Анализ Стэнфордского университета может помочь политикам в США более разумно расходовать миллиарды долларов на финансирование новой федеральной инфраструктуры. Исследование, опубликованное 31 марта в журнале Frontiers in Sustainable Cities, представляет собой первую в своем роде основу для разработки наиболее эффективного строительного комплекса для городского района, а также систем, обеспечивающих очистку сточных вод, охлаждение, отопление и электроснабжение. Этот подход оптимизирует почасовой спрос и подачу электроэнергии и воды с помощью интегрированных электростанций и водоочистных сооружений, расположенных по соседству, что значительно снижает затраты и загрязнение по сравнению с традиционными системами, которые обслуживают большие территории. Это, в свою очередь, может привести к тому, что города станут более пешеходными, пригодными для жизни и доступными по цене.
«Вместо того, чтобы строить вслепую, мы можем использовать эту структуру, чтобы смотреть на долгосрочную перспективу, прогнозировать последствия развития и ставить цифры в планы», - сказал ведущий автор исследования Пуйя Резазаде Калебасти, аспирант в области гражданского и экологического строительства. в Инженерной школе Стэнфорда во время исследования.
Города как проблема и решение
По оценкам ООН, на городские районы приходится более двух третей мирового потребления энергии и выбросов углекислого газа. Их водные источники все больше страдают от глобального потепления и растущего населения. Решение заключается в координации проектирования систем подачи электроэнергии, воды и очистки сточных вод. В отличие от традиционно крупных централизованных электростанций с отдельными функциями, эта локальная интегрированная схема может позволить достичь различных показателей эффективности, таких как направление неиспользуемой электроэнергии или тепла из энергосистемы в работу системы сточных вод или использование сточных вод для охлаждения электростанции. система.
Используя передовые технологии, комплексные электростанции и водоканалы могут быть относительно компактными - размером с два-три малоэтажных дома - высокоэффективными и способными перерабатывать сточные воды в питьевую воду. Они не выделяют запахов, могут работать на возобновляемых источниках энергии, таких как солнечная энергия, и имеют низкий уровень выбросов или вообще не производят выбросов. Каждый завод может обслуживать от 100 до 1000 зданий, в зависимости от размеров зданий и населения. В США, Китае и других странах, особенно в Европе и Канаде, уже существует более 4000 интегрированных систем электроснабжения и водоснабжения. Частные корпорации и университеты, такие как Стэнфорд, добились значительного повышения энергоэффективности после принятия той или иной формы подхода.
Оптимизация систем
С целью оптимизации подхода исследователи смоделировали два сценария за 20 лет смоделированной работы. Первый сценарий представлял собой строительный комплекс и энергетическую систему, спроектированную вместе с традиционной центральной станцией очистки сточных вод, питаемой от сети. Второй сценарий интегрировал передовые системы очистки сточных вод - прямой осмос-обратный осмос и прямой осмос-мембранная дистилляция - в проект здания и энергосистемы.
Анализ показал, что полная интеграция систем электроснабжения и водоснабжения со строительными смесями привела к снижению социального, экологического и экономического ущерба от выбросов углерода на 75%, а также к снижению затрат на оборудование в течение жизненного цикла на 20% по сравнению с традиционными раздельными системами. Сокращение произошло в основном за счет повторного использования отработанного тепла и электроэнергии при очистке сточных вод и питания системы очистки сточных вод от местной энергосистемы с низким или нулевым уровнем выбросов, а не от региональной электросети..
Подход, предложенный в этом исследовании, должен информировать градостроителей и проектировщиков инфраструктуры о ряде оптимальных конфигураций для проектирования района. Таким образом, они могли согласовывать проектирование интегрированных электростанций и гидроэлектростанций с правилами зонирования, такими как наложение ограничений на промышленные здания, чтобы создать более экологически и экономически устойчивые городские районы.
«Приятно видеть, что, интегрируя существующую инфраструктуру с новыми городскими технологиями и оптимизируя их производительность в унисон, мы можем открыть новые, существенные пути к глобальному сокращению выбросов углерода», - сказал соавтор исследования Майкл Лепеч, профессор гражданской и экологической инженерии.
Исследователи надеются, что градостроители когда-нибудь будут использовать расширенную версию фреймворка для разработки ряда других систем, включая вывоз мусора и управление дорожным движением. По мере развития технологий эта структура может также включать новые способы повышения эффективности, такие как использование тепла электростанций для осушения твердых биологических отходов сточных вод, тем самым снижая потребность в утилизации и создавая источник возобновляемого биотоплива..