使得流体甚至可以从低温源吸收热量（Q资源) 如土壤、水或冬天的室外空气。
吸收热量后，工作流体变成蒸汽并通过压缩机，进一步提高其温度，然后通过冷凝器，将温暖的高压蒸汽变成液体。 该相变释放的热量（Q供应) 然后被转移到中央供暖系统，然后通过管道吹入的空气或通过散热器或地板下管道循环的水输送到建筑物。 一旦工作流体释放了大部分热量，它就会通过膨胀阀输送，降低压力（从而降低温度），这样循环就可以重新开始。
部署氢气
将锅炉换成热泵的一种替代方法可能是将锅炉的燃料改为氢气。 与天然气不同，氢气在燃烧时不会释放二氧化碳，原则上它可以以环保的方式生产。 这是最近完成的背后的基本原理 部署 项目，其中数百个英国家庭燃烧天然气和高达 20% 体积的氢气的混合物。
试点研究旨在使住户的过渡尽可能轻松。 幸运的是，现代燃气锅炉设计用于处理高达 25% 的氢气，因此很少有家庭需要改造。 试点的两个阶段都在有限的地理区域（靠近斯塔福德郡的基尔大学和英格兰东北部的温拉顿）进行，从而有可能单独解决居民最初对安全和成本的担忧。
作为基尔大学社会科学家参与 HyDeploy 的罗宾逊说，到目前为止，她的调查数据表明公众接受度很高。 “大多数人真的没有那么在意，特别是因为有了混合氢，他们什么都不用做，”她说。 “它只是发生了。”
这些都是优点。 这是一些缺点。 英国法规通常将天然气管网中的氢气含量限制在 0.1% 以下，因此推出更高比例的氢气需要改变政策。 另一个问题是氢气的密度远低于甲烷，这意味着按体积（而非质量）混合 20% 的氢气仅可减少 7% 的碳排放量。 更重要的是，进一步增加氢的比例不仅需要新的锅炉，还需要更换管道，因为高浓度的氢会使钢变脆。
另一个问题是，全球每年生产的 87 万吨氢气中的大部分来自甲烷的蒸汽重整，这使得该技术成为“灰色”而非“绿色”技术。 生产氢气的主要绿色方式是利用可再生能源的电力将水分解成氧气和氢气。 但是巴斯的太阳能燃料专家彼得说，要找到足够的可再生电力来大规模地做到这一点是很棘手的。 “如果你试图通过太阳能电解产生所有这些，这是一项不可能完成的任务，”他说。 “这是做不到的。”
碳中和世界中的生活
彼得指出，目前世界上大约 40% 的氢气用于生产化肥，其余大部分用于炼油。 这两个行业都比国内能源消费更难脱碳，彼得认为家庭燃烧氢气也没有逻辑意义。 “通过电解产生'绿色'氢气，将其通过管道输送给你，然后你燃烧它，与向你的房子输送'绿色'电力相比，能源效率低，”他解释道。 “就你家里发生的事情而言，我自己看不到氢能成为主要参与者。”
从长远来看，罗宾逊同意家用氢气在效率方面“没有意义”。 然而，她指出安装替代供暖系统需要时间。 “目前的一个问题是，当某人的锅炉发生故障时，响应将只是用另一个锅炉替换它，”她说。 “在供暖工程师和人们获得的建议方面存在技能差距。”
在罗宾逊看来，氢气可以充当“垫脚石”，减少对化石燃料的依赖，直到热泵变得更便宜、更普遍。 “可能是 [once] 混合氢为绿色氢生产创造了市场，然后你就开始在能源系统的其他地方使用绿色氢。” 在这方面，她看到了绿色氢能和海上风能之间的相似之处，在国家和制造商开始投资之前，海上风能是昂贵的，创造了足够的需求来压低价格。
从供暖系统到能源系统
除了热泵和氢气之外，其他一些技术也可以为低碳住宅铺平道路。 在串联结构中使用晶体硅和钙钛矿材料的高效光伏面板 将投入商业生产 明年，沃克认为他们将对太阳能成本产生“严重影响”。 沃尔斯同样热衷于为电动汽车和看起来像标准屋顶瓦片的面板开发集成太阳能电池板的前景，以减少对太阳能的审美反对。 “在所有可再生能源中，光伏最有可能在住宅层面具有吸引力，”他说。
另一个吸引大量创新的领域是储能。 许多家用太阳能装置已经安装了锂电池，以备阴天或黑暗时使用。 更大规模的存储也是 成为现实，热泵技术也并非停滞不前。 在格拉斯哥，Yu 开发了一个 新的，灵活的泵 在冷凝器和膨胀阀之间装有蓄热装置。
该设备吸收了一些原本会损失的热量，并使其可用于热泵的运行。 例如，辅助热量可用于为热泵的室外机除霜，当环境温度降至约 6 °C 以下时通常需要这样做。 总体而言，Yu 认为他的设计将效率提高 10% 是可行的，他认为安装热泵“从投资回收期来看会有很大不同”。
由于其循环辅助储热，灵活的热泵还将开辟其他可能性，例如利用我们每天丢弃的热量。 “例如，当我们淋浴时，”Yu 观察到，“我们将水加热到 70 或 80 度，将其与冷水混合，使其降至 35-40 度，然后在 20-30 度离开淋浴。它所包含的热量只是在排水系统中被丢弃了。”
更好的方法可能是将我们的家庭视为综合能源系统。 Yu 说：“基本上，您要尝试管理房屋内的能量流动，供暖和制冷。” “你需要冰箱，你需要冰柜，你需要锅炉，你需要空调——你要带走大量的热量，然后从空气中提取大量的热量。 我们为什么不整合这些流程？”
开创先例
早在 2016 年，当规划当局下令格洛斯特大教堂毕竟可以在其屋顶上安装太阳能电池板时，他们警告项目主管克兰斯顿，该决定并未为其他历史建筑树立先例。 六年过去了，克兰斯顿说，无论是在规划当局还是在英格兰教会内部，“情况都发生了重大变化”。 “NetZero 清楚地表明了我们所有人面临的挑战，”她说。 “遗产建筑必须发挥自己的作用。”
在巴斯，沃德强调修道院效仿的道路仍然敞开。 他说，教堂的罗马式地热供暖系统“被广泛视为使巴斯迈向零碳排放的第一步”，市议会和保护机构渴望寻求更多选择。 该市的罗马浴场建筑群已经在安装自己版本的修道院供暖系统，沃德和他的团队热衷于在办公室的屋顶上安装太阳能电池板。
“据我们所知，该市目前没有可持续能源解决方案，因此我们正在与议会和其他利益相关者进行早期讨论，以调查我们安装系统的速度，”他说。 “希望我们能够继续合作以加快进展。”
