Геотермальное теплохладоснабжение жилых общественных зданий и сооружений. Нормы проектирования

Рис. 3. Открытая двухтрубная геотермальная система теплоснабжения

1 - геотермальная скважина; 2 - бак аккумулятор; 3 - сетевой насос; 4 - отопительные приборы; 5 - водоразборный кран.

Схема 2б аналогична работе схемы 2а, но сброс отработанного геотермального теплоносителя производится вблизи потребителя. Транзитные подающая и сбросная тепловые сети имеют однотрубную прокладку.

Приведенные схемы не могут быть применены при несоответствии геотермальной воды нормативным требованиям на воду питьевую и при ее температуре ,

где  - температура термальной воды на устье скважин, °С; dt_тр - снижение температуры воды за счет охлаждения при транспортировании, °С; - нормируемая температура воды в системах горячего водоснабжения, °С.

2. Закрытые системы геотермального теплоснабжения

2.1. Закрытые геотермальные системы, обеспечивающие только горячее водоснабжение.

В зависимости от расположения места сброса и источника питьевой воды могут быть использованы три вида схемного решения:

Схема 3а (рис. 4). Геотермальная вода подается на теплообменник ЦТПГ, расположенный вблизи термоводозабора, после чего сбрасывается или закачивается в пласт через скважину обратной закачки. Вода из источника питьевой воды (например, холодной артезианской скважины) нагревается в теплообменнике, транспортируется до потребителя и там разбирается на горячее водоснабжение. Суточная неравномерность водопотребления уравнивается с помощью бака-аккумулятора. Распределительная сеть выполняется однотрубной. Недостатком здесь также, как и у схемы 2а, является отсутствие циркуляции теплоносителя в период отсутствия водоразбора.

Рис. 4. Однотрубная закрытая геотермальная система горячего водоснабжения с источником питьевой воды, расположенным на термоводозаборе

1 - геотермальные скважины термоводозабора; 2 - сборный бак-аккумулятор геотермальной воды; 3 - сетевой насос геотермальной воды; 4 - сетевой насос питьевой воды; 5 - сетевой теплообменник; 6 - однотрубная транзитная теплотрасса; 7 - водоразборный кран

При сравнительно большом удалении термоводозабора от потребителя целесообразна схема 3б. Она отличается от схемы 3а наличием двухтрубной распределительной сети с баком-аккумулятором, которая полностью аналогична такой же распределительной сети, примененной в схеме 1б (см. рис. 2). Преимуществом системы 3б по сравнению с 3а является возможность осуществления циркуляции в распределительной сети в период отсутствия водоразбора.

Схема 3в (рис. 5). Применение этой схемы целесообразно при расположении места сброса отработанной геотермальной воды вблизи потребителя геотермальной теплоты. В соответствии со схемой геотермальный теплоноситель по однотрубной транзитной тепловой сети подается в теплообменник ЦТПГ (который расположен вблизи потребителя), после чего сбрасывается. Негеотермальный теплоноситель питьевого качества, циркулируя по двухтрубной распределительной сети, нагревается в теплообменнике ЦТПГ и подается на водоразбор. Подпитка осуществляется из водопровода. Ввиду сравнительно большой протяженности тепловой сети, по которой транспортируется геотермальная вода, схема 3в может быть рекомендована при отсутствии опасности интенсивной коррозии и солеотложения.

Рис. 5. Однотрубная закрытая геотермальная система горячего водоснабжения

1 - геотермальные скважины термоводозабора; 2 - сборный бак-аккумулятор геотермальной воды; 3 - однотрубная транзитная теплотрасса; 4 - сетевой теплообменник; 5 - сетевые насосы; 6 - водоразборный кран; 7 - двухтрубная распределительная теплосеть; 8 - сбросная теплосеть; 9 - расширительный бак

При эксплуатации термоводозабора методом обратной закачки или расположении места сброса вблизи продуктивной скважины целесообразна схема 3г. Эта схема в основном аналогична схеме 3в. Различие их заключается в том, что ЦТПГ в схеме 3г расположен вблизи термоводозабора, а распределительная сеть (так же, как и в 3в - двухтрубная) имеет транзитный участок, связывающий термоводозабор с потребителем. Преимуществом данной схемы является малая протяженность трубопроводов геотермальной воды, что делает систему менее уязвимой в части коррозии и солеотложения.

2.2. Закрытые геотермальные системы теплоснабжения, обеспечивающие отопление и горячее водоснабжение.

Расположение места сброса вблизи потребителя, а также отсутствие повышенной коррозионной активности и солеотложения делает возможным создание системы с однотрубной транзитной тепловой сетью для транспортирования геотермальной воды до ЦТПГ, расположенного рядом с потребителем. После ЦТПГ геотермальная вода сбрасывается. Распределительная сеть после ЦТПГ, в зависимости от качества и температуры геотермального теплоносителя, может быть четырехтрубной с зависимым присоединением отопления [схема 4а (рис. 6)] четырехтрубной с независимым присоединением отопления [схема 4б (рис. 7)] либо с двухтрубной распределительной сетью и независимым присоединением отопления (схема 4в).

Рис. 6. Закрытая однотрубная геотермальная система теплоснабжения с зависимым присоединением отопления (распределительная сеть четырехтрубная)

1 - геотермальные скважины; 2 - сборный бак-аккумулятор геотермальной воды; 3 - сетевой насос; 4 - однотрубная транзитная теплотрасса; 5 - теплообменник горячего водоснабжения, 6 - регулятор подпитки; 7 - отопительный прибор; 8 - водоразборный кран, 9 - расширительный бак

Рис. 7. Закрытая геотермальная система теплоснабжения с независимым присоединением отопления

1 - геотермальные скважины; 2 - сборный бак-аккумулятор; 3 - сетевой насос геотермальной воды; 4 - транзитная однотрубная теплосеть; 5 - транзитная сбросная теплосеть; 6 - водоподогреватель горячего водоснабжения; 7 - отопительный теплообменник; 8 - сетевой насос распределительной сети отопления; 9 - сетевой насос горячего водоснабжения; 10 - водоразборный кран; 11 - отопительный прибор; 12 - расширительный бак

В случае обратной закачки или возможности сброса вблизи термоводозабора применима схема 4г (рис. 8). Здесь геотермальная вода поступает в ЦТПГ, расположенный вблизи термоводозабора, где отдает свою теплоту негеотермальному теплоносителю в теплообменных аппаратах, после чего закачивается в пласт или сбрасывается. Подготовленный негеотермальный теплоноситель транспортируется от потребителя до ЦТПГ и обратно по двухтрубной распределительной сети, имеющей транзитный участок. В данной схеме (как и у всех схем с расположением ЦТПГ вблизи термоводозабора) положительной является малая протяженность трубопроводов тепловой сети, соприкасающихся с геотермальной водой.

2.3. Закрытые геотермальные системы теплоснабжения, обеспечивающие только отопление.

При непитьевом качестве геотермального теплоносителя и отсутствии воды питьевого качества возможно применение систем теплоснабжения, обеспечивающих только отопление зданий и сооружений.

Рис. 8. Закрытая двухтрубная геотермальная система теплоснабжения

1 - геотермальные скважины термоводозабора; 2 - сборный бак-аккумулятор геотермальной воды; 3 - сетевой теплообменник; 4 - сетевой насос геотермальной воды; 5 - сетевой насос водопроводной воды; 6 - бак-аккумулятор водопроводной воды, 7 - регулятор подпитки; 8 - водоразборный кран ГВ; 9 - отопительный прибор

Схема 5а (рис. 9). Эта схема двухтрубной системы с зависимым присоединением отопления применима при отсутствии угрозы интенсивной коррозии и солеотложения. Система обеспечивает только отопление.

Рис. 9. Геотермальная система теплоснабжения с зависимым присоединением отопления (ГВ отсутствует)

1 - геотермальные скважины; 2 - промежуточный бак-аккумулятор геотермальной воды; 3 - сетевой насос; 4 - отопительные приборы

При расположении места сброса в отдалении от термоводозабора применима схема 5б. Эта схема отличается от 5а наличием однотрубных подающей и сбросной транзитных тепловых сетей. Распределительная сеть двухтрубная. Система обеспечивает только отопление.

Предварительный выбор принципиальной схемы с учетом перечисленных факторов может быть произведен с помощью табл. 1. Оборудование этих систем может быть подобрано с помощью табл. 2.

Б. Принципиальные схемы геотермальных систем теплоснабжения с повышенной эффективностью использования геотермальной теплоты

1. Бессливная система геотермального теплоснабжения

При соответствии качества геотермального теплоносителя требованиям на питьевую воду может быть применена бессливная система геотермального теплоснабжения (рис. 10), обеспечивающая минимальный расход геотермальной воды на единицу расчетной отопительной нагрузки, равный среднечасовому расходу горячего водоснабжения. В этой системе при наименьшем удельном расходе воды (по сравнению со всеми другими схемами) имеют место наибольшая мощность пикового источника теплоты и наибольший расход топлива. Регулирование отопительной нагрузки системы производится путем постепенного сокращения доли пикового догрева, работающего большую часть отопительного сезона с последующим переходом на пропуски. Эффективность такой системы тем выше, чем больше доля ГВ в суммарной тепловой нагрузке.

Таблица 1

Исходные данные проектирования

Характеристика геотермального теплоносителя

Сброс вблизи объекта теплоснабжения

Обратная закачка или сброс вблизи термоводозабора

Источник питьевой воды - водопровод в населенном пункте

Расположение источника питьевой воды

водопровод в населенном пункте

вблизи термоводозабора

Характер теплопотребления

ГВ

ГВ и отопление

отопление

ГВ

ГВ и отопление

отопление

ГВ

ГВ и отопление

отопление

Вода:

питьевого качества

1а

2а

5б

1а

2а

5а

1а

2а

5а

1б

2б

1б

2б

1б

2б

непитьевого качества

3б

4а

5б

3в

4г

5а

3а

4г

5а

4б

4в

Таблица 2

Оборудование

Свойства геотермального теплоносителя

общие

частные

случайная исходная температура, однократное использование и необходимость сброса

малое устьевое давление и недостаточный дебит скважин

сравнительно низкая температура

наличие взвешенных частиц горных пород

высокое газосодержание

высокая коррозионная активность

интенсивное солеотложение в трубопроводах и оборудовании

наличие вредных веществ выше ПДК

Отопительные приборы повышенной теплоплотности

+

Водовоздушные теплообменники

+

Теплонасосные установки (ТНУ)

+

Промежуточные баки-аккумуляторы геотермальной воды

+

+

Погружные скважинные насосы

+

Пиковые котельные

+

Гидроциклоны

+

Дегазаторы

+

Теплообменники водоводяные в антикоррозионном исполнении

+

Трубы и арматура в антикоррозионном исполнении

+

Дозаторы химреагентов

+

+

Ультразвуковые антинакипные установки

+

Установки для обработки сбросной воды

+

Рис. 10. Принципиальная схема бессливной системы геотермального теплоснабжения

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

Система работает следующим образом. Геотермальная вода по однотрубной магистрали от скважины 1 подается к пиковой котельной. Расход этой воды равен среднечасовому расходу на горячее водоснабжение G_г.в, а в подающем трубопроводе двухтрубной распределительной сети среднечасовой расход составляет

G_д.г = G_г.в + G_доб.,                                                          (1)

где G_доб. - добавочный расход теплоносителя, равный расходу в обратном трубопроводе распределительной сети и определяемый по формуле

                                                 (2)

В пиковой котельной 4 суммарный расход воды G_д.г догревается до  и подается в системы отопления 2 через регулятор постоянства расхода 7 и элеватор 9, а также в системы ГВ 3. Суточная неравномерность водопотребления ГВ уравнивается баком-аккумулятором 5, установленным на обратном трубопроводе распределительной сети, циркуляция в этой сети создается насосом 6.

Возможны три варианта соотношений между температурой геотермальной воды и нормируемой температурой теплоносителя в системах ГВ:

а)                                                         

Вся отопительная нагрузка и часть нагрузки ГВ при этом покрывается пиковой котельной. Доля нагрузки горячего водоснабжения g_п, покрываемая пиковой котельной в расчетном режиме, подсчитывается по формуле

                                                  (3)

Расчетная теплопроизводительность пиковой котельной равна

                                                       (4)

где  - расчетная тепловая нагрузка объекта; a, g - доли отопления и горячего водоснабжения в расчетный период.

Пиковая котельная работает круглый год. Величина , значение  определяется по уравнению

                                   (5)

где  - доля нагрузки горячего водоснабжения, покрываемая пиковой котельной в летнем режиме:

                                                       (6)

где t_л - температура водопроводной воды летом:

б)

Пиковая котельная подбирается на расчетную отопительную нагрузку, т.е. Q¢_п = Q¢_об. = a и работает в течение всего отопительного сезона.

Величина = 1, величина  = 0;

в)

В этом случае пиковый догрев обеспечивает часть отопительной нагрузки

                                             (7)

Доля пикового догрева для отопления  определяется по формуле

                                               (8)

Величина  = 0.

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

                                                      (9)

2. Геотермальная система теплохладоснабжения с тепловыми насосами

При технико-экономическом обосновании экономии геотермальной теплоты рекомендуется геотермальная система теплоснабжения с применением теплонасосных установок (ТНУ). В летний период такая система может работать в режиме хладоснабжения.

Теплонасосные установки следует размещать на обратной линии геотермальных систем. На рис. 11 показана упрощенная схема с пиковой котельной и ТНУ.

Рис. 11. Принципиальная схема системы геотермального теплоснабжения с применением пикового догрева и тепловых насосов

1 - скважина; 2 - система отопления; 3 - система горячего водоснабжения; 4 - пиковая котельная; 5 - теплонасосная установка; 6 - бак-аккумулятор; 7 - насос; 8 - конденсаторы; 9 - испарители

Системы геотермального теплохладоснабжения могут выполняться централизованными или децентрализованными.

2.1. Система централизованного теплохладоснабжения с компрессионными тепловыми насосами.