СИСТЕМА ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ ДЛЯ УСЛОВИЙ ГОРНОЙ МЕСТНОСТИ

Заявляемая полезная модель предназначена для повышения энергоэффективности систем водяного центрального отопления, расположенных приемущественно в горных условиях, которая достигается за счет снижения затрат энергии не только на нагрев теплоносителя в системе водяного отопления, но и снижения их на прокачивание теплоносителя по ней.
Близкой к заявляемой полезной модели является традиционная система теплоснабжения (Баскаков А.П.. Берг Б.В., Витт O.K. и др. Теплотехника. Учебник для вузов. Под ред. А.П.Баскакова - 2-е изд., перераб. - М.: энергоатомиздат. 1991 г.), которая включает: один источник воды соединенный с первым источником тепловой энергии, например, предусматривающим для своей работы сжигание органического топлива; подключенный к нему через запорную арматуру прямой трубопровод, по которому теплоноситель с температурой более высокого уровня посредством сетевого насоса транспортируется к потребителю (потребителям) тепловой энергии, обратный трубопровод, соединенный с выходом теплопотребителя (теплопотребителей), по которому теплоноситель с температурой менее высокого уровня от теплопотребителя транспортируется к теплоисточнику и подключен к нему посредством запорной арматуры; системы задвижек и обвязок, в том числе, для подключения или обхода конкретных теплопотребителей, контрольную аппаратуру для измерения давлений, расходов и температур теплоносителя, прямые и обратные трубопроводы выполнены кольцевыми или (и) радиальными. Эта система теплоснабжения может являться прототипом (его частью) заявляемой полезной модели.
Такие системы теплоснабжения в России распространены повсеместно, однако они имеют низкую энергоэффективность из-за больших затрат на выработку тепловой энергии (первая составляющая), а также на прокачивание теплоносителя по сетям системы теплоснабжения (вторая составляющая).
Известно применение технических систем для нагрева воды не предусматривающих для этого сжигания топлива или затрат энергии, например, гидродинамических теплогенераторов (Тепловодоснабжающая скважина. Патент РФ на изобретение №2291255. Заявка №2005100306/03 от 11.01.2005 г. М. кл. Е03В 3/00; F24H 4/02. Бюл. №1, опубл. 10.01.2007 г.). Энергоэффективность такого теплоисточника выше в сравнении с источниками предусматривающими для выработки тепла сжигания топлива. Для осуществления сезонного подземного теплогидроаккумулирования нагретой с использованием такого энергоэффективного гидродинамического теплогенератора воды известно решение (Сква-жинный теплоисточник. Патент РФ на изобретение №2329435. Заявка №2006132584 от 11.09.2006 г., М.  кл. F24D 3/08; F24J 3/08. Бюл. №20, опубл. 20.07.2008 г.). Высокая энергетическая и экономическая эффективность подземных теплогидроаккумуляторов позволяет достичь высоких энергоэкономических показателей систем теплоснабжения с их использованием, в частности - Скважинной системы теплоснабжения с подземным теплогидро-аккумулированием (патент РФ на изобретение №2371638. F24D 15/04, F24H 4/02. Заявка №2008111776/03 от 27.03.2008 г. Опубл. 27.10.2009 г., бюл. №30). Предназначена она для нагрева воды с целью последующего ее использования для отопления и горячего водоснабжения. Теплоисточник в такой системе теплоснабжения (признаки высокоэффективного теплоисточника) выполнен в виде сезонного подземного теплогидроаккумулятора, заряжаемого гидродинамическим или гелиоконцентраторным теплогенераторами, и расположен, например, в подземном водоносном интервале. Применение такой технологии в Российской Федерации позволяет съэкономить до 75% энергии, в сравнении с технологией предусматривающей для этого сжигание топлива.
Следует отметить, что для обеспечения высокой энергоэффективности процессов нагревания теплоносителей (и одновременно - подземного теплогидроаккумулирования горячей воды) путем использования для этого возобновляемых источников энергии - солнечных (ВИЭ) за рубежом с успехом используются гелиоконцентраторные установки. Они являются альтернативой использования для этого гидродинамических теплогенераторов (по выше упомянутому патенту РФ №2371638).
Использование приведенных решений, предусматривающих использование гидродинамических теплогенераторов, позволяет повысить энергоэффективность систем теплоснабжения за счет исключения затрат связанных с использованием топлива или какой-либо энергии для нагрева теплоносителя (первой составляющей). Вышеприведенные признаки энергоэффективного теплоисточника (как известного решения) системы теплоснабжения также могут являться прототипом (другой его частью) заявляемой полезной модели.
Таким образом, прототип заявляемой полезной модели целесообразно принять сборным, включающим признаки традиционной системы теплоснабжения (первая часть) и признаки энергоэффективной системы теплоснабжения (вторая часть), при этом доотличительная часть сборного прототипа заявляемой полезной модели - системы теплоснабжения для условий горной местности можно изложить следующим образом. Система теплоснабжения для условий горной местности, включающая один источник воды соединенный с первым источником тепловой энергии, например, предусматривающим для своей работы сжигание органического топлива; подключенный к нему через запорную арматуру прямой трубопровод, по которому теплоноситель с температурой более высокого уровня посредством сетевого насоса транспортируется к потребителю (потребителям) тепловой энергии, обратный трубопровод, соединенный с выходом теплопотребителя (теплопотребителей), по которому теплоноситель с температурой менее высокого уровня транспортируется к теплоисточнику и подключен к нему посредством запорной арматуры; системы задвижек и обвязок, в том числе, для подключения или обхода конкретных теплопотребителей, контрольную аппаратуру для измерения давлений, расходов и температур теплоносителя, прямые и обратные трубопроводы выполнены кольцевыми или (и) радиальными; дополнительно она содержит другой теплоисточник в виде сезонного подземного теплогидроаккумулятора, заряжаемого гидродинамическим или гелиоконцентраторным теплогенераторами, и расположенный, например, в подземном водоносном интервале.
По нашему мнению, недостаток ее заключается в том, что для повышения энергоэффективности систем теплоснабжения в условиях горной местности не в полной мере используются и учитываются возможности природно-географических условий расположения теплоисточников и теплопотребителей, в частности их разновысотного положения в одном населенном пункте, а также при разновысотном (каскадном) рассредоточении таких населенных пунктов. При этом не используются возможности разновысотного положения теплоисточников и теплопотребителей как одного населенного пункта так и нескольких населенных пунктов для создания в системе теплоснабжения напора теплоносителя путем формирования гидроэнергетического потенциала водотоков в трубопроводах. А доля второй составляющей в системах теплоснабжения значима. Известно, что на прокачивание теплоносителя по тепловым сетям систем централизованного водяного отопления расходуется около 12,5% (50 млн.т у.т.) энергии от уровня на ее производство при использовании сжигания органического топлива (400-450 млн.т у.т.), (Альков Н.Г., Коротеев А.С.Новые высокоэффективные методы транспортирования тепла и перспектива их использования в ЖКХ. Тезисы докладов Всероссийской научно-практической конференции «Энергоресурсосбережение в строительстве и жилищно-коммунальном комплексе», - 2003 (Ярославль, 1-2 октября 2003 г.). Поэтому, в условиях горной местности для повышения энергоэффективности систем теплоснабжения, путем потенциально возможного снижения энергозатрат на прокачивание теплоносителя, должны учитываться возможности использования природно-географических условий и характеристик местности, в частности высотных для размещения ее (системы теплоснабжения) элементов.
Таким образом, принятая за прототип система теплоснабжения для условий горной местности имеет резервы для повышения ее энергоэффективности.
Технической задачей заявляемой полезной модели является создание система теплоснабжения для условий горной местности с более высокой энергоэффективностью в сравнении с прототипом.
Решена она тем, что в заявляемой системе теплоснабжения для условий горной местности в отличие от сборного прототипа, включающей один источник воды соединенный с первым источником тепловой энергии, например, предусматривающим для своей работы сжигание органического топлива; подключенный к нему через запорную арматуру прямой трубопровод, по которому теплоноситель с температурой более высокого уровня посредством сетевого насоса транспортируется к потребителю (потребителям) тепловой энергии, обратный трубопровод, соединенный с выходом теплопотребителя (теплопотребителей), по которому теплоноситель с температурой менее высокого уровня транспортируется к теплоисточнику и подключен к нему посредством запорной арматуры; системы задвижек и обвязок, в том числе, для подключения или обхода конкретных теплопотребителей, контрольную аппаратуру для измерения давлений, расходов и температур теплоносителя, прямые и обратные трубопроводы выполнены кольцевыми или (и) радиальными; дополнительно она содержит другой теплоисточник в виде сезонного подземного теплогидроаккумулятора, заряжаемого гидродинамическим или гелиоконцентраторным теплогенераторами, и расположенный, например, в подземном водоносном интервале, в ней подземный теплогидроаккумулятор другого теплоисточника посредством направленно пробуренной скважины соединен с прямым трубопроводом системы теплоснабжения, при этом сам другой теплоисточник является основным, а первый - резервным, причем другой теплоисточник расположен выше теплопотребителя с разностью их высотного положения и создаваемого им напора достаточного для прокачивания теплоносителя по системе теплоснабжения с необходимыми параметрами; обратный трубопровод от теплопотребителя сообщен с системой захоронения отработавшего теплоносителя, либо, являясь одним источником горячей воды, - с нагнетательной скважиной дополнительного теплоисточника в виде сезонного подземного теплогидроаккумулятора, заряжаемого гидродинамическим или(и) гелиоконцентраторным теплогенератором, аналогичной по составу и нижерасположенной системы теплоснабжения, в которой, при необходимости, предусмотрен дополнительный источник воды для ее подпитки.
Система теплоснабжения для условий горной местности может включать несколько разновысотно рассредоточенных, аналогичных по составу, каскадно расположенных и последовательно сообщенных между собой систем теплоснабжения.
В системе теплоснабжения для условий горной местности гидродинамическим теплогенератором зарядки подземного теплогидроаккумулятора может быть вихревой.
Реализация отличительных (от прототипа) признаков обуславливает появление у системы теплоснабжения для условий горной местности (далее, СТГМ) важного нового свойства - за счет разновысотного положения теплоисточника и теплопотебителей системы теплоснабжения создать в прямом трубопроводе теплосетей гидроэнергопотенциал путем формирования напора теплоносителя необходимого для его прокачивания по сетям системы теплоснабжения без использования для этого энергии (или топлива).
Сочетание признаков заявляемой системы теплоснабжения для условий горной местности позволяет: 1) за счет использования в ней теплоисточника в виде сезонного подземного теплогидроаккумулятора, заряжаемого гидродинамическим или гелиоконцентраторным теплогенераторами, и расположенного, например, в подземном водоносном интервале позволяет без затрат топлива нагревать теплоноситель, аккумулировать тепло и достичь при этом эффект энергосбережения; 2) усилить этот эффект за счет разновысотного размещения теплоисточников и теплопотребителей в условиях одного населенного пункта и, кроме того снизить потребление воды при каскадно расположенных системах теплоснабжения и энергозатраты на нагрев ее в ниже расположенных системах, то есть получить эффект ресурсосбережения.
Относительно решений конкретизирующих исполнение СТГМ:
а) система теплоснабжения для условий горной местности может включать несколько разновысотно рассредоточенных, аналогичных по составу, каскадно расположенных и последовательно сообщенных между собой систем теплоснабжения.
Достижение эффектов энерго- и ресурсосбережения в СТГМ по п.а) пояснено в предыдущем абзаце, оно очевидно и дополнительных комментариев не требует;
б) в системе теплоснабжения для условий горной местности гидродинамическим теплогенератором зарядки подземного теплогидроаккумулятора может быть вихревой.
В настоящее время известны несколько типов гидродинамических теплогенераторов, частности следующие: работающие на принципе гидродинамического удара при взаимодействии встречных потоков воды и отличающиеся от вихревых; нагревание основано на явлении кавитации, происходящем в смесителе за счет выделения энергии при соударении потоков жидкости, которое используется в вихревых нагревателях и др. Известны статические (в виде «улитки») и динамические (дисковые) вихревые теплогенераторы. Благодаря своей доказанной эффективности, в течении более чем десятилетнего практического опыта эксплуатации, наибольшее распространение получили динамические вихревые теплогенгераторы, например типа ТС, сертифицированные и отвечающие утвержденным техническим условиям.
На фиг.1 приведена схема нескольких, отдельных, самостоятельных разновысотного положения контуров системы теплоснабжения для условий горной местности; на фиг.2 - схема отдельного контура теплоснабжения связанной системы с разновысотным положением в нем (контуре) другого теплоисточника и традиционной системы теплоснабжения.
На фиг.1 приведены следующие обозначения:
- схема первой (верхней) системы теплоснабжения: 1-1 - один источник воды; 2-1 - гидроэнергетическая скважина; 3-1 - гидротурбина (турбобур); 4-1 - гидродинамический теплогенератор вихревой дискового типа; 5-1 - колонна труб, на которой закреплены агрегатированные 6-1 турбобур 3-1 и гидродинамический теплогенератор 4-1; 7-1 - регулирующее устройство подачи воды в гидроэнергетическую скважину 2-1 (устьевое, поворотное, с перфорациями в обсадной колонне и в поворотном кольце); 8-1 - труба с перфорорационными отверстиями; 9-1 - подземный водоносный интервал - теплогидро-аккумулятор; 10-1 - скважина к теплопотребителю; 11-1 - перекрытый, например, затампонированный интервал скважины технологического назначения; 12-1 трубопровод с горячей водой от подземного теплогироаккумулятора (ПТГА); 13-1 - задвижка в трубопроводе от ПТГА; 14-1 - первый теплоисточник, предусматривающий сжигание топлива; 15-1, 16-1 - задвижки в прямом и обратном трубопроводах, соответственно;
- схема второй (средней) системы теплоснабжения: 1-2 - дополнительный источник воды; 2-2 - гидроэнергетическая скважина; 3-2 - гидротурбина (турбобур); 4-2 - гидродинамический теплогенератор вихревой дискового типа; 5-2 - колонна труб, на которой закреплены агрегатированные 6-2 турбобур 3-2 и гидродинамический теплогенератор 4-2; 7-2 - регулирующее устройство подачи воды в гидроэнергетическую скважину 2-2 (устьевое, поворотное, с перфорациями в обсадной колонне и в поворотном кольце); 8-2 - труба с перфорорационными отверстиями; 9-2 - подземный водоносный интервал - теплогидроаккумулятор; 10-2 - скважина к теплопотребителю; 11-2 - перекрытый, например, затампонированный интервал скважины технологического назначения; 12-2 трубопровод с горячей водой от подземного теплогироаккумулятора (ПТГА); 13-2 - задвижка в трубопроводе от ПТГА; 14-2 - первый теплоисточник, предусматривающий сжигание топлива; 15-2, 16-2 - задвижки в прямом и обратном трубопроводах, соответственно;
- схема подземного теплогидроаккумулятора третьей системы теплоснабжения: 1-3 - дополнительный источник воды; 2-3 - гидроэнергетическая скважина; 3-3 - гидротурбина (турбобур); 4-3 - гидродинамический теплогенератор вихревой дискового типа; 5-3 - колонна труб, на которой закреплены агрегатированные 6-3 турбобур 3-3 и гидродинамический теплогенератор 4-3; 7-3 - регулирующее устройство подачи воды в гидроэнергетическую скважину 2-3 (устьевое, поворотное, с перфорациями в обсадной колонне и в поворотном кольце); 8-3 - труба с перфорорационными отверстиями; 9-3 - подземный водоносный интервал - теплогидроаккумулятор; 10-3 - скважина к теплопотребителю; 11-3 - перекрытый, например, затампонированный интервал скважины технологического назначения; 12-3 трубопровод с горячей водой от подземного теплогироаккумулятора (ПТГА); 13-3 - задвижка в трубопроводе от ПТГА.
На фиг.2 приведены следующие обозначения: 1 - один (или дополнительный) источник воды; 2 - гидроэнергетическая скважина; 3 - гидротурбина (турбобур); 4 - гидродинамический теплогенератор вихревой дискового типа; 5 - колонна труб, на которой закреплены агрегатированные 6 турбобур 3 и гидродинамический теплогенератор 4; 7 - регулирующее устройство подачи воды в гидроэнергетическую скважину 2 (устьевое, поворотное, с перфорациями в обсадной колонне и в поворотном кольце); 8 - труба с перфорорационными отверстиями; 9 - подземный водоносный интервал - теплогидроаккумулятор; 10 - скважина к теплопотребителю; 11 - перекрытый, например, затампонированный интервал скважины технологического назначения; 12 трубопровод с горячей водой от подземного теплогироаккумулятора (ПТГА); 13 - задвижка в трубопроводе от ПТГА; 14 - первый теплоисточник, предусматривающий сжигание топлива; 15, 16 - задвижки в прямом и обратном трубопроводах, соответственно.
Описание СТГМ в статическом состоянии.
Заявляемая СТГМ на фиг.1 включает две в полном объеме отображенных каскадно и разновысотно расположенных системы теплоснабжения с обозначениями позиций, одной - от 1-1 до 16-1, другой от 1-2 до 16-2, а также часть третьей (нижней) - с обозначениями позиций от 1-3 до 13-3. Схема отдельного контура теплоснабжения связанной системы (фиг.2) включает разновысотно расположенные другой теплоисточник и традиционную систему теплоснабжения. Традиционная система теплоснабжения включает первый теплоисточник (котельную) - 14, предусматривающий сжигание топлива; от которого тепло по прямому трубопроводу (задвижка 15 в нем) сетевыми насосами перемещается к теплопотребителю (первому или второму), а по обратному трубопроводу (задвижка 16 в нем) - возвращается на котельную 14.
Другой теплоисточник включает подземный водоносный интервал - теплогидроаккумулятор 9 (ПТГА), который посредством гидроэнергетической скважины 2 и скважины к теплопотребителю 10 сообщен, соответственно, с одним (или дополнительным) источником воды 1 и традиционной системой теплоснабжения (ее прямым трубопроводом, через задвижку 13). Один (или дополнительный) источник воды 1 сообщается с гидроэнергетической скважиной 2 через регулирующее устройство 7 подачи воды в гидроэнергетическую скважину. В гидроэнергетической скважине 2 на колонне труб 5 установлен гидротеплоагрегат включающий гидротурбину 3 (турбобур) и гидродинамический теплогенератор 4, корпуса и роторы которых соединены. Реактивный момент, возникающий на гидротеплоагрегате, воспринимается колонной труб 5 жестко закрепленной на устье гидроэнергетической скважины 2. Статический уровень в гидроэнергетической скважине такой, что напор создаваемый водотоком воды от источника достаточен для выработки тепла (нагрева воды) гидротеплоагрегатом 3-4. Нижняя часть гидроэнергетической скважины 2 сообщена с водоносный интервалом 9 (в нем образован ПТГА). ПТГА 9 сообщен со скважиной 10 к теплопотребителю (традиционной системе теплоснабжения), выход которой посредством трубопровода 12 и вентиля 13 в нем сообщен с прямым трубопроводом традиционной системы теплоснабжения.
Каждый отдельный контур теплоснабжения связанной системы включает разновысотно расположенные другой теплоисточник и традиционную систему теплоснабжения, которые сообщены между собой посредством задвижки 13 в трубопроводе от ПТГА.
Работа СТГМ в процессе ее эксплуатации.
Зарядка ПТГА. При эксплуатации СТГМ подземные теплогидроаккумуляторы 9-1, 9-2 и 9-3 (фиг.1) дополнительных теплоисточников каждой, одного высотного положения системы теплоснабжения, заряжаются горячей водой в летнее время, которая нагревается при прохождении скважинного водотока через теплогидроагрегат 6 (фиг.2) установленный в скважине 2. За счет динамического напора поступающей в скважину воды ее уровень (динамический) повышается и разностью динамического и статического уровней создается напор воздействующий на гидродинамический теплогенератор (теплогидроагрегат 6). За счет напора водотока вращение принимает гидротурбина (турбобур 3), вращение ротора которого передается вихревому теплогенератору 4. При прохождении через гидродинамический теплогенератор, вода нагревается до температуры близкой к кипению и по скважине движется к водоносному интервалу 9 и поступает в него через перфорацию в трубе 8. Напор воды в скважине таков, что он достаточен для работы гидродинамического теплогенератора в номинальном режиме и нагрева воды до требуемой температуры. Поступившая в водоносный интервал 9 горячая вода движется в направлении скважины к теплопотребителю 10, заполняя объем в водоносе и формируя ПТГА. Заряженные в летнее время ПТГА заявляемой системы теплоснабжения являются энергетической основой обеспечения теплоснабжения с ее использованием в отопительный период. Зарядка ПТГА может осуществляться в летнее время и с использованием для этого солнечной энергии - гелиоконцентраторов (такая технология широко применяется зарубежными энергетиками, как правило европейскими).
1
пр.1
2
Работа СТГМ в отопительном сезоне. С наступлением отопительного сезона для запуска СТГМ: обеспечивается перекрытие вентилей 15-16 (15-1 и 16-1; 15-2 и 16-2); открываются вентили «К ниже расположенной системе»; открываются вентили 13-1; 13-2;13-3. Открывается регулирующее устройство 7-1, через которое устанавливается водоток с расходом Q, равным расчетному расходу в традиционной системе теплопотребления с обозначениями входящих в нее позиций от 12-1 до 16-1. При этом, из ПТГА 9-1 горячая вода за счет напора создаваемого столбом воды Н по трубопроводу 12-1 движется к первому теплопотребителю по прямому трубопроводу. После отдачи тепла и водоразбора теплоноситель от первого теплопотребителя с расходом Q движется по обратному трубопроводу и, далее, через вентиль «к ниже расположенной системе» на вход регулирующего устройства 7-2. При работе системы теплоснабжения с первым теплопотребителем количество воды в ПТГА не изменяется (не уменьшается), так как использованная от него горячая вода, в таком же объеме восстанавливается за счет ее поступления (с идентичным расходу) через гидроэнергетическую скважину 2-1. Осуществляется поступление горячей воды в ПТГА 9-1 из гидроэнергетической скважины 2-1, в которую она она поступает из ее источника 1-1. То есть ПДГА 9-1 всегда находится заряженным.
3
пр.2
4
Регулирующим устройством устанавливается расход Q воды поступающей в гидроэнергетическую скважину 2-2 равный расчетному расходу в традиционной системе теплопотребления с обозначениями входящих в нее позиций от 12-2 до 16-2. Из ПТГА 9-2 горячая вода за счет напора создаваемого столбом воды Н по трубопроводу 12-2 движется ко второму теплопотребителю по прямому трубопроводу. После отдачи тепла и водоразбора теплоноситель от первого теплопотребителя с расходом Q движется по обратному трубопроводу и, далее, через вентиль «к ниже расположенной системе» на вход регулирующего устройства 7-3. При работе системы теплоснабжения со вторым теплопотребителем количество воды в ПТГА 9-2 не изменяется, исходя из аналогии выше изложенных подходов. А ПТГА 9-2 всегда находится заряженным.
При наличии ниже расположенных потребителей тепла системы их теплоснабжения, согласно заявляемой СТГМ, формируются и работают аналогично приведенным выше.
Входящая в состав СТГМ котельная 14 на фиг.2 и (14-1 и 14-2) - на фиг.1, предусматривающая для своей работы сжигание органического топлива, является резервной и используется в исключительных случаях - при авариях на источниках с ПТГА, в том числе связанных с форс мажорными обстоятельствами.
Использование заявляемой СТГМ позволяет в условиях горной местности создать систему теплоснабжения с более высокой энергоэффективностью за счет снижения затрат энергии на прокачивание по тепловым сетям теплоносителя. Более высокая энергоэффективность и экономичность в ней достигаются и за счет исключения затрат связанных с закупкой о завозом топлива для нагрева теплоносителя или использованием других (покупных) видов энергии.
Заявляемая СТГМ более экологична, а ее использование перспективно в особо-охраняемых природных территориях. Применение ее позволяет повысить энергобезопасность селений неохваченных централизованным энергоснабжением, их энергонезависимость, снизить социальную напряженность связанную с энергообеспечением и энергоснабжением, а также повысить антитеррористическую защищенность энергноисточников.