3. Використання геотермальної енергії для теплопостачання житлових і виробничих будівель
Для опалювання і гарячого водопостачання житлових і виробничих будівель необхідна температура води не нижче 50-60°С. Найбільш раціональне використання термальних вод може бути досягнуте при послідовній їх експлуатації: спочатку в опалюванні, а потім в гарячому водопостачанні. Але це представляє деякі труднощі, оскільки потреба в гарячій воді за часом року відносно постійна, тоді як опалювання є сезонним, воно залежить від кліматичних умов району, температури зовнішнього повітря, пори року і доби. В даний час розроблені різні схеми використання термальних вод для опалювання і гарячого водопостачання житлових і промислових будівель. Так, наприклад, геотермальна станція Svartsengi Geo. Потужність — близько 80 Мвт, виробляє щомиті 500 літрів води температурою 90С.
Рисунок 3.1
– Фото геотермальної
станції Svartsengi
Geo
(Ісландія)
Теплопостачання
високотемпературною сильно мінералізованою термальною водою
Термальна вода має температуру вище 80°С, але сильно мінералізована. У цих умовах виникає необхідність в пристрої проміжних теплообмінників. Тут термальна вода зі свердловин розділяється на дві паралельні гілки: одна прямує в теплообмінник опалювання і потім в теплообмінник 1-го рівня підігрівання води для гарячого водопостачання; друга — в теплообмінник 2-го рівня. Аби уникнути заростання трубопроводу, термальну воду використовують з проміжним теплообмінником. Високомінералізовану воду зі свердловини подають в резервуар із змійовиками, по яких поступає прісна річкова вода. Нагріта прісна вода йде до споживача, а випадні з термальних вод солі осідають в резервуарі і на зовнішніх поверхнях змійовика. Недоліком схеми з теплообмінником є скорочення потенціалу термальної води, що спрацьовує (на кінцеву різницю температур в теплообміннику).
Рисунок 3.2 – Принципова схема геотермального
теплопостачання з теплообмінниками: 1 – свердловина; 2 – теплообмінник системи
опалювання; 3 – теплообмінник гарячого водопостачання 1-го рівня; 4 –
теплообмінник гарячого водопостачання 2-го рівня; 5 – система опалювання.
Вищеописана
схема вельми застосовна для Кабардіно Балкарії. Термальна
вода на курорті «Нальчик» використовувалася лише в бальнеологічних цілях.
Глибокі свердловини розкрили високотермальну воду, і з'явилася можливість
опалювати нею житлові і виробничі будівлі, теплично-парникові господарства. Для
цього вода з температурою 78° С зі свердловин поступає в теплообмінник типу
«труба в трубі», який віддає частину тепла прісній воді. Потім прісна вода
прямує по трубах в житлові і виробничі будівлі для гарячого водопостачання,
технологічних потреб, в теплиці, де вирощують
в рік два урожаї овочів. Охолоджена в теплообміннику до температури 37-38° С
термальна вода подається у ванни і душі бальнеолікарні.
Теплопостачання
низькотемпературною маломінералізованою термальною водою
Термальна вода маломінералізована, але з низьким тепловим потенціалом (температура нижче 80 °С). Тут потрібне підвищення потенціалу термальної води. Здійснити це можна різними методами, приведемо основні з них: а) подача термальної води паралельно на опалювання і гаряче водопостачання і пікове догрівання опалювальної води; б) беззливна система геотермального теплопостачання; в) вживання теплових насосів; г) поєднане вживання теплових насосів і пікового догріва. За схемою (а) термальна вода зі свердловин поступає в систему гарячого водопостачання і паралельно в пікову котельну. Тут вона догрівається до температури, відповідної метеорологічним умовам, і подається в системи опалювання (рисунок 3.3). Дана схема особливо доцільна для районів з дорогим бурінням, оскільки пікова котельна дозволяє скоротити число свердловин.
Рисунок 3.3 – Принципова схема геотермального
теплопостачання з паралельною подачею геотермальної води на опалювання і гаряче
водопостачання і піковим догрівом води на опалювання: 1 – свердловина; 2 –
піковий догрівач; 3 – система опалювання; 4 – бак-акумулятор.
Схема
(б) представляє складніший варіант попередньої схеми. Тут термальна вода, що
поступає зі свердловин, нагрівається до температури 160-200 °С, що обумовлюється
кліматичними умовами і дозволяє досягти рівності води в теплових мережах і
системах гарячого водопостачання. На рисунку 3.4 приведена принципова схема
такої установки. Зі свердловини 0 термальна вода поступає в котельну 8, потім,
пройшовши через дегазатор 7 і хімводоочистку 2, подається в нагрівач 5.
Перегріта вода прямує в житлові будинки. Абонентське введення кожного будинку
обладнане змішувачем 4, в якому мережева вода змішується з відпрацьованою водою
з системи опалювання. Суміш необхідної температури послідовно проходить систему
опалювання 5, а потім повністю витрачається в системі гарячого водопостачання 6.
Передбачена можливість скидання відпрацьованої води з системи опалювання в
каналізацію,
а також установка бака-акумулятора
7 для одного або групи будівель.
З підвищенням
температури зовнішнього повітря витрата води на введенні залишається постійною,
частина води поступає в систему гарячого водопостачання, минувши систему
опалювання по спеціальній перемичці. При цьому за допомогою терморегулятора підтримується
однакова температура води в системі гарячого водопостачання протягом всього
опалювального сезону. У літній період термальна вода подається на гаряче
водопостачання, минувши підігрівач, по обвідному трубопроводу в котельній.
Здійснення такої схеми дозволяє повніше використовувати тепло термальної води, скоротивши до мінімуму число свердловин, зменшити діаметр теплових мереж і їх протяжність, понизити металоємність систем опалювання. Проте в такій системі пікова котельна перетворюється по суті на базисний генератор тепла для опалювання, який працює весь опалювальний сезон. Звідси велика встановлена потужність казанів і велика витрата палива. Існує думка, що температура догріву не повинна перевищувати 100 °С із-за небезпеки виникнення корозії і накипу. В такому разі розподільні мережі рекомендується виконувати двотрубними. Це додатковий чинник, що знижує ефективність системи. Все сказане заставляє критично відноситися до даної схеми і вибір її обґрунтовувати ретельним економічним розрахунком у кожному конкретному випадку. Схема (в) передбачає утилізацію тепла низькотемпературних термальних джерел за допомогою теплового насоса.
Рисунок 3.4 – Принципова схема беззливної системи геотермального теплопостачання: 0 – свердловина; 1 – дегазатор; 2 – хімводоочистка; 3 – водопідігрівач; 4 – змішувач; 5 – система опалювання; 6 – система гарячого водопостачання; 7 – бак-акумулятор; 8 – котельна.
На рисунку 3.5 показана типова схема
теплопостачання з компресійним тепловим
насосом.
Гаряча вода зі свердловин 1 подається до випарника теплового насоса 2, де відбувається передача її тепла робочій речовині, що швидко випаровується. Пари, що утворюються, стискуються компресором 3 і прямують в конденсатор 4, де конденсуються при вищому тиску, віддаючи тепло воді, циркулюючій в системі опалювання. Охолоджена вода скидається в каналізацію. Ефективність схеми підвищується при роботі теплового насоса літом в режимі холодильної машини. В цілях повнішого спрацьовування тепла термальної води була запропонована складніша модифікація цієї схеми з тепловими насосами. Схема (г) – комплексна система теплопостачання з трансформацією тепла скидної води у поєднанні з піковим її підігріванням і якісним регулюванням (рисунок 3.6).
Рисунок 3.6
– Схема комплексного геотермального теплопостачання із застосуванням пікового
догріву і теплових насосів: 1 - свердловина; 2 - водоочистка; 3- насосна
станція; 4 - транзитний теплопровід;
5 - піковий догрівач; 6 - система опалювання; 7 і 12 - змішувачі; 8 -
конденсатори; 9 - випарники; 10 - система гарячого водопостачання; 11 -
бак-акумулятор.
Вода з джерела
1, пройшовши очищення 2, перекачується насосною станцією 3 в кількості та по
однотрубному теплопроводу 4 і поступає до споживачів. Один потік води догріває в
піковій котельній 5 і поступає в змішувач 7, де до нього підмішується
відпрацьована вода, заздалегідь підігріта в конденсаторах теплового насоса 8.
Відпрацьована вода після системи опалювання 6 розгалужується на три
потоки. Одна частина поступає в конденсатори теплового насоса 8 і змішувач 7.
Друга частина її прямує у випарники теплового насоса 9, де вона охолоджується і
скидається. Третя частина прямує в змішувач 12, з якого вода поступає в
бак-акумулятор 11 і систему гарячого водопостачання 10. Другий потік води
джерела через вентиль В1 поступає в змішувач 12 і мережу гарячого
водопостачання. Якщо температура геотермальної води нижча за необхідну
температуру, то вода догрівається в котельній 5 і через вентиль В2 поступає в
систему гарячого водопостачання. З метою підвищення опалювального коефіцієнта і
забезпечення гнучкішого регулювання теплонасосні
агрегати включаються в
систему теплопостачання за послідовно-протитечійною схемою так, щоб нагрівання
води в конденсаторі 8 і охолоджування води, що скидається, у випарниках 9
здійснювалось в декілька рівнів. Із зміною температури зовнішнього повітря
якісне регулювання здійснюється піковою котельнею, тоді як теплопродуктивність
теплового насоса і вжиток води зі свердловин залишаються
незмінними.
Після відключення пікової котельної якісне регулювання здійснюється тепловим насосом. Це забезпечує рівномірний річний графік вжитку води зі свердловин. У цій системі доля використання тепла геотермальної води тим більше, чим нижче розрахункова температура в системах опалювання. Тому тут доцільне вживання конвекторної або панельної систем опалювання, де розрахункова температура 40-45° С. Порівняння цієї системи з беззливною показує, що питома витрата геотермальної води в схемі з термотрансформаторами майже в два рази перевищує такий в беззливній системі, тим часом коефіцієнт ефективності виявляється більше. Сумарна доля паливовикористовуючих установок в річному тепловому балансі мінімальна. Ця обставина створює передумови для вживання даної схеми в районах, де витрати на перевезення палива можуть перевищити витрати на буріння великого числа свердловин.