Systèmes énergétiques intégrés de bois pour le logement durable

Préparé pour:
La Division de la recherche
Société canadienne d'hypothèques et de logement
Chef de projet: Peter Russell

Abstrait

Dans le contexte du logement durable Allen Associates a développé des projets avec des systèmes d'énergie renouvelables, y compris le chauffage au bois. Le dessin gagnant Toronto de la SCHL (Société canadienne d'hypothèques et de logement) Maison saine concurrence mis en évidence la nécessité d'un feu de bois appliance intégrée qui combine espace et chauffage d'eau domestique, la cuisine et la production d'électricité. Ce dispositif service réduits utilisations finales thermiques et électriques et de compléter la production d'électricité photovoltaïque et le chauffage de l'eau solaire thermique.

Ce document traite des principes de logement respectueux de l'environnement et illustre leur application avec trois projets construits. Tous les projets ont utilisé un gros appareil de chauffage au bois de chauffage intégrée de l'eau domestique.

Un projet en cours de la SCHL est décrit qui est l'étude des aspects techniques et de commercialisation de la cogénération au feu de bois. Les technologies telles que la chaleur (ou Stirling), les moteurs à vapeur et turbines à vapeur dans la gamme de 500W à 3000W sont décrits comme des technologies prometteuses. La gazéification du bois ainsi que l'effet thermoionique sont également discutés. Deux appareils intégrés sont proposées pour la poursuite du développement.

Notre changement présent dans direction de durabilité de l'environnement devra promouvoir les technologies vertes et nécessairement reléguer de nombreux produits et pratiques établies à la pile de recyclage. Plusieurs industries peuvent bénéficier directement, y compris les fabricants de poêles à bois, l'industrie de l'outillage mécanique et les fabricants de systèmes de conversion électrique.

Introduction

Il ya une reconnaissance croissante que l'ensemble de nos activités et la conception de dispositifs qui soutiennent ces activités doivent se déplacer vers la durabilité environnementale. Le logement durable signifie que la conception et la construction de nos maisons et nos systèmes d'énergie ainsi que les pratiques dans nos ménages doivent se déplacer vers le maintien des écosystèmes qui nous soutiennent. Les concepts de haute efficacité, faible énergie grise, et les sources d'énergie renouvelables sont compatibles avec la viabilité.

Il est intéressant de noter que, bien que l'approvisionnement en bois bien gérée peut être considéré comme une biomasse renouvelable, il est souvent considéré comme insoutenable en raison de ses émissions de combustion, cependant, les problèmes sont généralement ancrées dans les questions de durabilité de l'application non pas de la source de combustible. Problèmes d'émission peuvent se produire pour les raisons suivantes:

• Biorégion Unique (climatique)
• La vie urbaine insoutenable (voiture dominé, densité)
• Appareils de chauffage au bois à faible efficacité
• Maisons de perte de chaleur élevée (nécessitant des quantités excessives de bois)

Principes de logement durable

Le développement du logement qui est respectueux de l'environnement ne devrait avoir aucun impact environnemental négatif net en termes de bio-régions ou des écosystèmes locaux et mondiaux. Très simplement les entrées et les sorties de ressources qui franchissent les limites du site devraient être bénigne qu'ils soient énergie ou d'eau. Le site lui-même devrait être maintien de la vie comme un écosystème. Des conditions intérieures saines font partie de la conception durable.

La SCHL a mis l'accent sur des «maisons saines» comme un objectif de développement dans le sens le plus large pour leurs activités de logement (réf. 1). Par exhaustive et cohérente la conception pour la santé des occupants (air, eau, sensoriel), l'efficacité énergétique (énergie grise, les énergies renouvelables), l'efficacité des ressources (matériaux, déchets, eau) et la responsabilité environnementale (émissions, eaux usées, de la planification du site, les ordures), logement durable est un résultat naturel.

Trois bâtiments approchant la durabilité environnementale

Allen Associates a été le déplacement vers la conception de bâtiments respectueux de l'environnement, résultant dans certains projets notables. Ces projets ont les caractéristiques suivantes:

• Les niveaux élevés d'isolation
• Enveloppe de faible fuite d'air
• Vitrage haute performance
• La conception solaire passive
• La ventilation contrôlée avec récupération de chaleur
• Feux à haute efficacité, des appareils, des ventilateurs
• Les ressources énergétiques renouvelables
• Passif, le refroidissement appauvrissant la couche d'ozone non-
• Matériaux à faible tox
• Échéant, à faible énergie intrinsèque de la construction
• Conservation de l'eau vaste
• La gestion des eaux usées bénigne
• Site et le renforcement écologisation

La rivière Boyne Centre Ecologie

• Enveloppe thermique très efficace, la construction de masse avec un couplage de terre et le toit de gazon pour un minimum de charge thermique.
• La ventilation naturelle par de hautes fenêtres basses / pour le refroidissement en été. Ventilation passive d'échange de chaleur et de distribution de type déplacement pour la bonne qualité de l'air intérieur en hiver
• Fluorescente compacte efficace et un éclairage halogène avec des contrôles uniques pour réduire la demande sur la fourniture d'électricité limitée
• Living Machine bioregenerative traitement des eaux usées produisant des effluents de meilleure qualité que l'eau d'alimentation de l'étang
• Off-grid alimentation électrique renouvelable à partir de 650 Photovoltaïque W, 1,5 kW éolienne et deux petites turbines hydrauliques 200 kW
• La chaleur de l'espace est principalement l'énergie solaire passive avec une cheminée à bois central 7 kW comme back-up
• Le chauffage domestique de l'eau chaude est solaire thermique augmentée avec la chaleur du bois en hiver par des échangeurs de chaleur au niveau du périmètre de la cheminée.

Kitchener-Waterloo YMCA Environmental Learning Centre

La Terre Residence possède de nombreuses caractéristiques communes avec le Centre d'écologie Boyne:

• Terre toit couvert pour le site écologisation
• Enveloppe de haute performance et de ventilation passive de récupération de chaleur
• Clivus Multrum Les toilettes à compostage et biofiltre Waterloo pour les eaux grises
• Off-grid approvisionnement en énergie renouvelable en utilisant 14 kW poêle à bois de maçonnerie, solaire thermique, photovoltaïque 2 kW et production d'énergie éolienne
• Matériaux de construction en bois recyclés

• Vivre à effet de serre, avec le traitement des déchets de la machine "jardin" fournitures chauffage solaire passif via un étage de masse d'air couplé
• Le reste de l'espace du bâtiment et de l'eau chauffée par 50 kW Portage Chaudière à bois principal et solaire thermique
• Provision pour l'approvisionnement futur en électricité renouvelable raccordée au réseau et l'avenir de chauffage urbain d'autres bâtiments sur le campus de chaudière à bois.
• Ces projets ont été principalement conçus pour minimiser l'impact environnemental de la consommation équilibrée de la ressource avec des mesures pour réparer la structure de support des écosystèmes. Cependant, l'effet cumulatif de l'exécution de ces projets est que nous avons maintenant les principes de technologie et de design pour faire de nouvelles et d'amélioration de l'évolution de la construction, que ce soit une maison individuelle ou d'une communauté, deviennent des «modules de nettoyage de l'environnement". Chaque construction d'une unité d'habitation est l'occasion d'exporter de l'énergie renouvelable, pour clarifier l'eau et de consommer les émissions par une augmentation de verdissement, en bref, pour aider à restaurer l'écosystème réelle.

Crainford Résidence

Il n'a pas d'approvisionnement en électricité renouvelable, mais a un certain nombre de caractéristiques importantes:

• Enveloppe très efficace permet chauffage et de refroidissement à fournir sous forme de flux d'air de ventilation (de ventilateur-récupérateur de chaleur) dans un mode de rayonnement / convection combinée
• Chauffage principal est un poêle à bois de maçonnerie avec réservoir d'eau chaude de gaz comme back-up
• Chauffage de l'eau est solaire thermique augmentée avec la chaleur du bois en hiver via l'échangeur de chaleur dans la boîte à feu
• L'eau de pluie recueillie dans une citerne pour déplacer l'eau traitée
• Passif, le refroidissement ciel nocturne rayonnement (ni CFC)

Durable Profil énergie par les ménages

A durables résultats de la conception du bâtiment dans les budgets de l'énergie gravement réduite. Par définition, la durabilité ne permet pas pour les déchets et un mode de vie de gaspillage énergétique. Comme l'énergie et les designers écologiques de la gagnante du Concours Toronto maison saine de la SCHL (avec l'architecte Martin Liefhebber) nous avons développé un système d'énergie renouvelable à 100%, en effet, la Maison Unplugged. Toutefois, les énergies renouvelables ne sont pas durable si elle est utilisée pour alimenter les utilisations finales inefficaces. Pour faire cette proposition économiquement viable et durable, les budgets énergétiques suivants ont été développés.

Espace Chauffage / Cooking ............... 2500 kWh

Eau chaude sanitaire .................... 1000 kWh

Electricité ..................................... 1500 kWh
==============================
..........................................Nombre de ..... 5000 kWh

Notez que un ménage classique est d'environ 30 000 kWh de charge thermique et électrique totale et un ménage efficace est d'environ 20.000 kWh.

Le 5000 kWh doit être fourni par des ressources renouvelables externes. Le système d'énergie composée de photovoltaïque (PV) la production d'électricité, le chauffage solaire thermique de l'eau domestique et le rythme de la chaleur à bois intégré, la cuisson et l'électricité. La justification de la production d'électricité à base de bois reconnaît le potentiel solaire pauvres en hiver lorsque le chauffage de l'espace est nécessaire.

Le système PV 5 m2 est responsable de 1000 kWh d'électricité et 3 m2 chauffe-eau solaire pour 700 kWh. Les 3300 kWh restants (2500 kWh pour le chauffage et la cuisine habitable, 300 kWh pour l'eau chaude domestique et 500 kWh pour l'électricité) est fourni par la chaleur du bois. L'efficacité globale de combustion est d'au moins 70%. Cela équivaut à environ 4500 kWh ou les trois quarts d'une pleine corde. Ceci est notre meilleure définition d'un taux durable de la consommation de bois pour un ménage sur 0,2 hectares de terrain boisé qui devrait permettre de pratiques forestières durables.

Intégration de chauffage de l'eau

Notre utilisation d'échangeurs de chaleur de l'eau ont déroulé sans principes de conception existants rigoureuses ou les résultats des tests. Les corps de maçonnerie ont été fournis par Norbert Senf de maçonnerie Poêle constructeurs, avec des échangeurs de chaleur. Nos systèmes ont à la fois thermosiphonage et boucles pompés. Les systèmes sont protégés contre bouillante en assurant une décharge automatique de la chaleur à des dispositifs de chauffage supplémentaires, par exemple, convecteurs de tubes à ailettes. Ceux-ci peuvent être situés où inconfort potentiel est pas un problème, par exemple un sous-sol non conditionné.

Les questions de l'approbation du CSA d'échangeurs de chaleur et l'impact sur les émissions restent.

Cogénération intégré au feu de bois

En conséquence du projet SCHL maison saine de Toronto de la nécessité pour le développement d'un faible rendement, cogénérateur au feu de bois à un coût raisonnable a été identifié. Allen Associates a été demandé par la SCHL pour mener une étude sur la faisabilité technique et commerciale des appareils thermiques à base de bois qui pourrait également fournir de l'énergie électrique (Réf. 2).

Le concept se concentre généralement sur la combustion de bois pour produire de la puissance mécanique par l'intermédiaire de la puissance de la vapeur ou directement à partir de la chaleur par l'intermédiaire d'un moteur "de combustion externe» connu comme un moteur Stirling. Cependant, gazogène à bois et des technologies de la thermopile sont également en cours d'évaluation.

Faisabilité de marché

Un marché potentiel pour seul logement cogénération à bois doit être défini. Il est créé pour le marché des poêles à bois en métal, des corps de maçonnerie, des cuisinières et des cheminées pour toute la maison. En termes de types de logement il ya essentiellement trois groupes:

• hors réseau rural de faible densité
• sur la grille basse densité rurale avec des coûts de carburant non ligneux haute
• haute densité sur la grille (urbain) avec les coûts de carburant inférieurs non ligneux

Technologies alternatives et complémentaires seront examinés afin de noter les opportunités ainsi que la concurrence potentielle. Une technologie alternative est digesteurs de méthane-production alimentées par du compost et / ou les déchets humains, et une technologie complémentaire est PV qui complètent l'électricité toute l'année, mais maximiser la production en été lorsque la puissance thermique de la chaleur du bois a une demande plus faible.

Description de la technologie

Typiquement, la cogénération est constitué d'une source d'énergie, un moteur mécanique et un générateur électrique. Une technologie différente en utilisant le principe thermoïonique, peut convertir la chaleur directement en électricité.

La principale source de combustible est supposée être à base de bois: des pastilles, des jetons et bois de corde. Une source renouvelable de carburant est liée déchets organiques solides sur sol humide (compostables) qui peut être conditionnée avec des copeaux de bois, sciure de bois ou de la paille. Ceci est attrayante dans les applications agricoles. Autres déchets agricoles, comme la balle de riz (et peut-être bientôt tiges de chanvre), peut être stock d'alimentation de ces appareils. Deux unités de combustion de carburant avec du propane back-up peuvent également avoir des applications.

L'énergie dérivée pour l'entrée au conducteur mécanique peut être sous la forme de chaleur, vapeur, gaz de bois, et le méthane. La vapeur est produite de façon classique dans les petites chaudières opérant à des pressions aussi faibles que 15 psi. Bois ou au gaz est produit dans des gazéificateurs, une technologie initialement développée au cours de la seconde guerre mondiale quand l'essence était en pénurie (Réf. 3). Les dispositifs sont encombrants et l'alimentation en carburant est «sale» nécessitant un nettoyage spécial pour l'utilisation dans les moteurs conventionnels. Le méthane, le composant principal du gaz naturel, peut être produit par la digestion anaérobie des matières compostables. Certains nettoyage est également nécessaire, mais existe digesteurs qui produisent du biogaz suffisamment propres pour les cogénérateurs des moteurs conventionnels, ainsi que d'un compost de qualité élevée à des fins agricoles.

Pilotes mécaniques à base de chaleur sont Stirling moteurs (Réf. 4). Cet appareil est un moteur sur la base de piston en utilisant un fluide de travail à basse pression, typiquement de l'hélium ou de l'air. De la chaleur est appliquée à une extrémité, l'expansion du fluide de travail ainsi déplacer le piston. Le fluide de travail est ensuite refroidi (ou "régénéré") pour permettre au piston de revenir. La technologie est intrinsèquement un fonctionnement silencieux.

Unités à faible rendement ont une longue tradition dans le tiers monde, notamment en Inde. Les conceptions modernes de moteurs Stirling ont des rendements mécaniques plus de 20% qui les la plus grande efficacité mécanique de petite échelle conversion thermique directe à partir d'une source thermique fait. Cependant, ces unités ont été généralement au gaz naturel et de la disponibilité et les coûts sont un sujet de préoccupation. Les exigences de température pour petit moteur Stirling est un problème. Les températures de fonctionnement baissent quand on va partir de gaz naturel à des pastilles à des puces à bois de corde.

Un moteur Stirling pourrait être chassé combustion de gaz de bois, mais l'efficacité globale serait faible. Plus traditionnellement, le gaz de bois a été utilisé pour piloter des moteurs à piston à combustion interne. Bien que l'efficacité mécanique peut être raisonnable, le gazéificateur est volumineux, complexe et coûteux.

Pour les conducteurs de petites vapeur il ya une gamme d'options disponibles. Moteurs à piston à vapeur sont généralement produits pour les marchés historiques où les regards sont aussi importants que les caractéristiques de fonctionnement. Il existe également des turbines à vapeur basse pression, roue à aubes. Ces technologies sont généralement pas l'efficacité mécanique supérieure à 15%. Il est le développement dans les petites haute performance des moteurs à piston à vapeur et turbines- cependant, il semble y avoir aucune commercialisation par manque d'un marché défini. Les préoccupations de sécurité concernant le fonctionnement des dispositifs de vapeur dans un cadre résidentiel est également un obstacle perçu.

Disponibilité de petits générateurs électriques ne semble pas être un obstacle. Conceptuellement, ils sont tout simplement les moteurs électriques fonctionnent en sens inverse: une mécanique résulte d'entrée dans ouput électrique. Comme avec moteurs, les rendements peuvent dépasser 80%.

L'électricité peut être produite par l'effet thermo-ionique, qui est, l'utilisation de métaux différents peut provoquer des électrons de circuler en présence de chaleur. Cet effet est utilisé dans les thermocouples qui mesurent la température en fonction de changement de flux électrique. Une collection de thermocouples est appelé une thermopile. La technologie a l'avantage d'être tout simplement situé sur le dessus d'une surface chaude, par exemple, passable- ment compartimentées de bois cependant, l'efficacité de la production d'électricité est très faible, moins de 5%.

Dimensionnement de l'équipement

Ce dimensionnement est suffisant pour une électrique au mode de vie confortable cependant, stockage électrique combinée à une gestion automatisée de l'énergie ou résident est supposé. Charges électriques importantes de courte durée, par exemple, machines-outils, peuvent être fournis par un générateur de gaz supplémentaire ou par l'électricité du réseau électrique.

Systèmes et applications possibles

Voici deux configurations possibles pour la future commercialisation.

Intégré Maçonnerie Chauffage / Stirling

Poêles à bois de maçonnerie sont des poêles de stockage thermique qui fonctionnent avec rapide, propre, les brûlures à haute température. Cette conception a une masse élevée de température supplémentaire (par exemple une dalle de pierre ollaire) situé dans la partie la plus chaude de la cheminée de fournir plusieurs heures de chaleur stockée pour le moteur Stirling. Levage des couvercles isolés sur la dalle permettra cuisson à prendre place. Un four est également partie de la conception. Le dessus de la cuisinière est isolé lorsqu'ils ne sont pas utilisés pour la cuisson. En été, lorsque la cuisson que l'on désire, plus de la masse peut être contourné par les gaz de combustion. Le signal électrique de sortie est comprise entre 500 W et 1000 W. Cet appareil est supposé fonctionner avec la production PV complémentaire d'électricité et de chauffage de l'eau solaire thermique. L'eau est chauffée au rejet de la chaleur du moteur Stirling afin d'aider le chauffe-eau solaire.

Générateur de vapeur Séparé

En raison de bruit et de sécurité les préoccupations potentielles d'un générateur de vapeur serait également plus susceptibles être séparé de l'espace vivant. La combinaison est une petite chaudière à vapeur basse pression alimentant un moteur ou la turbine piston. Le chauffage des locaux et le chauffage de l'eau domestique peuvent être fournis par des échangeurs de chaleur de la vapeur directement ou éventuellement après le dispositif mécanique. Ce dispositif peut être tiré sur la demande d'électricité toute l'année, si aucun des autres sources d'énergie renouvelables sont disponibles. En été, la chaleur devra être déversés à l'extérieur si aucune des charges thermiques existent. Cependant, le refroidissement et l'absorption de réfrigération peuvent être envisagées pour améliorer l'utilité de la vapeur.

Prototypes des meilleures technologies avec moins d'intégration existent à la fois sur ce continent et dans le monde. Recherche et développement seront nécessaires pour produire marché produit prêt. Financement du secteur privé doit prendre l'avantage, mais il est dans l'intérêt de l'industrie pour façonner la future opportunité de marché. Prudent, le soutien stratégique du gouvernement au cours du développement est largement remboursé dans la création d'emplois et de nouvelles activités économiques.

Conclusion

Nous devons engager sérieusement et rapidement sur la voie de l'énergie durable de l'environnement compatible avec le développement du logement durable. De nouveaux systèmes d'énergie de la biomasse de bois intégrées, susceptibles complétée par d'autres formes d'énergie renouvelable, joueront un rôle très important dans notre avenir énergétique.

Leur succès dépendra de l'application appropriée, l'économie, la fiabilité, la convivialité et de la monnaie avec les progrès de l'environnement appropriées.

Il est toujours difficile d'apporter de nouveaux produits sur le marché. Ayant identifié des marchés clés et les pénétrations des taux, le défi est de positionner le produit développé correctement pour les ventes à courir. Les barrières sont généralement nombreux dans toute endeavor- par l'effort soutenu, tous, mais le plus fondamental peut être surmontée. La clé est de transformer les obstacles autant que possible en opportunités.

Par exemple, le ralentissement de l'industrie de l'habitation et de la restructuration de la fabrication en Amérique du Nord permet occasion importante de mettre en place la production locale et l'importation de composants de pointe, avec un meilleur climat de la mise en œuvre de existeraient dans un marché résidentiel en surchauffe.

Notre changement présent dans direction de durabilité environnementale devra promouvoir les technologies «vertes» et nécessairement reléguer de nombreux produits et pratiques établies à la pile de recyclage. Plusieurs industries peuvent bénéficier directement, y compris les fabricants de poêles à bois, l'industrie de l'outillage mécanique et les fabricants de systèmes de conversion électrique.

Éléments du logement durable

• Les niveaux élevés d'isolation
• Enveloppe de faible fuite d'air
• Vitrage haute performance
• La conception solaire passive
• La ventilation contrôlée avec récupération de chaleur
• Feux à haute efficacité, des appareils, des ventilateurs
• Sources d'énergie renouvelables
• Passif, le refroidissement appauvrissant la couche d'ozone non-
• Matériaux à faible tox
• Échéant, à faible énergie intrinsèque de la construction
• Conservation de l'eau vaste
• La gestion des eaux usées bénigne
• Site et le renforcement écologisation

1. Société canadienne d'hypothèques et de logement.Maison saine concurrence de la SCHL: Guide et les exigences techniques.Ottawa, 1993.
2. Allen Associates.La faisabilité technique et la commercialisation de la cogénération ménages échelle au feu de bois. Étude pour la SCHL, en cours.
3. Solar Energy Research Institute.Manuel de la biomasse aspirantes gazéificateur Systems moteur.Golden, Colorado, 1988.
4. Walker, G. et al.L'alternative Stirling.Université de Calgary, Calgary, Alberta, 1990.
   

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