СПОСОБ РАБОТЫ СИСТЕМЫ ТЕПЛО- И ВОДОСНАБЖЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1999 года по МПК F24J3/08 F24D3/08 F25B30/00 

Изобретение относится к энергетике и может быть применено в системах комплексного тепло- и водоснабжения с использованием геотермальных источников на площадках, имеющих два и более гидротермальных слоя.

Известен реализованный в известном устройстве способ работы системы тепло- и водоснабжения, подключенной к геотермальному источнику, например, к подземному коллектору через скважину, включающий отвод из коллектора через скважину геотермального флюида и отбор от последнего теплоты к теплоиспользующему комплексу, состоящему из подсистем горячего и холодного водоснабжения. При этом низкотемпературный флюид отводят в виде нескольких потоков, основной из которых (по тепловой мощности) подают к подсистеме отопления, осуществляя передачу (отбор) теплоты от флюида к сетевой воде с использованием обратного теплонасосного цикла низкокипящего рабочего тела. При отводе дополнительных потоков осуществляют отбор теплоты от флюида одного из потоков к флюиду другого потока также с использованием теплонасосного цикла, догревая таким образом часть флюида до температуры горячего водоснабжения. Догретый флюид и охлажденные при отборе теплоты потоки флюида подают в аккумуляторы подсистем горячего и холодного водоснабжения [1].

В таком способе догрев части флюида до температуры выше температуры геотермального источника производится за счет использования теплового потенциала некоторого объема флюида с одинаковой температурой из того же источника, в результате чего расходы теплоснабжающих и водоснабжающих потоков взаимозависимы и ограничены ресурсом (дебитом) подземного коллектора, что снижает тепловую мощность догрева.

К тому же догрев флюида путем взаимодействия в теплонасосном цикле связанных по расходу потоков из одного и того же коллектора определен в данной технологии объемами водоснабжения и исключает возможность независимого управления степенью догрева и расходом горячей и холодной воды. Кроме того, при теплоснабжении по рассмотренной технологической схеме возможности данного способа ограничены тепловым потенциалом слабоминерализованных источников, удовлетворяющих нормам водоснабжения. По данной технологии не может быть использовано геотермальное тепло более минерализованных источников, залегающих на умеренной глубине и обладающих, как правило, температурами более эффективной термотрансформации геотермальных потоков с использованием теплонасосных циклов.

Указанные обстоятельства, а также примененная в рассмотренном способе схема непрерывного отвода флюида без обратной связи с коллектором (без циркуляции флюида), сокращающая срок службы геотермального источника, снижают надежность и экономичность работы системы тепло- и водоснабжения, что относится к недостаткам способа.

Известен наиболее близкий к предлагаемому изобретению по технической сущности способ работы системы тепло- и водоснабжения с аккумулятором геотермального флюида и теплоиспользующим комплексом, подключенным скважинами к подземному коллектору [2].

Способ включает отвод через скважины из коллектора одного или нескольких потоков флюида (в зависимости от температуры наружного воздуха и нагрузки теплоснабжения), отбор от флюида теплоты (например, к подсистеме отопления), подачу "отработанного" флюида в аккумулятор, откуда впоследствии флюид закачивают обратно в подземный коллектор, причем перед закачкой для поддержания температуры коллектора флюид догревают с использованием солнечной или ветровой энергии, а также дополнительных нагревателей до температуры не ниже температуры коллектора. Для получения горячей и холодной воды часть минерализованного флюида из аккумулятора опресняют, например с помощью гелиоопреснителя, и одновременно с закачкой другой части флюида отводят из гелиоопреснителя на холодное и горячее водоснабжение, при этом догрев до нужной температуры последующего теплоотбора в теплообмениках проводят с использованием указанных природных и промышленных нагревателей.

Осуществляемая в данном способе технология с прямым (без термотрансформации) отбором теплоты от флюида к теплоиспользующему комплексу для требуемых температур отопления и горячего водоснабжения (60-90^oC) ограничивает область применения способа эксплуатацией геотермальных источников с достаточно высокой начальной температурой флюида (не ниже 70-100^oC) и требует соответственно высоких температур догрева "отработанного" флюида до исходной температуры перед закачкой. Это связано на практике с увеличением глубины скважин и затрат на их бурение, что в сочетании с затратами на прямой догрев и опреснение высокоминерализованных флюидов снижает экономичность способа и ограничивает область его применения районами с высоким геотермическим градиентом температур.

В частности, способ не позволяет использовать тепловой потенциал геотермальных источников умеренных (20-40^oC) и более низких (менее 20^oC) температур, наиболее пригодных для водоснабжения без опреснения и имеющих широкое распространение.

Использование для догрева геотермального флюида солнечной или ветровой энергии (с помощью необходимых преобразователей энергии) характеризуется на практике колебаниями интенсивности этих природных энергоносителей вплоть до переходов на полный догрев нагревателями, в результате чего управление работой системы тепло- и водоснабжения в течение суток и от суток к суткам характеризуется нестабильным режимом, что снижает надежность и экономичность работы системы.

К тому же использование в способе наземных аккумуляторов геотермального флюида иногда сдерживает возможность увеличения объемов отводимого в них флюида и соответственно тепловой мощности системы ввиду существенного возрастания капиталовложений в аккумулирующие емкости.

Известно устройство для тепло- и водоснабжения, подключенное к геотермальному источнику, включающее подсистему отопления, подсистемы горячего и холодного водоснабжения с аккумулятором каждая, основной тепловой насос с испарителем и конденсатором, установленный между геотермальным источником и подсистемой отопления, дополнительный тепловой насос с конденсатором и испарителем, установленный между геотермальным источником и подсистемами горячего и холодного водоснабжения. В данном устройстве конденсатор основного теплового насоса включен в обратную магистраль подсистемы отопления, конденсатор дополнительного теплового насоса подключен на выходе к аккумулятору подсистемы горячего водоснабжения, а испарители основного и дополнительного тепловых насосов подключены на выходе к аккумулятору (накопителю) подсистемы холодного водоснабжения [1].

Поскольку в указанном устройстве термотрансформация геотермального потока флюида с помощью тепловых насосов сопровождается последующим использованием того же флюида, в зависимости от нагрева или охлаждения, для горячего или холодного водоснабжения, технологические возможности устройства ограничиваются эксплуатацией геотермальных источников, пригодных для водоснабжения, располагаемых, как правило, на малой глубине и обладающих температурами ниже оптимальных величин (25-40^oC) для проведения термотрансформации в тепловых насосах. Это ведет к повышению потребления дополнительной энергии и мощности привода тепловых насосов. Снабжение устройства дополнительными элементами, например, опреснителем минерализованной воды, также привело бы к дополнительным энергетическим затратам и к снижению экономичности устройства. Кроме того, реализованный в данной конструкции принцип распределения объемов флюида, добываемого из одного коллектора, между испарителями и конденсаторами тепловых насосов во взаимосвязи и объемами холодного и горячего водоснабжения затрудняет возможность независимого регулирования мощности догрева и объемов водоснабжения.

Указанные обстоятельства, а также отсутствие в устройстве элементов, осуществляющих обратную связь с геотермальным источником, снижают надежность и экономичность устройства и его эксплуатационные возможности.

Целью настоящего изобретения является расширение эксплуатационных возможностей, повышение надежности и экономичности системы тепло- и водоснабжения путем обеспечения рационального использования теплового и водного ресурсов геотермальных флюидов разной кондиции при подключении к системе дополнительного геотермального коллектора.

Указанная цель достигается тем, что в известном способе работы системы тепло- и водоснабжения с аккумулятором геотермального флюида и теплоиспользующим комплексом, подключенным скважинами к подземному геотермальному коллектору, включающем отвод из коллектора через скважины основного потока и часть времени дополнительных потоков флюида, отбор от флюида теплоты, подачу флюида в аккумулятор и отвод части флюида на водоснабжение, догрев флюида от температуры не ниже температуры коллектора и закачку флюида из аккумулятора в исходный коллектор согласно изобретению, догрев и подачу в аккумулятор для отводимого часть суток дополнительным потоком флюида осуществляют до отбора от этой части флюида теплоты и одновременно с отводом основного потока флюида, отбором теплоты от последнего с использованием обратного теплонасосного цикла низкокипящего рабочего тела и закачкой последнего флюида в исходный коллектор, при этом флюид догревают перед подачей в аккумулятор до температуры выше температуры исходного коллектора, например, в соответствии с температурами отопления или горячего водоснабжения, с использованием отводимого по крайней мере одним дополнительным потоком из другого геотермального коллектора флюида меньшей или одинаковой температуры, путем отбора от последнего флюида теплоты к догреваемому флюиду с использованием обратного теплонасосного цикла, после чего догретый флюид подают в аккумулятор, флюид из другого коллектора после отбора от него теплоты отводят на водоснабжение, остальную часть заканчивают в исходный для последнего флюида коллектор, а другую часть суток осуществляют закачку флюида из аккумулятора в исходный коллектор с одновременным отбором от флюида теплоты, в том числе на догрев отводимого из другого геотермального коллектора флюида до температуры горячего водоснабжения.

Дополнительным отличием является то, что догрев флюида перед подачей в аккумулятор осуществляют от разницы температур между догретым флюидом и охлаждаемым при этом флюидом из другого геотермального коллектора, не превышающeй 30-35^oC, а подачу догретого флюида в аккумулятор и закачку флюида из аккумулятора в исходный коллектор начинают соответственно периодам перехода системы тепло- и водоснабжения с дневного на ночной график работы и наоборот.

Еще одно дополнительное отличие заключается в том, что при температуре подземного коллектора ниже 20^oC отводимый из него для подачи в аккумулятор флюид догревают до температуры, не превышающей 35-40^oC, а отбор теплоты от последнего флюида при закачке из аккумулятора в исходный коллектор, в том числе на догрев флюида из другого коллектора до температуры горячего водоснабжения, осуществляют с использованием обратных теплонасосных циклов.

Другое отличие заключается в варианте способа, в котором для аккумуляции догретый до указанной температуры флюид подают в подземный коллектор одинаковой с догретым флюидом температуры.

Кроме того, указанная цель достигается тем, что в устройстве для тепло- и водоснабжения, подключенном к геотермальному источнику, включающем подсистему отопления с котлом, подсистемы горячего и холодного водоснабжения с аккумулятором каждая, основной тепловой насос с испарителем и конденсатором, установленный между геотермальным источником и системой отопления, дополнительный тепловой насос с конденсатором и испарителем, установленный между геотермальным источником и подсистемами горячего и холодного водоснабжения, где конденсатор основного теплового насоса включен в обратную магистраль подсистемы отопления, конденсатор и испаритель дополнительного теплового насоса подключены на выходе соответственно к аккумуляторам подсистем горячего и холодного водоснабжения, согласно изобретению дополнительный тепловой насос подключен к дополнительному геотермальному источнику, расположенному на меньшей глубине относительно основного геотермального источника, и устройство снабжено дополнительным аккумулятором, установленным между дополнительным и основным тепловым насосами, причем дополнительный тепловой насос подключен к дополнительному геотермальному источнику входами испарителя и конденсатора через перемычку, дополнительный аккумулятор подключен на входе и выходе соответственно к выходу конденсатора дополнительного теплового насоса и к входу испарителя основного теплового насоса, испаритель дополнительного теплового насоса подключен через перемычку на выходе к основному и дополнительному геотермальным источникам, испаритель основного теплового насоса подключен через перемычку на выходе к испарителю дополнительного теплового насоса и к основному геотермальному источнику.

Дополнительным отличием устройства является то, что оно снабжено теплообменниками, один из которых установлен между дополнительным аккумулятором и подсистемой отопления с возможностью подключения межтрубного пространства к ее обратной магистрали через перемычку, другой теплообменник установлен между дополнительным аккумулятором и аккумулятором подсистемы горячего водоснабжения с возможностью подключения межтрубного пространства к дополнительному геотермальному источнику через перемычку, при этом оба теплообменника установлены с возможностью подключения трубного пространства через перемычки на входе и выходе соответственно к дополнительному аккумулятору и к основному геотермальному источнику.

Дополнительное отличие устройства заключается также в том, что в качестве варианта дополнительного аккумулятора в устройстве использован расположенный на большей глубине относительно основного геотермального источника подземный коллектор, подключенный скважиной через перемычку к входу испарителя основного теплового насоса и к выходу конденсатора дополнительного теплового насоса.

Предлагаемая технология, когда в первую часть суток параллельно с отводом геотермального флюида из теплоснабжение догрев другой части флюида проводят со сниженными за счет эффективной термотрансформации геотермального потока из другого коллектора, энергетическими затратами, а в другое, более интенсивное по тепловой нагрузке время суток работa осуществляется при минимальных энергозатратах вплоть до их ликвидации, позволяет улучшить надежность (за счет стабилизации режимов догрева), термодинамическую эффективность и экономичность систем тепло- и водоснабжения, работающих на геотермальных источниках умеренных (40^oC и ниже) температур. При этом предлагаемая технологическая схема раздельного отвода теплоснабжения и водоснабжающего потоков флюида из отдельных геотермальных коллекторов позволяет использовать для работы системы тепловой потенциал минерализованных геотермальных источников, непригодных для водоснабжения (без проведения дополнительных мероприятий на их опреснение), и получить дополнительную экономию за счет проведения догрева с использованием теплового потенциала флюида, служащего перед отводом на водоснабжение источником низкопотенциальной теплоты в обратном теплонасосном цикле.

Кроме того, раздельный отвод потоков флюида из отдельных коллекторов в сочетании с циркуляционной технологией использования потоков (закачкой флюида) создает условия для управления степенью (мощностью) догрева флюида независимо от объемов водоснабжения.

В результате использования, например, геотермальных источников с температурой 20 - 40^oC и низкой минерализацией, удовлетворяющей нормам водоснабжения, на догрев флюида из другого коллектора в соответствии с нормами отопления и горячего водоснабжения (60 - 90^oC), например на 5 - 10^oC выше указанных температур, создаются условия для последующего (в другое время суток) обеспечения указанных температурных норм путем отбора теплоты от догретого флюида в теплообменниках (без затрат дополнительной энергии). С учетом того обстоятельства, что достигаемый перепад температур между догретым и охлаждаемым флюидом (35 - 55^oC) при этом не превышает экономически обоснованной пороговой величины для обратных теплонасосных циклов (60^oC [3] ), догрев флюида будет осуществляться со сниженными относительно варианта догрева (без термотрансформации) энергетическими затратами при величине среднегодовых коэффициентов термотрансформации от 3 до 5 [3].

Реализация предложенного способа по варианту достижения при догреве меньшей разницы температур между догретым и охлаждаемым флюидами, не превышающей 30 - 35^oC, соответствует наиболее эффективной термотрансформации с использованием теплонасосного оборудования [4], обеспечивая вместе с тем догрев флюида до температур, соответствующих нормам горячего водоснабжения и низкотемпературного отопления (55 - 70^oC). При этом предложенное управление периодами аккумуляции флюида и подачи флюида из аккумулятора в соответствии с ночным и дневным графиком теплоснабжения с учетом повышенных коэффициентов термотрансформации при догреве, составляющих при разнице температур 20-35^oC величины от 8 до 5 единиц [3], позволяет максимально снизить потребление энергии при догреве, особенно в случае осуществления привода системы теплоснабжения от электрической сети (не от теплового двигателя), когда ночной догрев предпочтителен ввиду работы при пониженной общей нагрузке сети и с возможностью снижения тарифа на ночную электроэнергию.

Применительно к эксплуатации геотермальных источников с температурой ниже 20^oC способ работы системы тепло- и водоснабжения может быть реализован по другому предложенному варианту: с догревом флюида до температур не более 35 - 40^oC и последующим отбором теплоты от флюида в другую часть суток также с использованием обратных теплонасосных циклов. При этом предварительный догрев флюида за счет промежуточной термотрансформации позволяет обеспечить условия для эффективного осуществления последующих теплонасосных циклов. Таким образом, как при догреве, так и при отборе теплоты с указанными выше коэффициентами преобразования геотермального потока снижается потребление энергии системой.

Во вторую часть суток поток флюида из дополнительного коллектора отводят для догрева с последующим использованием на горячее водоснабжение. При этом применяют те же тепловые насосы, что ведет к повышению коэффициента использования оборудования. За счет догрева флюида, запасаемого на вторую часть суток, объем добычи флюида будет меньше (при заданной теплопроизводительности) и становится приемлемым для аккумуляции в наземных аккумуляторах. Поскольку дополнительное потребление энергии на догрев флюида, составляющее прибавку 20-40% к доле потребления в ночном режиме, будет сопровождаться увеличением коэффициента термотрансформации (примерно в 1,5 - 2 раза) в более протяженном по времени и интенсивном по нагрузке дневном периоде работы системы, общие энергетические затраты на работу системы сократятся примерно на 25-40%.

Указанные обстоятельства ведут к повышению экономичности и надежности системы тепло- и водоснабжения при работе на геотермальных источниках с низкой температурой, в том числе минерализованных.

Кроме того, при указанном ограничении на температуру догрева флюида открывается возможность использования способа по предложенному варианту аккумуляции догретого флюида в ниже расположенном подземном коллекторе, при этом температуру догрева выбирают в соответствии с температурой имеющегося коллектора. Метод надежен в использовании на площадках, где флюиды основного подземного коллектора и коллектора аккумулятора имеют разную температуру, но близки по минерализации (во избежание возможного химического взаимодействия при перетоке флюидов из одного коллектора в другой). Такой вариант позволяет при больших объемах расходуемого флюида существенно сократить затраты на оборудование (на аккуммулирующие емкости), которые при некотором ограничении на глубину залегания коллектора-аккумулятора (для максимальной температуры догрева флюида до 35 - 40^oC глубина не превышает 1,0 - 1,5 км) могут превысить затраты на строительство дополнительной скважины.

Предложенное устройство системы тепло- и водоснабжения позволяет реализовать рассмотренные преимущества предложенных вариантов способа и расширить таким образом эксплуатационные возможности системы за счет включения в ее конструкцию дополнительных элементов (аккумулятора и др.), вариантов их исполнения (подключение устройства к дополнительному коллектору скважиной), дополнительныx связей между элементами устройства (перемычек и др.). Это позволяет управлять потоками флюида из разных геотермальных коллекторов согласно отличительным признакам предложенного способа в зависимости от расхода, температуры флюида и взаиморасположения коллекторов без существенного усложнения конструкции устройства.

При этом подземное аккумулирование предпочтительнее экономически при увеличенных объемах аккумулируемого флюида (большей теплопроизводительности устройства).

Снабжение устройства дополнительными теплообменниками с возможностью их подключения вместо тепловых насосов, например в дневном режиме работы системы тепло- и водоснабжения, позволит, эксплуатируя геотермальные источники с температурой не ниже 20^oC при условии пригодности одного из них для водоснабжения по минерализации, осуществлять догрев флюида в ночное время до температур, обеспечивающих работу системы в дневное время без затрат дополнительной энергии.

На фиг. 1 и 2 представлена схема осуществления предлагаемого способа работы системы тепло- и водоснабжения с помощью предлагаемого устройства. При этом на фиг. 1 устройство показано в состоянии подключения его элементов в первую часть суток, например при ночном графике работы системы, а на фиг. 2 фрагмент устройства изображен после переключения элементов с помощью перемычек для работы в другое время суток (перемычки не показаны).

На фиг. 3 изображен фрагмент устройства для осуществления способа по другим вариантам, когда температура дополнительного коллектора составляет не менее 20^oC, а минерализация при этом соответствует нормам водоснабжения, с подключением во вторую часть суток вместо тепловых насосов (фиг. 2) теплообменников (фиг. 3).

Система тепло- и водоснабжения содержит теплоиспользующий комплекс в виде подсистемы 1 отопления с пиковым догревателем, например котлом 2, подсистемы 3 горячего водоснабжения с аккумулятором 4 и подсистемы 5 холодного водоснабжения с аккумулятором 6.

Кроме того, устройство содержит основной (по мощности) тепловой насос 7 с испарителем 8 и конденсатором 9, установленный между геотермальным источником - водонасосным подземным коллектором 10 и подсистемой отопления, дополнительный тепловой насос 11 с испарителем 12 и конденсатором 13, установленный между геотермальным источником 10 и подсистемами горячего и холодного водоснабжения. При этом конденсатор 9 включен в обратную магистраль подсистемы отопления, испаритель 12 и конденсатор 13 подключены на выходе соответственно к аккумуляторам 6 и 5 подсистем холодного и горячего водоснабжения. Теплоиспользующий комплекс подключен через тепловые насосы к подземному коллектору 10 с помощью добывающей и нагнетательной скважин 14 и 15 (фиг. 1).

Дополнительный тепловой насос 11 подключен также к дополнительному геотермальному источнику, например, к водоему или к расположенному на меньшей глубине относительно подземного коллектора 10 подземному коллектору 16 с помощью добывающей и нагнетательной скважин 17 и 18 (фиг. 1).

Устройство снабжено также дополнительным наземным аккумулятором 19, установленным между дополнительным и основным тепловыми насосами с возможностью подключения к основному источнику 10 через конденсатор 13 и к дополнительному источнику 16 через испаритель 12.

При этом для возможности изменения связей между элементами устройства в различные периоды его работы в соответствии с фиг. 1 и 2 дополнительный тепловой насос подключен к дополнительному геотермальному источнику входами испарителя 12 и конденсатора 13 через перемычку, дополнительный аккумулятор 19 подключен на входе и выходе соответственно к выходу конденсатора 13 теплового насоса 11 и к входу испарителя 8 теплового насоса 7.

Испаритель 12 теплового насоса 11 подключен через перемычку на выходе и скважины 15 и 18 к геотермальным коллекторам 10 и 16, а испаритель 8 теплового наоса 7 подключен через перемычку на выходе к геотермальному коллектору 10 (с помощью скважины 15) и к входу испарителя 12 (фиг. 2).

На фиг. 1 и 2 показан также вариант исполнения устройства с дополнительным аккумулятором в виде подземного коллектора 20, расположенного на большей глубине относительно коллектора 10 и подключенного с помощью скважины 21 через перемычку к выходу конденсатора 13 теплового насоса 11 (фиг. 1) и к входу испарителя 8 теплового насоса 7 (отключенные в период работы на фиг. 2 скважины 14 и 18 условно не показаны, включенные циркуляционные насосы условно выделены зачерненными треугольниками).

По другому варианту устройство дополнительно может комплектоваться теплообменниками 22 и 23 (фиг. 3), при этом теплообменник 22 установлен между аккумулятором 19 и подсистемой отопления с возможностью подключения межтрубного пространства, например через перемычку, к обратной магистрали подсистемы отопления, а теплообменник 23 установлен между аккумуляторами 19 и 4 с возможностью подключения межтрубного пространства через скважину 17 к дополнительному коллектору 16. При этом трубки теплообменников 22 и 23 на выходе подключены через скважину 15 к коллектору 10, а на входе - через перемычку к аккумулятору 19 (в положении элементов устройства на фиг. 1 теплообменников отключены и условно не показаны).

Система тепло- и водоснабжения работает следующим образом.

Часть суток, когда нагрузка теплоиспользующего комплекса наименьшая (меньше расходы горячей и холодной воды), например, в ночном режиме работы системы, низкотемпературный геотермальный флюид из подземного коллектора 10 в виде нескольких потоков через скважину 14 (фиг. 1) или несколько скважин, отводят к теплоиспользующему комплексу. При этом по крайней мере один поток флюида (основной по тепловому потенциалу) направляют к подсистеме отопления, для чего подают в испаритель 8 теплового насоса 7, где происходит отбор теплоты флюида испаряющимся рабочим телом с последующим сжатием последнего и передачей теплоты рабочим телом в конденсаторе 9 сетевой воде, поступающей из обратной магистрали подсистемы отопления. Охлажденный флюид возвращают (закачивают) в исходный коллектор 10 через скважину 15. Одновременно с основным потоком флюида из подземного коллектора 10 отводят по крайней мере один дополнительный поток флюида, например, через ту же скважину 14, подают его в конденсатор 13 теплового насоса 11, где догревают путем отвода в испаритель 12 по крайней мере еще одного дополнительного потока флюида из другого геотермального источника (с минерализацией, удовлетворяющей параметрам водоснабжения), например из водоема или подземного коллектора 16 через скважину 17 (фиг. 1). Затем догретый флюид из конденсатора 13 подают в аккумулятор 19, или, согласно другому варианту изобретения, в ниже расположенный подземный коллектор 20 через скважину 21 (на фиг. 1 и 2 объединены оба варианта), имеющий температуру, одинаковую с температурой догретого флюида. Охлажденный в испарителе 12 флюид частично подают в аккумулятор 6 (в объемах, необходимых для холодного водоснабжения в течение суток), остальную часть флюида закачивают в исходный для него коллектор 16 через скважину 18.

Таким образом, в первую часть суток одновременно с отводом основного потока флюида и отбором от него теплоты на теплоснабжение с возможностью пикового догрева от котла 2 проводят догрев флюида, отводимого дополнительным потоком, за счет преобразования (термотрансформации) теплового потенциала низкотемпературного флюида из другого коллектора, служащего также источником водоснабжения. В результате при сниженных затратах на догрев флюид из коллектора 10 готов к использованию с более высокими коэффициентами термотрансформации во вторую часть суток, например, в дневном графике работы системы тепло- и водоснабжения, для чего с помощью перемычек элементы устройства подключают в соответствии со схемой на фиг. 2.

При этом отключают подачу основного потока флюида, тепловой насос 7 подключают входом испарителя 8, в зависимости от варианта аккумуляции, к аккумулятору 19 или через скважину 21 к подземному коллектору 20, выход испарителя 8 подключают к входу испарителя 12, выход испарителя 12 соединяют через скважину 15 с коллектором 10, а вход конденсатора 13 - через скважину 17 с коллектором 16. Подавая флюид из наземного аккумулятора 19 или из коллектора-аккумулятора 20 (через скважину 21) в испарители 8 и 12, осуществляют отбор от флюида теплоты с последовательным срабатыванием его теплового потенциала в испарителях тепловых насоса согласно схеме на фиг. 2 (возможен вариант подачи раздельных потоков догретого флюида из аккумулятора к тепловым насосам) и передачей теплоты в конденсаторе 9 в обратную магистраль подсистемы отопления и в конденсаторе 13 - к флюиду, отводимому одновременно через скважины 17 из коллектора 16 на водоснабжение. При этом "отработанный" флюид возвращают (закачивают) в исходный коллектор 10 (при прохождении через который его температура стабилизируется и приближается к температуре коллектора), а флюид из коллектора 16, нагретый в конденсаторе теплового насоса 11 до температуры горячего водоснабжения (фиг. 2), подают в аккумулятор 4 и далее на водоснабжение, создавая в аккумуляторе 4 запас горячей воды для ночного времени суток. Таким образом, схема работы предусматривает закачку некондиционного по минерализации флюида и излишков водоснабжающего флюида в раздельные исходные коллекторы.

При дневном графике работы системы снабжение холодной водой осуществляют за счет запасов воды в аккумуляторе 6, отключаемом в это время суток от теплового насоса 11 и скважины 18 (фиг. 2), или отводя к подсистеме 5 дополнительный поток воды из скважины 17.

Далее работу системы снова переводят в ночной режим (фиг. 1) и повторяют в приведенной последовательности.

Другой вариант устройства используют для эксплуатации геотермальных источников с более высокой температурой верхнего коллектора (фиг. 1), например 20-40^oC, на площадках, где они располагаются на умеренной глубине и имеют слабую минерализацию, не препятствующую использованию для водоснабжения.

В этом случае догрев флюида из ниже расположенного подземного коллектора (фиг. 3) в первую часть суток осуществляют по аналогии с технологическими операциями на фиг. 1, но до более высоких температур, соответствующих температурам отопления или горячего водоснабжения (60 - 90^oC), например, на 5-10^oC выше этих температур, и с учетом параметров эффективной термотрансформации геотермального потока в тепловых насосах при догреве флюида, когда разница между догретым и охлажденным потоками флюида не должна превышать установленный порог термодинамической эффективности 60^oC [3] и составляет, например, 35-55^oC.

Предпочтителен режим догрева флюида в тепловом насосе 11 с учетом принятых на практике максимальных температур конденсации в тепловых насосах парокомпрессионного типа, например не более 80 - 85^oC [3]. При необходимости достижения более высоких температур догрева после теплового насоса перед аккумуляцией флюида возможно использование пиковых догревателей, например подключение к участку догрева котла 2.

Поскольку максимальная температура догрева необходима только для обеспечения расчетного режима отопления при отводе догретого флюида из аккумулятора 19 с подключением во вторую часть суток вместо тепловых насосов (фиг. 2) теплообменников 22 и 23 (фиг. 3), далее в течение отопительного сезона температуру догрева флюида уменьшают до 40-80^oC в соответствии с изменением температуры наружного воздуха. Это ведет также к повышению коэффициентов термотрансформации геотермальной энергии в теплонасосном цикле. При таком варианте работы устройства теплоснабжение во вторую часть суток осуществляется без затрат дополнительной энергии, за счет прямого отбора теплоты от догретого флюида к подсистемам 1 и 3 (с помощью теплообменников).

Для дополнительного снижения энергетических затрат при использовании тепловых насосов с приводом от электрической сети данный вариант устройства применяют для работы системы по технологическому варианту с рациональным максимумом в разнице температур догретого и охлажденного потоков при догреве флюида, не превышающeм 30 - 35^oC, и c использованием ночной электроэнергии. В этом варианте догретый флюид в расчетном режиме подают из аккумулятора 19 к теплообменникам 22 и 23 с температурой 55 - 70^oC, что достаточно, например, для низкотемпературного отопления и горячего водоснабжения с помощью теплообменников.

Поскольку в последних технологических вариантах флюид догревается до высоких температур, для его аккумуляции используют только наземные аккумуляторы.

Возможны варианты работы системы в дневном режиме с отводом вместо догретого флюида из аккумулятора 19 к теплообменнику 23 (при больших объемах горячего водоснабжения) и с параллельной работой участка отопления согласно фиг. 1 (в этом случае основной поток флюида из скважины 14 и тепловой насос 7 в дневное время не отключают), a также в дневном режиме возможен пиковый догрев с подключением котла 2 (котел, работающий на топливе, используют также для поддержания системы в рабочем состоянии при возможных отключениях электроэнергии или ремонтных работах).

В зависимости от того или иного использованного варианта предложенные способ и устройство позволяют осуществлять надежную работу системы тепло- и водоснабжения при эксплуатации геотермальных источников умеренных (20-40^oC) и низких температур (ниже 20^oC), в том числе минерализованных, с возможностью повышения коэффициентов преобразования теплового потенциала геотермального флюида от 3 до 9 единиц, уменьшения общих энергетических затрат на 25-40%, общих эксплуатационных расходов и себестоимости тепловой энергии на 20-30% по сравнению с теплоснабжением от среднего коллектора (фиг. 1) без предварительного догрева и аккумуляции флюида и с автономным использованием верхнего коллектора только на водоснабжение (без подачи флюида в тепловой насос).

Подтверждение преимуществ, представляемых изобретением, проводилось с использованием последних практических данных по эксплуатации отечественных парокомпрессионных тепловых насосов [5]. На примере гидрогеотермических условий центральных областей России технико-экономическая оценка включала технологию, представленную на фиг. 1 и 2, при использовании верхнего и среднего коллекторов с глубинами залегания примерно 100 и 500 м и температурами флюидов 8 и 15^oC соответственно. В контрольных расчетах учитывали два варианта аккумуляции флюида из среднего коллектора при его догреве до 25^oC: аккумуляция в наземных аккумуляторах и в дополнительном подземном коллекторе, имеющем одинаковую температуру с догретым флюидом при глубине последнего коллектора около 900 м. При этом выявленная минерализация флюидов в среднем и нижнем коллекторе составляет 50 г/л и выше, и только флюид из верхнего коллектора пригоден для водоснабжения.

С учетом дополнительного потребления энергии на догрев флюида (в расчетах составило 27% от энергозатрат на теплоснабжение в ночном режиме), измененных капиталовложений в скважины, аккумулирующие емкости и другое оборудование, учтенных в отчислениях на его амортизацию, расчетная себестоимость 1 Гкал тепловой энергии для указанных вариантов по состоянию цен на оборудование и энергоносители в 1-м квартале 1997 г. и тарифе на электроэнергию, например 84 руб. за 1 кВт (для сельскохозяйственных объектов) составили 42 и 55 тыс. руб. (вторая цифра - для варианта с подземным коллектором-акуумулятором). Последняя цифра применительно к двухставочному тарифу на электроэнергию для городских объектов (например, 49 и 330 руб. за 1 кВт в ночном и дневном режиме потребления соответственно) возрастает до 78 тыс. руб. за 1 Гкал, что на 20-25% меньше в сравнении с технологией, реализуемой в известном устройстве [1] при одинаковой температуре добываемого флюида (8^oC), комплексно используемого на тепло- и водоснабжение.

Оценка возможности использования на тех же территориях способа работы системы тепло- и водоснабжения по варианту, представленному в качестве прототипа [2] , показывает, что достижение необходимой для использования данного способа начальной температуры добычи геотермального флюида (около 90-100^oC) потребует бурения скважин глубиной не менее 3 км, что в совокупности с заложенными в данной технологии операциями по опреснению флюида перед отводом на водоснабжение делает способ в отличие от предложенных решений экономически нецелесообразным для широкого распространения, локализуя область его применения площадками с высоким геотермическим градиентом.

Источники информации
1. А. с. 305327 СССР. Установка для тепло- и водоснабжения с использованием тепла геотермального источника. - Опубл. 04.06.71. Бюл. N 18.

2. А.с. 1548619 СССР. Способ работы системы теплоэнергоснабжения. - Опубл. 07.03.90. Бюл. N 9.

3. Быков А. В., Калнинь И.М., Крузе А.С. Холодильные машины и тепловые насосы (Повышение эффективности) - М.: Агропромиздат, 1988, с. 260 и рис. 5.10.

4. Хайнрих Г., Найорк Х., Нестлер В. Теплонасосные установки для отопления и горячего водоснабжения// Пер. с нем. - М.: Стройиздат, 1985. - с. 251.

5. Зубков В. А. Использование тепловых насосов в системах теплоснабжения// Теплоэнергетика, 1996, N 2, с. 17-20.

Изобретение относится к системам комплексного тепло- и водоснабжения с использованием геотермальных источников на площадках, имеющих два и более гидротермальных слоя. В предлагаемом способе часть суток, например в ночном режиме работы системы, одновременно с теплоснабжением на счет термотрансформации геотермального потока флюида из подземного коллектора осуществляют догрев другой части добываемого из данного коллектора флюида выше температуры коллектора за счет термотрансформации геотермального потока флюида меньшей температуры, отводимого для водоснабжения из дополнительного геотермального коллектора. Догретый флюид подают в аккумулятор и в другую часть суток закачивают из аккумулятора в исходный коллектор с одновременным отбором теплоты от флюида, в том числе на догрев флюида из другого коллектора до температуры горячего водоснабжения. Термотрансформацию геотермального потока флюида при теплоснабжении в первую часть суток, догреве флюида, и в случае температуры основного коллектора ниже 20^oC - и при отборе от флюида теплоты во вторую часть суток, осуществляют с использованием обратных теплонасосных циклов. Изобретение позволяет повысить экономичность и надежность работы системы при эксплуатации геотермальных источников с низкими температурами (5-40^oC). 2 с. и 5 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Способ работы системы тепло- и водоснабжения с аккумулятором геотермального флюида и теплоиспользующим комплексом, подключенным скважинами к подземному геотермальному коллектору, включающий отвод из коллектора через скважины основного потока и часть времени дополнительных потоков флюида, отбор от флюида теплоты, подачу флюида в аккумулятор и отвод части флюида на водоснабжение, догрев флюида до температуры не ниже температуры коллектора и закачку флюида из аккумулятора в исходный коллектор, отличающийся тем, что догрев и подачу в аккумулятор для отводимого часть суток дополнительным потоком флюида осуществляют до отбора от этой части флюида теплоты и одновременно с отводом основного потока флюида, отбором теплоты от последнего с использованием обратного теплонасосного цикла низкокипящего рабочего тела и закачкой последнего флюида в исходный коллектор, при этом флюид догревают перед подачей в аккумулятор до температуры выше температуры исходного коллектора, например, в соответствии с температурами отопления или горячего водоснабжения, с использованием отводимого по крайней мере одним дополнительным потоком из другого геотермального коллектора флюида меньшей или одинаковой температуры, путем отбора от последнего флюида теплоты к догреваемому флюиду с использованием обратного теплонасосного цикла, после чего догретый флюид подают в аккумулятор, флюид из другого коллектора после отбора из него теплоты отводят на водоснабжение, остальную часть закачивают в исходный для последнего флюида коллектор, а другую часть суток осуществляют закачку флюида из аккумулятора в исходный коллектор с одновременным отбором от флюида теплоты, в том числе на догрев отводимого одновременно из другого коллектора флюида до температуры горячего водоснабжения. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что догрев флюида перед подачей в аккумулятор осуществляют до разницы температур между догретым флюидом и охлаждаемым при этом флюидом из другого геотермального коллектора, не превышающей 30 - 35^oC, а подачу догретого флюида в аккумулятор и закачку флюида из аккумулятора в исходный коллектор начинают соответственно периодам перехода системы тепло- и водоснабжения с дневного на ночной график работы и наоборот. 3. Способ по п.2, отличающийся тем, что при температуре подземного коллектора ниже 20^oC отводимый из него для подачи в аккумулятор флюид догревают до температуры, не превышающей 35 - 40^oC, а отбор теплоты от последнего флюида при закачке из аккумулятора в исходный коллектор, в том числе на догрев флюида из другого коллектора до температуры горячего водоснабжения, осуществляют с использованием обратных теплонасосных циклов. 4. Способ по п.3, отличающийся тем, что для аккумуляции догретый флюид подают в подземный коллектор одинаковой с догретым флюидом температуры. 5. Устройство для тепло- и водоснабжения, подключенное к геотермальному источнику, включающее подсистему отопления с котлом, подсистемы горячего и холодного водоснабжения с аккумулятором каждая, основной тепловой насос с испарителем и конденсатором, установленный между геотермальным источником и подсистемой отопления, дополнительный тепловой насос с конденсатором и испарителем, установленный между геотермальным источником и подсистемами горячего и холодного водоснабжения, при этом конденсатор основного теплового насоса включен в обратную магистраль подсистемы отопления, а конденсатор и испаритель дополнительного теплового насоса подключены на выходе соответственно к аккумуляторам подсистем горячего и холодного водоснабжения, отличающееся тем, что дополнительный тепловой насос подключен к дополнительному геотермальному источнику, расположенному на меньшей глубине относительно основного геотермального источника, и устройство снабжено дополнительным аккумулятором, установленным между дополнительным и основным тепловыми насосами, причем дополнительный тепловой насос подключен к дополнительному геотермальному источнику входами испарителя и конденсатора через перемычку, дополнительный аккумулятор подключен на входе и выходе соответственно к выходу конденсатора дополнительного теплового насоса и к входу испарителя основного теплового насоса, испаритель дополнительного теплового насоса подключен через перемычку на выходе к основному и дополнительному геотермальным источникам, испаритель основного теплового насоса подключен через перемычку на выходе к испарителю дополнительного теплового насоса и к основному геотермальному источнику. 6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что оно снабжено теплообменниками, один из которых установлен между дополнительным аккумулятором и подсистемой отопления с возможностью подключения межтрубного пространства к ее обратной магистрали через перемычку, другой теплообменник установлен между дополнительным аккумулятором и аккумулятором подсистемы горячего водоснабжения с возможностью подключения межтрубного пространства к дополнительному геотермальному источнику через перемычку, при этом оба теплообменника установлены с возможностью подключения трубного пространства через перемычки на входе и выходе соответственно к дополнительному аккумулятору и к основному геотермальному источнику. 7. Устройство по п.5, отличающееся тем, что в качестве дополнительного аккумулятора в устройстве использован расположенный на большей глубине относительно основного геотермального источника подземный коллектор, подключенный скважиной через перемычку к входу испарителя основного теплового насоса и к выходу конденсатора дополнительного теплового насоса.