Расход газа на отопление дома 200 м2: Расход газа на отопление дома: калькулятор и расчеты на месяц, сезон, год

Содержание

какие средние траты природного и сжиженного из газгольдера топлива на жилье площадью 200 м2

Проектируя систему отопления, владельцы дома обязаны чётко понимать, во сколько обойдётся обогрев жилой площади.

Причиной невыгодной эксплуатации становится неправильный подбор оборудования, неверное проектирование, стены со слабой тепловой изоляцией. Потому важен грамотный расчёт.

При его завершении, человек отталкивается от полученной суммы и принимает окончательное решение о приобретении оборудования.

Какой средний расход топлива на отопление дома 200м

²?

Одно дело, когда расход подсчитывается в оборудованном доме. Запишите показатели со счётчиков, суммируйте их, вычислите среднюю арифметическую сумму. Но когда только собираются обустраивать дом системой отопления и выбирают энергоноситель, используются совершенно другие методы.

Фото 1. Схема системы отопления частного двухэтажного дома при помощи котла на газе из газгольдера.

Природный газ

Наиболее удобный энергоноситель для обогрева частного дома. Выбирайте котёл, ориентируясь на его мощность. От неё зависит как потребление газа, так и рентабельность всей системы в совокупности. Но мощность — не единственный фактор. Влияние оказывает климат, регион, утепление, количество окон и многое другое.

Важно! Если в ходе расчёта системе требуется, например, 13—14 кВт, то владельцу стоит выбрать котёл с показателем от 16 до 17.

Формула: V= N/Hi × nj

Расшифровка:

V — количество теплоэнергии.
N — нужная мощность для отопления.
Hi — минимальная удельная теплота сгорания.
nj — коэффициент полезного действия.

Тепловую мощность (N) рассчитывают в соотношении 1кВт/10м².

Удельная теплота сгорания «—» табличная величина. Её делим на 2, так мы берём среднее значение.

Виды природного газа

Существует 2 вида природного газа:

Газ типа G 20 — 9.45 кВт/м³.
Газ типа G 25 — 8.13 кВт/м³.

Чаще всего используется первый тип. Энергетический потенциал второго меньше за счёт увеличенного содержания азота.

КПД указывается в паспорте изделия, для примера возьмём 84%.

Все необходимые данные получены, осталось приступить к вычислению расхода природного газа для помещения площадью 200м².

N = 1кВт200м2

Hi = 9.45кВт/м3

nj = 84%

V= 0.565м3/час

Теперь рассчитываем потребление за неделю: 0,565×24×7 = 94.92м³.

Длительность отопительного сезона способна различаться в регионах, поэтому возьмём в среднем 7 месяцев: 0.565×24×30.57 = 2896м³.

Итого, зная цену за кубометр, легко спланировать стоимость годового отопления.

Сжиженный газ из баллонов или газгольдера

Используется, когда дом находится на большом расстоянии от газопроводных магистралей. Поставляется специальной службой и хранится в баллонах.

Расчёт расхода сжиженного газа такой же как у природного, но имеет свои нюансы. Например, топливо выражается не в метрах кубических, а в килограммах, потому что не является газом.

Стоит обратить внимание и на плотность топлива (0.524кг/л) и удельная теплота сгорания (45.2МДж/кг). Используем ту же формулу и подставляем значение:

V = 4.7 / (6.58 × 0.88) = 0.81 л/час

Потребление за неделю: 0.8124×7 = 136л

Расход сезонный: 0.8124×30.5×7 = 4150л

Такой вариант обойдётся в крупную сумму. Много средств уходит на перевозку баллонов. Но всё же это более экономно, чем, например, электронное отопление.

Полезное видео

Посмотрите видео, в котором рассказывается про особенности отопления дома сжиженным газом.

Снижаем траты на обогрев 200 м

Для снижения расходов будет служить утепление дома (до того, как установлено оборудование). Утеплить надо пол, стены, чердак и крышу. Через окна и крышу теряется больше всего тепла. Поэтому разумно будет приобрести качественные теплоизоляционные материалы и стеклопакеты. В дальнейшем это поможет сэкономить на оплате отопления.

Сколько понадобится газа на отопление дома 100-200 м2: примеры расчета, способы экономии

При планировании обогрева частного дома необходимо подсчитать расходы на отопление магистральным газом. В процессе эксплуатации оборудования это сделать значительно легче, достаточно лишь отследить показания измерительного прибора в начале и конце месяца. Не менее важно знать потребление энергии на стадии проектирования. Это поможет правильно выбрать все устройства для системы и определиться с качеством носителя.

Оглавление:

Как проводятся расчеты?
Расход сжиженного газа
Как сократить затраты на обогрев?

Схема расчета

Большие площади требуют немалых затрат для обеспечения комфортного проживания в частном доме. В первую очередь это касается отопления, поэтому нужно максимально оптимизировать работу системы обогрева и выяснить потребление ресурса для обслуживания помещений.

Расчеты, в первую очередь, зависят от площади здания. Еще один важный показатель – мощность. Согласно нормативам, она определяется для каждой комнаты при самых сильных морозах в течение пяти дней. В реальности энергии используется значительно меньше, так как на протяжение сезона температура воздуха может колебаться в приличных пределах.

1. Для среднего потребления можно принять значение 50 Вт/м2 за 60 минут. Это значит, что для обогрева площади 100 м2 получится 5 000 Вт, для отопления частного дома 200 м2 – 10 000 Вт.

2. Можно воспользоваться формулой: R=V/(qHxK), где R – это объем газа в м3 за час, V – заданная тепловая мощность, qH – низший показатель сгорания ( 10 кВт/м3), К – КПД котла.

3. В результате расход природного газа для частного дома в 100 м2 составляет 5/(10х0,9)=0, 55 м3 за час, соответственно, для отопления вдвое большей площади получится цифра 1,11 м3 за 60 минут.

4. Для выяснения суточного расхода полученную величину умножаем на 24: 0,55х24=13,2 м3. Параметр за 30 дней определяется таким же образом – 13,2х30=396 м3.

5. Если требуется подсчитать потребление для 1 м2, месячный показатель делят на квадратуру, в итоге расходование газа составит 3,96 м3. Так как в каждом регионе холодное время года может длиться по-разному, рекомендуется вычислять параметр за 7 месяцев, что даст среднюю величину на этапе проектирования.

Для перевода в денежный эквивалент нужно перемножить значения цены за 1 кВт/ч и индекс сезонного потребления. Это даст приблизительную цифру на затраты по отоплению на весь период холодов.

Сжиженный газ

Многие котлы производятся таким образом, что при смене топлива можно использовать одну и ту же горелку. Поэтому некоторые владельцы выбирают метан и пропан-бутан для обогрева. Это вещество с низким показателем плотности. В процессе отопления выделяется энергия и происходит естественное охлаждение под воздействием давления. Расходование зависит от оборудования. Автономное снабжение включает в себя следующие элементы:

Сосуд или баллон, содержащий смесь бутана, метана, пропана – газогольдер.
Приборы для управления.
Система коммуникаций, по которым движется топливо и распределяется внутри частного дома.

Датчики для отслеживания температуры.
Запорная арматура.
Устройства автоматической регулировки.

Газогольдер должен находиться не менее, чем в 10 метрах от котельной. При наполнении баллона в 10 кубов для обслуживания здания в 100 м2 понадобится оборудование мощностью в 20 кВт. При таких условиях достаточно заправлять не более 2 раз в год. Чтобы высчитать ориентировочный расход газа, нужно в формулу R=V/(qHxK) вставить значение для сжиженного ресурса, при этом вычисления ведутся в кг, которые затем преобразуют в литры. При теплоте сгорания 13 кВт/кг или 50 мДЖ/кг получается следующая величина для дома в 100 м2: 5/(13х0,9)=0,427кг/час.

Так как литр пропан-бутана весит 0, 55 кг, выходит формула – 0,427/0,55=0,77 литров сжиженного топлива за 60 минут, или 0,77х24=18 л за 24 часа и 540 л за 30 дней. Учитывая, что в одной емкости находится около 40 л ресурса, расход в течение месяца составит 540/40=13,5 баллонов газа.

Как уменьшить потребление ресурса?

В целях сокращения расходов на обогрев помещения владельцы домов применяют различные меры. В первую очередь необходимо проконтролировать качество оконных и дверных проемов. При наличии щелей тепло будет уходить из комнат, что приведет к большему потреблению энергии.

Также одним из слабых мест является кровля. Горячий воздух поднимается вверх и смешивается с холодными массами, увеличивая расход в зимний период. Рациональным и недорогим вариантом будет обеспечить защиту от холода на крыше при помощи рулонов минеральной ваты, которую укладывают между стропилами, при этом не требуется дополнительной фиксации. Важно заняться утеплением стен внутри и снаружи здания. Для этих целей существует огромное количество материалов с отличными свойствами. Например, пенополистирол считается одним из лучших изоляторов, который хорошо поддается финишной отделке, также его применяют в изготовлении сайдинга.

При установке оборудования для отопления в загородном доме необходимо рассчитать оптимальную мощность котла и системы, работающей на естественной или принудительной циркуляции. Датчики и термостаты контролируют температуру, в зависимости от климатических условий. Программирование обеспечит своевременную активацию и отключение при необходимости. Гидрострелка к каждому прибору с датчиками для отдельно взятой комнаты автоматически определит, когда нужно начинать обогревать площадь. Батареи оснащают термоголовками, а стены за ними покрывают фольгированной мембраной, чтобы энергия отражалась в помещение и не уходила впустую. При теплых полах температура носителя достигает всего 50°C, что также является определяющим фактором при экономии.

Применение альтернативных установок поможет снизить потребление газа. Это гелиосистемы и оборудование, работающее от силы ветра. Считается наиболее эффективным использование нескольких вариантов одновременно.

Расход на отопление дома газом можно высчитать по определенной формуле. Вычисления лучше проводить на этапе проектирования здания, это поможет выяснить рентабельность и целесообразность потребления. Также важно принять во внимание количество проживающих людей, КПД котла и возможность применения дополнительных альтернативных систем обогрева. Эти меры позволят сэкономить и значительно сократить расходы.

Дата: 28 июня 2016

Инженерные схемы в частном доме 200м²

Чтобы правильно выбрать оптимальную систему отопления и ее элементы, необходимо, прежде всего, проанализировать стоимость обогрева с использованием различных источников энергии. Самыми распространенными являются газ, электричество, дизельное и печное топливо, пропан-бутан, дрова, уголь и пеллеты.

Стоимость отопления с использованием всех этих видов топлива приводится в данном обзоре.

Все расчеты будут выполнены для жилого дома площадью 200 м². Допустим это дом с не самым совершенным утеплением. Тогда выбор мощности котла произведем из предположения, что на обогрев 1 м² помещений необходимо затратить 0,1 кВт тепловой энергии. Это значит, что для обеспечения работы системы отопления рассматриваемого здания потребуется теплогенератор мощностью 20 кВт. Далее подсчитаем время беспрерывной работы котла за отопительный сезон, который в нашей стране составляет 6 месяцев или ~180 дней. Если предположить, что нагревательное оборудование функционирует по 24 часа в сутки без перерывов в течение всего сезона, то перемножив эти цифры, можно получить максимально возможное количество часов работы. Но в действительности котел не эксплуатируется в таком режиме, поэтому для расчета реального значения данного показателя, полученную в результате умножения цифру делят пополам. В результате выходит среднее значение беспрерывной работы теплогенератора, равное (180 х 24) / 2 = 2160 час.

Все расчеты выполнены с определенными упрощениями и предположениями. Для получения точных значений стоимости отопления разными видами топлива мы выполняем проектирование с сответсвующей расчетной частью как

тут например на стр. 14. В расчетах также не будет учитываться расход энергии, необходимой для приготовления горячей воды. Для жилого дома площадью 200 м² он может составлять примерно 10-15% от общих затрат на обогрев помещений.

Самым популярным видом топлива, которое используется для производства тепла в системах обогрева частных домов нашей страны, является природный газ. Его главным преимуществом давно стало удобство использования. Начнем с него.

Цена на природный газ на сегодня – 6957 грн за 1000м3 газа

Газовое отопление будем рассчитывать для конденсационного газового котла, имеющего большую эффективность по сравнению с обычным газовым котлом.

Конденсационный газовый котел на 20кВт – отличается высоким коэффициентом использования энергии, который равняется 107% в среднегодовом исчислении, также потребляет порядка 2.2 м³ голубого топлива в час. Расход газа для него за весь отопительный сезон составит:

(2,2 м³ / час х 2160 час) / 1,07 = 4441 м³;

В месяц – 4441 м³ / 6 мес = 740 м³;

Затраты на этот объем таковы:

740 м³ х 6,957 грн = 5149грн – стоимость потребляемых м³ газа.

Таким образом, общие расходы за месяц составят 5149 грн;

Соответственно, затраты на голубое топливо на весь отопительный сезон выйдут:

4682 грн х 6 мес = 30896 грн.

Использование конденсационного газового котла для обогрева частного дома будет обходиться за один сезон ориентировочно на 5000 грн дешевле стандартного атмосферного. Также учитывайте, что цена газа с 2019го года может существенно подняться.

Несмотря на меньшее распространение данного вида отопления, по сравнению с газовым, оно имеет свои неоспоримые преимущества. Заключаются они в повсеместной доступности электричества, простоте его использования и отсутствии отработанных газов.

Тарифы на электроэнергию можно посмотреть тут.

Для того чтобы выяснить, какой будет цена электрического отопления, рассмотрим две концепции отопления электричеством – ТЭНовый котел и Тепловой насос.

ТЭНовый электрический котел – при его использовании общее потребление энергии за отопительный сезон составляет примерно 43200 кВт·час. В месяц эта цифра равна 7200 кВт·час. С учетом действующих тарифов для первой категории населения, расходы на такой вид отопления за один месяц будут следующими:

100 кВт·час х 0,9 грн = 90,00 грн – стоимость первых 100 кВт·час энергии;

7100 кВт·час х 1,68 грн = 11928,00 грн – стоимость потребляемых свыше минимальных норм кВт·час энергии.

Таким образом, цена электрического отопления за месяц составит:

90 грн + 11592 грн = 12018,00 грн;

Соответственно, за отопительный сезон, она будет следующей:

6 мес х 12018 грн = 72108,00 грн.

Кроме ТЭНовых электрокотлов, существуют электродные котлы, которые по уверениям производителей потребляют при работе значительно меньше электроэнергии, однако они требуют специальной подготовки теплоносителя и информация об экономии не всегда подтверждается пользователями.

Тепловой насос типа воздух-вода имеет COP от 1.7 до 4.0 в холодное время года. (коэффициент эффективности СОР равный 3.2, например означает, что для производства 3.2 кВт тепла ему надо получить 1 квт электроэнергии. Данный коэффициент серьезно варьируется в зависимости от температуры окружающей среды – при температуре — 20°С COP равен 1.6, а при температуре — 5°С COP равен 3.1 в среднем. Учитывая то, что согласно Википедии средняя температура в Украине за отопительный сезон — 02°С, то можно смело принять СОР за усредненную величину 3.2

Таким образом при использовании ТН расход энергии за отопительный сезон составит примерно 13500 кВт·час. В месяц — 2250 кВт·час. Расходы за один месяц будут:

100 кВт·час х 0,9 грн = 90,00 грн – стоимость первых 100 кВт·час энергии;

2150 кВт·час х 1,68 грн = 3612,00 грн – стоимость потребляемых свыше минимальных норм кВт·час энергии.

Цена отопления Тепловым насосом за один месяц составит:

90 грн + 3612 грн = 3702 грн;

Следовательно, за отопительный сезон, она будет такой:

6 мес х 3702,40 грн = 22212 грн.

Очевидно, что использование Теплового Насоса выгодно, несмотря на бОльшие капиталовложения. Также мы сможем предложить тепловой насос Грунт-вода, который значительно эффективнее ТН воздух-вода. Его СОР составляет в среднем 4.2 и экономия значительней.

Для того чтобы теплогенератор выработал 20 кВт энергии при сжигании жидкого топлива, необходим его расход в количестве – примерно 1,7 л/час, при работе на средней мощности. В свою очередь, в процессе функционирования на максимальной мощности, расход будет равен порядка 2,2 л/час. Учитывая то, что КПД котла такого типа находится на уровне, примерно, в 90%, значение расхода составит 1,8 л/час. Поэтому для расчетов примем среднюю за сезон цифру – 2 л/час. Таким образом, общий расход за 6 месяцев работы системы отопления составит:

2 л/час х 2160 час = 4320 л;

В свою очередь, сезонные финансовые затраты, при средней цене дизельного топлива 20 грн/л, будут такими:

4320 л х 30 грн/л = 129600 грн;

Это значение расходов можно назвать приблизительным, так оно не учитывает затраты на доставку жидкого топлива, а также на его хранение.

Теплогенератор мощностью 20 кВт, работающий на сжиженном газе, расходует на производство тепла порядка 1,6 кг/час на максимальной мощности, с учетом уровня его КПД. Значит, за отопительный сезон котел такого типа использует следующее количество энергоносителя:

1,6 кг/ч х 2160 час = 3456 кг;

Что касается финансовых затрат на сезон отопления при средней цене пропан-бутана 9 грн/л, то они будут следующими:

3456 л х 14 грн/л = 48384 грн;

Как и в предыдущем примере расчета для жидкого топлива, полученная сумма затрат на обогрев частного дома пропан-бутаном не учитывает его доставку на объект.

Вычисляя количество гранул, необходимых на сезон обогрева для жилого дома средних размеров, прежде всего, необходимо отметить, что эта величина будет зависеть от качества данного вида топлива. Как известно, пеллеты изготавливают из различного сырья, которым может быть – древесина, солома или лузга подсолнечника. Поскольку теплотворность всех этих материалов существенно отличается, то расход топливных гранул разных видов также будет отличаться. Интересно, что самыми качественными считаются пеллеты из твердых сотов дерева, обладающие минимальной зольностью, однако наибольшее количество тепла выделяется при сгорании гранул из отходов семян подсолнечника. Ниже приводятся данные об удельной теплоте сгорания 1 кг пеллет из разного сырья:

Пеллеты древесные – 4,7 кВт/кг;

Пеллеты из соломы – 4 кВт/кг;

Пеллеты из лузги подсолнуха – 5 кВт/кг.

Рассчитаем точное количество энергии, которое должен произвести котел на пеллетах для обогрева утепленного здания площадью 200 м², с коэффициентом потерь тепла 70 Вт/м² в час по следующей формуле:

Q = 200м² х 70Вт/м² х 24 час х 180 дней х 0,7 = 42336 кВт·час;

где 0,7 – это коэффициент работы котла, а 180 – это количество дней в отопительном сезоне.

Для того, что выяснить величину расхода каждого типа пеллет, нужно разделить полученное количество необходимой энергии на удельную теплоту их сгорания:

Пеллеты древесные – 42336 кВт·час / 4,7 кВт/кг = 9 т;

Пеллеты из соломы – 42336 кВт·час / 4 кВт/кг = 10,5 т;

Далее рассчитаем стоимость отопления для каждого типа топливных гранул, с учетом их средней стоимости на рынке:

Пеллеты древесные (хорошего качества) – 9 т х 3000 грн/т = 27000 грн;

Пеллеты из соломы (низкое качество) – 10,5 т х 1950 грн/т = 20475 грн;

Полученные данные по затратам на обогрев частного дома пеллетами будут более полными, если к ним добавить расходы на доставку.

Выполняем полный комплекс работ по вентиляции, кондиционированию, отоплению и водоснабжению в Киеве и области. Закажите консультацию или звоните по тел. (044) 221-93-35, (067) 939-29-29.

Отопление на природном газе – необходимое оборудование и расход газа

Отопление дома при помощи газового котла имеет ряд преимуществ по сравнению с жидко- и твердотопливными аналогами. Природный газ, на сегодня, является самым экономическим видом топлива, что несомненно скажется на экономии семейного бюджета.

Отметим, ряд важных преимуществ газовых котлов:

Дешевое топливо, т.е. природный газ;
Невысокая стоимость оборудования и его монтажа;
Компактные габариты оборудования, позволяющие осуществить монтаж в любом помещении;
Двухконтурные модели позволяют не только протопить дом, но и обеспечить его горячей водой;
Котлы работающие на газе более надежны и долговечны, т.к. в них не скапливается копоть и сажа;
Такой вид отопления является наиболее экологичным, т.к. не наносит вред окружающей среде.

Расход газа на отопление дома.

Для того, чтобы у Вас сложилось понимание об экономичности газового отопления приведем пример отопления дома в 200 м2. Для обеспечения тепловой энергии в 1 кВт, требуется примерно 0,1 м3 газа в час. Соответственно, чтобы обеспечить теплом помещение в 200 м2, будет достаточно котла с емкостью 20 кВт, т.к. в режиме максимальной мощности потребление составит 2 м3/час (20*0,1 = 2).

В течении года, совсем не обязательно протапливать дом постоянно. Основываясь на наших климатических условиях, за расчет можно взять 6 месяцев, при том, что котел совсем не обязательно использовать на полную мощность. В разные периоды сезона, он может работать в пол, а то и в четверть силы.

Если взять зимний период, где от котла потребуется полная отдача, то среднесуточный расход газа составит примерно 48 м3 (мощность котла*расход газа в час на 1 кВт*количество часов – 20*0,1*24 = 48). В межсезонье мощность можно уменьшить вдвое, тогда получиться 24 м3. Итого общий расход на сезон будет составлять примерно 7200 м3 газа. Учтите, что это усредненный показатель, который зависит от индивидуальных потребностей жильцов.

Сколько нужно биогаза чтобы отопить 1000 м2. Как посчитать расход газа на отопление дома, советы по уменьшению финансовых издержек.

Газ в доме

Газ сегодня используется, чуть ли не в каждом жилище. С его помощью согревается вода для бытовых целей, готовится пища и отапливается дом. Газоснабжение позволяет сделать жизнь удобной, а домашние хлопоты — менее обременительными. Но какова цена вопроса? Особенно актуально это для обогрева здания. Ведь расходы газа на отопление дома составляют львиную долю в общей структуре затрат. Нельзя назвать этот вид топлива самым дорогим, но и дармовым он никогда не был. Поэтому желательно рассчитать потребление газа еще на этапе проектирования системы теплоснабжения.

Преимущество газа как топлива

Учитывая установленную потребительскую цену, можно сказать, что газ на сегодняшний день является самым экономичным видом топлива для большинства регионов страны. Его состав характеризуется ничтожно малым содержанием сернистых составляющих, что во многом определяет эффективность голубого топлива. При горении выделяется очень мало загрязняющих атмосферу соединений, что позволяет говорить о его экологичности.

Голубое топливо характеризуется еще одним положительным фактором — оно не вызывает коррозии металлических частей котла при нагревании воды. А относительно сажи и копоти ему нет равных по сравнению с другими видами энергоресурсов (кроме электричества). Следовательно, отпадает необходимость чистки дымоходов. Общую картину органично дополняет долговечная работа всех видов газовых отопительных приборов.

Пример расчета потребления газа

Согласно нормативным данным, полученным в результате практического использования отопительных систем, в нашей стране для обогрева 10 метров квадратных жилого помещения требуется около 1 киловатта энергии. Исходя из этого, помещение площадью 150 м кв. может обогреть котел мощностью 15 кВт.

15 кВт * 30 дней * 24 часа в сутках. Получается 10 800 кВт/час. Эта цифра не является абсолютной. К примеру, котел не работает постоянно на всю мощность. Более того, при повышении температуры за окном иногда приходится даже отключать отопление. Усредненное значение в этом случае можно считать приемлемым.

То есть, 10 800 / 2 = 5 400 кВт/час. Это норма расхода газа на отопление, которой вполне достаточно, чтобы обеспечить комфортную температуру в доме на протяжении одного месяца. С учетом того, что отопительный сезон длится порядка 7 месяцев, высчитывается необходимое количество газа на отопительный сезон:

7 * 5400 = 37 800 кВт/час. Учитывая, что кубический метр газа вырабатывает 10 Квт/час тепловой энергии, получаем — 37 800 / 10 = 3 780 м куб. газа.

Для сравнения — 10 кВт/час (согласно статистическим данным) можно получить от сжигания 2,5 кг дубовых дров с влажностью не более 20%. Норма расхода дров в приведенном примере составит 37 800 / 10 * 2,5 = 9 450 кг. А сосновых потребуется еще больше.

Способы экономии газа

Способ экономии газа — экономный режим котла

Данные в примере приведены для того, чтобы наглядно рассчитать отопление дома. Но они никак не учитывают потребности в нагреве воды для бытовых нужд и в приготовлении пищи. В каждом конкретном случае необходима корректировка результата. Ее значение зависит от количества обитателей жилья и их индивидуальных потребностей.

Сэкономить на отоплении, которое потребляет львиную долю газа, можно следующими способами:

Утепление стен и потолков, установка энергосберегающих стеклопакетов, уплотнение контура входной двери.
Использование технологичного газового оборудования.
Установка эффективных автоматических систем контроля над теплоснабжением. Производители неустанно твердят, что ее окупаемость не превышает 2-х месяцев.

Самый простой и выполнимый для всех способ — это снижение температуры комфорта в помещении. Один-два градуса для организма человека не очень заметны, а по результатам отопительного сезона получится очень даже приличная цифра.

От чего зависит аппетит котла

Во-первых, от его мощности. Чем она больше, тем выше будет и расход газовых котлов. Причем снизить аппетит теплогенерирующего прибора за счет использования у вас не получится. Если вы приобрели газовый очаг на 20 кВт, то даже на минимуме он будет потреблять больше, чем 10-киловаттный прибор на максимуме. Поэтому будьте внимательны при выборе мощности теплогенерирующих приборов.

Во-вторых, от температуры «за бортом». В этом случае в дело вступает уже упомянутый регулятор мощности. Ведь при низкой температуре в доме мы попытаемся выжать из отопления максимальное количество калорий, вывернув ручку регулятора на максимум. И если в относительно теплую (для зимы) погоду регулятор стоит на «единичке» или «двоечке», то при 30- или 40-градусных морозах его переключают на «пятерочку» или даже «семерку». И количество кубометров газа, прошедших сквозь форсунки в камеру сгорания, увеличивается вдвое.

В-третьих, от калорийности газа. Потребителем эта величина не контролируется. Поэтому газораспределяющие компании иногда шалят с составом «голубого» топлива. Ведь тот же сжатый азот, закаченный в центральный трубопровод, стоит в 2,5-3 раза дешевле природного газа. Сейчас такие схемы мошенничества, к нашему счастью, уже не практикуют, но подать в трубы «неосушенный» газ с большим содержанием водяных паров и прочих примесей газовщики могут запросто. И если ваш чайник вскипает не за 2-3 минуты, а за 5-7, то что можно требовать от системы отопления? Вы подходите к котлу и выкручиваете регулятор мощности на максимум, закрывая глаза на ускорившееся вращение диска газового счетчика.

В-четвертых, от технического состояния теплообменника. Нагрев воды или теплоносителя в газовых приборах происходит в теплообменнике – особом трубопроводе из меди, расположенном или в камере сгорания или за ее стенками. И если теплообменник забьется накипью или остатками окалины из батарей, то вам придется прибавить мощности, компенсируя упавшую теплоотдачу. Причем забитый теплообменник ворует кубометры намного активнее реальных или мифических ловкачей из газораспределяющей компании.

В-пятых, от количества нагревательных контуров. Почти во всех современных газовых котлах стоит больше одного нагревательного контура. Ведь такие теплогенерирующие приборы обслуживают не только разводку системы отопления, но и линию домашнего горячего водоснабжения. Для этого в конструкцию газового очага монтируют второй контур и повышают пропускную способность на форсунках, увеличивая мощность. А чем больше мощность, тем выше и расход.

Отопление дома может быть реализовано в различных вариантах: электрические и угольные котлы, дизельные системы и, конечно же, обогрев на основе газового оборудования.

В случае, когда у владельца дома есть возможность использовать ресурсы газовой магистрали, предпочтение отдается именно газовому котлу. Почему? Преимуществ более чем достаточно:

низкая стоимость используемого ресурса по сравнению с электро — и дизельными системами;
умеренная стоимость газового оборудования и простота его установки;
удобство эксплуатации. Автоматическая подача топлива из магистрали не принуждает владельца дома к постоянному контролю и управлению работой котла.
безопасность и экологическая чистота продуктов сгорания – воды и углекислого газа.

Расчет потребления газа на отопление в зависимости от площади дома

Чтобы уменьшить расходы за используемый в отоплении газ и определить количество необходимой тепловой энергии для вашего дома, необходимо правильно рассчитать требуемое для обогрева количество топлива и его стоимость. В расчет принимаются все значимые факторы: размер дома, количество этажей, материал стен и несущих конструкций, мощность отопительного оборудования.

Для простоты примера возьмем дом площадью 100 м. кв. При стандартной высоте потолков для обеспечения теплом 10 кв. м помещения требуется примерно 1 кВт энергии. В нашем примере достаточно разделить первое число на второе, в итоге получаем 10 кВт – необходимую мощность газового котла.

Если котел работает каждый день 24 часа в сутки, то полученную мощность умножаем на количество дней в месяце 30 и на 24 часа (в сутках). В результате получаем месячный расход — 7200 кВт/ч. В повседневной жизни котел не используется на 100% своей мощности, поэтому результат смело делим пополам и получаем 3600 кВт/ч.

Для всего отопительного периода, который обычно длится 7 месяцев, умножаем число на 7 и получаем 25200 кВт/час. Именно такой расход мощности необходим для обогрева вашего дома газовым котлом.

Для перевода полученного значения в денежных эквивалент, число 25200 необходимо умножить на стоимость одного кВт/час газового топлива. Эта стоимость зависит от региона вашего проживания.

Площадь 100 кв. м. мы взяли для простоты вычислений, в каждом отдельном случае вместо нее подставляется фактическое значение площади жилья. Не стоит забывать, что в доме, помимо системы отопления, будет использоваться газовая плита и прочее оборудование, поэтому полученный результат является приблизительным.

Расчет расхода газа от автономной системы газификации (газгольдера)

Автономная система подразумевает систему отопления, которая работает на сжиженном газе, находящемся в специальной металлической или пластиковой емкости – газгольдере. Такой вариант подойдет для жилого здания при невозможности подключения к центральному газопроводу и вообще при его отсутствии.

Расход сжиженного топлива будет превышать расход при стандартном подключении к магистрали. Тем не менее, такая система в любом случае выгоднее систем, работающих на электричестве, жидком и твердом топливе.

Для проведения необходимых расчетов потребуются знания школьного курса физики. Однако, ввиду того, что это практически нереальное условие, приведем уже готовые вычисления.

Таблица примерного расхода газа на отопительный сезон (6 месяцев) для коттеджа:

При составлении таблицы также учитывалось потребление газа для приготовления пищи и подачу горячей воды для среднестатистической семьи из 4-6 человек.

Как экономно расходовать газ?

Итак, газовая система отопления является на сегодняшний день самой экономной из других возможных систем. Но экономия в первую очередь зависит не столько от уменьшения количества используемого топлива, сколько от правильной конфигурации оборудования, дополнительного утепления дома и установки специальных энергосберегающий приборов.

По подсчетам специалистов, через стены жилого дома может теряться треть, а в некоторых случаях и половина тепла, выделяемого отопительной системой. Поэтому лучше сразу провести мероприятия по утеплению вашего жилья. Такие работы включает в себя:

установку качественных пластиковых окон, которые полностью герметичны и энергоэффективны;
утепление кровли, включающее в себя монтаж плит минеральной ваты между нижними и верхними элементами конструкции кровли;
правильную установку дверей во избежание появления сквозняков;
применение теплоотражательных экранов за радиаторами.

Также, для экономии тепловой энергии и оптимального обогрева используется различная терморегулирующая арматура.

Терморегулирующие элементы

Термостатическая головка, которая монтируется на радиаторный клапан, в автоматическом режиме регулирует температуру теплоносителя в зависимости от температурного режима в помещении, поддерживая постоянное состояние микроклимата на протяжении длительного времени. Такое устройство позволяет с точностью до 1ºС контролировать температуру в том или ином помещении.

Регулирующий вентиль предназначен для ручной установки необходимого расхода теплоносителя через отопительную систему. Конструкция вентиля позволяет устанавливать и разбирать клапан даже без монтажа батареи. Работает при температуре до +110ºС.

Узлы – это дополнительные элементы, устанавливающиеся на радиаторы с нижней подводкой. Такие приспособления выпускаются и для однотрубных систем отопления, и для двухтрубных. Первый тип имеет встроенный байпас, посредством которого некоторая часть теплоносителя, не попадая в отопительный прибор, возвращается в систему. Расход теплоносителя после установки узла осуществляется при помощи вентиля, который легко настраивается посредством шестигранного ключа и отвертки.

На сегодняшний день одним из наиболее популярных видов отопительных систем является оборудование, функционирующее на газу. По экологичности данный способ стоит на уровне электрических установок, считается надежным и экономичным вариантом, естественно, речь идет об устройстве стационарного вида системы, а не о баллонах, требующих регулярной заправки.

Для того, чтобы определиться с типом отопительной установки, предварительно следует рассчитать расход газа на отопление дома 100 м 2 . Таким образом, владелец сможет ориентироваться, на какую сумму для оплаты коммунальных услуг ему рассчитывать после монтажа техники.

Что учитывать при расчете?

Если устройство уже установлено, предлагаем изучить способы, как уменьшить среднее потребление газа в частном доме.

При расчетах, очень важно учитывать следующие факторы:

Сколько этажей присутствует в здании;
Какой вид утеплительного материала применялось при построении коттеджа;
Общая площадь дома и габариты отапливаемых комнат;
Есть ли в наличие пластиковые окна, плотные двери или открытые межкомнатные арки;
Какую максимальную мощность воспроизводит газовое отопительное оборудование.

ВИДЕО: Расход газа котлом на отопление 1 м. кв. / год в квартире

Порядок подсчета расхода голубого топлива

Под значением природного типа топлива подразумевается любой вид газа, применяемый в качестве топливной смеси, добываемый из недр земли. На данный момент это наиболее оптимальный вариант для отопительных систем сетевого предназначения, поскольку он имеет сравнительно высокий уровень энергоэффективности, небольшую стоимость. Также стоит отметить отсутствие необходимости создания запасов топлива.

Природное топливо — самый бюджетный способ отопления

Чтобы осуществить расчеты природного газа на отопление дома 200 м 2 , следует учитывать производительность не только котла, но и всей отопительной системы в целом. При желании получить более точные данные, во внимание принимаются помимо основных факторов, еще дополнительные:

в какой климатической полосе располагается недвижимость;
из какого материала выстроен дом;
присутствует ли в коттедже теплосберегающая установка;
какая общая площадь здания и максимальная точка возвышенности потолков.

Перед тем, как определиться с будущими тратами, владельцы коттеджей производят расчет требуемой тепловой мощности оборудования для обогрева определенной площади. При выявлении оптимального значения следует учитывать, что мощность, указанная в паспорте устройства считается максимальным показателем, который может выдавать показатель. Исходя из этого, нужно подбирать устройство с более высокими значениями. К примеру, если при расчете выяснилось, что для обогрева площади требуется 13-14 кВт, то отдавать предпочтение необходимо моделям с мощностью от 16 до 17 кВт.

Данный фактор так подробно разъясняется, чтобы внести в ситуацию ясность — правильно ли изначально рассчитывалась необходимая мощность для обогрева индивидуальных параметров дома, чтобы впоследствии норма трат была приближена к реальным показателям.

Часто владельцы недвижимости пользуются простой теплотехнической формулой — для дома 100 м 2 приходится 10 кВт. Следует учесть, что теплопроводная жидкость расходуется практически в два раза меньше, чем выходит по формуле. Поскольку, на протяжении всего отопительного сезона температурный режим воздуха не является стабильным, показания счетчика в коттедже ежедневно тоже будут меняться от большего к меньшему значению потребления.

Пример: на каждый квадратный метр приходится 1 Вт энергии, но если учитывать реальные показатели, выходит 0,5 Вт/м 2 /час. Получается, для отопления дома 100 м. кв. необходимо 5 кВт/ч. Такой вариант считается очень удобным, однако решение задачи будет иметь большие погрешности.

Подставляем значения:

5/(1,175 х 0,92) = 0,53 м 3 /ч

Зная все необходимые значения, можно легко вычислить расходы за один день, месяц или вообще, весь отопительный сезон. Достаточно только посчитать количество дней, когда будет применяться отопительная система и умножить их на суточный расход природного топлива.

Расчет сжиженного топлива

Пользоваться централизованным газопроводом, несомненно, удобно и легко, однако не все имеют данной возможности, поскольку по некоторым поселочным пунктам его попросту не проводили. Владельцы подобной недвижимости применяют вместо природного топлива сжиженный газ, который хранится в баллонах или газгольдерах.

Значение израсходования данного вида топлива имеет некоторые отличия. Если необходимо рассчитать расход сжиженного газа на отопление дома 100 м 2 , который сгорает на 60 мин., нужно в основную формулу вставить обозначения коэффициента полезного действия данного топлива.

Помните, результат расходуемой сжиженной смеси обозначается в килограммах, которые после требуется вывести в измерительные единицы — литры. Уровень сгорания теплоносителя — 12,8 кВт/кг.

5/(12,8 х 0,92)=0,42 кг/ч

Естественно, если необходимо произвести расчет потребления газа на отопление частного дома при общих габаритах в 300 м 2 , значение «5» требуется помножить на три, поскольку оно соответствует обогреву 100 м 2 .

Далее переводим килограммы в литры, 1 л пропан-бутана = 0,54 кг, получается, что на один час работы газа нужно 0,78 л = 0,42-0,54. За целый день 18,7 литра уходит на отопление помещения площадью 100 кв.м., в месяц — 561 литров.

Если учитывать, что стандартные баллоны рассчитаны под топливо объемом в 42 л, тогда за 30 дней средний расход газа на отопление дома потребуется 14 заправленных резервуара, что сравнительно с природным газом, считается очень дорого.

Для быстрой ориентации, представляем приблизительную таблицу расчетов со стандартными габаритами, какой расход газа будет при большей отапливаемой площади.

Советы специалистов — варианты уменьшения расходов на отопление

Существуют некоторые строительные и технические мероприятия, которые позволяют значительно снизить общий расход топлива, предназначенного для отопления коттеджа. Естественно, в первую очередь потребуется заменить все окна и входные двери, поскольку именно данные факторы являются одними из основных причин утечки тепла. Далее следует обратить внимание на утеплительный материал и использовать его для создания теплоизоляционного слоя на наружной части стен, полов и крыши, особенно это качается коттеджей, выстроенных из кирпича или железобетона.

Уменьшить среднее потребление газа в частном доме можно при помощи следующих советов:

Установите систему «теплый пол», максимальный температурный уровень теплоносителя устройства достигает 50 о С, что на 40 о С меньше радиаторных установок, при этом эффект такой же.
Запрограммируйте оборудование на несколько режимов обогрева дома. Например, если в дневное время нагрев будет менее интенсивный, чем ночью, можно сэкономить до 30% топлива. К тому же, какой толк от сильного отопления дома днем, когда владелец находится на работе?
Проведите качественную теплоизоляцию дома или квартиры, вплоть до замены окон и дверей — это тот самый случай, когда лучше 1 раз потратиться, чтобы потом экономить до 40% на оплате расходов за отопление.

Самое главное, создайте грамотную организацию подогрева потока воздуха, приходящего с улицы и вы сможете сэкономить несколько кубов газа.

ВИДЕО: Как снизить расход бытового газа

Газовое отопление частного дома удобно во всех отношениях – и с позиций удобства в эксплуатации, и с точки зрения вполне приемлемых тарифов на энергоноситель. Во всяком случае, конкурентов в плане экономичности, при хорошо отлаженной системе, у него немного. Но не каждый может себе это позволить по той банальной причине, что еще далеко не все населённые пункты, и тем более – дачные поселки подключены к газовым магистралям.

И тем не менее решение просматривается – можно использовать на нужды отопления привозной сжиженный газ, организовав его подачу к котлу отопления из баллонов или из объёмного подземного хранилища – газгольдера. Но при этом информация о среднем потреблении топлива имеет особую важность – необходимо не только планировать бюджет на отопление, но и своевременно организовывать пополнение своих запасов.

Как быть? Ничего страшного – поможет нам в этом вопросе калькулятор расхода сжиженного газа на отопление.

Пояснения по ведению расчетов будут даны ниже, в текстовом блоке.

Укажите запрашиваемые данные и нажмите «РАССЧИТАТЬ ОРИЕНТИРОВОЧНЫЙ РАСХОД ГАЗА»

Рассчитанная необходимая тепловая мощность системы отопления, кВт

Какой котел устанавливается?

КПД котла (для Hi), %

Порядок проведения расчетов

Любой вид топлива, и сжиженный газ не является исключением, характеризуется теплотворной способностью – это количество тепловой энергии, вырабатываемого при сжигании определённой единицы измерения энергоносителя. При системах с сетевым природным газом оперируют кубометрами, а если используется сжиженный, то расчет ведется на килограммы или литры. Значит, зная необходимое количество тепловой энергии для отопления дома, теплоту сжигания газа (она для пропан-бутановой смеси G30 составляет 45,2 МДж/кг = 23,68 МДж/литр = 6,58 кВт/литр) и некоторые характеристики отопительного оборудования, можно довольно точно спрогнозировать потребление.

Первое, что необходимо указать в соответствующем поле калькулятора – необходимую тепловую мощность, которая требуется для полноценного отопления дома. Важно не совершить распространённую ошибку, когда вместо этой величины за основу берут паспортную мощность котла.

Нет, здесь нам требуется именно потребное количество тепловой энергии, и если оно хозяину дома неизвестно, то его придётся рассчитать отдельно.

Как провести вычисление необходимой тепловой мощности системы отопления?
Предлагаем воспользоваться алгоритмом, который подразумевает расчет этого показателя для каждого помещения дома в отдельности, с последующим суммированием результатов. Эта методика со всеми подробностями изложена в специальной публикации, в которой размещен и необходимые пояснения к нему.

После проведения расчётов мощности, полученное суммарное значение необходимо указать в первом поле ввода данных нашего калькулятора.

Вторым пунктом указывается, не является ли котел конденсационным, то есть использующим дополнительный тепловой потенциал водяного пара, выходящего с продуктами сгорания газа.
И последним пунктом указывается коэффициент полезного действия котла, который можно найти в паспорте агрегата. Если в документах указано два значения, для разных показателей теплоты сжигания газа, то берется параметр для низшей, то есть Hi.

После этого остается лишь нажать кнопку расчета и получить готовый результат. Он будет выражен в литрах и килограммах сжиженного газа, по периодам – за день, неделю, месяц и за весь семимесячный отопительный сезон. Для удобства восприятия одновременно будет выпонен перевод еще и в количество стандартных 50-литровых газовых баллонов, исходя из условия, что по технологии заправки в каждый из них обычно закачивается 40-42 литра сжиженного газа.

собран в отдельном разделе нашего портала.

Сколько газа потребляет газовый котел?

Для того, чтобы рассчитать количество потребляемого газа необходимо учитывать следующие факторы:

– мощность агрегата;

– площадь здания и его объем;

– количество теряемого тепла зданием с учетом уровня утепления стен и других конструкций.

Определяем расход газа

Площадь дома, м²	Мощность котла, кВТ	Максимальный расход топлива кг/ч
100	5-12	3,2
130	6-16	4,7
160	6-20	6,0
200	7-24	7,6
220	8-25	7,9
270	10-32	8,9
370	18 и более	от 14,0

Для начала определяется количество расхода газа в час (для конкретно взятого котла). Мощность газового оборудования будет зависеть от площади здания. Так, например, если высота потолка около 3 м., то необходимо будет 1 кВт энергии на 10 кв. м. Таким образом, разделив общую площадь на 10 получается необходимое количество тепловой энергии для отопления всего помещения.

Для того, чтобы получить 1 кВт тепла – расход газа должен составлять около 0,112 м3. Умножаем этот показатель с общим количеством тепла для здания – получаем почасовой расход газа на отопление всего дома. Следовательно, умножив полученную цифру на 24 и 30 – получают расход газа за сутки и за месяц. Умножая расход за месяц на 7 месяцев – получают расход газа за год.

При этом учитывается, что котел включен не всегда на полную мощность. Если отопительный сезон длится 250 дней, то в режиме максимальной нагрузки оборудование будет работать не более ста суток; значит, годовой расход газа можно разделить на два.

Сколько газовый котел потребляет в месяц?

Для примера: 15 кВт * 30 дней * 24 часа. Получаем – 10800 кВт/час. То есть, нормой можно назвать: 10800 : 2 = 5400 кВт/час.

Для сравнения: 10 кВт/час можно получить от сжигания 2,5-2,6 дров с влажностью около 15-20%. При этом средняя норма расхода дров будет равняться – 37800 : 10 * 2,5 = 9450 кг.

Вычисляем расход газа на отопление дома 100 м2

Для каждого владельца большого частного дома зимний период означает серьезное испытание для отопительного оборудования, а также для семейного бюджета. Значительные жилые площади требуют немалых затрат для постоянного поддержания комфорта на заветных квадратных метрах. В этой статье мы подробно узнаем, каков реальный расход газа на отопления дома 100 м2, а также дадим практические советы, как в домашних условиях оптимизировать работу отопительной системы.

Теоретики и практики сходятся в едином мнении о том, что мощность отопителя, устанавливаемого в доме или квартиры, должна выбираться таким образом, чтобы на 10 квадратных метров приходился 1 кВт номинальной мощности котла. Отсюда становится очевидно, что расход газа на отопления дома 100 м2 рассчитывается на основании интенсивности потребления топлива соответствующим газовым агрегатом.

Необходимый нам котел должен выделять 10 кВт тепловой энергии в час. Эту цифру необходимо умножить на 24 часа и 30 дней. В итоге, мы получаем 7200 кВт – количество тепловой энергии, производимое котлом в течение 1 месяца отопительного сезона.

Эксперты делят эту цифру пополам, поскольку на практике в среднем котел функционирует на уровне половины своих возможностей. Если предположить, что отопительный сезон длится около семи месяцев, то данную цифру (3600 кВт) необходимо умножить на 7 месяцев. В результате, мы получим 25200 кВт тепловой энергии за весь отопительный сезон. От этой цифры и стоит и отталкиваться, определяя расход природного газа на полноценное отопление дома 100 м2. Если учесть, что киловатт тепловой энергии на сегодняшний день стоит порядка 0.27 рубля – годовые финансовые издержки на отопления дома вычисляются весьма просто.

Аналогичным методом можно оценить расход газа для отопления дома 200 м2. Упрощенно, количество необходимой тепловой энергии можно получить, умножив 25200 кВт на 2. Тем не менее, стоит учитывать при расчете архитектурные параметры строения, характер тепловой изоляции, климатические особенности конкретного региона, КПД оборудования и массу других факторов.

Выводы

Теперь вы имеет представление о том, каков расход газа на отопление дома определенной площади. Вышеприведенный алгоритм расчета позволяет вычислить этот показатель в киловаттах. Вы также можете узнать предполагаемый расход, ориентируясь на данные из технического паспорта. Каждый производитель указывает уровень потребления газа конкретным котлом. Зная эти цифры из расчета на 1 час, вы легко вычислите годовой бюджет на «голубое топливо», необходимый для отопления конкретного дома.

Что же касается рекомендаций по поводу экономии, то наиболее важная из них такая – корректно подбирайте оборудование конкретно для вашего дома. Так вы сможете избежать фатальной ошибки – покупки неподходящего нагревательного оборудования. Также имеет смысл позаботиться о теплоизоляции своего дома, об установке системы «теплый пол», об агрегации техники с внешними датчиками и о массе других возможностей сделать расход газа оптимальным для комфортного отопления вашего жилья.

Советуем также почитать:

Углеродный след от использования энергии в домах в США

Значимость

В этом исследовании используются данные о 93 миллионах индивидуальных домов для проведения наиболее полного исследования выбросов парниковых газов в результате использования энергии в жилищном секторе в Соединенных Штатах. Мы предоставляем общенациональные рейтинги углеродоемкости домов в штатах и почтовых индексах и предлагаем корреляцию между достатком, площадью и выбросами. Сценарии демонстрируют, что этот сектор не может достичь цели Парижского соглашения до 2050 года только за счет декарбонизации производства электроэнергии.Достижение этой цели также потребует широкого портфеля энергетических решений с нулевым уровнем выбросов и изменения поведения, связанного с жилищными предпочтениями. Чтобы поддержать политику, мы оцениваем уменьшение площади пола и увеличение плотности, необходимое для создания низкоуглеродных сообществ.

Abstract

На использование энергии в жилых домах приходится примерно 20% выбросов парниковых газов (ПГ) в США. Используя данные о 93 миллионах индивидуальных домохозяйств, мы оцениваем эти парниковые газы по всей территории Соединенных Штатов и уточняем соответствующее влияние климата, достатка, энергетической инфраструктуры, городской формы и характеристик зданий (возраст, тип жилья, топливо для отопления) на формирование этих выбросов.Рейтинг по штатам показывает, что выбросы парниковых газов (на единицу площади) самые низкие в западных штатах США и самые высокие в центральных штатах. У более богатых американцев следы на душу населения на ~ 25% выше, чем у жителей с низкими доходами, в первую очередь из-за более крупных домов. В особенно богатых пригородах эти выбросы могут быть в 15 раз выше, чем в близлежащих районах. Если электрическая сеть будет декарбонизирована, то жилищный сектор сможет достичь целевого показателя сокращения выбросов на 28% к 2025 году в соответствии с Парижским соглашением.Однако декарбонизации сети будет недостаточно для достижения цели по сокращению выбросов на 80% к 2050 году из-за растущего жилищного фонда и продолжающегося использования ископаемого топлива (природного газа, пропана и мазута) в домах. Достижение этой цели также потребует глубокого переоснащения энергетики и перехода на распределенные низкоуглеродные источники энергии, а также сокращения жилой площади на душу населения и зонирования более плотных поселений.

Примерно 20% выбросов парниковых газов (ПГ), связанных с энергетикой, в США приходится на отопление, охлаждение и электроэнергию в домашних хозяйствах (1).Если рассматривать страну, эти выбросы будут считаться шестыми по величине источниками выбросов парниковых газов в мире, сравнимыми с Бразилией и больше, чем с Германией (2). К 2050 году Соединенные Штаты добавят примерно 70–129 миллионов жителей (3) и 62–105 миллионов новых домов (4). Хотя дома становятся более энергоэффективными, потребление энергии домохозяйствами в США и связанные с ними выбросы парниковых газов не сокращаются из-за демографических тенденций, расширения использования информационных технологий, цен на электроэнергию и других факторов спроса (5, 6).

Отсутствие прогресса подрывает существенное сокращение выбросов, необходимое для смягчения последствий изменения климата (7). Средняя продолжительность жизни американского дома составляет около 40 лет (8), что создает проблемы, учитывая необходимость быстрой декарбонизации. Это делает важные решения во время проектирования и строительства, такие как размер, системы отопления, строительные материалы и тип жилья. В Соединенных Штатах слияние политик после Второй мировой войны помогло переселить большую часть населения в разросшиеся пригородные домохозяйства (9, 10) с потреблением энергии и сопутствующими парниковыми газами, значительно превышающими среднемировые (11).Без решительных действий эти дома будут оставаться в «углеродной блокировке» на десятилетия вперед (12, 13).

Несмотря на срочность, принципиальные вопросы остаются без ответа. Исследователям не хватало общенациональных данных об уровне зданий, необходимых для определения штатов с наиболее энергоемким и углеродоемким жилищным фондом. Учитывая их автономию в разработке энергетической политики и строительных норм, власти штата и местные власти сочли бы это особенно полезным. То, как выбросы энергии в домохозяйствах различаются по группам доходов, не совсем понятно, но это важно, учитывая быстро меняющуюся демографию городов и пригородов США (14).Исследования традиционно были сосредоточены на географически ограниченных случаях (15⇓ – 17) или сосредоточенных выбросах энергии зданиями с другими конечными видами использования в учете углерода (18, 19). Наконец, влияние построенной формы – пространственные отношения между зданиями – и выбросы исследовано только для нескольких городов США (20, 21).

Неполная диагностика факторов, влияющих на выбросы, мешает нашему пониманию необходимых преобразований для решения проблемы углеродного захвата. Могут ли населенные пункты с низкой плотностью населения в Соединенных Штатах достичь долгосрочных целей по смягчению последствий изменения климата для использования энергии в зданиях, если электрическая сеть декарбонизируется? Если нет, то какие дополнительные меры (напр.g., будет необходима модернизация энергетики и замена ископаемого топлива в домашних условиях? Должны ли будущие низкоуглеродные сообщества состоять из домов меньшего размера, построенных в населенных пунктах с высокой плотностью населения?

Чтобы ответить на эти вопросы, мы использовали данные на уровне зданий для оценки выбросов парниковых газов в ~ 93 миллионах домов в прилегающих к нему Соединенных Штатах (78% от общего количества по стране). Используя информацию на уровне домохозяйств о возрасте здания, закрытой площади, типе жилья и топливе для отопления, мы оценили влияние климата, дохода, формы здания и электросети во многих масштабах с использованием регрессионных моделей, полученных из национальной энергетической статистики.Затем мы смоделировали четыре сценария, чтобы проверить, могут ли различные технологические переходы достичь целей Парижского соглашения на 2025 и 2050 годы.

Мы обнаружили, что как потребление энергии в домашних хозяйствах, так и выбросы на квадратный метр сильно различаются по стране, главным образом, из-за спроса на тепловую энергию и топлива, используемого для производства электроэнергии («структура сети»). Анализ на уровне почтовых индексов показывает, что доход положительно коррелирует как с потреблением энергии на душу населения, так и с выбросами, наряду с тенденцией к увеличению благосостояния и жилой площади.Анализ городов и микрорайонов подчеркивает экологические преимущества более плотных поселений и степень, в которой углеродоемкие электрические сети противодействуют этим преимуществам.

Выбросы энергии в жилых домах возникают в результате сочетания факторов экономики, городского дизайна и инфраструктуры. Наши исследовательские модели, основанные на сценариях, показывают, что для значительного сокращения выбросов в жилых домах потребуется одновременная декарбонизация энергосистемы, модернизация энергоснабжения и сокращение использования топлива в домашних условиях. Сценарии также предполагают, что для создания нового строительства с низким уровнем выбросов углерода потребуются дома меньшего размера, чему может способствовать более плотное поселение.Эти результаты имеют значение как для США, так и для других стран.

Результаты

Энергия и интенсивность выбросов парниковых газов в государствах.

В существующей литературе исследуется использование энергии в жилищах на душу населения и на домохозяйство в Соединенных Штатах (22, 23). Однако неясно, зависит ли эффективность от количества людей в семье, площади пола, характеристик здания или других факторов. Мы используем большие выборки жилищного фонда каждого штата (от n ∼ 10 ⁵ до 10 ⁷) для оценки энергопотребления и соответствующих выбросов парниковых газов на квадратный метр жилого фонда в прилегающих к нему Соединенных Штатах (далее «энергоемкость» и «интенсивность парниковых газов»).В нашем анализе «дом» может быть зданием, состоящим только из одного домохозяйства (отдельные односемейные домохозяйства и мобильные дома) или отдельной единицей в здании, содержащем несколько домохозяйств (многоквартирные дома, двухквартирные дома / дуплексы, таунхаусы). Показатели интенсивности дают четкое представление о состоянии жилищного фонда каждого штата, независимо от демографических различий и предпочтений по размеру жилья. Мы обнаружили, что климат и, в меньшей степени, возраст здания зависят от энергоемкости, тогда как энергетическая инфраструктура сильно влияет на интенсивность парниковых газов (рис.1 A и B ).

Рис. 1.

Энергетическая и парниковая нагрузка домов в 2015 г. по штатам США. ( A ) Энергоемкость домохозяйства, выраженная в киловатт-часах на квадратный метр (кВтч / м ²) по штатам ( Верхний ). ( Нижний ) Диаграммы рассеяния показывают корреляции энергоемкости с годовой суммой среднесуточного отклонения от ∼18 ° C (65 ° F), градусо-дней ( слева, ) ( n = 49, P значение = 4,4 e -16, r = 0.87) и средний год постройки ( справа ) ( n = 49, P <5,6 e -10, r = −0,75). ( B ) Интенсивность выбросов парниковых газов в домохозяйстве, выраженная в килограммах CO ₂ -эквивалентов на квадратный метр (кг CO ₂ -э / м ²) по штатам ( Верхний ). Диаграммы рассеяния, показывающие его корреляцию с энергоемкостью домохозяйства ( слева ) ( n = 49, P = 0,002, r = 0,43) и углеродоемкостью электрической сети ( справа ) ( n = 49 , P = 5.2 e -12, r = 0,80).

Согласно нашим моделям, средний дом в США потреблял 147 киловатт-часов на квадратный метр (кВтч / м ²) в 2015 году, что соответствует 143–175 кВтч / м ² из национальной жилищной статистики энергетики (24). Оценки отдельных штатов согласуются с энергетическими обследованиями зданий и инженерными моделями ( SI Приложение , Таблица SI-25). Климат, измеряемый годовой суммой среднесуточных отклонений от ∼18 ° C (65 ° F) («градус-дни»), тесно коррелирует с энергоемкостью домохозяйства ( r = 0.87) (Рис.1 A , нижний левый ). Это согласуется с данными о тепловом кондиционировании, на которые приходится наибольшая доля потребления энергии домохозяйствами в США (25), и с другими общенациональными анализами (22, 23). Состояния в теплых или мягких регионах имеют низкую энергоемкость, тогда как энергоемкость в холодных северо-центральных и северо-восточных штатах заметно выше (Рис. 1 A , Верхний и SI Приложение , Таблица SI-30). В трех самых энергоемких штатах в 2015 году было одно из самых высоких показателей количества дипломных дней: Мэн, Вермонт и Висконсин.У трех наименьших – Флориды, Аризоны и Калифорнии – одни из самых низких учебных дней.

Учитывая продолжающееся принятие жилищных энергетических кодексов (26, 27), которые устанавливают базовые требования к энергоэффективности домов, мы прогнозируем, что штаты с более новым жилищным фондом будут использовать меньше энергии. Действительно, средний год постройки здания отрицательно коррелирует с энергоемкостью ( r = −0,80) (Рис. 1 A , справа внизу ), что согласуется с данными национальной статистики ( SI Приложение , Таблица SI- 29).Взаимосвязь между возрастом здания и энергоемкостью ослабляется из-за дизайнерских предпочтений, которые увеличивают потребление энергии в новых домах, таких как более высокие потолки (28).

По нашим оценкам, средние выбросы парниковых газов в США составляют 45 кг CO ₂ -эквивалентов на квадратный метр (CO ₂ -э / м ²), что почти идентично национальным энергетическим счетам (47 кг CO ₂ -э / м ²) ( SI Приложение , Таблица SI-26). Хотя интенсивность ПГ и энергоемкость положительно коррелируют ( r = 0.43), между ними есть существенные различия между некоторыми штатами (рис. 1 B , нижний левый ). Сравнение рисунков 1 A и B показывает, что энергия и интенсивность парниковых газов совпадают в некоторых западных и северо-центральных штатах, таких как Калифорния (низкий кВтч / м ², низкий кг CO ₂ -э / м ²) и Иллинойс (высокий кВтч / м ², высокий кг CO ₂ -э / м ²), но эти меры не согласованы в других штатах, таких как Миссури (средний кВтч / м ², очень высокий кг CO ₂ -э / м ²) и Вермонт (очень высокий кВтч / м ², средний кг CO ₂ -э / м ²) ( SI Приложение , таблица СИ-30).

Сильная корреляция между углеродоемкостью электросети, снабжающей штат, и интенсивностью выбросов парниковых газов в домохозяйстве ( r = 0,80) может объяснить эти аномалии (рис. 1 B , внизу справа) . Производство электроэнергии с интенсивным выбросом парниковых газов может свести на нет преимущества низкой энергоемкости домашних хозяйств. Например, Флорида имеет низкую энергоемкость (97 кВтч / м ²), но среднюю интенсивность парниковых газов (45 кг CO ₂ -э / м ²). В Миссури средняя энергоемкость домохозяйства (165 кВтч / м ²) сочетается с высокой углеродоемкостью центральной сети независимого системного оператора Мидконтинента (0.74 кг CO ₂ -э / кВтч по сравнению с 0,48 кг CO ₂ -э / кВтч на национальном уровне) для производства домохозяйств с наиболее интенсивным выбросом парниковых газов (69 кг CO ₂ -э / м ²) в страна. В государствах с широким использованием углеродоемких видов топлива для отопления, таких как Мэн, где ∼2/3 домашних хозяйств отапливается мазутом (29), уменьшаются преимущества низкоуглеродных сетей.

Выбросы на душу населения в США.

Выборки жилищного фонда на уровне штата подходят для оценки энергоемкости и углеродоемкости, но большие совокупные данные скрывают неоднородность в достатке, жилищном фонде и формах поселений.Чтобы понять взаимосвязь между доходом, характеристиками зданий, плотностью населения (человек / км ²) и индивидуальным бременем парниковых газов, мы оценили выбросы энергии в домохозяйстве на душу населения для 8 858 почтовых индексов на всей территории Соединенных Штатов.

Использование энергии в жилых домах в Соединенных Штатах производит 2,83 ± 1,0 т CO ₂ -эквивалентов на душу населения (т CO ₂ -э / чел), что соответствует 3,19 т CO статистика энергетики (1) ( SI Приложение , Таблица SI-27).По почтовым индексам выбросы парниковых газов на душу населения находятся в диапазоне от 0,4 т CO ₂ -e / cap до 10,8 т CO ₂ -e / cap с межквартильным диапазоном 1,2 т CO ₂ -e / cap ( SI Приложение , рис. СИ-5).

Мы сравниваем выбросы парниковых газов для почтовых индексов с высоким и низким доходом, используя федеральные пороги бедности (30). Жители с высокими доходами выбрасывают в среднем на ~ 25% больше парниковых газов, чем жители с низкими доходами (рис. 2 A ). В энергетических моделях учет на стороне потребления обнаружил аналогичные связи с использованием данных о расходах энергии (19) и доходов в качестве объясняющей переменной (18).Данные на уровне зданий позволили зафиксировать характеристики жилья, обеспечиваемые достатком – большую площадь пола, доступ к более старым, устоявшимся районам – при сохранении эндогенного дохода для нашей модели. Мы обнаружили сильную положительную корреляцию (0,57) между доходом на душу населения и площадью на душу населения (FAC) (m ² / cap) (рис. 2 B ). Тенденция к совместному увеличению благосостояния и FAC является ключевым фактором выбросов для более состоятельных домохозяйств. Несмотря на различия в климате, структуре сетей и характеристиках зданий в нашей выборке, доход положительно коррелирует как с потреблением энергии в жилищах на душу населения ( r = 0.33) и связанных с ними ПГ ( r = 0,16) ( SI Приложение , рис. SI-6). Анализ по штатам, который частично учитывает изменение климата, энергосистемы и строительного фонда, усиливает эту корреляцию, как показано на примере всех 48 состояний ( SI, приложение , таблица SI-31) и четырех репрезентативных (рис. 2 C ) .

Рис. 2.

Влияние дохода на жилую площадь и выбросы энергии домохозяйствами. ( A ) Коробчатые диаграммы выбросов на душу населения для домохозяйств, классифицируемых как высокодоходные ( n = 7 141) или с низким доходом ( n = 1717) в соответствии с пороговыми значениями бедности 2015 г., установленными Министерством жилищного строительства и городского развития США.Выбросы не показаны, но включены в расчет средних значений (красные линии). (95% ДИ: 0,52–0,62, P <2,2 e -16, t test) ( B ) График разброса дохода на душу населения по отношению к жилой площади на душу населения. Доход отложен на натуральной логарифмической оси ( n = 8,858, P <2,2 e -16, r = 0,57). ( C ) Диаграммы рассеяния дохода на душу населения по отношению к выбросам на душу населения для Иллинойса ( Верхний левый угол ) ( n = 101, P = 3.05 e -10, r = 0,58), Огайо ( справа вверху ) ( n = 364, P <2,2 e -16, r = 0,58), Аризона ( Ниже Слева ) ( n = 178, P <2,2 e -16, r = 0,72) и Texas ( n = 574, P <2,2 e -16, r = 0,55).

Существует множество литературы, демонстрирующей энергетические преимущества зданий и связанные с ними углеродные преимущества высокой плотности населения (18, 31, 32).Наши результаты также подчеркивают влияние плотности на жилую площадь и выбросы парниковых газов в жилищном секторе. Для всех почтовых индексов ( SI, приложение , рис. SI-7) и в большинстве штатов увеличение плотности населения ассоциируется с уменьшением FAC и интенсивности парниковых газов ( SI, приложение , таблица SI-31). Плотность населения (человек / км ²) отрицательно коррелирует как с FAC ( r = −0,19), так и с выбросами парниковых газов на душу населения ( r = −0,29) по всем почтовым индексам. Наш анализ подтверждает связь ПТ-плотность и ее влияние на энергию, отмеченное с использованием региональных данных (33).Различия в интенсивности ПГ между почтовыми индексами, вероятно, отражают различия в климате, характеристиках зданий и углеродоемкости электрической сети, так что общая взаимосвязь между плотностью и выбросами ослабляется. Анализ отдельных штатов показывает силу взаимосвязи между плотностью и парниковыми газами, представленной Иллинойсом ( r = -0,76), Калифорнией ( r = -0,52) и Джорджией ( r = -0,44). Заметным исключением является Нью-Йорк ( r = 0.50), который имеет положительную корреляцию между плотностью и интенсивностью парниковых газов, вероятно, потому, что в Большом Нью-Йорке есть углеродоемкая электрическая сеть (34).

Доходы, форма постройки и выбросы в городах.

Хотя результаты на уровне почтовых индексов показывают, что плотность и FAC влияют на выбросы парниковых газов на душу населения, они не показывают, как они пространственно различаются в городах США, где проживает примерно 80% американцев (35). Более того, плотность не является городской формой (33), что затрудняет определение того, как выглядят районы с низким уровнем выбросов углерода (например,г., многоэтажки, таунхаусы) только с этой мерой. Мы пространственно распределяем наши результаты для двух городов, чтобы увидеть, как взаимодействие доходов, строительной формы и энергетической инфраструктуры распределяет выбросы по городским ландшафтам. Мы сосредотачиваемся на двух крупных столичных статистических областях (MSA), которые во многих отношениях противоречат архетипам многих городов США. Бостон-Кембридж-Куинси (население в 2015 году: 4 694 565 человек) имеет холодный климат, имеет моноцентрическую городскую форму и состоит в основном из старых зданий. Лос-Анджелес-Лонг-Бич-Анахайм (население в 2015 году: 13 154 457 человек) (8) находится в мягком климате с полицентричной планировкой и новым жилым фондом (после 1950 года).

Наша модель оценивает выбросы на душу населения как 1,67 т CO ₂ -э / чел / год в Лос-Анджелесе и 2,69 т CO ₂ -э / чел / год в Бостоне. Анализ «квартальных групп» переписи (∼1 500 жителей), являющихся косвенным показателем для кварталов, выявляет существенные различия внутри города. Для начала мы сосредоточимся на группах блоков с очень высокими и очень низкими выбросами на душу населения, чтобы изолировать факторы, вызывающие выбросы ( SI Приложение , Таблица SI-32).

Районы с высоким уровнем выбросов – это в первую очередь люди с высоким или очень высоким уровнем дохода.Напротив, для обоих городов 14 из 20 кварталов с самыми низкими выбросами находятся ниже порога бедности. Разница в выбросах между соседними районами с высоким и низким доходом иногда приближается к коэффициенту 15. Для обоих городов мы обнаруживаем гораздо более высокие ППВ и более низкую плотность населения в районах с самыми высокими выбросами. Сравнение парниковых газов в богатых Беверли-Хиллз, Лос-Анджелес, и Садбери, Массачусетс, с низкими доходами Южно-Центральная, Лос-Анджелес и Дорчестер, Бостон, подчеркивает влияние построенной формы ( SI Приложение , рис.СИ-8). И Беверли-Хиллз, и Садбери – это районы разрастания пригородов: очень большие отдельно стоящие дома, изолированные на больших участках. Беверли-Хиллз демонстрирует высокую площадь основания зданий, что часто связано с более высокой плотностью и более низким уровнем выбросов парниковых газов (32), но дома настолько велики, что выбросы на душу населения выше, чем в Садбери, несмотря на благоприятный климат и менее углеродоемкую сеть. Дорчестер и Южно-Центральный Лос-Анджелес являются определенно городскими: небольшие участки, однообразные здания и высокая площадь застройки.В застроенной форме преобладают отдельно стоящие и двухквартирные дома, некоторые квартиры разделены на квартиры с низким коэффициентом полезного действия. Таким образом, кварталы с низким уровнем выбросов углерода не обязательно должны быть непрерывными многоквартирными домами, как многие районы Бостона с низким уровнем выбросов.

Две СУО демонстрируют различное пространственное распределение выбросов на душу населения (рис. 3 A и B ). Несмотря на полицентричную городскую форму, выбросы на душу населения в Лос-Анджелесе моноцентричны в пространстве с самыми высокими выбросами на гористой западной стороне Лос-Анджелеса (рис.3 A , Правый ). В этот район входят все 10 кварталов с самыми высокими выбросами парниковых газов на душу населения. Другие выявили общую тенденцию к увеличению выбросов в пригородах по сравнению с центральными городами США (18). Отрицательная корреляция между выбросами на душу населения и расстоянием до центра города (рис. 3 A , нижний левый угол ) показывает, что это может не иметь места для постмодернистских городов, таких как Лос-Анджелес. Относительно равномерное распределение населения играет роль (Рис. 3 A , Средний левый ), но более важным является высокий процент угля в электросетях, снабжающих город, по сравнению с использованием угля для электричества в отдаленных районах MSA. (37% vs.6%) (36). В Бостонском MSA выбросы на душу населения выше в пригородах, чем в самом городе (рис. 3 B , справа ). Эти выбросы увеличиваются более последовательно с удалением от центра города, чем в Лос-Анджелесе (рис. 3 B , нижний левый угол ). Такое распределение выбросов на душу населения согласуется с классической моноцентрической городской формой плотного ядра, окруженного обширными пригородами.

Рис. 3.

Углеродный след от бытового использования энергии в Лос-Анджелесе и Бостоне.( A ) Карта выбросов на душу населения в Лос-Анджелесе. Диаграммы рассеяния показывают взаимосвязь между выбросами на душу населения и доходом ( Верхний ) ( n = 6800, P <2,2 e -16, r = 0,55), плотность ( Средний ) ( n = 6800, P <2,2 e -16, r = −0,15) и расстояние от центра города ( Нижний ) ( n = 6,800, P <2,2 e -16, r = -0.16). ( B ) Карта выбросов на душу населения в Бостоне. Диаграммы рассеяния показывают взаимосвязь между выбросами на душу населения и доходом ( Верхний ) ( n = 3079, P <2,2 e -16, r = 0,54), плотность ( Средний ) ( n = 3079, P <2,2 e -16, r = -0,49) и расстояние от центра города ( Нижний ) ( n = 3,079, P <2,2 e -16, r = 0.20). Доход и плотность отложены на натуральных логарифмических осях. Диаметр круговой диаграммы пропорционален общему количеству выбросов.

Отрицательная корреляция между плотностью населения и выбросами на душу населения сильнее в Бостонском MSA ( r = -0,49), чем в MSA Лос-Анджелеса ( r = -0,16). Высокая углеродоемкость энергосистемы, питающей центральную часть Лос-Анджелеса, противодействует энергетическим преимуществам компактной городской формы (18, 37). Например, выбросы на душу населения в Южно-Центральном Лос-Анджелесе вдвое превышают выбросы в низкоуглеродных кварталах MSA, несмотря на аналогичный FAC и застроенную форму ( SI Приложение , Таблица SI-32).Экономия энергии и более низкие выбросы на душу населения в густонаселенном Бостоне более очевидны, потому что различия в углеродоемкости энергосистемы между городом и пригородом менее выражены, чем в Лос-Анджелесе.

В MSA Лос-Анджелеса доход положительно коррелирует с выбросами на душу населения ( r = 0,55) (рис.3 A , вверху слева ) и FAC ( r = 0,59) ( SI Приложение , Рис. СИ-9). Мы находим аналогичную зависимость между доходом и выбросами на душу населения ( r = 0.54) (Рис.3 B , Верхний левый ), но несколько более слабая связь с FAC ( r = 0,41) ( SI Приложение , Рис. SI-9) в Бостонском MSA. На эту корреляцию влияют богатые анклавы из плотных жилых домов, такие как Бикон-Хилл и Бэк-Бэй, прилегающие к центру Бостона. Электроэнергетические предприятия с низким уровнем выбросов углерода, принадлежащие некоторым богатым пригородам, ухудшают соотношение доходов и выбросов (38).

Обсуждение

Результаты предполагают два практических вмешательства для снижения выбросов парниковых газов от бытовой энергетики: 1) сокращение использования ископаемого топлива в домах и при производстве электроэнергии (декарбонизация) и 2) использование модернизации домов для сокращения спроса на энергию и использования топлива в домашних условиях.Мы моделируем четыре сценария (базовый уровень; агрессивная модернизация энергии; декарбонизация сети с помощью агрессивной модернизации энергии; и распределенная низкоуглеродная энергия), чтобы увидеть, позволят ли эти меры существующим домам в Бостоне и Лос-Анджелесе и Соединенных Штатах в целом достичь максимальной эффективности. Цели Парижского соглашения, которые предусматривают сокращение выбросов по сравнению с уровнями 2005 года на 28% в 2025 году и на 80% в 2050 году (39).

Сценарий 1, базовый уровень, следует тенденциям, обозначенным в Ежегодном прогнозе развития энергетики США (EIA) на 2020 год (5, 40, 41).Сценарий 2 «Агрессивная энергетическая модернизация» предполагает более глубокую энергетическую модернизацию дома, происходящую ускоренными темпами. Сценарий 3, декарбонизация сети с помощью агрессивной модернизации энергии, дополняет модернизацию декарбонизацией электрической сети на 80%. Сценарий 4 «Распределенная низкоуглеродная энергия» предполагает усиление распространения низкоуглеродных источников энергии. В таблице 1 приведены подробные сведения об этих четырех сценариях, а в приложении SI 1 приведены полные описания.

Таблица 1.

Четыре сценария декарбонизации: Сценарии моделируют пути сокращения выбросов парниковых газов для существующих домашних хозяйств США к 2050 году

Сценарий 1 показывает, что Соединенные Штаты (уровень почтового индекса) могут достичь цели Парижа до 2025 года с учетом текущих тенденций (рис.4 А ). Этот сценарий кажется правдоподобным, учитывая, что углеродоемкость электроэнергетических предприятий упала на ~ 17% в национальном масштабе в период с 2005 по 2015 год ( SI Приложение , Таблица SI-22). Соединенным Штатам вряд ли удастся достичь цели 2050 года, даже при активной модернизации домов и декарбонизации энергосистемы, из-за продолжающегося использования ископаемого топлива в домашних условиях. Сценарий 4 показывает, как это преодолевается многоаспектной стратегией. Печи на природном газе и системы электрического сопротивления по-прежнему отапливают половину домов в США, но тепловые насосы используются в три раза быстрее, чем в сценарии 1, что сокращает потребление электроэнергии и вытесняет топливо.Распределенное низкоуглеродное производство энергии в форме комбинированного производства тепла и электроэнергии (ТЭЦ) с использованием ископаемого и углеродно-нейтрального топлива, фотоэлектрических и солнечных водонагревателей является заметным явлением, причем около 40% домов используют хотя бы один из них. технологии ( SI приложение , таблица SI-24).

Рис. 4.

Пути к достижению целей Парижского соглашения в 2025 и 2050 годах в области использования энергии в жилищном секторе. Сценарии 1–4 для декарбонизации электросети, модернизации бытовой энергетики и решения проблемы использования топлива в домашних условиях.Сценарий 1: эталонный сценарий прогнозируемых темпов декарбонизации сети и модернизации домов согласно данным Управления энергетической информации США. Сценарий 2: агрессивная энергетическая модернизация домохозяйств. Сценарий 3: агрессивная модернизация энергоснабжения дома и декарбонизация энергосистемы. Сценарий 4: декарбонизация энергосистемы, агрессивная модернизация энергоснабжения дома и распределенная низкоуглеродная энергия. Результаты получены для 8 588 почтовых индексов в США ( A ), 3079 групп блоков в Бостоне ( B ) и 6 800 групп блоков в Лос-Анджелесе ( C ).

Выбросы на душу населения в Лос-Анджелесе уже ниже целевого показателя в Париже до 2025 года (рис. 4 B ). Город выполняет цель Парижа к 2050 году в сценарии 1 из-за низкого базового спроса на энергию и значительной декарбонизации энергосистемы. Более глубокая декарбонизация и более агрессивная модернизация сокращают выбросы почти вдвое по сравнению с парижской целью в сценарии 4. Хотя Бостон достигает цели 2025 года в сценарии 1, высокий базовый спрос на энергию и продолжающееся домашнее использование топлива не позволяют городу достичь цели 2050 года, несмотря на значительную сеть декарбонизация (рис.4 С ). Дополнительная декарбонизация сети и агрессивная модернизация не преодолеют этот недостаток в сценариях 2 и 3. В сценарии 4 Бостон достигает цели 2050 года, установив тепловые насосы в 30% домов и используя распределенные низкоуглеродные источники энергии в 40% домов.

Результаты нашего сценария показывают, что существенное сокращение выбросов в жилищном секторе может быть достигнуто во всех Соединенных Штатах за счет сочетания производственных и потребительских стратегий. Что касается производства, наиболее важным является обезуглероживание электрических сетей.Текущие прогнозы предусматривают продолжение замены угля природным газом (26). Для достижения целей Парижа в жилом секторе требуется более полная декарбонизация. Например, в сценарии 4 и относительно базового сценария 2050 года энергосистема включает сокращение использования угля на 86% и увеличение использования возобновляемых источников энергии на 60%. Системы, обеспечивающие ТЭЦ, могут дополнить некоторые из этих сдвигов в сочетании генерации в больших объемах. В сценарии 4 использование когенерации удваивается (42). Стратегии со стороны потребления включают «глубокую» модернизацию энергоснабжения для снижения нагрузки на отопление, охлаждение и освещение.Отдельные дома также могут быть источником низкоуглеродной энергии. Мы включили местные солнечные батареи или водонагреватели в одну треть домов в сценарий 4. Эти системы требуют накопления энергии на месте и подключения к сети, чтобы максимизировать их эффективность.

Обновление окон и установка тепловых насосов и солнечных систем требует инвестиций со стороны домовладельцев. Положительная взаимосвязь между доходом и выбросами предполагает, что американцы с самыми высокими выбросами также находятся в лучшем экономическом положении, чтобы нести эти расходы.Уменьшение углеродного следа домов в США открывает возможности для борьбы с энергетической бедностью (43). По оценкам, для 25 миллионов домохозяйств в США ежегодно счета за электроэнергию заменяют покупку продуктов питания и медикаментов (24). Переоборудование домов в районах с низким доходом при финансовой поддержке правительства, возможно, финансируемой за счет углеродных сборов в отдельных отраслях промышленности, может сократить выбросы и счета за электроэнергию. В то время как высокие арендные ставки в районах с низким доходом и связанное с этим несоответствие интересов арендатора и арендодателя препятствуют энергетическому ремонту (44), технический потенциал велик.Например, фотоэлементы на крышах домов являются подходящей технологией для более чем половины жилых домов в районах с низким доходом в Соединенных Штатах (45).

Новые дома нуждаются в энергосбережении (например, окна с низким коэффициентом излучения, изолированные бетонные формы) и технологиях отопления и охлаждения с низким потреблением энергии, а также, по возможности, в местных источниках с низким содержанием углерода. Достижение цели 2050 года в Париже также требует фундаментальных изменений в построенной форме сообществ. Новые дома должны быть меньше по размеру, при этом FAC в почтовых индексах соответствует целевому показателю 2050 года в сценарии 4, который будет на 10% ниже текущего среднего значения (рис.5 A и SI Приложение , Таблица SI-33). Сокращение FAC еще больше в некоторых штатах, где ожидается значительный рост населения, таких как Колорадо (сокращение на 26%), Флорида (сокращение на 24%), Джорджия (сокращение на 13%) и Техас (сокращение на 14%). Хотя в некоторых штатах сокращение кажется резким, FAC в этих небольших домах аналогичен аналогичному показателю в других богатых странах (22).

Рис. 5.

Встроенная форма и цель Парижского соглашения до 2050 года. Атрибуты районов, соответствующих цели Парижского соглашения в сценарии 4, относительно среднего показателя 2015 г. в каждом штате и двух рассматриваемых городов для FAC ( A ), плотности населения (человек / км ²) ( B ) и процента одноквартирные дома ( C ).Отсутствие значений указывает на отсутствие разницы между сообществами, достигающими Парижской цели 2050 г. в сценарии 4 и в среднем за 2015 г. Северная Дакота не показана, так как в ней не хватало сообществ, которые соответствовали цели 2050 г. Результаты для всех сценариев в SI Приложение , Таблицы SI-30–32.

Увеличение плотности населения оказывает понижательное давление на FAC из-за нехватки места, цен на землю и других факторов. Зонирование для более плотных поселений лучше стимулирует небольшие дома с меньшим потреблением энергии, чем дома на одну семью на больших участках.Окрестности, отвечающие цели Париж-2050, были на 53% плотнее в Бостоне, MSA, чем в среднем за 2015 год (рис. 5 B и SI, приложение , таблица SI-34). Это соответствует ∼5000 жителей / км ², что является критическим порогом энергоэффективности дома в сообществах США (31). Если построены с использованием небольших участков и высокой занимаемой площади, эта плотность достижима за счет сочетания небольших многоквартирных домов и скромных домов на одну семью (например, SI Приложение , Рис. SI-8, Bottom ).На национальном уровне плотность должна увеличиться в среднем на 19% со значительными различиями между штатами. Несмотря на скромность, он требует строительства меньшего количества домов на одну семью (Рис. 5 C и SI Приложение , Таблица SI-35). В сценариях 1–3 предусмотрены более существенные изменения КВС и строительной формы.

Следует отметить, что даже самые высокие оценочные плотности относятся к нижнему пределу диапазона того, что считается жизнеспособным для поддержки общественного транспорта (4). Таким образом, низкоуглеродные дома не обязательно подходят для низкоуглеродных сообществ.Более высокая плотность (и смешанная застройка), вероятно, потребуются, чтобы вызвать заметные побочные эффекты, такие как увеличение переноса низкоуглеродных газов (18, 32, 46) и связанные с этим экономические, медицинские и социальные выгоды (32, 33).

Реализация этих стратегий должна происходить в разных секторах и в разных масштабах. Для декарбонизации электроэнергетики требуется региональная координация. Глубокая модернизация домашних систем энергоснабжения, вероятно, потребует налоговых льгот и механизмов льготного кредитования. Северо-восток Соединенных Штатов представляет собой пример координации политики, где региональные ограничения по выбросам парниковых газов и торговая система приводят к декарбонизации энергосистемы (47), а налоговые льготы стимулируют домовладельцев к постепенному отказу от мазута (48).Обновление практики федерального кредитования и муниципального зонирования, которые долгое время способствовали расширению пригородов (9), и использование региональных зеленых поясов для ограничения разрастания городов (49) могут способствовать созданию сообществ с низким уровнем выбросов углерода. Планировщики должны использовать естественную синергию между плотностью населения, общественным транспортом и энергетической инфраструктурой (например, централизованным теплоснабжением) при строительстве этих сообществ.

Все эти меры должны осуществляться согласованно. Несмотря на амбициозность, нынешняя форма жилищного фонда США является не только результатом предпочтений потребителей, но и политикой, принятой с 1950-х годов, которая привела к скоординированным действиям во всех секторах (например,г., финансовые, строительные, транспортные) и масштабы (индивидуальные, муниципальные, государственные, национальные) (9). Точно так же всплеск крупномасштабных проектов Ассоциации общественных работ (например, плотины Гувера) в рамках Нового курса в 1930-х и 1940-х годах фундаментально сформировал структуру энергетического сектора США. Учитывая эту историю, вполне возможно, что концентрированные усилия могут позволить жилому сектору США достичь целей Парижского соглашения.

Материалы и методы

Подготовка данных.

Данные на уровне зданий были взяты из CoreLogic (50), базы данных стандартизированных записей налоговых инспекторов по ~ 150 миллионам земельных участков в США.Мы использовали версию данных начала 2016 года, охватывающую жилищный фонд США в 2015 году. Эти данные содержат ключевую информацию для оценки энергопотребления каждого домохозяйства: широта и долгота здания, год постройки, землепользование, тип жилья (отдельно стоящее, двухквартирное, квартира, мобильный дом), термически кондиционируемая площадь пола (далее «площадь»), количество квартир и топливо для отопления. Топливо для отопления описывает 35 распространенных систем отопления и топливных комбинаций (см. SI Приложение , Таблица SI-5).Мы использовали данные по 92 620 556 домохозяйствам в США на прилегающих территориях Соединенных Штатов (за исключением Аляски, Гавайев и территорий США), что эквивалентно 78,4% от общего количества предполагаемых единиц жилья в США в 2015 году (24).

Данные CoreLogic включают жилые, коммерческие, производственные и другие типы зданий. Мы изолировали жилые дома, используя землепользование и тип здания в качестве фильтров (см. SI Приложение , Таблица SI-1). Мы исключили институциональные жилища (например, общежития, тюрьмы), поскольку они не отражают место проживания большинства американцев и представляют собой переходные жизненные ситуации.Мы удалили записи, в которых не указаны год постройки, местоположение или площадь. Мы также удалили записи с необоснованно большими или маленькими площадями с учетом характеристик жилья в США (см. SI, приложение , рис. SI-1 и таблицу SI-2). Мы проверили данные по многоквартирным домам, чтобы убедиться, что количество квартир, площадь на квартиру и общая площадь здания согласованы и находятся в разумных пределах. Время от времени мы оценивали количество квартир в здании, что увеличивало первоначальные 83 317 764 полезные записи до 92 620 556.Мы восполнили недостающие виды топлива для отопления помещений, используя данные Американского жилищного исследования (AHS) (51). Мы назначили топливо для водяного отопления вероятностно на основе топлива для обогрева помещения и местоположения домохозяйства. SI Приложение 1 описывает все этапы предварительной обработки данных.

Модель использования энергии и парниковых газов.

Мы оценили общий спрос на топливо и электроэнергию для каждого домохозяйства в 2015 году с использованием регрессионных моделей, взятых из обследования потребления энергии в жилищном секторе (RECS), проведенного Управлением по энергетической информации США за 2015 год (24).Исходными данными были атрибуты на уровне зданий, климатические данные на уровне округов (52), цены на топливо на уровне штата (53⇓ – 55) и электричество (56), а также статус между городом и деревней (8). Мы провели 10 симуляций Монте-Карло, чтобы проверить влияние неопределенности параметров и вероятностного распределения топлива. SI Приложение, Приложение 1: Методологические подробности подробно описывает все источники данных для оценки и модели энергии и парниковых газов.

Для расчета отопления помещений и нагрева воды мы разработали 10 моделей, охватывающих потребление электроэнергии, природного газа, мазута, жидкого пропана и других видов топлива (например,г., дрова, уголь). Мы разработали две дополнительные модели электричества для охлаждения помещений и нетеплового использования (например, бытовые приборы и бытовая электроника). По форме модели были логлинейными. SI Приложение , Таблицы SI-6–17 детализируют коэффициенты модели и статистику. Соответствующие модели были назначены на основе площади каждого дома и топлива для нагрева воды. Мы сделали приоритетными данные из CoreLogic, при необходимости заменив их данными из AHS. AHS считает дома, использующие уголь, пропан, дрова, солнечную энергию, природный газ, электричество или другие виды топлива в каждой группе блоков.Каждая модель использует вероятностно назначенные виды топлива для отопления помещений и воды для домохозяйств по мере необходимости. Это минимально повлияло на результаты агрегированной модели ( SI Приложение , Таблица SI-28).

Мы преобразовали топливо в выбросы, используя коэффициенты EIA (57), а электричество в выбросы (включая потери в линиях), используя данные eGrid Агентства по охране окружающей среды США (34). Мы провели субдискретизацию инженерных сетей в Бостоне и Лос-Анджелесе, чтобы уловить пространственные изменения в покрытии электрической сети (58). Интенсивность парниковых газов для электрических сетей Лос-Анджелеса была взята из энергетического атласа Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (20) и указана на этикетках с раскрытием информации о питании, а для сетей Бостона – с этикеток с указанием сведений о мощности. SI Приложение , Таблица SI-20 показывает сетки и интенсивности углерода. Мы исключили выбросы от добычи и переработки топлива, которые примерно одинаковы (8–11%) на всей территории Соединенных Штатов (16).

Анализ результатов.

Модель оценки энергии и парниковых газов для индивидуальных домов. Мы оценили энергоемкость и интенсивность выбросов парниковых газов для каждого штата, разделив расчетную используемую энергию и выбросы парниковых газов на общую площадь в выборке каждого штата. Мы оценили тонны эквивалента CO ₂ на душу населения в год путем деления общего количества парниковых газов для каждого почтового индекса или группы кварталов на население 2015 года (8).Чтобы уменьшить недооценку, мы исключили почтовые индексы и группы блоков с отсутствием более 10%. Мы исключили небольшие выборки (<100 жителей или <200 домов) для контроля выбросов, и мы удалили области с m ² на человека в нижнем и верхнем процентилях, поскольку высокие и низкие значения указывают на ненадежные оценки населения или площади. Наша последняя подвыборка включала 8 858 почтовых индексов США (охватывающих около 60 000 000 домашних хозяйств и половину населения США), 3 079 блочных групп в Бостоне MSA и 6 800 блочных групп в Лос-Анджелесе.В двух МСА точечные данные по CO ₂ т / шапка пространственно интерполируются с использованием многоуровневых b-сплайнов с пространственным разрешением 30 м (пороговая ошибка = 0,001) (59).

Министерство жилищного строительства и городского развития США устанавливает критерии для домохозяйств с «низким доходом», «очень низким доходом» и «чрезвычайно низким доходом» в каждом округе США в 2015 году в соответствии со средним доходом домохозяйства и количеством членов домохозяйства (30 ). Мы обозначили почтовый индекс как низкий доход, если его средний доход падает ниже порога «низкого дохода», установленного для среднего числа людей в семье в этом почтовом индексе.

Сценарии.

Было протестировано четыре сценария, смогут ли декарбонизация сети, модернизация энергоснабжения и распределенные низкоуглеродные энергетические системы соответствовать целям Парижского соглашения для существующих домов в США. Соединенные Штаты обязались сократить выбросы парниковых газов на 28% к 2025 году и на 80% к 2050 году по сравнению с уровнями 2005 года (39). Для бытовой энергетики это соответствует 2,64 т CO ₂ -э / ц в 2025 году и 0,65 т CO ₂ -э / ц в 2050 году. Сценарии исключали выбросы, связанные с производством и внедрением технологий, необходимых для реализации этих переходов.Хотя к 2050 году он может стать значительным, мы также исключили электроэнергию, используемую для зарядки электромобилей, которая относится к транспортному сектору.

Все сценарии учитывают прогнозируемое уменьшение количества дней в градусах тепла и увеличение дней в градусах похолодания из-за изменения климата. Прогнозы изменения климата основаны на «Репрезентативной траектории концентраций 4.5», согласно которой к 2100 году средняя глобальная температура повысится на 1,8 ° C (60). Различия в темпах внедрения технологий, эффективности и сроках службы, интенсивности электрических сетей и улучшениях изоляции зданий в сценариях 1–3 взяты из Ежегодного прогноза развития энергетики на 2020 год (40).Сценарий 4 предусматривает повышение уровня проникновения высокоэффективного бытового оборудования для отопления и охлаждения, более агрессивную модернизацию для улучшения теплоизоляции зданий и более широкое развертывание распределенной низкоуглеродной генерации энергии в соответствии с Парижским соглашением 2050 года. SI Приложение 1 содержит дополнительные сведения о сценариях.

Сценарий 1: Исходный уровень.

Электрические сети декарбонизируются с той же скоростью, что и прогнозируемый в базовом сценарии Годового прогноза развития энергетики на 2020 год.Оборудование для обогрева и охлаждения помещений и водонагреватели в каждом доме списываются по ставкам, соответствующим среднему сроку службы, оцененному EIA, таким образом, чтобы окончательная рыночная доля различных технологий в модели соответствовала прогнозам Annual Energy Outlook 2050. Установленное оборудование имеет прогнозируемую среднюю рыночную эффективность для данной технологии на момент установки (61). Энергопотребление, рассчитанное с использованием 12 регрессионных моделей, было скорректировано с использованием соответствующего коэффициента эффективности из литературы.Мы предполагаем, что потребление электроэнергии в бытовой электронике будет умеренным (1,1% в год), но это в значительной степени компенсируется более эффективным освещением и бытовой техникой. Более широкое внедрение оборудования для кондиционирования воздуха в жилищный фонд США из-за изменения климата было оценено с использованием эмпирических соотношений между прогнозируемыми днями охлаждения и проникновением систем кондиционирования воздуха в городах США (62). Обшивки зданий модернизируются в соответствии с Международным кодексом энергосбережения (40) со скоростью 1,1% в год по всему жилому фонду, что обеспечивает снижение потребности в отоплении на 30% и снижение нагрузки охлаждения на 10% для домов до 2015 г. Базовый показатель на 2015 год.

Сценарий 2: Модернизация агрессивной энергетики.

Этот сценарий подчеркивает декарбонизацию за счет более эффективных бытовых приборов и электроники. Он идентичен сценарию 1, за исключением того, что когда бытовое отопительное или охлаждающее оборудование выводится из эксплуатации, оно заменяется лучшим в своем классе КПД для данной конкретной технологии за год установки. Мы также предположили, что бытовая электроника и бытовая техника достигают более высокого КПД, как прогнозируется в Ежегодном энергетическом прогнозе, что в конечном итоге снижает спрос на электроэнергию.

Принята агрессивная программа модернизации энергоснабжения, в соответствии с которой в период с 2015 по 2050 год модернизируется 60% фонда зданий (годовая скорость модернизации 1,7% по сравнению с 1,1% в годовом энергетическом прогнозе) в соответствии с аналогичными сценариями глубокой модернизации в других странах. проекции энергопотребления зданий (например, BLUE Map, 3CSEP) (63, 64). Модернизированные дома снижают базовую тепловую нагрузку на 49% и охлаждающую нагрузку на 25%, что составляет половину от оптимально достижимой экономии за счет устранения инфильтрации, улучшения изоляции и новых окон согласно оценкам Министерства энергетики США (65), аналогично наблюдаемой экономии в «глубоких» ”Энергетическая модернизация в Соединенных Штатах (66).Улучшение изоляции и окон не обязательно происходит одновременно с модернизацией оборудования для обогрева и / или охлаждения. Выполнение таких этапов глубокой модернизации энергоснабжения с меньшей вероятностью встретит сопротивление владельцев из-за длительных сбоев, высоких первоначальных капитальных затрат и других проблем (66).

Сценарий 3: декарбонизация сети с агрессивной модернизацией энергии.

В этом сценарии проверялось, может ли декарбонизация электросети способствовать достижению цели Париж-2050. Электрическая сеть соответствует сценарию «надбавка за двуокись углерода в размере 15 долларов США» в Ежегодном энергетическом прогнозе на 2020 год, который прогнозирует снижение интенсивности выбросов CO ₂ от производства электроэнергии на ~ 80% по сравнению со средним показателем 2005 года для сетей США.Снижение связано в первую очередь с преобразованием угля в газовые паровые электростанции и заметным увеличением мощности традиционных гидроэлектростанций, геотермальных источников, биомассы, солнца, ветра и других низкоуглеродистых источников (5). Все остальные аспекты модели идентичны сценарию 2.

Сценарий 4: Распределенная низкоуглеродная энергия.

Фоновые электрические сети и скорость модернизации корпуса остаются неизменными по сравнению со сценарием 3, но существенные изменения вносятся в сочетание технологий нагрева и охлаждения, и повышенное внимание уделяется распределенным источникам энергии с низким содержанием углерода.Сценарии включают сбалансированный портфель технологий и сохраняют некоторые традиционные технологии на основе ископаемого топлива, что, как правило, считается наиболее реалистичным будущим для энергетики и жилого сектора США (67).

Этот сценарий предполагал более высокие темпы внедрения низкоэнергетического домашнего оборудования для отопления и охлаждения, чем Годовой энергетический прогноз. Обычные печи были выведены из эксплуатации с более высокими темпами, особенно с использованием газовых и масляных технологий, и заменены наземными, электрическими и газовыми тепловыми насосами с наивысшей доступной эффективностью.Модельное размещение новых технологий ограничено условиями окружающей среды и характеристиками жилья. Например, геотермальные тепловые насосы были ограничены односемейными и полуквартирными домами, в которых с большей вероятностью будет достаточно места для контуров заземления. Электрические тепловые насосы предпочтительнее тепловых насосов, работающих на природном газе, в регионах США с более высокими охлаждающими нагрузками, поскольку первые значительно более эффективны при охлаждении помещений (61).

Сценарий включает умеренное развертывание распределенных энергетических систем.Например, доля ТЭЦ, снабжающих дома, к 2050 году увеличилась вдвое до ~ 15%. В первые годы прогнозирования когенерационные установки полагались на турбинные системы и поршневые двигатели, но затем переключились на топливные элементы, которые обеспечивают более сбалансированную мощность -тепловой коэффициент по мере развития технологии после 2030 г. (64). Доля безуглеродного сырья была увеличена с 10% в 2015 году до 75% в 2050 году. Эти системы были ограничены районами со средней и высокой плотностью населения, где капитальные затраты и потери при распределении были бы реалистичными.Две пятых домов были оборудованы фотоэлектрическими или солнечными водонагревателями, что является умеренной оценкой для потенциального солнечного покрытия в США (45), причем последние сконцентрированы на юго-западе США, где солнечная инсоляция наиболее высока. Мы не моделируем явным образом распространение ветровой энергии, хотя это подразумевается в прогнозах ОВОС для декарбонизирующей электросети.

Доступность данных.

Данные и код, подтверждающие выводы этого исследования, доступны на платформе Open Science Framework (DOI: 10.17605 / OSF.IO / Vh5YJ), за исключением данных CoreLogic, которые можно приобрести в CoreLogic Inc. (https://www.corelogic.com/).

Благодарности

Мы с благодарностью признаем финансовую поддержку этой работы Национальным научным фондом в рамках Программы экологической устойчивости (Премия 1805085). Авторы благодарны К. Артуру Эндсли за помощь в понимании данных CoreLogic. Спасибо Нэнси Р. Гоф за помощь в редактировании. Мы также хотели бы поблагодарить Erb Institute for Global Sustainable Enterprise при Мичиганском университете за их щедрую поддержку этой работы.

Сноски

Вклад авторов: B.G., D.G., and J.P.N. спланированное исследование; Б.Г. проведенное исследование; B.G., D.G. и J.P.N. проанализированные данные; Б.Г. и J.P.N. написал статью; и Б. и Д. произведенная графика.
Авторы заявляют об отсутствии конкурирующей заинтересованности.
Эта статья представляет собой прямое представление PNAS.
Размещение данных: данные и код, подтверждающие выводы этого исследования, доступны на платформе Open Science Framework (DOI: 10.17605 / OSF.IO / Vh5YJ), за исключением данных CoreLogic, которые можно приобрести в CoreLogic Inc. (https://www.corelogic.com/).
Эта статья содержит вспомогательную информацию в Интернете по адресу https://www.pnas.org/lookup/suppl/doi:10.1073/pnas.1922205117/-/DCSupplemental.

РЕАЛЬНАЯ СТОИМОСТЬ ОТОПЛЕНИЯ

Все мы знакомы с факторами, влияющими на стоимость отопления дома: значениями теплоизоляции, выбором окон, уровнями инфильтрации, отсутствием или наличием конвекции, а также эффективностью печи и воздуховода.Однако одним фактором, который может более чем удвоить счет за тепло, является стоимость одного вида топлива по сравнению с другим. Мы хотели бы показать вам сравнение.

Вы можете существенно повлиять на счет за отопление, выбрав правильное топливо и правильную эффективность печи. С ростом цен на топливо уже невозможно рассматривать только первоначальные затраты, то есть устанавливать наименее дорогостоящую систему для снижения затрат. Скорее, установка эффективного оборудования экономит ваши деньги на эксплуатационных расходах и может сократить ваши общие расходы.

Эффективность печи легче всего сопоставить, если она выражена как годовая эффективность использования топлива. Это AFUE для газовых, масляных и пропановых печей и HSPF для тепловых насосов. Эти числа учитывают временную неэффективность, которая возникает во время запуска и остановки каждого цикла нагрева. Это не та эффективность, которую ваш техник будет измерять, когда придет настраивать ваш обогреватель. Мы использовали эти годовые цифры в нашем сравнении.

Цены на природный газ и электроэнергию, поставляемые коммунальными предприятиями, регулируются, поэтому изменяются медленно и имеют тенденцию к краткосрочным подъемам и спадам нефтяного рынка.Однако как топочный мазут, так и пропан производятся из нефти, и их нерегулируемые цены могут измениться в мгновение ока в зависимости от предложения, погоды, мирового политического климата и изменений фондового рынка.

Энергия измеряется BTU. Каждая БТЕ содержит примерно то количество энергии, которое выделяется деревянной кухонной спичкой, сожженной встык. Электроэнергия продается по киловатт-часам из расчета 3 413 БТЕ за кВт-ч. Природный газ продается сотнями кубических футов по 102 000 британских тепловых единиц за кубический фут или термовым производством по 100 000 британских тепловых единиц за терм.Нефть продается галлонами по 138 500 БТЕ за галлон. А пропан продается галлонами по 91 500 БТЕ на галлон.

Текущие расходы на электроэнергию в этом районе составляют около 15 центов за киловатт-час, природный газ – около 1,40 доллара за кубический фут, пропан – около 3 долларов за галлон, а нефть – около 3,20 доллара за галлон.

Годовые затраты на отопление существующего дома площадью 2200 квадратных футов со средним потреблением энергии для различных комбинаций топлива и печей:

Природный газ в печи 80%: 1215 долларов
Природный газ в печи 92%: 1095 долларов
Масло в печи 70%: 2185 долларов
Масло в печи 80%: 2004 $
Пропан в печи 80%: $ 3143
Пропан в печи 92%: $ 2632
Электрическая плинтус: 2485 $
Тепловой насос с 6.65 HSPF: 1284 долл. США (включая резервное электропитание)
Тепловой насос с 7,5 HSPF: 1135 долларов США (включая резервный электрический)

Итак, мораль этой истории такова: «Не топите электрическими плинтусами» – и это касается небольших переносных электрических обогревателей. Список поможет вам решить, стоит ли сменить топливо или повысить эффективность купленного вами обогревателя. Если у вас есть природный газ (не пропан), то это правильный вариант, но если нет, подумайте о тепловом насосе – новые, очень эффективные агрегаты могут обогревать 2/3 стандартных тепловых насосов, указанных в списке.И позвоните нам, чтобы сделать ваш дом максимально комфортным, прежде чем покупать обогреватель – вы можете купить обогреватель меньшего размера, когда мы закончим.

Эти числа являются теоретическими и предназначены только для сравнения. Исследования показали, что счета за тепло в одном доме могут отличаться в 3 раза в зависимости от жильцов.

Электроэнергия электропечи

Электрическая печь – это тип отопительной системы, в которой для обогрева дома используется электричество, часто с использованием вентилятора для принудительной подачи воздуха через воздуховоды дома.Обычно обогревать дом электричеством дороже, чем природным газом или другими источниками топлива. Стоимость эксплуатации электропечи значительно варьируется в зависимости от размера дома, типа используемой электропечи, стоимости электроэнергии и климата. Электрические печи варьируются от 10 до 50 киловатт, по нашим оценкам, дом площадью 2400 квадратных футов, использующий современную высокоэффективную электрическую печь, потребляет 18 000 ватт для обогрева при использовании печи. В более холодном климате отопление требуется от 6 до 8 месяцев в году, а печь работает 4 часа в день в более холодные месяцы.

Нажмите кнопку «Рассчитать», чтобы узнать энергопотребление электропечи 18 000 Вт в течение 2 часа в день по 0,10 доллара США за кВтч . Работать 2 часа в день – это то же самое, что работать 4 часа в день в течение 6 холодных месяцев, когда обычно используется печь.

Часов в день: Введите, сколько часов устройство используется в среднем в день, если потребление энергии меньше 1 часа в день, введите десятичное число. (Например: 30 минут в день – 0.5)

Потребляемая мощность (Вт): Введите среднее энергопотребление устройства в ваттах.

Цена (кВтч): Введите стоимость, которую вы платите в среднем за киловатт-час, наши счетчики используют значение по умолчанию 0,10 или 10 центов. Чтобы узнать точную цену, проверьте свой счет за электроэнергию или взгляните на Глобальные цены на электроэнергию.

Отопление дома – дорогое удовольствие, использование электричества в большинстве районов обходится дороже по сравнению с другими источниками отопления, такими как природный газ.Преимущество использования электрической печи, как правило, заключается в низких затратах на установку и более высокой безопасности. Для работы электрических печей не требуются трубы, пропускающие газ или другое топливо, что повышает безопасность и снижает начальные затраты на установку. Однако, поскольку электричество, как правило, дороже, со временем вы будете платить больше, если отапливаете дом электричеством.

Если вы заинтересованы в экономии денег на энергии, отопление является очень важным источником энергопотребления, и мы рекомендуем вам провести дополнительные исследования в вашем районе, чтобы выяснить, какие варианты отопления доступны для вас.Простой способ снизить расходы на отопление – это эффективно утеплить дом и снизить температуру на несколько градусов в более холодные месяцы. Вместо этого подумайте о том, чтобы надеть дополнительный слой одежды, это может сэкономить вам деньги.

Учебник по энергетике для студентов AP, изучающих экологические науки – AP Central

Даже для практикующих ученых и инженеров энергетические концепции и терминология иногда могут сбивать с толку и быть двусмысленными. Путаница возникает из-за того, что в разных дисциплинах часто используются разные системы измерения и специализированная лексика, уникальная для конкретной отрасли.Ситуация может быть особенно неприятной для начинающего студента-эколога, который может не закончить даже первый курс физики. И эта проблема не решается типичным учебником по окружающей среде, в котором термины, связанные с энергетикой, вводятся только по частям по мере необходимости в контексте конкретной экологической темы. Таким образом, вводный студент, изучающий экологию, часто получает отрывочное, сбивающее с толку и неудовлетворительное введение в концепции и терминологию энергетики.Это вызывает особую тревогу, поскольку использование энергии лежит в основе большинства экологических проблем. Более того, эколог должен уметь общаться с людьми из самых разных дисциплин. Соответственно, он или она должны быть знакомы с различными системами измерения и уметь легко переходить от одной к другой. Эта статья представляет собой краткое введение в основные системы измерения, используемые в науке и технике, с особым акцентом на энергетические термины, полезные для защитников окружающей среды.

Системы измерения

В мире широко используются две системы измерения: обычная система США (USCS, ранее называемая британской системой) футов, фунтов и секунд, которая используется в повседневной жизни в Соединенных Штатах, и метрическая система метров. , килограммы и секунды, которые используются повсюду. В 1960 году метрическая система была принята международным комитетом в Париже в качестве всемирного стандарта науки и теперь называется Système International или SI.США – единственная крупная страна, которая все еще использует британскую систему измерения (даже Британия перешла на метрическую!), Но эта система прочно укоренилась в американском обществе и вряд ли скоро исчезнет. Подмножеством метрической системы является система сантиметр-грамм-секунда (СГС), которая обычно используется в атомной физике и химии.

Все физические величины, такие как скорость, ускорение, сила, импульс и энергия, в конечном итоге могут быть выражены в трех основных единицах длины, массы и времени.Эти три величины называются фундаментальными единицами , потому что они могут использоваться для определения всех других элементов в конкретной системе измерения. В таблице ниже приведены основные единицы для трех распространенных систем измерения.

Система	Длина	Масса	Время
СИ (мкс)	метр	килограмм	секунд
SI (cgs)	сантиметр	грамм	секунд
USCS (кадр / с)	фут	пуля	секунд

Поскольку единица массы пуля является необычной, USCS упоминается как система фут-фунт-секунда (фут-фунт-секунда), но, строго говоря, фунт (фунт) – это единица силы, а не массы.И наоборот, в системе СИ единица массы килограмм часто используется для выражения силы (силы тяжести), например, веса человека. В этом смысле удобным коэффициентом преобразования между системами является использование «весового эквивалента» 2,2 фунта для массы 1 кг.

Работа и энергия

Физики определяют энергию как «способность выполнять работу», но в некотором смысле это вызывает вопрос, потому что сама работа все еще не определена. Термин «работа» в физике определяется как сила, умноженная на расстояние, на которое действует сила.Таким образом, мы получаем представление о том, что энергия – это свойство, которое позволяет перемещать объекты с одного места на другое и тем самым выполнять физический труд или «работу». Сама энергия может проявляться в различных формах – например, солнечная энергия, электрическая энергия, химическая энергия, тепловая энергия и ядерная энергия – но суть в том, что все формы могут использоваться для работы. Таким образом, все единицы энергии должны быть в конечном итоге сведены к единицам работы, то есть сила x расстояние. Из закона Ньютона мы знаем, что сила – это масса x ускорение.Итак, расширяя приведенную выше таблицу, мы получаем:

Система	Сила =	Масса x	Разгон
СИ (мкс)	ньютон	кг	м / с ²
SI (cgs)	дин	грамм	см / с ²
USCS (кадр / с)	фунтов	пуля	фут / с ²

И, наконец, у нас есть таблица по энергии:

Система	Энергия =	Сила x	Расстояние
СИ (мкс)	джоуль	ньютон	метр
SI (cgs)	эрг	дин	см
USCS (кадр / с)	фут-фунт	фунтов	футов

Обратите внимание, что хотя ньютон и джоуль названы по именам людей, они не пишутся с заглавной буквы при использовании в качестве единицы измерения.Однако соответствующие символы (N и J) пишутся с заглавной буквы при независимом использовании.

Ньютон

Единица силы в системе СИ, ньютон (Н), конечно, названа в честь Исаака Ньютона. Из вышесказанного мы видим, что 1 Н = 1 кг-м / с ², что эквивалентно примерно 0,225 фунта. Учтите, что 1 Н не равен весу 1 кг.

Джоуль

Подобно единице силы, джоуль (Дж) назван в честь сэра Джеймса Прескотта Джоуля, известного британского ученого 19 века, который провел множество точных энергетических экспериментов.Один джоуль – это количество работы, совершаемой силой в один ньютон, действующей на расстоянии одного метра. С практической, повседневной точки зрения джоуль – это относительно небольшое количество энергии, но чаще всего он используется в научной работе. Например, энергосодержание одного большого бублика составляет около 10 ⁶ джоулей.

Калорийность

Посредством серии тщательно продуманных экспериментов со шкивами, грузами, лопастными колесами и точно измеренными температурами в контейнерах с водой Джоуль убедительно продемонстрировал эквивалентность механической энергии и тепла.До этого времени люди думали, что тепло – это своего рода эфемерное свойство материалов, например жидкость, которая выделяется, когда твердые объекты разбиваются на более мелкие части. Они назвали это свойство калорий , от чего происходит термин калорий . Джоуль показал, что тепло и механическая энергия эквивалентны, и его тщательные измерения дали нам то, что мы сегодня называем «механическим эквивалентом тепла»:

1 калория = 4,186 джоулей.

Вы можете вспомнить, что одна калория – это количество тепла, необходимое для повышения температуры одного грамма воды на один градус Цельсия.Одна килокалория повысит температуру 1 кг воды на такую же величину. Килокалорию иногда называют «большой» калорией и пишут с большой буквы, а именно как калория. Очевидно, что такая практика может привести к путанице, поэтому читатель должен постоянно помнить о намерениях писателя, говоря о калориях. Чтобы еще больше запутать проблему, пищевые калории – это всегда «большие» калории. Таким образом, когда кто-то говорит, например, о 100 калориях в ломтике хлеба, подразумевается, что 100 килокалорий или 4.186 x 10 ⁵ Дж будет высвобождаться при сжигании высушенной биомассы.

Энергетическая ценность топлива измеряется путем его сжигания до полного истощения и улавливания выделяемого тепла. Это тепло можно передать, скажем, емкости с водой, в которой измеряется повышение температуры. Знание того, что для повышения температуры воды требуется одна калория на грамм, позволяет определить содержание энергии в топливе с точки зрения калорий. Затем это число можно преобразовать в другие единицы энергии с помощью коэффициента преобразования Джоуля.

БТЕ

Другой популярной единицей тепловой энергии является британская тепловая единица. Одна британская тепловая единица – это количество тепла, необходимое для повышения температуры одного фунта воды на один градус по Фаренгейту. Используя коэффициенты преобразования 2,2 фунта / кг и 1,8 F ° / C ° и эквивалент Джоуля, мы находим:

1 британская тепловая единица = 252 кал = 105 ⁵ Дж.

Одна британская тепловая единица приблизительно равна количеству тепла, выделяемого при сжигании одной большой кухонной спички.

Btus обычно используются в США для оценки водонагревателей, печей и кондиционеров.Например, типичный бытовой водонагреватель, работающий на природном газе, может быть рассчитан на 40 000 БТЕ / ч, а печь – на удвоенную, или 80 000 БТЕ / ч. Эти числа, конечно, показывают скорость, с которой горелки этих агрегатов могут производить тепло. Теплотворная способность топлива часто выражается в британских тепловых единицах на единицу веса. Например, уголь имеет типичную теплотворную способность 25 миллионов британских тепловых единиц на тонну, а нефть – 37 миллионов британских тепловых единиц на тонну.

Therm

Газовые компании в США часто измеряют продажи в «тепловых единицах» или термов .Один терм определяется как 100000 БТЕ, а теплотворная способность природного газа при нормальной температуре и давлении составляет 1030 БТЕ / фут ³. Таким образом, один терм почти равен 100 кубическим футам природного газа:

1 терм = 105 БТЕ / 1030 БТЕ / фут ³ = 97,1 фут ³ ≈ 100 футов ³.

Газовые компании также используют терминологию «American Engineering» вместо стандартной научной записи СИ. В этой нотации латинские сокращения C для 100 и M для 1000 используются в качестве числовых префиксов, но из-за потенциальной путаницы между стандартными научными обозначениями C для сенти (10 ^-2) и M для мега (10 ^{). 6}) инженерные сокращения обычно не пишутся с заглавной буквы.Например, 1 кубический фут = 100 кубических футов, 1 кубический фут = 1000 кубических футов, а один миллион кубических футов записывается как 1000 x 1000 кубических футов или 1 мм кубических футов.

Мощность

Мощность – это термин, который используется для описания потока энергии. Мощность определяется как «скорость выполнения работы» и обычно измеряется в джоулях в секунду. В системе СИ единицей мощности является ватт (Вт), названный в честь Джеймса Ватта, изобретателя паровой машины.

1 ватт = 1 джоуль в секунду.

В системе cgs к питанию не отводится отдельная единица.В системе USCS мощность измеряется в «практических» единицах мощности (л.с.), где 1 л.с. = 550 фут-фунт / с. Это эквивалентно 746 Вт или примерно 0,75 кВт.

Возможно, поскольку большинство электроприборов оцениваются с точки зрения их требований к мощности, мощность и энергию часто путают при работе с электрической энергией. Но точно так же, как при заправке вашего автомобиля на заправочной станции вы должны в конечном итоге заплатить за общее количество перекаченных галлонов, а не за скорость, с которой вы перекачивали, так и за электричество мы платим за общее количество джоулей потребленной электроэнергии , а не мощность или скорость, с которой он был доставлен.

В США электрическая энергия обычно измеряется в киловатт-часах (кВтч), потому что это практическая единица для коммунальной компании, а также для потребителя. Соотношение между киловатт-часами и джоулями легко определить:

1 кВтч = 1000 Дж / с x 3600 с = 3,6 x 10 ⁶ Дж.

Снова мы видим, насколько мал джоуль с практической точки зрения. Один кВтч – это энергия, необходимая для питания десяти 100-ваттных лампочек в течение одного часа. Средний дом в США.С. потребляет около 10 000 кВтч электроэнергии в год.

Электростанции

Электростанции общего назначения оцениваются по их мощности по выдаче электроэнергии. Например, мощность большой угольной или атомной электростанции может составлять 1 000 МВт (мегаватт). Индекс «e» на букве W означает «электрическая» и означает, что рейтинг соответствует «выходной» мощности установки, а не потребляемой энергии. Потребляемая энергия обычно измеряется теплотой сгорания топлива – например, Btus для угля.Если установка работает, скажем, с КПД 40 процентов, то потребляемая энергия, необходимая для такой установки, может быть рассчитана следующим образом:

Вход = Выход / 40% = 1000 МВт / 0,4 = 2500 МВт = 2500 x 10 & # 8310; Дж / с x 3600 с / ч / 1054 Дж / БТЕ = 8,54 x 10 & # 8313; БТЕ / ч

Если эта энергия вырабатывается углем с теплотворной способностью 25 x 10 ⁶ БТЕ / т, то уголь необходимо вводить из расчета:

8,54 x 10 & # 8313; БТЕ / ч / 25 x 10 & # 8310; БТЕ / тонна = 342 тонны / час.

Работая на полную мощность 24 часа в сутки, такая установка будет потреблять около трех миллионов тонн угля в год.

Солнечная энергия

Еще одно ценное использование энергии в анализе окружающей среды связано с солнечной энергией. Солнце, конечно же, обеспечивает лучистую энергию для всего живого на Земле, и скорость, с которой эта энергия поступает, называется солнечным потоком , , представляя мощность на единицу площади, полученную в данном месте. В положении на орбите Земли это число составляет около 1400 Вт / м ² и обозначается как солнечная постоянная . Это означает, что плоская панель размером 1 м ², размещенная за пределами атмосферы Земли и ориентированная перпендикулярно солнечным лучам, будет получать 1400 джоулей в секунду солнечной энергии.

Атмосфера поглощает около половины этой энергии, так что 700 Вт / м ² – это максимальное количество, которое достигает Земли в жаркий летний день в тропиках. В среднем за день и ночь для всех сезонов и всех широт, это дополнительно снижается до примерно 240 Вт / м ² как средняя солнечная радиация, полученная на поверхности Земли. Облачность и другие факторы еще больше уменьшают эти цифры. В США, например, в Тусоне, штат Аризона, средний годовой поток солнечной энергии составляет 250 Вт / м ², а в Кливленде – только 160 Вт / м ².Очевидно, что такие цифры влияют на преимущества солнечного отопления и охлаждения, а также на рост биомассы в различных регионах.

Сводка

Поскольку энергия играет фундаментальную роль во всех экологических проблемах, студенту надлежит на ранней стадии ознакомиться с концепциями и терминологией в области энергетики. Ученый-эколог должен также привыкнуть к специализированным терминам, которые используются в различных дисциплинах и отраслях. Газовая компания не собирается преобразовывать кубические футы в британские британские тепловые единицы, так же как электрическая компания не собирается преобразовывать кВтч в джоули.Студент, изучающий экологию, несет ответственность за то, чтобы уметь ставить единицы на общую основу, чтобы проводить достоверные сравнения. Например, является ли печь на природном газе более экономичной или более экологически чистой, чем электрическое отопление плинтуса для среднего дома? Может ли солнечная энергия удовлетворить все потребности в отоплении дома в Кливленде? Сколько электроэнергии можно было бы произвести, установив солнечные панели на крыше дома в Аризоне? Сколько биомассы можно вырастить на акре земли в Миссури? Тщательное понимание энергетических единиц и терминологии будет иметь большое значение для того, чтобы экологи могли сделать такой анализ простым и обычным.

Практические вопросы

1. Учитывая, что для повышения температуры 1 кг воды на 1 ° C требуется 1 ккал тепла:

Сколько килокалорий потребуется, чтобы нагреть 100 кг воды на 20 ° C для ванны?
Сколько это джоулей?
Сколько Btus?
Если ваш водонагреватель может подавать 40 кБТЕ / ч, сколько времени потребуется, чтобы нагреть эту воду?

Учитывая, что 1 кВтч = 3,6 МДж и 1 БТЕ = 1055 Дж, покажите, что 1 кВтч = 3412 БТЕ.
Почему было бы неправильно использовать этот коэффициент преобразования непосредственно для определения количества угля, необходимого для выработки электроэнергии на электростанции?

3. Типичному дому на севере США может потребоваться 120 МБТЕ тепла в среднем за зиму.

Если бы это тепло подавалось от печи на природном газе, работающей с КПД 60 процентов, сколько кубических футов газа необходимо было бы закупить?
Сколько будет стоить обогрев этого дома за один сезон при стоимости 0,90 долл. США за куб. Фут?
Если новая печь с КПД 80% может быть установлена за 4000 долларов, сколько времени потребуется, чтобы окупить стоимость этой печи, если цены на газ останутся прежними?

4.Предположим, что дом, о котором идет речь, находится в Кливленде, где среднегодовой поток солнечной энергии составляет 160 Вт / м ^{2 2}. Если в этом доме было установлено 10 м ² солнечных панелей, работающих с 20-процентной эффективностью для сбора и хранения солнечной энергии в виде горячей воды:

Сколько энергии можно получить таким образом за один год?
Какая это часть годовой потребности в отоплении?
С учетом требований к нагреву горячей воды для ванны из вопроса 1 (c), сколько горячих ванн потребует эта энергия за один год?

5.Среднегодовой поток солнечной энергии в Тусоне составляет 250 Вт / м ². Предположим, что там в доме установлено 10 м ² солнечных электрических панелей, работающих с 10-процентной эффективностью.

Сколько киловатт-часов электроэнергии могут быть собраны этими панелями за один год?
Какую часть годовой потребности в электроэнергии в 10 000 кВтч для среднего дома это составляет?
Сколько квадратных метров солнечных панелей потребуется для подачи 10 000 кВтч в год?

6.Солнечная энергия естественным образом преобразуется в древесную биомассу с эффективностью около 0,1 процента. Предположим, лесной участок площадью 100 га (10 ⁶ м ²) расположен в штате Миссури, где средний годовой поток солнечной энергии составляет 200 Вт / м ². Учитывая, что теплотворная способность древесины составляет 12 МБТЕ / тонну, сколько тонн древесины можно производить на этом участке каждый год?

7. При умеренном ветре современная большая ветряная турбина может вырабатывать около 250 кВт электроэнергии, тогда как большая атомная электростанция может вырабатывать 1000 МВт.

Сколько ветряных турбин потребуется для выработки такой же мощности, как у одной атомной электростанции?
Обсудите некоторые преимущества и недостатки подачи электроэнергии каждым методом.

8. Батареи обычно измеряются в ампер-часах, что указывает на ток, который элемент может выдавать в течение определенного времени. Типичный аккумулятор фонарика типа D, например, может быть рассчитан на 3 ампер-часа. Полная электрическая энергия, доступная от такой батареи, находится путем умножения номинального значения ампер-часов на напряжение батареи.Таким образом, тот же самый 1,5-вольтовый D-элемент мог выдавать 4,5 ватт-часа электроэнергии.

Преобразуйте эту энергию в кВтч и сравните стоимость электроэнергии, полученной таким образом, со стоимостью стандартной «сетевой» электроэнергии. Предположим, что батарея стоит 1 доллар США, а электроэнергия от энергокомпании доступна по цене 0,10 доллара США / кВтч.

9. В таблице ниже приведены цены и содержание тепловой энергии для различных видов топлива, которые обычно используются для отопления домов.Цены на топливо указаны в расчете на единицу стоимости топлива, доставленного на дом. Заполните таблицу, заполнив две последние колонки, и сравните, таким образом, стоимость отопления дома этими различными методами. При расчетах предположите, что дому требуется 120 мегабайт тепловой энергии в течение сезона и что газовые или мазутные печи работают с эффективностью 80 процентов. Предположим, что электрический обогрев эффективен на 100 процентов.

Топливо	Цена	Энергетическая ценность топлива
Нат.газ	$ 1,14 / куб. Фут.	1030 британских тепловых единиц за куб. Фут
Пропан	1.69 $ / галлон	92 тыс. Британских тепловых единиц / галлон
Мазут	1,93 $ / галлон	133 тыс. Британских тепловых единиц / галлон
Электричество	0,10 $ / кВтч	3412 британских тепловых единиц / кВт · ч

Ответы

1.а. 2000 ккал; б. 8,37 x 10 ⁶ Дж = 8,37 МДж; c. 7940 британских тепловых единиц; d. 11,9 мин.

2. б. Второй закон термодинамики предотвращает 100-процентное преобразование тепла в механическую или электрическую энергию. Типичная угольная электростанция работает с КПД около 33 процентов, а это означает, что только треть энергии угля преобразуется в электричество.

3. а. 1,941 куб.футов; б. 1748 долларов США; c. 9,2 года

4. а. 9,57 МБТЕ; б. 8 процентов; c. 1,200

5.а. 2190 кВтч; б. 21,9 процента; c. 45,7 м ²

6. 498 тонн

7. а. 4000; б. Ответы различаются

8. Энергия батареи: 4,5 Втч = 4,5 x 10 ³ кВтч.
Стоимость 1 кВтч: 1,00 долл. США / 4,5 x 10 ³ кВтч = 222 долл. США / кВтч.
Сравнение: Электроэнергия от батареи стоит 222 доллара / 0,10 доллара = 2220 раз больше, чем электроэнергия, поставляемая энергетической компанией.

Топливо	Цена ¹	Энергетическая ценность топлива	Стоимость за МБТЕ	Стоимость отопления дома ¹
Нат.газ	$ 1,14 / куб. Фут.	1 030 БТЕ / куб. Фут.	$ 11,07	$ 1,660
Пропан	1.69 $ / галлон	92 кБТЕ / галлон	$ 18,37	$ 2 755
Мазут	1,93 $ / галлон	133 тыс. Британских тепловых единиц / галлон	$ 14,51	2177 долл. США
Электричество	0,10 $ / кВтч	3412 БТЕ / кВт · ч	29 долларов.31	3,517 долл. США ³

Банкноты

1. Указанные цены относятся к доставке на дом соответствующего топлива по ставкам, доступным в северных и центральных районах США в 2005 году.
2. В расчетах предполагается, что потребность в отоплении «среднего» дома в северных штатах США составляет 120 МБТЕ. Предполагается, что КПД составляет 80 процентов. для газовых или масляных печей. Предполагается, что тепло от электричества доставляется в дом со 100-процентной эффективностью.
3. Дома, предназначенные для электрического отопления, обычно изолируются более тщательно, чем дома, рассчитанные на газ или нефть.

Комплексная оценка экологических и экономических последствий проекта «конверсия угля в газ» в сельских районах северного Китая

Adamczyk J, Dzikuć M (2014) Анализ предположений, включенных в Польскую энергетическую политику, с использованием методики LCA – Пример Польши. Обновите Sust Energ Rev 39: 42–50

Google ученый

BP (BP) (2019) Статистический обзор мировой энергетики. https://www.bp.com/content/dam/bp-country/zh_cn/Publications/2019SRbook.pdf. По состоянию на 1 ноября 2019 г.

Chen S, Xu L, Zhang Y, Chen B, Wang X, Zhang X, Zheng M, Chen JM, Wang W, Sun Y, Fu P, Wang Z, Li W (2017) Direct наблюдения за органическими аэрозолями в обычных зимних туманах в Северном Китае: понимание прямых выбросов китайских бытовых печей. Atmos Chem Phys 17: 1259–1270

CAS Google ученый

Chen Y, Shen H, Smith KR, Guan D, Chen Y, Shen G, Liu J, Cheng H, Zeng E, Tao S (2018) Оценка воздействия загрязнения воздуха в домохозяйствах и воздействия на здоровье от отопления помещений в сельских районах Китая .Environ Int 119: 117–124

CAS Google ученый

Chen QF, Yuan ZX, Guo ZQ, Zhao Y (2019) Практические характеристики небольшой солнечной системы отопления PTC зимой. Sol Energy 179: 119–127

Google ученый

Cieslik M, Dach J, Lewicki A, Smurzynska A, Janczak D, Kaczorowska JP, Boniecki P, Cyplik P, Czekala W., Jozwiakowski K (2016) Метановая ферментация силоса из кукурузной соломы в термофильных условиях.Энергия 115 (Часть 2): 1495–1502

CAS Google ученый

Дево П., Фарид М.М. (2017) Преимущества теплых полов из ПКМ с панелями из ПКМ для обогрева помещений зимой. Appl Energy 191: 593–602

Google ученый

Dong J, Ni M, Chi Y, Zou D, Fu C (2013) Жизненный цикл и экономическая оценка сбора ТБО с разделением по источникам в отношении выбросов парниковых газов: тематическое исследование в Китае.Environ Sci Pollut Res 20 (20): 5512–5524

CAS Google ученый

Dong Y, Jiang X, Liang Z, Yuan J (2018) Гибкость угольной энергетики, энергоэффективность и последствия выбросов загрязняющих веществ в Китае: анализ на уровне предприятия на основе конкретных случаев. Ресурс Консерв Ресайкл 134: 184–195

Google ученый

Du J, Zhang X, Huang T, Gao H, Mo J, Mao X, Ma J (2019) Удаление PM2.5 и вторичные неорганические аэрозоли на Северо-Китайской равнине путем сухого осаждения. Sci Total Environ 651: 2312–2322

CAS Google ученый

Duan X, Jiang Y, Wang B, Zhao X, Shen G, Cao S, Huang N, Qian Y, Chen Y, Wang L (2014) Использование бытового топлива для приготовления пищи и отопления в Китае: результаты первых Китайское исследование моделей человеческой деятельности, связанных с воздействием на окружающую среду (CEERHAPS). Appl Energy 136: 692–703

Google ученый

Dunmade I., Madushele N, Adedeji PA, Akinlabi ET (2019) Оптимизированная оценка жизненного цикла угольной электростанции: пример из Южной Африки.Environ Sci Pollut Res 26 (18): 18484–18492

CAS Google ученый

Гонг М., Вернер С. (2015) Оценка исследований централизованного теплоснабжения в Китае. Renew Energy 84: 97–105

Google ученый

GOSC (Главное управление Государственного совета) (2013) План действий по предотвращению и контролю загрязнения воздуха. http://www.gov.cn/zhengce/content/2013-09/13/content_4561.htm. По состоянию на 16 мая 2019 г.

GOSC (Главное управление Государственного совета) (2017) Комплексная программа энергосбережения и сокращения выбросов в 13-м пятилетнем плане. http://www.gov.cn/zhengce/content/2017-01/05/content_5156789.htm. По состоянию на 16 мая 2019 г.

GOSC (Главное управление Государственного совета) (2018) Трехлетний план действий по защите голубого неба. http://www.gov.cn/zhengce/content/2018-07/03/content_5303158.htm. По состоянию на 16 мая 2019 г.

He W, Zhou JZ, Chen C, Ji J (2014) Экспериментальное исследование и анализ производительности термоэлектрической системы охлаждения и нагрева, управляемой фотоэлектрической / тепловой системой в летнем и зимнем режимах работы.Energy Convers Manag 84: 41–49

Google ученый

Hu J, Zhang Q, Jing Y, Lee DJ (2016) Производство фотосинтетического водорода из ферментативно-гидролизованных микро измельченных кукурузных соломок. Int J Hydrog Energy 41: 21665–21669

CAS Google ученый

Хуан К., Сяо Кью, Мэн Х, Гэн Г, Ван И, Ляпустин А., Гу Д., Лю И (2018) Прогнозирование месячных концентраций PM2,5 с высоким разрешением с помощью случайной модели леса на Северо-Китайской равнине.Environ Pollut 242 (Часть A): 675–683

CAS Google ученый

Huo H, Shao J, Huo H (2017) Вклад энергосберегающих технологий в энергосбережение в зданиях в различных климатических регионах Китая. Appl Therm Eng 124: 1159–1168

Google ученый

ISO (Международная организация по стандартизации) (2006) Экологический менеджмент: оценка жизненного цикла: принципы и рамки (ISO 14040-2006).https://www.iso.org/standard/37456.html. По состоянию на 1 ноября 2019 г.

Джонсон Т., Мол APJ, Чжан Л., Ян С. (2017) Жизнь под куполом: индивидуальные стратегии борьбы с загрязнением воздуха в Пекине. Habitat Int 59: 110–117

Google ученый

Jolliet O, Wenk RM, Bare J, Brent A, Goedkoop M, Heijungs R, Itsubo N, Pena C, Pennington D, Potting J, Rebitzer G, Stewart M, de Haes HU, Weidema B (2004) Структура среднесрочного ущерба LCIA в рамках инициативы UNEP / SETAC по жизненному циклу.Int J Life Cycle Assess 9: 394–404

Google ученый

Kong XF, Wang L, Li H, Yuan GP, Yao CQ (2020) Экспериментальное исследование новой гибридной системы из активной композитной стены из ПКМ и солнечной тепловой системы для экологически чистого теплоснабжения зимой. Sol Energy 195: 259–270

Google ученый

Li X, Tilt B (2019) Публичные выступления против смога в городах Китая: знания, доверие и действия.Environ Sci Pol 92: 220–227

Google ученый

Li P, Jia H, Wang Y, Li T, Wang L, Li Q, Yang M, Yue J, Yi X, Guo L (2019) Характеристика сложных эфиров фталевой кислоты, связанных с PM2,5 (PAE) в региональный фоновый участок на севере Китая: перенос на большие расстояния и оценка рисков. Sci Total Environ 659: 140–149

CAS Google ученый

Ling-Chin J, Heidrich O, Roskilly AP (2016) Оценка жизненного цикла (LCA) – от анализа разработки методологии до внедрения структуры LCA для морских фотоэлектрических (PV) систем.Обновите Sust Energ Rev 59: 352–278

Google ученый

Liu J, Mauzerall DL, Chen Q, Zhang Q, Song Y, Peng W, Klimont Z, Qiu X, Zhang S, Hua M, Lin W, Smith KR, Zhu T (2016) Выбросы загрязняющих веществ в атмосферу из Китая домохозяйства: основной и недооцененный источник загрязнения окружающей среды. Proc Natl Acad Sci U S A 113: 7756–7761

CAS Google ученый

Лю Х., Хуанг И, Юань Х, Инь Х, Ву С. (2018a) Оценка жизненного цикла биотоплива в Китае: состояние и проблемы.Обновите Sust Energ Rev 97: 301–322

Google ученый

Liu H, Ou X, Yuan J, Yan X (2018b) Опыт производства природного газа из кукурузной соломы в Китае. Ресурс Консерв Ресайкл 135: 216–224

Google ученый

Liu S, Li Z, Dai B, Zhong Z, Li H, Song M, Sun Z (2019) Энергетический, экономический и экологический анализ транскритической системы теплового насоса CO ₂ для отопления жилых помещений в Китае.Appl Therm Eng 148: 1425–1439

CAS Google ученый

Лу В., Ма И (2004) Изображение энергопотребления обеспеченного общества в Китае. Energy Convers Manag 45: 1357–1367

CAS Google ученый

MARA (Министерство сельского хозяйства и сельских дел) (2017) Национальная система статистических обследований в области возобновляемых источников энергии в сельских районах. http://www.sdny.gov.cn/zwgk/tfwj/stc/201901/P0201536412536360.pdf. По состоянию на 24 июня 2019 г.

MEE (Министерство экологии и окружающей среды) (2017) Рабочая программа по предотвращению и контролю загрязнения воздуха в Пекине, Тяньцзине, Хэбэе и прилегающих районах в 2017 г. http://dqhj.mee.gov .cn / dtxx / 201703 / t20170323_408663.shtml. По состоянию на 16 мая 2019 г.

MEE (Министерство экологии и окружающей среды) (2018a) China Eco-Environment Bulletin 2017. http://www.mee.gov.cn/gkml/sthjbgw/qt/201805/t20180531_442212.htm. По состоянию на 10 мая 2019 г.

MEE (Министерство экологии и окружающей среды) (2018b) План действий по всестороннему контролю за загрязнением воздуха осенью и зимой 2018–2019 гг. В Пекине, Тяньцзине, Хэбэе и его окрестностях.http://www.mee.gov.cn/gkml/sthjbgw/sthjbwj/201809/t20180927_630570.htm. По состоянию на 16 мая 2019 г.

MEE (Министерство экологии и окружающей среды) (2018c) Выполнение целевого показателя качества воздуха плана действий по всестороннему контролю загрязнения воздуха осенью и зимой 2017–2018 гг. В Пекине, Тяньцзине, Хэбэе и окрестностях области. http://www.mee.gov.cn/gkml/sthjbgw/qt/201805/t20180503_435860.htm. По состоянию на 17 мая 2019 г.

Mehetre SA, Panwar NL, Sharma D, Kumar H (2017) Улучшенные кухонные плиты на биомассе для устойчивого развития: обзор.Обновите Sust Energ Rev 73: 672–687

Google ученый

MOHURD (Министерство жилищного строительства и городского и сельского развития) (2013) Проектный стандарт энергоэффективности сельских жилых домов (GB / T 50824-2013)

MOHURD (Министерство жилищного строительства и городского и сельского развития) (2017) Мнения о продвижении чистого отопления в городах и поселках в северных тепловых зонах. http://www.mohurd.gov.cn/wjfb/201709/t20170913_233287.html. По состоянию на 16 мая 2019 г.

NBS (Национальное бюро статистики) (2018a) China Energy Statistics Yearbook 2017. http://www.stats.gov.cn/tjsj/tjcbw/201706/t20170621_1505833.html. По состоянию на 16 мая 2019 г.

NBS (Национальное статистическое бюро) (2018b) China Statistical Yearbook 2017. http://www.stats.gov.cn/tjsj/ndsj/2018/indexch.htm. По состоянию на 10 мая 2019 г.

NDRC (Национальная комиссия по развитию и реформам) (2017a) План экологически чистого отопления в Северном Китае зимой (2017–2021 гг.).http://www.ndrc.gov.cn/zcfb/zcfbtz/201712/t20171220_871052.html. По состоянию на 16 мая 2019 г.

NDRC (Национальная комиссия по развитию и реформам) (2017b) Ценовая политика на чистое отопление в Северном Китае. http://www.ndrc.gov.cn/zcfb/zcfbtz/201709/t20170925_861387.html. По состоянию на 16 мая 2019 г.

NEA (Национальная энергетическая администрация) (2015 г.) План действий по чистому и эффективному использованию угля (2015–2020 гг.). http://zfxxgk.nea.gov.cn/auto85/201505/t20150505_1917.htm. По состоянию на 16 мая 2019 г.

NEA (Национальная энергетическая администрация) (2019) Уведомление о решении проблем, связанных с продвижением экологически чистого отопления. http://www.nea.gov.cn/2019-07/03/c_138195454.htm. По состоянию на 8 июля 2019 г.

Owsianiak M, Laurent A, Bjorn A, Hauschild MZ (2014) IMPACT 2002+, ReCiPe 2008 и рекомендованная практика ILCD для моделирования характеристик при оценке воздействия жизненного цикла: сравнение на основе тематического исследования. Int J Life Cycle Assess 19: 1007–1021

CAS Google ученый

Radic S, Medunic G, Kuharic Z, Roje V, Maldini VV, Krivohlavek A (2018) Влияние опасных загрязнителей от сжигания угля: оценка фитотоксичности водных экстрактов почвы.Химия 199: 191–200

CAS Google ученый

SAC (Управление по стандартизации КНР) (2015a) Метод испытаний для бытового угля и печи (GB / T 6412-2015)

SAC (Управление по стандартизации КНР) (2015b) Минимально допустимые значения энергии классы эффективности и энергоэффективности для бытовых газовых проточных водонагревателей и газовых отопительных и водогрейных комбинированных котлов (GB 20665-2015)

Santos HCM, Maranduba HL, Neto JAD, Rodrigues LB (2017) Оценка жизненного цикла сыра производственный процесс в небольшой молочной промышленности в Бразилии.Environ Sci Pollut Res 24 (4): 3740–3482

Google ученый

Shi H, Wang Y, Chen J, Huisingh D (2016) Предотвращение кризисов смога в Китае и во всем мире. J Clean Prod 112: 1261–1271

Google ученый

Staffell I, Brett D, Brandon N, Hawkes A (2012) Обзор бытовых тепловых насосов. Energy Environ Sci 5: 9291–9306

Google ученый

Su C, Madani H, Palm B (2018) Решения для отопления жилых домов в Китае: текущее состояние и перспективы на будущее.Energy Convers Manag 177: 493–510

Google ученый

Ван Р, Цзян Цзинь (2017) Энергопотребление в сельских районах Китая: исследование, основанное на обследовании энергопотребления в деревнях. J Clean Prod 143: 452–461

Google ученый

Wang XL, Chen YQ, Sui P, Gao WS, Qin F, Wu X, Xiong J (2014) Анализ эффективности и устойчивости производства биогаза и электроэнергии в рамках крупномасштабного биогазового проекта в Китае: на основе экстренной оценки по LCA.J Clean Prod 65: 234–245

Google ученый

Wang X, Li K, Song J, Duan H, Wang S (2018) Комплексная оценка использования соломы для производства энергии с точки зрения региональных энергетических, экологических и социально-экономических выгод. J Clean Prod 190: 787–798

CAS Google ученый

Wang XL, Mai XM, Lei B, Bi HQ, Zhao B, Mao G (2020) Совместная оптимизация мер пассивного проектирования и активных систем отопления для отопления зданий на плато Цинхай-Тибет в Китае.Renew Energy 147: 683–694

Google ученый

Woodward DG (1997) Расчет стоимости жизненного цикла – теория, сбор информации и применение. Int J Proj Manag 15: 335–344

Google ученый

Wu F, Wang W, Man Y, Chan C, Liu W, Tao S, Wong M (2015) Уровни PM2,5 / PM10 и связанных металлов (лоидов) в сельских домохозяйствах провинции Хэнань, Китай. Sci Total Environ 512: 194–200

Google ученый

Xie R, Sabel CE, Lu X, Zhu W, Kan H, Nielsen CP, Wang H (2016) Долгосрочная тенденция и пространственная структура PM2.5 вызвало преждевременную смертность в Китае. Environ Int 97: 180–186

CAS Google ученый

Xu C, Wang C, Xu G, Hu Y, Guo H, Yang Y (2017) Термодинамическая и экологическая оценка усовершенствованной системы отопления с использованием тепловых насосов с электрическим приводом: тематическое исследование для региона Jing-Jin-Ji в Китае. J Clean Prod 165: 36–47

Google ученый

Yuan X, Tang Y, Li Y, Wang Q, Zuo J, Song Z (2018) Оценка экологического и экономического воздействия процесса производства бетонного тротуарного кирпича и водопроницаемого кирпича – пример из Китая.J Clean Prod 171: 198–208

Google ученый

Юань Дж., Ло Х, Дин Х, Лю С., Ли С. (2019) Оценка закупки и хранения топлива для выработки энергии из биомассы: тематическое исследование в Цзилине. Обновите Sust Energ Rev 111: 75–86

Google ученый

Чжан Дж., Смит К.Р. (2007) Загрязнение воздуха в домах от угля и топлива из биомассы в Китае: измерения, воздействие на здоровье и меры вмешательства.Environ Health Perspect 115: 848–855

Google ученый

Чжан Х, Платтен А., Шен Л. (2011) Практика развития зеленой собственности в Китае: затраты и препятствия. Сборка среды 46: 2153–2160

Google ученый

Zhang L, Wang JM, Feng Y (2018) Оценка жизненного цикла добычи угля открытым способом: тематическое исследование в горнодобывающем районе Yimin в Китае. Environ Sci Pollut Res 25 (9): 8475–8486

CAS Google ученый

Zhao S, Yu Y, Yin D, He J, Liu N, Qu J, Xiao J (2016) Годовые и суточные изменения газообразных и твердых загрязнителей в столице 31 провинции на основе данных мониторинга качества воздуха на месте из Национальный центр мониторинга окружающей среды Китая.Environ Int 86: 92–106

CAS Google ученый

Чжэн Х, Вэй Ц., Цинь П, Го Дж, Юй, Сун Ф, Чен З (2014) Характеристики бытового энергопотребления в Китае: результаты обследования домашних хозяйств. Энергетическая политика 75: 126–135

Google ученый

Чжэн В., Йе Т, Ю С., Чжан Х (2015) Тепловые характеристики систем тепловых насосов с морской водой в районах с сильным холодом зимой.Energy Convers Manag 90: 166–174

Google ученый

Zhou Z, Wang C, Sun X, Gao F, Feng W, Zillante G (2018) Потенциал энергосбережения в отоплении за счет проектирования ограждающих конструкций и оптимизации эксплуатации в жилых домах: пример из северного Китая J Clean Prod 174: 413–423

Google ученый

Мощность | Физика

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

Рассчитайте мощность, рассчитав изменения энергии во времени.
Изучите энергопотребление и расчеты стоимости потребляемой энергии.

Что такое мощность?

Рис. 1. Эта мощная ракета космического корабля «Индевор» работала и потребляла энергию с очень высокой скоростью. (кредит: НАСА)

Мощность – это слово вызывает в воображении множество образов: профессиональный футболист, отталкивающий своего противника, драгстер, ревущий от стартовой линии, вулкан, выбрасывающий лаву в атмосферу, или взлетающая ракета, как на рисунке 1.

Эти образы силы объединяет быстрое выполнение работы, что соответствует научному определению мощности ( P ) как скорости выполнения работы.

Мощность

Мощность – это скорость выполнения работы.

[латекс] \ displaystyle {P} = \ frac {W} {t} \\ [/ latex]

В системе СИ для мощности используется Вт (Вт), где 1 ватт равен 1 джоуль в секунду (1 Вт = 1 Дж / с).

Поскольку работа – это передача энергии, мощность – это также скорость, с которой энергия расходуется.Например, лампочка мощностью 60 Вт потребляет 60 Дж энергии в секунду. Большая мощность означает большой объем работы или энергии, выработанный за короткое время. Например, когда мощный автомобиль быстро разгоняется, он выполняет большой объем работы и потребляет большое количество топлива за короткое время.

Расчет мощности по энергии

Пример 1. Расчет мощности для подъема по лестнице

Какова выходная мощность для женщины весом 60,0 кг, которая преодолевает лестничный марш высотой 3,00 м за 3,50 с, начиная с состояния покоя, но имея конечную скорость 2?00 м / с? (См. Рисунок 2.)

Рис. 2. Когда эта женщина бежит наверх, начиная с отдыха, она превращает химическую энергию, исходную из пищи, в кинетическую энергию и гравитационную потенциальную энергию. Ее выходная мощность зависит от того, как быстро она это сделает.

Стратегия и концепция

Работа, переходящая в механическую энергию, составляет Вт = KE + PE. Внизу лестницы мы принимаем как KE, так и PE _g как исходный ноль; таким образом, [латекс] W = \ text {KE} _ {\ text {f}} + \ text {PE} _ {\ text {g}} = \ frac {1} {2} mv _ {\ text {f} } ^ 2 + mgh \\ [/ latex], где h – высота лестницы по вертикали.2 \ right) \ left (3.00 \ text {m} \ right)} {3.50 \ text {s}} \\\ text {} & = & \ frac {120 \ text {J} +1764 \ text {J} } {3.50 \ text {s}} \\\ text {} & = & 538 \ text {W} \ end {array} \\ [/ latex]

Обсуждение

Женщина выполняет 1764 Дж работы, чтобы подняться по лестнице, по сравнению со всего лишь 120 Дж, чтобы увеличить свою кинетическую энергию; таким образом, большая часть ее мощности требуется для подъема, а не для ускорения.

Поразительно, что полезная мощность этой женщины чуть меньше 1 лошадиных сил (1 л.с. = 746 Вт)! Люди могут генерировать более лошадиные силы с помощью мышц ног в течение коротких периодов времени, быстро превращая доступный в крови сахар и кислород в объем работы.(Лошадь может выделять 1 л.с. в течение нескольких часов подряд.) Как только кислород истощается, выходная мощность снижается, и человек начинает быстро дышать, чтобы получить кислород для метаболизма большего количества пищи – это известно как этап аэробных упражнений . Если бы женщина поднималась по лестнице медленно, то ее выходная мощность была бы намного меньше, хотя объем выполняемой работы был бы таким же.

Установление соединений: домашнее расследование – измерьте номинальную мощность

Определите собственную номинальную мощность, измерив время, необходимое вам, чтобы подняться по лестнице.Мы проигнорируем выигрыш в кинетической энергии, так как приведенный выше пример показал, что это была небольшая часть выигрыша в энергии. Не ожидайте, что ваша мощность будет больше 0,5 л.с.

Примеры силы

Рис. 3. Огромное количество электроэнергии вырабатывается угольными электростанциями, такими как эта в Китае, но еще большее количество энергии идет на передачу тепла в окружающую среду. Большие градирни здесь необходимы для быстрой передачи тепла по мере его производства.Передача тепла характерна не только для угольных электростанций, но является неизбежным следствием выработки электроэнергии из любого топлива – ядерного, угля, нефти, природного газа и т.п. (Источник: Kleinolive, Wikimedia Commons)

Примеры силы ограничены только воображением, потому что видов столько же, сколько форм работы и энергии. (См. Некоторые примеры в Таблице 1.) Солнечный свет, достигающий поверхности Земли, несет максимальную мощность около 1,3 киловатт на квадратный метр (кВт / м ²).Крошечная часть этого сохраняется на Земле в течение длительного времени. Наш уровень потребления ископаемого топлива намного превышает скорость его хранения, поэтому они неизбежно будут исчерпаны. Сила означает, что энергия передается, возможно, меняя форму. Невозможно полностью преобразовать одну форму в другую, не потеряв часть ее в виде тепловой энергии. Например, лампа накаливания мощностью 60 Вт преобразует в свет всего 5 Вт электроэнергии, а 55 Вт рассеивается в тепловую энергию.

Кроме того, обычная электростанция преобразует только 35-40% топлива в электроэнергию. Остаток превращается в огромное количество тепловой энергии, которая должна быть распределена в виде теплопередачи так же быстро, как и возникнет. Электростанция, работающая на угле, может производить 1000 мегаватт; 1 мегаватт (МВт) – это 10 ⁶ Вт электроэнергии. Но электростанция потребляет химическую энергию в размере около 2500 МВт, создавая передачу тепла в окружающую среду в размере 1500 МВт. (См. Рисунок 3.)

Таблица 1. Выходная или потребляемая мощность
Объект или явление	Мощность в ваттах
Сверхновая (в пике)	5 × 10 ³⁷
Галактика Млечный Путь	10 ³⁷
Пульсар Крабовидной туманности	10 ²⁸
Солнце	4 × 10 ²⁶
Извержение вулкана (максимальное)	4 × 10 ¹⁵
Молния	2 × 10 ¹²
Атомная электростанция (полная передача электроэнергии и тепла)	3 × 10 ⁹
Авианосец (полезная и теплопроводная)	10 ⁸
Драгстер (общий полезный и теплопередающий)	2 × 10 ⁶
Автомобиль (общий полезный и теплоотдача)	8 × 10 ⁴
Футболист (общий полезный и теплопередающий)	5 × 10 ³
Сушилка для белья	4 × 10 ³
Человек в состоянии покоя (вся теплопередача)	100
Типичная лампа накаливания (общая полезная и теплопередающая)	60
Сердце, человек в состоянии покоя (общая полезная и теплоотдача)	8
Часы электрические	3
Карманный калькулятор	10 ⁻³

Мощность и энергопотребление

Обычно нам приходится платить за энергию, которую мы используем.Стоимость энергии для электроприбора интересно и легко оценить, если известны его потребляемая мощность и затраченное время. Чем выше уровень энергопотребления и чем дольше прибор используется, тем выше его стоимость. Норма потребляемой мощности [латекс] P = \ frac {W} {t} = \ frac {E} {t} \\ [/ latex], где E – энергия, поставляемая электроэнергетической компанией. Таким образом, энергия, потребляемая за время т , составляет

E = баллов

В счетах за электроэнергию указано количество использованной энергии в единицах киловатт-часов (кВт⋅ч) , , которое является произведением мощности в киловаттах и времени в часах. Этот блок удобен тем, что потребление электроэнергии на уровне киловатт в течение нескольких часов является типичным.

Пример 2. Расчет затрат на электроэнергию

Какова стоимость эксплуатации компьютера мощностью 0,200 кВт, 6 часов в день в течение 30 дней, если стоимость электроэнергии составляет 0,120 доллара США за кВт⋅ч?

Стратегия

Стоимость основана на потребленной энергии; таким образом, мы должны найти E из E = Pt , а затем рассчитать стоимость.Поскольку электрическая энергия выражается в кВт⋅ч, в начале такой задачи удобно преобразовать единицы в кВт и часы.

Решение

Энергия, потребляемая в кВт⋅ч, составляет

[латекс] \ begin {array} {lll} E & = & Pt = (0.200 \ text {kW}) (6.00 \ text {h / d}) (30.0 \ text {d}) \\\ text {} & = & 36.0 \ text {кВт} \ cdot \ text {h} \ end {array} \\ [/ latex]

, а стоимость просто равна

. Стоимость

= (36,0 кВт⋅ч) (0,120 доллара США за кВт perч) = 4,32 доллара США в месяц.

Обсуждение

Стоимость использования компьютера в этом примере не является ни чрезмерной, ни незначительной. Понятно, что стоимость – это сочетание силы и времени. Когда и то и другое высокое, например, кондиционер летом, стоимость высока.

Мотивация к экономии энергии стала более убедительной из-за ее постоянно растущей цены. Вооружившись знанием того, что потребляемая энергия является продуктом мощности и времени, вы можете оценить затраты для себя и сделать необходимые оценочные суждения о том, где экономить энергию.Нужно уменьшить либо мощность, либо время. Наиболее рентабельно ограничить использование мощных устройств, которые обычно работают в течение длительного времени, например водонагревателей и кондиционеров. Сюда не входят устройства с относительно высокой мощностью, такие как тостеры, потому что они работают всего несколько минут в день. Он также не будет включать электрические часы, несмотря на то, что они используются круглосуточно, потому что они являются устройствами с очень низким энергопотреблением. Иногда для выполнения той же задачи можно использовать устройства с большей эффективностью, то есть устройства, потребляющие меньше энергии.Одним из примеров является компактная люминесцентная лампа, которая дает в четыре раза больше света на ватт потребляемой мощности, чем ее собрат с лампами накаливания.

Современная цивилизация зависит от энергии, но нынешние уровни потребления и производства энергии не являются устойчивыми. Вероятность связи между глобальным потеплением и использованием ископаемого топлива (с сопутствующим образованием углекислого газа) привела к сокращению использования энергии, а также к переходу на неископаемые виды топлива. Несмотря на то, что энергия в изолированной системе является сохраняемой величиной, конечным результатом большинства преобразований энергии является перенос тепла в окружающую среду, которое больше не используется для выполнения работы.Как мы обсудим более подробно в Термодинамике, способность энергии производить полезную работу «деградировала» при преобразовании энергии.

Сводка раздела

Мощность – это скорость выполнения работы или в форме уравнения для средней мощности. P для работы Вт , выполненной за время т , [латекс] P = \ frac {W} {t} \\ [/ латекс]
В системе СИ для измерения мощности используется ватт (Вт), где [латекс] 1 \ text {W} = 1 \ frac {\ text {J}} {\ text {s}} \\ [/ latex].
Мощность многих устройств, например электродвигателей, также часто выражается в лошадиных силах (л.с.), где 1 л.с. = 746 Вт.

Концептуальные вопросы

Большинство электроприборов имеют мощность в ваттах. Зависит ли этот рейтинг от того, как долго прибор включен? (В выключенном состоянии это устройство с нулевой ваттностью.) Объясните в терминах определения мощности.
Объясните в терминах определения мощности, почему потребление энергии иногда указывается в киловатт-часах, а не в джоулях.Какая связь между этими двумя энергетическими единицами?
Искра статического электричества, которую вы можете получить от дверной ручки в холодный сухой день, может передавать несколько сотен ватт мощности. Объясните, почему вы не пострадали от такой искры.

Задачи и упражнения

Пульсар в Крабовидной туманности (см. Рис. 4) – это остаток сверхновой, которая произошла в 1054 году нашей эры. Используя данные из таблицы 1, вычислите приблизительный коэффициент, на который мощность этого астрономического объекта снизилась после его взрыва.
Рис. 4. Крабовидная туманность (предоставлено ESO, через Wikimedia Commons)
Предположим, что звезда в 1000 раз ярче нашего Солнца (то есть излучающая в 1000 раз большую мощность) внезапно становится сверхновой. Используя данные из Таблицы 1: (a) Во сколько раз увеличивается его выходная мощность? (б) Во сколько раз ярче, чем вся наша галактика Млечный Путь, сверхновая? (c) Основываясь на ваших ответах, обсудите, возможно ли наблюдать сверхновые в далеких галактиках. Отметим, что существует порядка 10 ¹¹ наблюдаемых галактик, средняя яркость которых несколько меньше нашей собственной галактики.
Человек в хорошем физическом состоянии может выдавать 100 Вт полезной мощности в течение нескольких часов подряд, возможно, задействуя механизм, приводящий в действие электрогенератор. Пренебрегая любыми проблемами эффективности генератора и практическими соображениями, такими как время отдыха: (а) Сколько человек потребуется, чтобы запустить электрическую сушилку для белья мощностью 4,00 кВт? (б) Сколько людей потребуется, чтобы заменить большую электростанцию, вырабатывающую 800 МВт?
Сколько стоит эксплуатация 3.Электрические часы 00-Вт на год при стоимости электроэнергии 0,0900 $ за кВт · ч?
Большой бытовой кондиционер может потреблять 15,0 кВт электроэнергии. Какова стоимость эксплуатации этого кондиционера 3,00 часа в день в течение 30,0 дней, если стоимость электроэнергии составляет 0,110 доллара США за кВт · ч?
(а) Какова средняя потребляемая мощность в ваттах прибора, потребляющего 5,00 кВт · ч энергии в день? (б) Сколько джоулей энергии устройство потребляет в год?
(а) Какова средняя полезная выходная мощность человека, который делает 6?00 × 10 ⁶ Дж полезной работы за 8.00 ч? (b) Работая с такой скоростью, сколько времени потребуется этому человеку, чтобы поднять 2000 кг кирпичей 1,50 м на платформу? (Работу по поднятию тела можно пропустить, потому что здесь она не считается полезным результатом.)
Драгстер весом 500 кг разгоняется до конечной скорости 110 м / с за 400 м (около четверти мили) и сталкивается со средней силой трения 1200 Н. Какова его средняя выходная мощность в ваттах и лошадиных силах, если это занимает 7,30 с?
а) Сколько времени займет автомобиль весом 850 кг с полезной мощностью 40?0 л.с. (1 л.с. = 746 Вт) для достижения скорости 15,0 м / с без учета трения? (b) Сколько времени займет это ускорение, если при этом автомобиль также преодолеет холм высотой 3,00 м?
(a) Найдите полезную выходную мощность двигателя лифта, который поднимает груз массой 2500 кг на высоту 35,0 м за 12,0 с, если он также увеличивает скорость в состоянии покоя до 4,00 м / с. Обратите внимание, что общая масса уравновешенной системы составляет 10 000 кг, так что только 2500 кг поднимается в высоту, но все 10 000 кг ускоряются. (б) Сколько это стоит, если электричество стоит 0 долларов.0900 за кВт · ч?
(а) Каково доступное энергосодержание в джоулях батареи, которая обеспечивает работу электрических часов мощностью 2,00 Вт в течение 18 месяцев? (b) Как долго батарея, способная обеспечивать 8,00 × 10 ⁴ Дж, может работать с карманным калькулятором, потребляющим энергию со скоростью 1,00 × 10 ⁻³ Вт?
(a) Сколько времени потребуется самолету массой 1,50 × 10 ⁵ кг с двигателями мощностью 100 МВт, чтобы достичь скорости 250 м / с и высоты 12,0 км, если сопротивление воздуха будет незначительным? (б) Если это действительно занимает 900 с, какова мощность? (c) Учитывая эту мощность, какова средняя сила сопротивления воздуха, если самолет занимает 1200 с? (Подсказка: вы должны найти расстояние, которое самолет преодолеет за 1200 с при постоянном ускорении.)
Рассчитайте выходную мощность, необходимую для автомобиля массой 950 кг, чтобы преодолеть уклон 2,00 ° с постоянной скоростью 30,0 м / с, столкнувшись с сопротивлением ветра и трением в сумме 600 Н. Явно покажите, как вы выполняете шаги, указанные в Стратегиях решения проблем в области энергетики .
(a) Рассчитайте мощность на квадратный метр, приходящуюся от Солнца в верхние слои атмосферы Земли. (Возьмем выходную мощность Солнца равной 4,00 × 10 ²⁶ Вт.) [/ Latex] (b) Часть этой мощности поглощается и отражается атмосферой, так что максимум 1.30 кВт / м ² достигает поверхности Земли. Вычислите площадь в км ² коллекторов солнечной энергии, необходимых для замены электростанции, вырабатывающей 750 МВт, если коллекторы преобразуют в электричество в среднем 2,00% максимальной мощности. (Такая малая эффективность преобразования обусловлена самими устройствами и тем фактом, что солнце находится прямо над головой лишь на короткое время.) При тех же предположениях, какая площадь потребуется для удовлетворения энергетических потребностей Соединенных Штатов (1,05 × 10 ²⁰ J)? Энергетические потребности Австралии (5.4 × 10 ¹⁸ Дж)? Энергетические потребности Китая (6,3 × 10 ¹⁹ Дж)? (Эти значения энергопотребления взяты с 2006 г.)

Глоссарий

мощность: скорость выполнения работы

ватт: (Вт) единица мощности СИ, с [латексом] 1 \ text {W} = \ frac {\ text {J}} {\ text {s}} \\ [/ latex]

лошадиных сил: более старая несистемная единица мощности, с 1 л.с. = 746 Вт

киловатт-час: установка кВт · час, используемая в основном для выработки электроэнергии, предоставляемой электроэнергетическими компаниями

Избранные решения проблем и упражнения

1.2 × 10 ⁻¹⁰

3. (а) 40; (б) 8 миллионов

5. 149 долларов США

7. (а) 208 Вт; (б) 141 с

9. (а) 3,20 с; (б) 4,04 с

11. (а) 9,46 × 10 ⁷ Дж; (б) 2,54 л

13. Определить известные: м = 950 кг, угол наклона θ = 2,00º, v = 3,00 м / с, f = 600 Н

Выявить неизвестные: мощность P автомобиля, сила F , что автомобиль относится к дороге

Решение для неизвестного: [латекс] P = \ frac {W} {t} = \ frac {Fd} {t} = F \ left (\ frac {d} {t} \ right) = Fv \\ [/ latex ], Где F параллельно уклону и должно противодействовать силам сопротивления и силе тяжести: [латекс] F = f + w = 600 \ text {N} + mg \ sin \ theta \\ [/ latex] .4 \ text {W} \ end {array} \\ [/ latex]

Около 28 кВт (или около 37 л.с.) приемлемо для автомобиля, чтобы преодолевать небольшой уклон.

Сколько немецкие домохозяйства платят за электроэнергию

В 2019 году ежемесячный счет за электроэнергию для среднего немецкого домохозяйства, состоящего из трех человек, с совокупным годовым потреблением 3500 кВтч, составил 88,7 евро, сообщает BDEW. Это примерно на 78 процентов выше в номинальном выражении, чем уровень 1998 года, но прирост падает до 33 процентов в реальном выражении, то есть с поправкой на инфляцию.

В то время как номинальная цена поставки, распределения и сетевых сборов выросла на 11 процентов по сравнению с отчетным годом, стоимость налогов, сборов и дополнительных сборов выросла на 293 процента. Частично это связано со значительным увеличением надбавки за возобновляемые источники энергии с 0,08 центов / кВтч в 1998 году до 6,4 центов / кВтч в 2019 году.

Надбавка за возобновляемые источники энергии теперь составляет пятую часть счета за электроэнергию домохозяйства. Он соответствует разнице между оптовой ценой и более высокой фиксированной ценой на зеленую энергию, которая гарантируется законом производителям возобновляемой энергии в течение 20 лет.Операторы сетки передают разницу потребителям. В отличие от крупных коммерческих клиентов, домохозяйства обязаны платить полную сумму сборов и налогов.

Согласно BDEW, домохозяйства должны были заплатить 8,2 миллиарда евро из общих 22,7 миллиарда евро надбавки за возобновляемые источники энергии в 2019 году. Это означает, что частные клиенты оплачивают более трети счетов за электроэнергию в стране, в то время как на них приходится менее четверти потребление, как показывают данные Немецкого агентства по окружающей среде (UBA).

После постоянного роста с момента его введения в 2000 году надбавка за ЭЭГ снизилась впервые в 2015 году и снова в начале 2018 года. В 2019 году она снизилась в третий раз. Однако цены на электроэнергию для домашних хозяйств не отражали колебания надбавки за возобновляемые источники энергии. В начале 2019 года средняя цена на электроэнергию была даже на 2,5 процента выше, чем в то же время годом ранее, что, согласно BDEW, было связано с более высокими затратами на приобретение электроэнергии для розничных торговцев на оптовом рынке.Ассоциация энергетиков заявила, что запланированное снижение надбавки к ЭЭГ на 0,25 цт / кВтч в 2021 году в контексте климатического пакета Германии будет компенсировано ростом оптовых цен на электроэнергию.

Промышленная вентиляция в Москве строительство монтаж в Подольске

какие средние траты природного и сжиженного из газгольдера топлива на жилье площадью 200 м2

Какой средний расход топлива на отопление дома 200м

Природный газ

Виды природного газа

Сжиженный газ из баллонов или газгольдера

Полезное видео

Снижаем траты на обогрев 200 м

Сколько понадобится газа на отопление дома 100-200 м2: примеры расчета, способы экономии

Сжиженный газ

Инженерные схемы в частном доме 200м²

Отопление на природном газе – необходимое оборудование и расход газа

Расход газа на отопление дома.

Сколько нужно биогаза чтобы отопить 1000 м2. Как посчитать расход газа на отопление дома, советы по уменьшению финансовых издержек.

Преимущество газа как топлива

Пример расчета потребления газа

Способы экономии газа

От чего зависит аппетит котла

Расчет потребления газа на отопление в зависимости от площади дома

Расчет расхода газа от автономной системы газификации (газгольдера)

Как экономно расходовать газ?

Терморегулирующие элементы

Что учитывать при расчете?

Порядок подсчета расхода голубого топлива

Расчет сжиженного топлива

Советы специалистов — варианты уменьшения расходов на отопление

Сколько газа потребляет газовый котел?

Похожие материалы:

Вычисляем расход газа на отопление дома 100 м2

Выводы

Советуем также почитать:

Углеродный след от использования энергии в домах в США

Значимость

Abstract

Результаты

Энергия и интенсивность выбросов парниковых газов в государствах.

Выбросы на душу населения в США.

Доходы, форма постройки и выбросы в городах.

Обсуждение

Материалы и методы

Подготовка данных.

Модель использования энергии и парниковых газов.

Анализ результатов.

Сценарии.

Сценарий 1: Исходный уровень.

Сценарий 2: Модернизация агрессивной энергетики.

Сценарий 3: декарбонизация сети с агрессивной модернизацией энергии.

Сценарий 4: Распределенная низкоуглеродная энергия.

Доступность данных.

Благодарности

Сноски

РЕАЛЬНАЯ СТОИМОСТЬ ОТОПЛЕНИЯ

Электроэнергия электропечи

Учебник по энергетике для студентов AP, изучающих экологические науки – AP Central

Системы измерения

Работа и энергия

Ньютон

Джоуль

Калорийность

БТЕ

Therm

Мощность

Электростанции

Солнечная энергия

Сводка

Практические вопросы

Ответы

Банкноты

Комплексная оценка экологических и экономических последствий проекта «конверсия угля в газ» в сельских районах северного Китая

Мощность | Физика

Цели обучения

Что такое мощность?

Мощность

Расчет мощности по энергии

Пример 1. Расчет мощности для подъема по лестнице

Стратегия и концепция

Обсуждение

Установление соединений: домашнее расследование – измерьте номинальную мощность

Примеры силы