Геотермальная энергетика

Использование геотермальной энергии для теплоснабжения жилых и производственных зданий

Для отопления и горячего водоснабжения жилых и производственных зданий необходима температура воды не ниже 50-60° С.

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.

В настоящее время разработаны различные схемы использования термальных вод для отопления и горячего водоснабжения жилых и промышленных зданий.

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 рис. 11.1.1.

Принципиальная схема геотермального теплоснабжения с теплообменниками
Рис. 11.1.1. Принципиальная схема геотермального теплоснабжения с теплообменниками: 1 – скважина; 2 – теплообменник системы отопления; 3 – теплообменник горячего водоснабжения 1-й ступени; 4 – то же, 2-й ступени; 5 – система отопления.

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. Термальная вода на курорте «Нальчик» использовалась только в бальнеологических целях. Глубокие скважины вскрыли высокотермальную воду, и появилась возможность отоплять ею жилые и производственные здания, теплично-парниковые хозяйства. Для этого вода с температурой 78° С из скважин поступает в теплообменник типа «труба в трубе», который отдает часть тепла пресной воде. Затем пресная вода направляется по трубам в жилые и производственные здания для горячего водоснабжения, технологических нужд, в теплицы, где выращивают в год два урожая овощей. Охлажденная в теплообменнике до температуры 37-38° С термальная вода подается в ванны и души бальнеолечебницы.

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 (рис. 11.2.1). Данная схема особенно целесообразна для районов с дорогим бурением, так как пиковая котельная позволяет сократить число скважин.

Принципиальная схема геотермального теплоснабжения с параллельной подачей геотермальной воды на отопление и горячее водоснабжение и пиковым догревом воды на отопление
Рис. 11.2.1. Принципиальная схема геотермального теплоснабжения с параллельной подачей геотермальной воды на отопление и горячее водоснабжение и пиковым догревом воды на отопление: 1 – скважина; 2 – пиковый догреватель; 3 – система отопления; 4 – бак-аккумулятор.

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.

Принципиальная схема бессливной системы геотермального теплотеплоснабжения
Рис. 11.2.2. Принципиальная схема бессливной системы геотермального теплотеплоснабжения: 0 – скважина; 1 – дегазатор; 2 – химводоочистка; 3 – водоподогреватель; 4 – смеситель; 5 – система отопления; 6 – система горячего водоснабжения; 7 – бак-аккумулятор; 8 – котельная.

На рис. 11.2.2 приведена принципиальная схема такой установки. 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.

Все сказанное заставляет критически относиться к данной схеме и выбор ее обосновывать тщательным экономическим расчетом в каждом конкретном случае.

Схема (в) предусматривает утилизацию тепла низкотемпературных термальных источников при помощи теплового насоса. На рис. 11.2.3 показана типовая схема теплоснабжения с компрессионным тепловым насосом.

Принципиальная схема геотермального теплоснабжения с применением теплового насоса
Рис. 11.2.3. Принципиальная схема геотермального теплоснабжения с применением теплового насоса: 1 – скважина; 2 – испаритель; 3 – компрессор; 4 – конденсатор; 5 – регулирующий вентиль.

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 (рис. 11.2.4).

Схема комплексного геотермального теплоснабжения с применением пикового догрева и тепловых насосов
Рис. 11.2.4. Схема комплексного геотермального теплоснабжения с применением пикового догрева и тепловых насосов: 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.

Вода из источника 1, пройдя очистку 2, перекачивается насосной станцией 3 в количестве Qa по однотрубному теплопроводу 4 и поступает к потребителям с температурой ta. Один поток воды Q1 догревается в пиковой котельной 5 до температуры tn и поступает в смеситель 7, где к нему подмешивается отработанная вода, предварительно подогретая в конденсаторах теплового насоса 8 до температуры tg.

Отработанная вода с температурой t0 после системы отопления б разветвляется на три потока. Одна часть Q3 поступает в конденсаторы теплового насоса 8 и смеситель 7. Вторая часть ее направляется в испарители теплового насоса 9, где она охлаждается до температуры tx и сбрасывается. Третья часть направляется в смеситель 12, из которого вода с температурой tr в количестве Qr поступает в бак-аккумулятор 11 и систему горячего водоснабжения 10.

Второй поток воды источника Q2 через вентиль B1 поступает в смеситель 12 и сеть горячего водоснабжения. Если температура геотермальной воды ниже температуры tr, то вода догревается до tr в котельной 5 и через вентиль B2 поступает в систему горячего водоснабжения в количестве Qr.

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.

Сравнение этой системы с бессливной показывает, что удельный расход геотермальной воды в схеме с термотрансформаторами почти в два раза превышает таковой в бессливной системе, между тем коэффициент эффективности оказывается больше. Суммарная доля топливоиспользующих установок в годовом тепловом балансе минимальна. Это обстоятельство создает предпосылки для применения данной схемы в районах, где затраты на перевозку топлива могут превысить затраты на бурение большого числа скважин.