Использование тепловой энергии, аккумулированной в водоносных горизонтах
Опубликовано: 29 ноября 2018 г.
401
В. Баторшин, В. Котлер
Аккумулирование тепловой энергии в водоносных горизонтах особенно полезно для обеспечения надежной работы систем централизованного теплоснабжения. В таких системах избыточную теплоту, сбрасываемую круглый год, можно аккумулировать, а затем, по мере надобности, использовать.
Чаще всего аккумулируют воду температурой ниже точки кипения. Плотность воды примерно в 1600 раз больше плотности пара, поэтому для отопления помещений обычно применяют воду, а не пар, хотя поверхность теплообменника при использовании воды должна быть увеличена, поскольку для воды коэффициент теплоотдачи при конвекции гораздо меньше коэффициента теплоотдачи при конденсации пара.
Системы годичного аккумулирования тепловой энергии располагают в районах, где необходимо обеспечить отопление. Обычно используют двухтрубную теплоизолированную распределительную сеть совместно с двухскважинной системой аккумулирования. Тепловая энергия, предназначаемая для аккумулирования, поступает из любого источника сбросной теплоты. Тепловую энергию можно получать и от котельных в промежутках между пиками нагрузки.
Использование крупной системы годичного аккумулирования теплоты в водоносном горизонте дает много преимуществ, к числу которых относятся следующие:
1. Энергия аккумулирована в пределах данного района. Тем самым обеспечено покрытие пиковых тепловых нагрузок; уменьшаются размеры трубопроводов, проложенных от источника тепловой энергии к ее потребителям. Для непрерывной подпитки водоносного горизонта можно использовать теплую воду, поступающую с электростанции (при 10 %-ной пиковой нагрузке). Единственный вид аварии, который мог бы нарушить теплоснабжение, – это местная авария. При аварии отопительные системы, обслуживающие микрорайон, временно обеспечат его теплоснабжение.
2. Аккумулирование осуществляется круглогодично. Это позволяет в течение всего года закачивать воду в горизонт, производить его постепенное подпитывание и быструю разгрузку. Топливо для подогрева запасаемой воды, например, природный газ, которое становится дефицитным в зимнее время, можно получать в сезон пониженного спроса по льготным ценам. Магистраль ненадолго отключается от электростанции или котельной, поставляющей тепловую энергию, и это не отразится на качестве теплоснабжения. Можно даже использовать солнечную энергию, запасенную в течение лета.
3. Система аккумулирования имеет большие размеры. Благодаря этому, становится излишним дублирующее оборудование – водоносный горизонт сам по себе служит резервной системой теплоснабжения.
В экономическом отношении система также обладает некоторыми достоинствами. Можно уменьшить размеры основных (магистральных) и местных трубопроводов, так как тепловые нагрузки являются распределенными. Для теплоснабжения можно воспользоваться источниками сбросной теплоты, доступными в течение круглого года, что помогает сократить потребление топлива. Оборудование магистральной теплосети может иметь уменьшенные размеры, поскольку требуется покрывать лишь среднегодовые нагрузки, а не пиковые (следует отметить, что пиковые нагрузки бывают в 10 раз больше среднегодовых). Никакого дублирующего оборудования не нужно. Можно использовать топливо в периоды между пиками нагрузки, когда цена на топливо уменьшается.
Многие районы города, в том числе жилые массивы, нетрудно перевести на использование подобных систем. Может быть предусмотрена небольшая магистральная линия, по которой тепловая энергия круглый год будет поступать в местные жилые комплексы.
Кроме централизованного теплоснабжения для отопления жилых районов аккумулированное в водоносных горизонтах большое количество низкопотенциальной теплоты удобно использовать для обогрева теплиц. Энергию, предназначенную для аккумулирования, также можно получить от источников сбросной теплоты или, например, от гелиоустановок. Рекомендуемый интервал рабочих температур – от 32 до 49 °С. Вода сначала проходит через воздухоподогреватель (путем естественной или принудительной циркуляции), а затем ее используют для полива растений. Температуру воды, предназначаемой для полива, можно снизить до 27 °С. Если орошать растения теплой водой, они быстрее растут.
На рисунке показана простейшая схема солнечной установки для обогрева теплицы, которая может быть смонтирована на месте. Для нагрева воды используется коллектор – рама, выложенная на земле из деревянных брусьев сечением 10×10 см (или сечением 5×10 см со стойками). Лист черной полиэтиленовой пленки прикреплен к брусьям так, что он почти касается земли, сверху натянут лист прозрачной пленки. С одного конца коллектора подается холодная вода, а с другого выходит теплая, подогретая энергией солнечного излучения. В те периоды, когда не требуется обогревать теплицу, холодную воду берут из холодной скважины, а теплая нагнетается в горячую.
Согласно расчетам, за период с июня по август приходящая солнечная радиация составит примерно 11 МДж/м2 в сутки, или около 1,1 ГДж/м2 за сезон. При площади коллектора 30×30 м это составит за год примерно 1,0 ТДж. Понятно, что количество солнечной радиации, которая улавливается коллектором за год, зависит от местных условий и может быть в одних случаях в 2 раза больше, а в других несколько меньше указанного значения. Если не принимать во внимание трудозатраты, стоимость тепловой энергии может составить менее 0,5 долл./ГДж с амортизацией капиталовложений в течение года.
Можно использовать и другие самодельные коллекторы типа бассейн, а также коллекторы промышленного изготовления. Необходимо только следить за тем, чтобы вода, предназначенная для последующего нагнетания в горизонт, не контактировала с воздухом.
Теплую воду из водоносного горизонта можно пропустить через воздухоподогреватель, который действует по принципу естественной или принудительной конвекции. Остывшей водой после воздухоподогревателя можно поливать грядки. Благодаря такой системе, владельцы теплиц получают в свое распоряжение экономически выгодный способ их обогрева, причем большую часть работы фермер-растениевод может выполнить сам.
Рисунок. Обогрев теплицы:
1 – вода, теплота которой была использована для обогрева теплицы; 2 – теплица; 3 – воздухоподогреватель (калорифер); 4 – прозрачная полиэтиленовая пленка; 5 – черная полиэтиленовая пленка; 6 – нагреваемая вода; 7 – рама из деревянных брусьев; 8 – холодная скважина; 9 – насос; 10 – горячая скважина
