Геотермальное теплохладоснабжение жилых общественных зданий и сооружений. Нормы проектирования

Принципиальная схема системы изображена на рис. 12.

Рис. 12. Система централизованного теплохладоснабжения с тепловыми насосами

1 - источник; 2 - дегазация; 3 - насосная станция; 4 - транзитная теплосеть; 5 - пиковая котельная; 6 - агрегаты теплового насоса; 7 - конденсаторы; 8 - испарители; 9 - циркуляционный насос; 10 - абоненты системы отопления; 11 - абоненты горячего водоснабжения; 12 - смеситель системы отопления; 13 - смеситель горячего водоснабжения; П, О - прямая и обратная вода системы отопления; Г - линия горячего водоснабжения; В - вентили (задвижки)

В этой системе при работе в режиме теплоснабжения:

а) трехтрубная тепловая сеть - открыты вентили В₁, В₉, В₁₁, B₁₂, B₆, В₃, В₁₄, В₇, B₁₀, В₁₇; закрыты вентили В₄, B₅, B₈, B₁₃, B₁₅, B₁₆. Вентиль В₂ закрыт в период работы пиковой котельной;

б) двухтрубная тепловая сеть - открыты вентили В₁, В₉, В₁₁, B₁₂, B₆, В₃, В₇, B₁₃, B₁₇; закрыты вентили В₄, B₅, B₈, В₁₀, B₁₄, B₁₅, B₁₆.

При работе в режиме хладоснабжения открыты вентили В₄, В₅, B₁₇, B₈, B₁₁, В₁₄, B₁₀, (или B₁₄, B₁₅); закрыты вентили B₁, B₁₅ (или В₁₀), B₁₂, B₁₃, В₆, В₃, B₇, B₉, В₁₆.

При работе в режиме теплоснабжения с низкотемпературными источниками теплоты ( ), открыты вентили B₁, B₉, В₁₁, B₁₂, B₁₃, B₁₆, B₆, В₃, B₁₇, В₇; закрыты вентили В₁₀, B₁₅, В₁₄, В₄, B₅, B₈.

Примечание: При достаточном дебите термоводозабора возможен режим работы с закрытым вентилем В₁₂.

2.2. Система децентрализованного теплохладоснабжения с компрессионными тепловыми насосами.

Принципиальная схема этой системы изображена на рис. 13. При работе в режиме теплоснабжения открыты вентили B₁, В₁₁, B₁₂, B₆, В₃, B₁₀, В₇; закрыты вентили В₈, В₄, B₅, B₉; вентиль В₂ закрыт в период работы пиковой котельной. При работе в режиме хладоснабжения открыты вентили B₁, B₈, B₅, B₉, В₄; закрыты вентили B₆, В₃, В₇, В₁₀, В₁₁, B₁₂.

Рис. 13. Система децентрализованного теплохладоснабжения с тепловыми насосами

1 - источник; 2 - дегазация; 3 - насосная станция; 4 - транзитная теплосеть; 5 - пиковая котельная; 6 - агрегаты теплового насоса; 7 - конденсаторы; 8 - испарители; 9 - насос; 10 - система отопления и охлаждения; 11 - система горячего водоснабжения; 12 - смеситель системы отопления; 13 - смеситель системы горячего водоснабжения; П, О - прямая и обратная вода системы отопления; Г - линия горячего водоснабжения; В - вентили (задвижки)

Распределительные сети в централизованных системах при работе только в режиме теплоснабжения являются 2-трубными. При работе по летнему режиму - 3-трубными (прямая и обратная линии холодной воды и линия горячего водоснабжения) или 4-трубными (с циркуляционной линией ГВ).

Распределительные сети в децентрализованных системах представляют собой в основном однотрубную прокладку, за исключением участков между абонентами, если ТНУ установлены на групповом вводе.

Эффективность работы тепловых насосов возрастает при использовании низкотемпературных отопительных систем, а также за счет последовательно-противоточного включения нескольких агрегатов.

Соотношение расходов нагреваемой в конденсаторах ТНУ воды G_к и сбрасываемой через испарители G_и определяется по формуле

                                                  (10)

где  и  - расчетные температуры воды на выходе из конденсаторов и испарителей (сброс), °С; величина  принимается 5 - 25 °С;  - расчетная температура обратной воды в тепловой сети после системы отопления, °С; m - отопительный коэффициент ТНУ, при ориентировочных расчетах принимается m = 3 ¸ 4.

Ориентировочная установленная мощность ТНУ N_т.н и годовой расход электроэнергии Р_т.н определяются по формулам:

                                                      (11)

и

                                          (12)

где  и  - доля расчетной и среднегодовой тепловой мощности теплового насоса соответственно; m_ср. - среднегодовой отопительный коэффициент ТНУ; Т_сез. - продолжительность отопительного сезона; j_ср. - среднегодовой коэффициент отпуска теплоты, который можно вычислить по формуле (3) п. 2.6. Норм.

3. Открытая геотермальная система с комбинацией водяного и воздушного отопления

При исходных условиях проектирования аналогичных предыдущему пункту и высоком качестве геотермальной воды может быть рекомендована открытая геотермальная система теплоснабжения с последовательным включением водяного и воздушного отопления (рис. 14).

Рис. 14. Принципиальная схема системы геотермального теплоснабжения с комбинированным использованием систем водяного и воздушного отопления

1 - геотермальная скважина; 2 - пиковая котельная; 3 - система водяного отопления; 4 - система воздушного отопления; 5 и 6 - калориферы первой и второй ступени подогрева; 7 - водоразборный кран ГВ; 8 - бак-аккумулятор ГВ

В соответствии со схемой геотермальная вода из скважины 1 направляется параллельно в системы ГВ 7 и отопления. Вода, поступающая на отопление, проходит пиковый догрев 2 и затем подается в системы водяного отопления 3 и параллельно в калориферы второго подогрева 6 системы воздушного отопления 4. Обратная вода после калориферов второго подогрева 6 и систем водяного отопления 3 поступает в калориферы первого подогрева 5 и затем сбрасывается. Наличие пикового догрева в схеме не является обязательным и зависит от величины .

Регулирование системы производится путем уменьшения доли пикового догрева с переходом на пропуски при его отключении. Если пиковая котельная отсутствует или нежелательно переходить на ранние пропуски, то может производиться качественное регулирование путем подмешивания обратной воды. С учетом циркуляционной линии ГВ распределительные сети имеют четырехтрубную прокладку.

Уравнение теплового баланса отопительных установок системы описывается выражением

                           (13)

где a_в - доля систем воздушного отопления в общей расчетной отопительной нагрузке объекта;  - расчетная отопительная нагрузка объекта, МВт;  - расчетная теплопроизводительность систем воздушного отопления, МВт;

                                             (14)

расчетный расход геотермальной воды в водяных системах отопления;

                                             (15)

расчетный расход воды через калориферы второго подогрева; ;  - расчетная нагрузка и температура обратной воды калориферов 2-го подогрева.

Применение схемы, представленной на рис. 14. возможно только при , где dt - снижение температуры геотермального теплоносителя из-за теплопотерь при транспортировании. При низкой  схема может применяться без ГВ.

4. Комплексные геотермальные системы теплоснабжения

Комплексные геотермальные системы теплоснабжения могут охватывать отопление гражданских зданий и, например, весенних теплиц, отопление гражданских, промышленных зданий и обеспечение технологических нужд производств (автомойки, прачечные и пр.) а также отопление теплиц и горячее водоснабжение гражданских и производственных зданий; они способны обеспечить существенное повышение технико-экономических показателей термоводозаборов с одновременным достижением дополнительного социального эффекта.

Выбор принципиальной схемы комплексной системы теплоснабжения как и у всякой геотермальной системы, зависит от ряда исходных природных данных, уже рассмотренных ранее.

4.1. Комплексные геотермальные системы теплоснабжения, обеспечивающие отопление теплиц и горячее водоснабжение (ГВ) гражданских и промышленных зданий.

Принципиальные схемы комплексных систем, обеспечивающих отопление теплиц и горячее водоснабжение других объектов (в том числе и на технологические нужды), изображены на рис. 15 и 16.

Рис. 15. Комплексная двухтрубная геотермальная система теплоснабжения с пиковой котельной

1 - геотермальные скважины; 2 - промежуточная сборная емкость; 3 - насосная станция; 4 - отопление тепличного комбината; 5 - насосная станция обратной закачки; 6 - скважины обратной закачки; 7 - сетевой теплообменник; 8 - сетевые насосы; 9 - подпиточный насос; 10 - регулятор подпитки; 11 - сетевой бак-аккумулятор; 12 - водоразборный кран; 13 - пиковая котельная; 14 - регулирующие задвижки; 15 - регулятор

Рис. 16. Комплексная двухтрубная геотермальная система теплоснабжения с ТНУ

1 - геотермальные скважины; 2 - промежуточная емкость; 3 - насосная станция; 4 - отопление тепличного комбината; 5 - насосная станция обратной закачки; 6 - скважины обратной закачки; 7 - сетевой теплообменник; 8 - испарители ТНУ; 9 - конденсаторы ТНУ; 10 - сетевые насосы; 11 - подпиточный насос; 12 - регулятор подпитки; 13 - водоразборный кран; 14 - сетевой бак-аккумулятор; 15 - регулирующие задвижки; 16 - регулятор

Наличие транзитного участка распределительных двухтрубных сетей связано с необходимостью расположения ЦТПГ на термоводозаборе ввиду обратной закачки (в другом случае это может быть место сброса. Системы различаются лишь видом пикового источника теплоты. В схеме на рис. 15 таким источником служит пиковая котельная, работающая на органическом топливе и расположенная в населенном пункте вблизи потребителя ГВ. В схеме рис. 16 эту функцию выполняет теплонасосная установка (ТНУ), необходимость расположения которой на термоводозаборе при данных условиях сброса (обратной закачке) очевидна.

Подобные системы могут быть применены в тех случаях, когда геотермальный теплоноситель не отличается повышенной коррозионной активностью, но его качество не соответствует требованиям, предъявляемым к питьевой воде. При этом источником питьевой воды служит водопровод населенного пункта.

При других исходных условиях возможны и другие схемные решения подобных комплексных систем. Например, возможно создание закрытой комплексной системы с однотрубной тепловой сетью ГВ (рис. 17) при наличии вблизи термоводозабора источника питьевой воды и места сброса.

При расположении места сброса близ потребителей геотермальной теплоты ЦТПГ может быть расположен в населенном пункте. Однако такое его расположение удлиняет протяженность тепловой сети, по которой циркулирует геотермальный теплоноситель, что нежелательно из-за распространенной повышенной коррозионной активности геотермальной воды. Создание систем, аналогичных приведенным, возможно также при независимом присоединении системы отопления тепличного комбината.

Учитывая регулирование отопительной нагрузки тепличного комбината (см. разд. 5 Норм), в годовом цикле работы изображенных комплексных схем можно выделить три режима эксплуатации в зависимости от коэффициента отпуска теплоты на отопление j:

в летний период (j = 0) термоводозабор имеет постоянный дебит геотермальной воды, обеспечивающий тепловую нагрузку ГВ;

с наступлением отопительного периода до включения пикового догрева (j < j_п) дебит термоводозабора регулируется в зависимости от нагрузки отопления и полностью обеспечивает геотермальной теплотой потребности отопления и ГВ;

при низких температурах наружного воздуха (j ³ j_п) дебит термоводозабора постоянен, равен максимальному и обеспечивает полностью потребность в теплоте отопления теплиц, в то время как на нужды ГВ теплоты не хватает. Нехватка геотермальной теплоты на нужды ГВ компенсируется пиковым догревом. Регулирование производится изменением тепловой мощности пикового источника теплоты.

Рис. 17. Комплексная однотрубная закрытая геотермальная система теплоснабжения с ТНУ.

1 - геотермальные скважины; 2 - промежуточная емкость; 3 - сетевая насосная станция; 4 - тепличный комбинат; 5 - насосная станция обратной закачки; 6 - скважины обратной закачки; 7 - сетевой теплообменник ГВ; 8 и 9 - испарители и конденсаторы ТНУ; 10 - однотрубная транзитная теплосеть; 11 - сетевой бак-аккумулятор; 12 и 13 - сетевой и циркуляционный насосы; 14 - водоразборный кран; 15 - регулирующие задвижки; 16 - регулятор

При проектировании комплексных систем геотермального теплоснабжения, обеспечивающих отопление теплицы и ГВ зданий, за расчетные условия следует принимать расчетный режим эксплуатации системы отопления теплицы, т.е. при коэффициенте отпуска теплоты на отопление j = 1.

Установленная тепловая мощность пикового источника теплоты  определяется при этом по формуле

                                                  (16)

где с - удельная теплоемкость геотермального теплоносителя, Дж/кг×°С); G_г.в - среднесуточный расход питьевой воды в системе ГВ, кг/с;  - расчетная начальная температура водопроводной воды в системе ГВ после пикового догрева, °С;  - расчетная температура водопроводной воды системы ГВ после сетевого теплообменника, °С;  - расчетная температура обратной воды в сети после системы отопления теплицы, °С,  - разность температур теплоносителей на «горячем» конце противоточного теплообменника в расчетном режиме (рекомендуется выбирать  = 5 ¸ 10 °С).

Значение коэффициента отпуска теплоты j_п, соответствующее включению (выключению) пикового догрева, следует определять по формуле

                                          (17)

где

                                                     (18)

ориентировочный коэффициент эффективности теплообменного аппарата системы ГВ в расчетном режиме; t_вод. - расчетная температура водопроводной воды, поступающей в систему ГВ на подпитку, °С;  - расчетная температура геотермальной воды, °С.

Температура наружного воздуха t_н.п, соответствующая j_п, при которой должен включаться (выключаться) пиковый догрев, определяется по формуле

                                                (19)

где t_в - температура внутреннего воздуха теплиц, °С;  - расчетная температура наружного воздуха, °С.

График регулирования тепловой мощности пикового источника теплоты Q_п, МВт, следует строить, пользуясь зависимостью

                                    (20)

где j - текущий коэффициент отпуска теплоты.

График общего расхода геотермального теплоносителя в режиме регулирования дебита термоводозабора следует строить по формуле

     (21)

где G_т - текущий расход геотермальной воды, кг/с; К и F - коэффициенты теплопередачи в расчетном режиме (Вт/м²×°С) и площадь поверхности нагрева теплообменного аппарата ГВ (м²).

Для этого, подставляя в (21) значения текущего расхода G_т £ , получим соответствующие значения j £ j_п. Затем, отложив по оси абсцисс вычисленные значения j, а по оси ординат - принятые значения G_т, получаем искомый график. При этом расход теплоносителя в летнем режиме (при j = 0) определяется графически.

Произведение KF характеризует конструктивные особенности и размеры теплообменного аппарата и вычисляется по формуле

                           (22)

или

                                              (23)

График температуры сбросной геотермальной воды t_с(j) (необходимый для определения количества теплоты, возвращаемой в водоносный пласт при обратной закачке) следует строить по следующим расчетным зависимостям:

для систем с пиковой котельной в режиме максимального дебита термоводозабора и работы пикового догрева (т.е. при j_п £ j)

                    (24)

для тех же систем в режиме регулирования дебита термоводозабора (т.е. при j < j_п), а также для систем с ТНУ во всем диапазоне изменения j

                              (25)

для любого пикового источника теплоты при выключенной системе отопления теплиц (j = 0);

                                              (26)