Opvarmning af bygninger efterlader et stort kulstofaftryk, men der er en løsning på det

Mens vintervejret sætter ind, varmen starter i New York Citys omkring en million bygninger. De fleste af disse bygningers ovne eller kedler kører på fossile brændstoffer såsom naturgas og olie; som resultat, varme og varmt vand står for omkring 42 procent af byens samlede udledning af drivhusgasser.

Vijay Modi, en professor i Department of Mechanical Engineering ved Columbia University og et Earth Institute-fakultetsmedlem, og hans forskergruppe studerer, hvordan man dekarboniserer opvarmning. Hans løsning? Varmepumper, der kører på elektricitet - for efterhånden som mere og mere elektricitet kommer fra vedvarende energi, "det er meget nemmere og overkommeligt at gøre elektricitet grøn end at lave et grønt brændstof."

"Beslutningstagere har anerkendt værdien af ​​varmepumper, " han sagde, "Og de er en del af New York State-guvernørens energieffektivitetsmål - at inden 2030, vi skal have 25 procent af varmen fra varmepumper.«

Elektrificeret opvarmning er vigtig for resten af ​​landet, også. For at afværge de katastrofale virkninger af klimaændringer, vi skal reducere vores CO2-udledning til nul så hurtigt som muligt. Ifølge en rapport fra 2018 fra Rocky Mountain Institute, at nå "dyb dekarbonisering"-mål om at reducere drivhusgasemissioner med 75 procent eller mere vil medføre, blandt andre foranstaltninger, eliminering af størstedelen af ​​emissionerne fra afbrænding af naturgas, olie eller propan i amerikanske hjem og virksomheder til opvarmning og varmt vand.

Hvad er en varmepumpe?

Modi beskriver varmepumper, som har været i brug siden 1940'erne, som klimaanlæg med intern hardware og kontroller, der gør dem i stand til at køre baglæns.

En populær type varmepumpe har en udendørsenhed indeholdende en kompressor og kondensator, der fungerer sammen med en indendørsenhed (selvom varmepumper også kan være indeholdt i én enhed). I varmt vejr, en varmepumpe fungerer som et klimaanlæg, trække varme fra luften inde i hjemmet og overføre den udenfor, køling af hjemmet.

I kølige måneder, den trækker varme fra den ydre luft og overfører den indeni; kontraintuitivt, selv når vejret er koldt, udeluften indeholder nok varme til at opvarme dit hjem. Mens de fleste varmepumper overfører varme fra luften, der er geotermiske og vandkildepumper, der overfører varme fra jorden eller en nærliggende vandkilde; andre fungerer som vandvarmere.

Varmepumper er mere energieffektive end ovne og kedler, da i stedet for at generere varme, de flytter simpelthen varme fra et sted til et andet, og de kan både varme og køle boligen. De giver den mest effektive opvarmning og køling til rådighed, producerer to til fire varmeenheder for hver brugt energienhed - en gasovn producerer lidt mindre end én varmeenhed pr. energienhed.

Sammenlignet med ovne og fodpladevarme, varmepumper kan reducere energiforbruget med 50 procent. Og ifølge en undersøgelse fra Natural Resources Defense Council (NRDC), gennem sin levetid, en ny luftvarmepumpe kan reducere drivhusgasemissionerne med 46 til 54 procent sammenlignet med naturgasalternativer.

Sådan skifter du til varmepumper

Dekarbonisering af opvarmning i New York City er udfordrende på grund af byens tæthed, stor efterspørgsel efter energi, aldrende infrastruktur, forskellige bygningstyper, og pladsbegrænsninger. Modis Quadracci Sustainable Engineering Lab forsker i, hvordan det kan gøres, at studere fordelene ved elektrificerende opvarmning, og løse potentielle problemer, der kunne opstå.

Da naturgas blev billigere end olie, mange bygninger i New York City konverterede fra olie til gas. Men da forudgående omkostninger til at udskifte et eksisterende naturgassystem med en varmepumpeløsning er høje, Modi tvivler på, at de fleste mennesker ville vælge at gøre dette. I stedet, at være omkostningseffektiv, eftermontering kunne installere varmepumper, der skal bruges det meste af tiden, sideløbende med eksisterende varmeanlæg.

Han forklarede, at bygninger med en ovn, der varmer luft op og fordeler den, også kunne indbygge en varmepumpe i sin kreds for at opvarme luften. Lidt eftermontering ville være påkrævet. Et stort højhus ville være en større udfordring, fordi det ville kræve en varmepumpe i industriel størrelse, som ville være svære at eftermontere.

Varmepumper kan også lettere anvendes, når bygninger skal tilføje eller udskifte klimaanlæg eller naturgassystemer, opgradere deres elektriske systemer, eller lave tarmrenoveringer. Og nybyggeri kunne sagtens stole helt på elektriske varmepumper.

Bekymringer om varmepumper

Der er bekymring for, hvad der kan ske, hvis der skal mere og mere strøm til opvarmning om vinteren. Systemdækkende elektricitetsefterspørgsel topper i øjeblikket om sommeren med brug af aircondition; Modi fastholder, at vi har kapaciteten til at øge brugen af ​​varmepumper, indtil vi når et sammenligneligt vintertop. At komme dertil og videre, vindressourcer kunne give en løsning. "Vi har meget gode off-shore vindressourcer lige her i New York City, " sagde Modi. "Det er et meget godt match til opvarmningen, efterhånden som vi får stærkere vinde om vinteren, som ville tillade en stigende mængde varme at komme fra vindkraft."

Et andet problem er, at de elektriske ledninger i mange bygninger muligvis ikke er i stand til at rumme den ekstra elektricitet, som varmepumper kræver, som kører på 220/240 volt. Modi foreslog, at klimaanlæg til vinduesenheder, der kører på 220/240 volt, kunne erstattes af varmepumper (som også køler). "For det meste af din opvarmning, når det er over frysepunktet, du kan have det godt, " sagde han. Og i New York City, i det mindste, "det kan være, hvad 60 procent af varmebehovet er. Derudover ville du også reducere emissionerne."

Udsigterne for fremtiden

Ifølge Forbes, "Fremtidens globale økonomi vil blive drevet af elektricitet og opvarmet/afkølet af elektricitet - ikke kun drevet af den."

Rocky Mountain Institute nævnte flere faktorer, der kunne hjælpe med at fremskynde denne overgang og gøre varmepumper mere omkostningseffektive. Efterhånden som varmepumper fanger og producenter opnår stordriftsfordele, priserne vil falde. Smart teknologi, der kan hjælpe med at ændre tidspunktet for energiforbruget kunne, for eksempel, gøre det muligt for varmepumper at forvarme et hjem tidligt på eftermiddagen, når elektriske takster kan være lavere og hjælpe med at integrere mere vedvarende energi i nettet. Kulstofpriser kunne lokke flere til at installere varmepumper.

Selv med vores nuværende elnet i staten New York, imidlertid, elektrificeringen af ​​opvarmning reducerer udledningen af ​​drivhusgasser. Og med et net, der i stigende grad kører på vedvarende energi, varmeemissioner kunne forudsigeligt elimineres helt.

”Det kan meget vel være, at i de næste 20 år, vi vil finde ud af, hvordan man gør al el grøn og billig hele tiden. Så ville vi bruge varmepumper hele tiden, " sagde Modi. "Men vejen til at gøre det er vanskelig - når vi laver denne overgang, det skal være omkostningseffektivt."

Til nybyggeri, NRDC-undersøgelsen fastslog, at i Californien, installation af elektriske varmepumper i stedet for naturgassystemer kan spare husejere $1, 500 på forhånd, og hundredvis af dollars hvert år i driftsomkostninger. Men da de oprindelige omkostninger til at installere eller eftermontere varmepumper kan afskrække nogle mennesker fra at skifte, forsyningsvirksomheder, regeringer, og producenter skal fremme varmepumpeteknologien og gøre den mere overkommelig. Økonomiske incitamenter er nøglen. "Vi giver meget store incitamenter til at købe en elbil, " sagde Modi. "Men dollar for dollar, det ville være meget bedre at gøre det til opvarmning ... fordi emissionsreduktionen ville være meget betydelig for det samme beløb. "

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra Earth Institute, Columbia University http://blogs.ei.columbia.edu.