Основные схемы и расчетные характеристики систем геотермального теплоснабжения

4.2.1. О д н о к о н т у р н ы е системы геотермального теплоснабжения могут проектироваться по од­ной из следующих принципиальных схем.

I. В районах с ограниченными ресурсами геотермальных вод рекомендуется первооче­редное рассмотрение технической возможности
и экономической целесообразности использо­вания простейшей схемы
с подачей геотермаль­ной воды на горячее водоснабжение при удов­летворении отопительной нагрузки от других источников теплоты.

Схема не может быть применена при t_т.в << , где -минимально допустимая тем­пература воды в системе горячего водоснабже­ния, °С, при открытом водоразборе (геотер­мальная вода обладает питьевыми качествами) и при t_т.в < +(5 ÷10) в случае использо­вания промежуточных теплообменников.

II. В районах со значительными ресурсами геотермальных вод при ограниченных нагруз­ках потребителей, расположенных в непосредст­венной близости от скважин, а также для огра­ниченного геотермального теплоснабжения от­дельных объектов рекомендуется схема геотер­мального теплоснабжения с параллельной по­дачей геотермальной воды на отопление и го­рячее водоснабжение (рис. 20). Геотермаль­ная вода из скважины направляется непосредст­венно в отопительные системы и системы горя­чего водоснабжения (через бак-аккумулятор).

После отопительной системы вода сбрасывает­ся. Регулирование теплоотдачи в системах отопления осуществляется путем подмешива­ния обратной воды насосом 3.

Рис. 20. Схема с параллельной подачей геотермальной воды
на отопление и горячее водоснабжение:

1- скважина; 2 – система отопления; 3 – насос; 4 – система горячего водоснабжения;

5 – бак аккумулятор

В зависимости от схемы подмешивания (центральное или абонентское) распределитель­ные сети представляют собой соответственно четырех- или трехтрубную прокладку (с уче­том циркуляционной линии горячего водо­снабжения).

Рассмотренная схема не может быть при­менена при и t_т.в < где -тем­пература воды при расчетной температуре на­ружного воздуха для систем отопления, °С.

III. В районах с ограниченными ресурсами геотермальных вод при значительных нагруз­ках потребителей рекомендуется схема геотер­мального теплоснабжения с последовательной подачей геотермальной воды на отопление и горячее водоснабжение. Рассмот­ренная схема неприменима при t_т.в и t_о < 45-50°С.

IV. В районах, где потребность в теплоте превышает тепловой потенциал ресурсов гео­термальной воды, рекомендуются схемы гео­термального теплоснабжения:

1) с параллельной подачей воды на отоп­ление и горячее водоснабжение с пиковым догревом геотермальной воды, идущей на нужды отопления (рис. 21, а);

2) с последовательной подачей геотермаль­ной воды на отопление и горячее водоснабже­ние с пиковым догревом отопительной воды
(рис. 21, б).

Рис. 21. Схема с параллельной (а) и последовательной (б) подачей геотермальной воды на отопление и горячее водоснабжение с пиковым догревом отопительной воды:

1 - скважина; 2 - пиковый подогрев; 3 - система отопления; 4 - система горячего водoснабжения; 5 - бак-аккумулятор

Регулирование системы теплоснабжения производится постепенным уменьшением доли пикового догрева d_т. Если пиковый догрев не­значителен, качественное регулирование может осуществляться путем центрального или або­нентского подмешивания обратной воды. Для данной схемы характерно сокращение удель­ного расхода геотермальной воды на единицу тепловой нагрузки.

V. При необходимости обеспечения мини­мального расхода геотермальной воды на еди­ницу расчетной отопительной нагрузки, рав­ного среднечасовому расходу горячего водо­снабжения, может быть применена бессливная система геотермального теплоснабжения, при которой Q_т.в = Q_г.в (рис. 22). В указанной схе­ме при наименьшем удельном расходе воды (по сравнению со всеми другими схемами) наблюдаются наибольшая мощность пиковых котельных и наибольший расход топлива.

Рис. 22. Схема бессливной системы:

1 - скважина; 2 - пиковая котельная; 3 - система горячего водоснабжения; 4 - регулятор постоянства температуры; 5 - регулятор постоянства расхода; 6 - элеватор; 7 - система отопления; 8 - бак-аккумулятор; 9 - насос

Регулирование системы теплоснабжения производится путем постепенного сокращения доли пикового догрева. Эффективность бес­сливной системы тем выше, чем больше доля горячего водоснабжения в суммарной тепловой нагрузке. Распределительные сети в данной схе­ме выполняются двухтрубными. На схеме (рис. 22) от скважины к пиковой котельной подается средне­часовой расход , т/ч, составит

= G_г.в + G_доб, (13)

где G_гв - среднечасовой расход на горячее водо­снабжение, т/ч; G_дoб - добавочный расход, равный расходу в об­ратном трубопроводе распределительных сетей, т/ч:

. (14)

В пиковой котельной 2 суммарный расход воды догревается до и подается в систе­му отопления 7 через регулятор постоянства расхода 5 и элеватор 6, а также в системы горячего водоснабжения 3; при этом температура поддер­живается регулятором постоянства температур 4. На обратной линии распределительных сетей устанавливают бак-аккумулятор 8 и насос 9.

При реализации бессливной системы воз­можны три варианта соотношения между тем­пературами геотермальной воды и воды, подаваемой на горячее водоснабжение:

1) t_т.в < - вся отопительная нагрузка и часть нагрузки горячего водоснабжения покры­ваются пиковой котельной. Доля нагрузки го­рячего водоснабжения , покрываемая пико­вой котельной в расчетном режиме, подсчиты­вается по формуле

. (15)

Расчетная теплопроизводительность пико­вой котельной, МВт,

, (16)

где - расчетная тепловая нагрузка объекта, МВт; , - доли расчетного дебита геотермальной воды, расходуемые на отопление и горячее водоснабжение.

Пиковая котельная работает круглый год; =1. Значение определяется по урав­нению

, (17)

где - доля нагрузки горячего водоснабжения, покрываемая пиковой котельной в летнем режиме; - продолжительность отопительного сезона, ч.

. (18)

2) = - пиковая котельная подбирается на расчетную отопительную нагрузку, т. е. , и работает в течение всего отопительного сезона; = 1, = 0.

3) > - пиковая котельная подбира­ется на часть отопительной нагрузки

. (19)

Доля пикового догревателя отопления определяется по формуле

, (20)

где - средний за сезон коэффициент отпуска теплоты для систем отопления.

Работа пиковой котельной продолжается до тех пор, пока вносимое геотермальной во­дой количество теплоты не станет равным необходимой теплопроизводительности отопи­тельной системы.

Тогда коэффициент отпуска теплоты , соответствующий моменту отключения пикового догрева, будет определяться по формуле

. (21)

VI. В районах с ограниченными ресурсами геотермальных вод, высокой стоимостью их добычи и транспорта рекомендуется система геотермального теплоснабжения с применени­ем компрессионных тепловых насосов. В летний период эта схема может эксплуатироваться в режиме хладоснабжения.

В тепловых насосах в качестве источников теплоты могут использоваться низкотемпера­турные геотермальные воды ( 15°С).

Оптимальную в тепловом балансе системы долю расчетной производительности термо­трансформаторов при выработке теплоты следует принимать в пределах 0,1÷0,15. Нагрев обратной воды предусматривается до 60°С, отопительный коэффициент при двухступенча­том нагреве принимается μ = 4.

Соотношение расходов нагреваемой в кон­денсаторах воды G_конд и сбрасываемой через испарители G_исп определяется по формуле

, (22)

где и - расчетные температуры воды на выхо­де из конденсаторов и испарителей, °С; - принимается в пределах 5÷10°С; - расчетная темпе­ратура обратной воды систем отопления, °С; m = 0,4 ÷ 0,6.

Компрессионные тепловые насосы следует размещать на обратной линии геотермальных систем отопления. Эффективность работы тепловых насосов возрастает при ис­пользовании низкотемпературных отопитель­ных систем, а также за счет последовательно-противоточного включения нескольких агре­гатов.

Установленную мощность тепловых насо­сов , кВт, и годовой расход электроэнергии , кВт×ч/год, определяют по формулам:

; (23)

, (24)

где - доля расчетной теплопроизводительности теп­лового насоса; -число ступеней нагрева; - дейст­вительный отопительный коэффициент в расчетном режиме; - продолжительность отопительного сезо­на, ч; - среднегодовой коэффициент отпуска теп­лоты

; (25)

1163-коэффициент, вводимый при подстановке , Гкал/ч; при подстановке , кВт, этот коэффициент равен 1.

VII. В регионах с ограниченными ресурса­ми геотермальных вод может быть использова­на также система геотермального теплоснабже­ния с последовательным включением систем водяного и воздушного отопления. Геотермальная вода из скважины направляется параллельно в системы горячего водоснабже­ния (через бак-аккумулятор) и системы отопле­ния. Вода, направляемая на отопление, про­ходит пиковый догрев и затем поступает в системы водяного отопления и калориферы второго подогрева систем воздушного отопле­ния. Обратная вода после калориферов второго подогрева и систем водяного отопления по­ступает в калориферы первого подогрева и затем сбрасывается. Наличие пикового догрева в схеме не является обязательным и зависит от величины .

Регулирование теплоотдачи в схеме осуществляется путем уменьшения доли пикового догрева. Если пиковая котельная не предусматривается, регули­рование производится путем подмешивания обратной воды. С учетом циркуляционной ли­нии горячего водоснабжения, распределитель­ные сети представляют четырехтрубную про­кладку.

Для расчета схемы с последовательным включением системы водяного и воздушного отопления рекомендуются следующие пара­метры: температура сброса = 15-20°С; ко­нечная разность температур между обратной водой и нагреваемым воздухом в калориферах первого подогрева Δt_конд 15°С; температура приточного воздуха после калориферов перво­го подогрева в расчетном режиме = 15°С; расчетная температура приточного воздуха = 60-70°С; температура после пикового догрева .

4.2.2. Д в у х к о н т у р н ы е системы геотермального теплоснабжения не отличаются по принципу построения от описанных выше одноконтурных систем [1]. Примеры двухконтурных и комбинированных схем систем показаны на рис. 23.

4.2.3. П р и п р о е к т и р о в а н и и систем геотермального отопления необходимо учитывать сле­дующие специфические требования:

1) практическую возможность размещения отопительных приборов в отапливаемых по­мещениях при сравнительно низких температурах теплоносителя;

2) создание повышенного расчетного перепада температур теплоносителя в отопитель­ной системе для обеспечения минимального расхода геотермальной воды на единицу тепловой нагрузки;

3) минимальное повышение металлоем­кости и стоимости системы при понижении температурного напора;

4) обеспечение раздельной продувки каждого участка системы отопления;

5) создание герметичности и повышенных скоростей теплоносителя (не менее 0,2 м/с), достаточных для выноса воздуха и осадка;

6) применение минимального количества арматуры и резьбовых соединений.

Рис. 23. Схемы двухконтурных (а – б) и комбинированной (в)
систем геотермального теплоснабжения:

1 - скважина; 2 - теплообменник; 3 - бак-аккумулятор; 4 - насос; 5 - система горячего водоснабжения; 6 - система отопления

В системах геотермального отопления сле­дует преимущественно применять отопитель­ные приборы с бытовой регулировкой теп­лоотдачи по воздуху, например конвекторы «Универсал». Можно использовать системы панельного и потолочно-напольного отопле­ния. Не рекомендуется применять чугунные секционные радиаторы в системах отопления с непосредственной подачей геотермальной воды (одноконтурные системы теплоснабжения), не обладающей питьевыми свойствами. Перевод существующих радиаторных систем на геотермальное теплоснабжение возможен, как прави­ло, только при применении промежуточных теплообменников.

Основными потребителями отопления геотермальными водами являются сезонные потребители. Сезонные потребители (весенние теплицы, парники, обогреваемый грунт, бассейны и др.) включаются по мере сокращения отопительно-вентиляционной нагрузки в целях выравнивания графика годового потребления теплоты и увеличения степени использования дебита скважин.

Если теплично-парниковое хозяйство явля­ется основным потребителем геотермальной воды, процесс включения в работу различных сооружений и соответствующие культурообороты должны предусматриваться с учетом наи­более полного использования дебита и тепло­вого потенциала скважин в течение всего ото­пительного сезона.

Для отопления теплиц могут применяться воздушные системы с сосредоточенной или равномерной раздачей воздуха, работающие на полной рециркуляции. Геотермальную воду, выходящую из системы отопления с темпера­турой выше 35°С, следует направлять в систему грунтового обогрева теплиц, где дополнитель­но используется ее тепловой потенциал.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Учебное пособие, подготовленное кафедрой «Теплогазоснабжение и вентиляция» Саратовского государственного технического университета, отражает основные направления развития систем по использованию возобновляемых источников энергии.

В пособии освещены перспективы использования, область применения, принцип работы, величины экономии энергии, а также конструктивные решения и методы расчета различных элементов и установок использования возобновляемых источников энергии и топлива в системах теплогазоснабжения и вентиляции.

Материалы учебного пособия и приведенные в нем рекомендации позволяют в значительной степени повысить безопасность
и экономичность систем теплогазоснабжения и вентиляции.

В пособии дана оценка современного состояния и обозначены тенденции дальнейшего развития использования возобновляемых источников энергии в системах теплогазоснабжения и вентиляции,
с учетом необходимости решения назревших проблем и задач.

Актуальность учебного пособия определяется, прежде всего, необходимостью изыскания мероприятий по сберегающему использованию невозобновляемых органических видов топлива, а также внедрению экономически целесообразных возобновляемых источников топлива и тепловой энергии.

Материалы учебного пособия актуальны и представляют как научную, так и практическую ценность. Они могут оказаться полезными студентам, аспирантам, а также инженерам-проектировщикам, строителям
и эксплуатационникам систем газо- и энергоснабжения и вентиляции.