mgssuvestВестник МГСУVestnik MGSU1997-09352304-6600Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU)10.22227/1997-0935.2024.11.1779-1788mgssuvest-429Research ArticleИнженерные системы в строительствеEngineering systems in constructionЭмиссия СО2 при работе автономных водяных систем теплоснабженияCO2 emissions during the operation of autonomous water heating systemshttps://orcid.org/0000-0002-7457-6948ТороповА. Л.ToropovA. L.

Алексей Леонидович Торопов — кандидат технических наук, генеральный директор — главный конструктор

105122, г. Москва, Щелковское шоссе, д. 13

РИНЦ AuthorID: 1030472, Scopus: 58406665800

Alexey L. Toropov — Candidate of Technical Sciences, General Director — Chief Designer

13 Schelkovskoe shosse, Moscow, 105122

RSCI AuthorID: 1030472, Scopus: 58406665800

Toropov@aprilgroup.ruИнженерный центр «Апрель» (ИЦ «Апрель»)РоссияEngineering Center “April”Russian Federation202429112024191117791788Copyright © Торопов А.Л., 20242024Торопов А.Л.Toropov A.L.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.vestnikmgsu.ru/jour/article/view/429Введение

Введение. Эмиссия СО2 при работе тепловых генераторов автономных систем теплоснабжения — один из важнейших показателей техногенного воздействия на атмосферу Земли. Генерация тепла выполняется тепловыми насосами (ТН), газовыми и электрическими котлами, системами на твердом и жидком углеводородном топливе. Цель исследования — оценка показателя эмиссии СО2 на киловатт тепловой энергии указанных генераторов систем теплоснабжения при реальной энергетической эффективности работы тепловых генераторов (ТГ) систем теплоснабжения с отопительными приборами радиаторного типа.

Материалы и методы

Материалы и методы. Используются официальные сведения Росстата РФ, доклады министерств энергетики, экономического развития, действующие ГОСТы и нормативные документы. При расчете коэффициентов энергетической эффективности ТГ автономных систем теплоснабжения применялись экспериментальные данные. Расчеты проводились методами математического моделирования.

Результаты

Результаты. Определены значения эмиссии СО2 на киловатт тепловой энергии для автономных систем водяного теплоснабжения при генерации тепловой энергии ТН (воздух–вода) (ASHP), газовыми конденсационными и конвекционными котлами, котлами на твердом и жидком топливе.

Выводы

Выводы. Оценка эмиссии СО2 тепловых генераторов автономного водяного теплоснабжения показала зависимость от структуры производства и транспортировки электрической энергии, климата и используемых отопительных приборов. Все указанные параметры отличаются для разных стран. При анализе данных по конкретным странам минимальный углеродный след имеют разные тепловые агрегаты.

Introduction

Introduction. CO2 emissions during the operation of heat generators of autonomous heat supply systems is one of the most important indicators of the man-made impact on the Earth’s atmosphere. Heat generation is carried out by heat pumps, gas and electric boilers, solid and liquid hydrocarbon fuel systems. The purpose of the work — Assessment of the CO2 emission indicator per kilowatt of heat energy of the specified generators of heat supply systems with real energy efficiency of heat generators of heat supply systems with radiator-type heating devices.

Materials and methods

Materials and methods. Official data of the Federal State Statistics Service of the Russian Federation, reports of the Ministry of Energy, the Ministry of Economic Development, current GOST and regulatory documents are used. Experimental data were used to calculate the energy efficiency coefficients of heat generators of autonomous heat supply systems. The calculations were carried out by methods of mathematical modelling.

Results

Results. The values of CO2 emissions per kilowatt of heat energy for autonomous water heating systems in the generation of heat energy by heat pumps (ASHP), gas condensing and convection boilers, solid and liquid fuel boilers were determined.

Conclusions

Conclusions. The assessment of CO2 emissions of heat generators of autonomous water heat supply showed dependence on the structure of production and transportation of electric energy, climate and heating devices used. All of these parameters are different for different countries. When analyzing country-specific data, different thermal units have minimal carbon footprint.

углеродный следуглеродоемкостьэмиссия СО2тепловой насосгазовый котелэлектрический котелгибридный тепловой насосэнергетическая эффективностьcarbon footprintcarbon intensityCO2 emissionsheat pumpgas boilerelectric boilerhybrid heat pumpenergy efficiencyАвтор благодарит рецензентов за замечания по стилю изложения и научно-технической сути, способствующие более глубокому раскрытию темы научной работы.The author thanks the reviewers for their comments, both in terms of the style of presentation and the scientific and technical essence, which contribute to a deeper disclosure of the topic of scientific work.ReferencesГимади В., Амирагян А., Поминова И., Курдин А., Колобов О., Мартынюк А. и др. Углеродоемкость электроэнергии в мире и России // Энергетический бюллетень. 2019. № 72. С. 82–85.Gimadi V., Amiryagyan A., Pominova I., Kurdin A., Kolobov O., Martynyuk A. et al. Carbon intensity of electricity in the world and Russia. Energy Bulletin. 2019; 72:82-85. (rus.).Белобородов С.С. Cнижения эмиссии СО2: развитие когенерации или строительство ВИЭ? // Энергосовет. 2018. № 1 (51). С. 16–25.Beloborodov S.S. Reducing CO2 emissions: development of cogeneration or construction of renewable energy sources? Energy Council. 2018; 1(51):16-25. (rus.).Hussy С., Klaassen E., Koornneef J., Wigand F. International comparison of fossil power efficiency and CO2 intensity — Update 2014. Netherlands : ECOFYS, 2014. 84 p.Hussy С., Klaassen E., Koornneef J., Wigand F. International comparison of fossil power efficiency and CO2 intensity — Update 2014. Netherlands, ECOFYS, 2014; 84.Киселёв Г.Ю., Троценко В.М., Петрова Е.В., Криволапов В.А., Гиршин С.С., Бубенчиков А.А. и др. Потери электрической энергии в электрических сетях // Омский научный вестник. 2023. № 1 (185). С. 80–85. DOI: 10.25206/1813-8225-2023-185-80-85. EDN TIXXEB.Kiselyov G.Yu., Trotsenko V.M., Petrova E.V., Krivolapov V.A., Girshin S.S., Bubenchikov A.A. et al. Losses of electrical energy in electrical networks. Omsk Scientific Bulletin. 2023; 1(185):80-85. DOI: 10.25206/1813-8225-2023-185-80-85. EDN TIXXEB. (rus.).Шведов Г.В., Сипачева О.В., Савченко О.В. Потери электроэнергии при ее транспорте по электрическим сетям: расчет, анализ, нормирование и снижение. М. : Издательский дом «МЭИ», 2013. 424 с. EDN SUOPLV.Shvedov G.V., Sipacheva O.V., Savchenko O.V. Electricity losses during its transport through electrical networks: calculation, analysis, rationing and reduction. Moscow, Publishing House “MPEI”, 2013; 424. EDN SUOPLV. (rus.).Vadiee A., Dodoo A., Jalilzadehazhari E. Heat supply comparison in a single-family house with radiator and floor heating systems // Buildings. 2019. Vol. 10. Issue 1. P. 5. DOI: 10.3390/buildings10010005Vadiee A., Dodoo A., Jalilzadehazhari E. Heat supply comparison in a single-family house with radiator and floor heating systems. Buildings. 2019; 10(1):5. DOI: 10.3390/buildings10010005Sarbu I., Sebarchievici C. A study of the performances of low-temperature heating systems // Energy Efficiency. 2014. Vol. 8. Issue 3. Рр. 609–627. DOI: 10.1007/s12053-014-9312-4Sarbu I., Sebarchievici C. A study of the performances of low-temperature heating systems. Energy Efficiency. 2014; 8(3):609-627. DOI: 10.1007/s12053-014-9312-4Sarbu I., Sebarchievici C. Performance evaluation of radiator and radiant floor heating systems for an office room connected to a ground-coupled heat pump // Energies. 2016. Vol. 9. Issue 4. P. 228. DOI: 10.3390/en9040228Sarbu I., Sebarchievici C. Performance evaluation of radiator and radiant floor heating systems for an office room connected to a ground-coupled heat pump. Energies. 2016; 9(4):228. DOI: 10.3390/en9040228Livonen M. The guid to radiators for low temperature heating. Zonhoven. Belgium : Radson, 2012. 85 p.Livonen M. The Guid to Radiators for Low Temperature Heating. Zonhoven. Belgium, Radson, 2012; 85.Persson T. Lågtemperaturvärmesystem: En kunskapsöversikt. Falun, Sweden : Högskolan Dalarna, 2000. 103 p.Persson T. Lågtemperaturvärmesystem: En kunskapsöversikt. Falun, Sweden, Högskolan Dalarna, 2000; 103.Myhren J.A., Holmberg S. Design considerations with ventilation-radiators: Comparisons to traditional two-panel radiators // Energy and Buildings. 2009. Vol. 41. Issue 1. Рр. 92–100. DOI: 10.1016/j.enbuild.2008.07.014Myhren J.A., Holmberg S. Design considerations with ventilation-radiators: Comparisons to traditional two-panel radiators. Energy and Buildings. 2009; 41(1):92-100. DOI: 10.1016/j.enbuild.2008.07.014Olesen B.W., de Carli M. Calculation of the yearly energy performance of heating systems based on the European Building Energy Directive and related CEN standards // Energy and Buildings. 2011. Vol. 43. Issue 5. Рр. 1040–1050. DOI: 10.1016/j.enbuild.2010.10.009Olesen B.W., de Carli M. Calculation of the yearly energy performance of heating systems based on the European Building Energy Directive and related CEN standards. Energy and Buildings. 2011; 43(5):1040-1050. DOI: 10.1016/j.enbuild.2010.10.009Casasso A., Capodaglio P., Simonetto F., Sethi R. Environmental and economic benefits from the phase-out of residential oil heating: a study from the Aosta valley region (Italy) // Sustainability. 2019. Vol. 11. Issue 13. P. 3633. DOI: 10.3390/su11133633Casasso A., Capodaglio P., Simonetto F., Sethi R. Environmental and economic benefits from the phase-out of residential oil heating: a study from the Aosta Valley Region (Italy). Sustainability. 2019; 11(13):3633. DOI: 10.3390/su11133633Ravina M., Gamberini C., Casasso A., Panepinto D. Environmental and health impacts of Domestic Hot Water (DHW) boilers in urban areas: a case study from Turin, NW Italy // International Journal of Environmental Research and Public Health. 2020. Vol. 17. Issue 2. P. 595. DOI: 10.3390/ijerph17020595Ravina M., Gamberini C., Casasso A., Panepinto D. Environmental and health impacts of Domestic Hot Water (DHW) boilers in urban areas: a case study from Turin, NW Italy. International Journal of Environmental Research and Public Health. 2020; 17(2):595. DOI: 10.3390/ijerph17020595Торопов А.Л. Исследование работы газовых клапанов конвекционных котлов малой мощности // АВОК: Вентиляция, отопление, кондиционирование воздуха, теплоснабжение и строительная теплофизика. 2020. № 3. С. 58–71. EDN VZQWKW.Toropov A.L. Analysis of operation of gas valves of low-power convection boilers. ABOK. 2020; 3:58-71. EDN VZQWKW. (rus.).Хаванов П.А. Атмосферные газовые горелки автономных генераторов // АВОК. 2003. № 1. C. 54.Havanov P.A. Atmospheric gas burners of autonomous heat generators. ABOK. 2003; 1:54. (rus.).Торопов А.Л. Гидравлическая и тепловая устойчивость работы автономных систем поквартирного теплоснабжения // Вестник МГСУ. 2022. Т. 17. № 7. С. 944–953. DOI: 10.22227/1997-0935.2022.7.944-953Toropov A.L. Hydraulic and thermal stability of independent systems of apartment heating. Vestnik MGSU [Monthly Journal on Construction and Architecture]. 2022; 17(7):944-953. DOI: 10.22227/1997-0935.2022.7.944-953 (rus.).Наумов Н.Р., Марьяндышев П.А., Попов А.Н., Любов В.К. Исследование работы газовых котлов малой мощности // Вестник Череповецкого государственного университета. 2017. № 4 (79). С. 27–33. DOI: 10.23859/1994-0637-2017-4-79-4. EDN ZCDJEB.Naumov N.R., Maryandyshev P.A., Popov A.N., Lyubov V.K. Study on gas boilers of low capacities. Cherepovets State University Bulletin. 2017; 4(79):27-33. DOI: 10.23859/1994-0637-2017-4-79-4. EDN ZCDJEB. (rus.).Хаванов П.А., Чуленев А.С. Климатические параметры и эффективность конденсационных котлов // АВОК. 2016. № 3. C. 56–63. EDN VRANFD.Havanov P.A., Chulenev A.S. Climatic parameters and efficiency of condensation boilers. ABOK. 2016; 3:56-63. EDN VRANFD. (rus.).Хаванов П.А., Чуленев А.С. Результаты испытаний конденсационного котла при различных режимах эксплуатации // Научное обозрение. 2015. № 10–1. С. 45–49. EDN UHPQER.Havanov P.A., Chulenev A.S. Results of condensing boiler tests under different operational regimes. Scientific Review. 2015; 10-1:45-49. EDN UHPQER. (rus.).Табунщиков Ю.А. Конденсационные котлы в автономном теплоснабжении // АВОК: Вентиляция, отопление, кондиционирование воздуха, теплоснабжение и строительная теплофизика. 2016. № 4. С. 26–31. EDN WANDZV.Tabunshchikov Y.A. Condensing boilers in autonomous heat supply. ABOK. 2016; 4:26-31. EDN WANDZV. (rus.).Bonaros V., Gelegenis J., Haris D., Giannakidis G., Zeryas K. Analysis of the energy and cost savings caused by using condensing boilers for heating dwellings in Greece // 5th International Conference on Applied Energy ICAE2013. 2013. DOI: 10.13140/RG.2.1.2731.4406Bonaros V., Gelegenis J., Haris D., Giannakidis G., Zeryas K. Analysis of the energy and cost savings caused by using condensing boilers for heating dwellings in Greece. 5th International Conference on Applied Energy ICAE2013. 2013. DOI: 10.13140/RG.2.1.2731.4406Aksenov A.K., Kosorukov D.P. Application of condensation economizers in order to increase the energy efficiency of gas boilers of a traditional type // International Multi-Conference on Industrial Engineering and Modern Technologies (FarEastCon). 2020. Рр. 1–4. DOI: 10.1109/fareastcon50210.2020.9271452Aksenov A.K., Kosorukov D.P. Application of condensation economizers in order to increase the energy efficiency of gas boilers of a traditional type. International Multi-Conference on Industrial Engineering and Modern Technologies (FarEastCon). 2020; 1-4. DOI: 10.1109/fareastcon50210.2020.9271452Leonzio G., Fennell P.S., Shah N. Air-source heat pumps for water heating at a high temperature: State of the art // Sustainable Energy Technologies and Assessments. 2022. Vol. 54. P. 102866. DOI: 10.1016/j.seta. 2022.102866Leonzio G., Fennell P.S., Shah N. Air-source heat pumps for water heating at a high temperature: State of the art. Sustainable Energy Technologies and Assessments. 2022; 54:102866. DOI: 10.1016/j.seta.2022.102866Tabatabaei S.A., Treur J. Comparative Analysis of the Efficiency of Air Source Heat Pumps in Different Climatic Areas of Iran // Procedia Environmental Sciences. 2016. Vol. 34. Рр. 547–558. DOI: 10.1016/j.proenv.2016.04.048Tabatabaei S.A., Treur J. Comparative analysis of the efficiency of air source heat pumps in different climatic areas of Iran. Procedia Environmental Sciences. 2016; 34:547-558. DOI: 10.1016/j.proenv.2016.04.048Xu Y., Huang Y., Jiang N., Song M., Xie X., Xu X. Experimental and theoretical study on an air-source heat pump water heater for northern China in cold winter: Effects of environment temperature and switch of operating modes // Energy and Buildings. 2019. Vol. 191. Рр. 164–173. DOI: 10.1016/j.enbuild.2019.03.028Xu Y., Huang Y., Jiang N., Song M., Xie X., Xu X. Experimental and theoretical study on an air-source heat pump water heater for northern China in cold winter: Effects of environment temperature and switch of operating modes. Energy and Buildings. 2019; 191:164-173. DOI: 10.1016/j.enbuild.2019.03.028Kul O., Ugural M.N. Comparative economic and experimental assessment of air source heat pump and gas-fired boiler: a case study from Turkey // Sustainability. 2022. Vol. 14. Issue 21. P. 14298. DOI: 10.3390/su142114298Kul O., Ugural M.N. Comparative economic and experimental assessment of air source heat pump and gas-fired boiler: a case study from Turkey. Sustainability. 2022; 14(21):14298. DOI: 10.3390/su142114298Pieper H., Krupenski I., Markussen W.B., Ommen T., Siirde A., Volkova A. Method of linear approximation of COP for heat pumps and chillers based on thermodynamic modelling and off-design operation // Energy. 2021. Vol. 230. P. 120743. DOI: 10.1016/j.energy.2021.120743Pieper H., Krupenski I., Markussen W.B., Ommen T., Siirde A., Volkova A. Method of linear approximation of COP for heat pumps and chillers based on thermodynamic modelling and off-design operation. Energy. 2021; 230:120743. DOI: 10.1016/j.energy.2021.120743Колечкина А.Ю., Захаров А.В. Повышение энергоэффективности зданий за счет использования систем горизонтальных теплообменников // Construc-tion and Geotechnics. 2016. Т. 7. № 1. C. 112–122. DOI: 10.15593/2224-9826/2016.1.13Kolechkina A.Yu., Zaharov A.V. Increasing the energy efficiency of buildings through the use of ho-rizontal heat exchanger systems. Construction and Geotechnics. 2016; 7(1):112-122. DOI: 10.15593/2224-9826/2016.1.13 (rus.).Чичерин С.В. Место теплоснабжения в современном городе // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Строительство и архитектура. 2018. Т. 9. № 3. С. 79–87. DOI: 10.15593/2224-9826/2018.3.08. EDN YKKDLF.Chicherin S.V. District heating for a urban sustainable future. Construction and Geotechnics. 2018; 9(3):79-87. DOI: 10.15593/2224-9826/2018.3.08. EDN YKKDLF. (rus.).Pollard A., Berg B. Heat pump performance. Jungeford, New Zealand : BRANZ Ltd, 2018. 24 p. DOI: 10.13140/RG.2.2.25116.13449Pollard A., Berg B. Heat pump performance. Jungeford, New Zealand, BRANZ Ltd, 2018; 24. DOI: 10.13140/RG.2.2.25116.13449Rossi di Schio E., Ballerini V., Dongellini M., Valdiserri P. Defrosting of air-source heat pumps: effect of real temperature data on seasonal energy performance for different locations in Italy // Applied Sciences. 2021. Vol. 11. Issue 17. P. 8003. DOI: 10.3390/app11178003Rossi di Schio E., Ballerini V., Dongellini M., Valdiserri P. Defrosting of air-source heat pumps: effect of real temperature data on seasonal energy performance for different locations in Italy. Applied Sciences. 2021; 11(17):8003. DOI: 10.3390/app11178003Ruhnau O., Hirth L., Praktiknjo A. Time series of heat demand and heat pump efficiency for energy system modeling // Scientific Data. 2019. Vol. 6. Issue 1. DOI: 10.1038/s41597-019-0199-yRuhnau O., Hirth L., Praktiknjo A. Time series of heat demand and heat pump efficiency for energy system modeling. Scientific Data. 2019; 6(1). DOI: 10.1038/s41597-019-0199-yMyhren J.A., Holmberg S. Design considerations with ventilation-radiators: Comparisons to traditional two-panel radiators // Energy and Buildings. 2009. Vol. 41. Issue 1. Рр. 92–100. DOI: 10.1016/j.enbuild.2008.07.014Myhren J.A., Holmberg S. Design considerations with ventilation-radiators: Comparisons to traditional two-panel radiators. Energy and Buildings. 2009; 41(1):92-100. DOI: 10.1016/j.enbuild.2008.07.014Olesen B.W., de Carli M. Calculation of the yearly energy performance of heating systems based on the European Building Energy Directive and related CEN standards // Nergy and Buildings. 2011. Vol. 43. Issue 5. Рр. 1040–1050. DOI: 10.1016/j.enbuild.2010.10.009Olesen B.W., de Carli M. Calculation of the yearly energy performance of heating systems based on the European Building Energy Directive and related CEN standards. Energy and Buildings. 2011; 43(5):1040-1050. DOI: 10.1016/j.enbuild.2010.10.009Торопов А.Л. Применение электрических котлов для водяного поквартирного теплоснабжения // Вестник МГСУ. 2023. Т. 18. № 9. C. 1451–1465. DOI: 10.22227/1997-0935.2023.9.1451-1465Toropov A.L. Application of electric boilers for water apartment heat supply. Vestnik MGSU [Monthly Journal on Construction and Architecture]. 023; 18(9):1451-1465. DOI: 10.22227/1997-0935.2023.9.1451-1465 (rus.).Торопов А.Л. Энергетическая эффективность электрического котла с косвенным поверхностным резисторным нагревом теплоносителя // Вестник МГСУ. 2023. Т. 18. № 6. С. 927–934. DOI: 10.22227/1997-0935.2023.6.927-934Toropov A.L. Energy efficiency of an electric boiler with indirect surface resistive heating of the heat carrier. Vestnik MGSU [Monthly Journal on Construction and Architecture]. 2023; 18(6):927-934. DOI: 10.22227/19970935.2023.6.927-934 (rus.).Пузырев Е.В. Детерминированный и стохастический подходы в расчетах и анализе потерь электрической энергии при оценке эффективности функционирования распределительных сетей : автореф. дис. … канд. техн. наук. Красноярск, 2019. 20 с.Puzyrev E.V. Deterministic and stochastic approaches in calculations and analysis of electrical energy losses when assessing the efficiency of distribution networks : abstract of thesis for the degree of candidate of technical sciences. Krasnoyarsk, 2019; 20. (rus.).Прокопова Л.В., Волков Ю.В. Экологические проблемы при производстве электрической и тепловой энергии : практикум. СПб., 2019. 101 с.Prokopova L.V., Volkov Yu.V. Environmental problems in the production of electrical and thermal energy : workshop. St. Petersburg, 2019; 101. (rus.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.