Дата публикации: 20.03.2022
Магистрант Абикен Абылай,
Научный руководитель доцент Жуманов М.А
КазНУ им. Аль-Фараби, Алматы
Аннотация. В данной статье рассмотрены различные схемы использования термальных вод для отопления и горячего водоснабжения жилых и промышленных зданий. Использование геотермальной энергии (наряду с использованием других экологически чистых возобновляемых источников энергии) может внести существенный вклад в обеспечении устойчивого тепло- и электроснабжения населения.
Ключевые слова: геотермальная энергия, теплообменник системы отопления, скважина, тепловой насос
Для отопления и горячего водоснабжения жилых и производственных зданий необходима температура воды не ниже 50-60 °С [1].
Наиболее рациональное использование термальных вод может быть достигнуто при последовательной их эксплуатации: первоначально в отоплении, а затем в горячем водоснабжении. Но это представляет некоторые трудности, так как потребность в горячей воде по времени года относительно постоянна, тогда как отопление является сезонным, оно зависит от климатических условий района, температуры наружного воздуха, времени года и суток.
Теплоснабжение высокотемпературной сильно минерализованной термальной водой.
Термальная вода имеет температуру выше 80° С, но сильно минерализована. В этих условиях возникает необходимость в устройстве промежуточных теплообменников. Принципиальное решение такой схемы показано на рисунке 1.
1 – скважина; 2 – теплообменник системы отопления; 3 – теплообменник горячего водоснабжения 1-й ступени; 4 – то же, 2-й ступени; 5 – система отопления.
Рисунок 1 - Принципиальная схема геотермального теплоснабжения с теплообменниками.
Здесь термальная вода из скважин разделяется на две параллельные ветви: одна направляется в теплообменник отопления и затем в теплообменник 1-й ступени подогрева воды для горячего водоснабжения; вторая — в теплообменник 2-й ступени.
Чтобы избежать зарастания трубопровода, термальную воду используют с промежуточным теплообменником. Высокоминерализованную воду из скважины подают в резервуар со змеевиками, по которым поступает пресная речная вода. Нагретая пресная вода идет к потребителю, а выпадающие из термальных вод соли осаждаются в резервуаре и на наружных поверхностях змеевика. Недостатком схемы с теплообменником является сокращение срабатываемого потенциала термальной воды (на конечную разность температур в теплообменнике).
Вышеописанная схема весьма применима для Кабардино-Балкарии. Теплоснабжение низкотемпературной маломинерализованной термальной водой.
Термальная вода маломинерализована, но с низким тепловым потенциалом (температура ниже 80 °С). Здесь требуется повышение потенциала термальной воды. Осуществить это можно разными методами, приведем основные из них:
а) подача термальной воды параллельно на отопление и горячее водоснабжение и пиковый догрев отопительной воды;
б) бессливная система геотермального теплоснабжения;
в) применение тепловых насосов;
г) совмещенное применение тепловых насосов и пикового догрева.
По схеме (а) термальная вода из скважин поступает в систему горячего водоснабжения и параллельно в пиковую котельную. Здесь она догревается до температуры, соответствующей метеорологическим условиям, и подается в системы отопления (рисунок 2). Данная схема особенно целесообразна для районов с дорогим бурением, так как пиковая котельная позволяет сократить число скважин.
1 – скважина; 2 – пиковый догреватель; 3 – система отопления; 4 – бак-аккумулятор.
Рисунок 2 - Принципиальная схема геотермального теплоснабжения с параллельной подачей геотермальной воды на отопление и горячее водоснабжение и пиковым догревом воды на отопление.
Схема (б) представляет более сложный вариант предыдущей схемы. Здесь термальная вода, поступающая из скважин, нагревается до температуры 160-200 °С, что обусловливается климатическими условиями и позволяет достичь равенства воды в тепловых сетях и системах горячего водоснабжения.
На рисунке 3 приведена принципиальная схема такой установки.
0 – скважина; 1 – дегазатор; 2 – химводоочистка; 3 – водоподогреватель; 4 – смеситель; 5 – система отопления; 6 – система горячего водоснабжения; 7 – бак-аккумулятор; 8 – котельная.
Рисунок 3 - Принципиальная схема бессливной системы геотермального теплотеплоснабжения.
Из скважины 0 термальная вода поступает в котельную 8, затем, пройдя через дегазатор 7 и химводоочистку 2, подается в нагреватель 5. Перегретая вода направляется в жилые дома. Абонентский ввод каждого дома оборудован смесителем 4, в котором сетевая вода смешивается с отработанной водой из системы отопления. Смесь требуемой температуры последовательно проходит систему отопления 5, а затем полностью расходуется в системе горячего водоснабжения 6. Предусмотрена возможность сброса отработанной воды из системы отопления в канализацию, а также установка бака-аккумулятора 7 для одного или группы зданий.
С повышением температуры наружного воздуха расход воды на вводе остается постоянным, часть воды поступает в систему горячего водоснабжения, минуя систему отопления по специальной перемычке. При этом с помощью терморегулятора поддерживается одинаковая температура воды в системе горячего водоснабжения в течение всего отопительного сезона.
В летний период термальная вода подается на горячее водоснабжение, минуя подогреватель, по обводному трубопроводу в котельной.
Осуществление такой схемы позволяет полнее использовать тепло термальной воды, сократив до минимума число скважин, уменьшить диаметр тепловых сетей и их протяженность, снизить металлоемкость систем отопления. Однако в такой системе пиковая котельная превращается по существу в базисный генератор тепла для отопления, который работает весь отопительный сезон. Отсюда большая установленная мощность котельной и большой расход топлива. Существует мнение, что температура догрева не должна превышать 100 °С из-за опасности возникновения коррозии и накипи. В таком случае распределительные сети рекомендуется выполнять двухтрубными. Это дополнительный фактор, снижающий эффективность системы.
Схема (в) предусматривает утилизацию тепла низкотемпературных термальных источников при помощи теплового насоса. На рисунке 4 показана типовая схема теплоснабжения с компрессионным тепловым насосом.
1 – скважина; 2 – испаритель; 3 – компрессор; 4 – конденсатор; 5 – регулирующий вентиль.
Рисунок 4 - Принципиальная схема геотермального теплоснабжения с применением теплового насоса.
Горячая вода из скважин 1 подается к испарителю теплового насоса 2, где происходит передача ее тепла быстро испаряющемуся рабочему веществу. Образующиеся пары сжимаются компрессором 3 и направляются в конденсатор 4, где конденсируются при более высоком давлении, отдавая тепло воде, циркулирующей в системе отопления. Охлажденная вода сбрасывается в канализацию. Эффективность схемы повышается при работе теплового насоса летом в режиме холодильной машины. В целях более полного срабатывания тепла термальной воды была предложена более сложная модификация этой схемы с тепловыми насосами.
Схема (г) – комплексная система теплоснабжения с трансформацией тепла сбросной воды в сочетании с пиковым ее подогревом и качественным регулированием (рисунок 5).
1 – скважина; 2 – водоочистка; 3 – насосная станция; 4 – транзитный теплопровод; 5 – пиковый догреватель; 6 – система отопления; 7 и 12 – смесители; 8 – конденсаторы; 9 – испарители; 10 – система горячего водоснабжения; 11 – бак-аккумулятор.
Рисунок 5 - Схема комплексного геотермального теплоснабжения с применением пикового догрева и тепловых насосов.
С целью повышения отопительного коэффициента и обеспечения более гибкого регулирования теплонасосные агрегаты включаются в систему теплоснабжения по последовательно-противоточной схеме так, чтобы нагрев воды в конденсаторе 8 и охлаждение сбрасываемой воды в испарителях 9 осуществлялось в несколько ступеней.
С изменением температуры наружного воздуха качественное регулирование осуществляется пиковой котельной, тогда как теплопроизводительность теплового насоса и потребление воды из скважин остаются неизменными. После отключения пиковой котельной качественное регулирование осуществляется тепловым насосом. Это обеспечивает равномерный годовой график потребления воды из скважин.
В этой системе доля использования тепла геотермальной воды тем больше, чем ниже расчетная температура в системах отопления. Поэтому здесь целесообразно применение конвекторной или панельной систем отопления, где расчетная температура 40-45° С.
Все сказанное заставляет критически относиться к данным схемам и выбор ее обосновывать тщательным экономическим расчетом в каждом конкретном случае.
Литература
-
Васильев Г.П. Теплохладоснабжение зданий и сооружений с использованием низкопотенциальной тепловой энергии поверхностных слоев земли. М.: Граница, 2006. — 173 с.
-
Васильев Г. П. Теплонасосные системы теплоснабжения (ТСТ) для потребителей тепловой энергии в сельской местности // Теплоэнергетика. – 1997. – № 4. – С. 24–27
-
Тепловые насосы. https://works.doklad.ru/view/yf0p9VtQ-Jo/2.html
-
Типы тепловых насосов для отопления: виды, преимущества и применение URL: https://ventbazar.ua/blog/tipy-teplovyx-nasosov-dlya-otopleniya.html