Децентрализация и регулирование теплоснабжения: Децентрализация теплоснабжения – путь к энергосбережению — № 06 (15) декабрь 2014 года — Тепловая энергетика — WWW.EPRUSSIA.RU

Анализ перспективных систем теплоснабжения | C.O.K. archive | 2003

2003-08-05

36995
0

0

Опубликовано в журнале СОК №7 | 2003

Rubric:

• Heating

В этом докладе рассмотрены вопросы, связанные с переходом систем централизованного теплоснабжения на децентрализованное. Рассмотрены положительные и отрицательные стороны обеих систем. Представлены результаты проведенного сопоставления этих систем.

Ориентация российской энергетики на теплофикацию и централизованное теплоснабжение как основной способ удовлетворения тепловых потребностей городов и промышленных центров технически и экономически себя оправдали. Однако в работе систем централизованного теплоснабжения и теплофикации имеется много недостатков, неудачных технических решений, неиспользованных резервов, которые снижают экономичность и надежность функционирования таких систем [1]. Производственный характер структуры систем централизованного теплоснабжения (СЦТ) с ТЭЦ и котельными, необоснованность масштабов подключения потребителей и практическая неуправляемость режимами работы СЦТ (источники — тепловые сети — потребители) во многом обесценили преимущества централизованного теплоснабжения. Если источники тепловой энергии еще сопоставимы с мировым уровнем, то анализ в целом СЦТ показывает, что: — техническая оснащенность и уровень технологических решений при строительстве тепловых сетей соответствуют состоянию 1960-х годов, в то время как резко увеличились радиусы теплоснабжения, и произошел переход на новые типоразмеры диаметров труб; — качество металла теплопроводов, теплоизоляция, запорная и регулировочная арматура, конструкции и прокладка теплопроводов значительно уступает зарубежным аналогам, что приводит к большим потерям тепловой энергии в сетях; — плохие условия теплогидроизоляции теплопроводов и каналов тепловых сетей способствовали повышению повреждаемости подземных теплопроводов, что привело к серьезным проблемам замены оборудования тепловых сетей; — отечественное оборудование крупных ТЭЦ соответствует среднему зарубежному уровню 1980-х годов, и в настоящее время паротурбинные ТЭЦ характеризуются высокой аварийностью, так как практически половина установленной мощности турбин выработала расчетный ресурс; — на действующих угольных ТЭЦ отсутствуют системы очистки дымовых газов от NOX и SOX, а эффективность улавливания твердых частиц часто не достигает требуемых значений; — конкурентоспособность СЦТ на современном этапе можно обеспечить только внедрением специально новых технических решений, как по структуре систем, так и по схемам, оборудованию энергоисточников и тепловых сетей. Кроме того, принимаемые на практике традиционные режимы работы централизованного теплоснабжения имеют следующие недостатки: — практическое отсутствие регулирование отпуска теплоты на отопление зданий в переходные периоды, когда особенно большое влияние на тепловой режим отапливаемых помещений оказывают ветер, солнечная радиация, бытовые тепловыделения; — перерасход топлива и перетоп зданий в теплые периоды отопительного сезона; — большие потери теплоты при его транспортировке (около 10%), а во многих случаях — намного больше; — нерациональный расход электроэнергии на перекачку теплоносителя, обусловленный самим принципом центрального качественного регулирования; — длительная эксплуатация подающих трубопроводов теплосети в неблагоприятном режиме температур, характеризующимся нарастанием коррозионных процессов и др. Современная система децентрализованного теплоснабжения представляет сложный комплекс функционально взаимосвязанного оборудования, включающего автономную теплогенерирующую установку и инженерные системы здания (горячее водоснабжение, системы отопления и вентиляции). В последнее время многие регионы России проявляют интерес к внедрению энергоэффективной технологии поквартирного теплоснабжения многоэтажных домов, представляющего собой вид децентрализованного теплоснабжения, при котором каждая квартира в многоквартирном доме оборудуется автономной системой обеспечения теплотой и горячей водой. Основными элементами системы поквартирного отопления являются отопительный котел, отопительные приборы, системы подачи воздуха и отвода продуктов сгорания. Разводка выполняется с применением стальной трубы или современных теплопроводных систем — пластиковых или металлопластиковых. Объективными предпосылками внедрения автономных (децентрализованных) систем теплоснабжения является: — отсутствие в ряде случаев свободных мощностей на централизованных источниках; — уплотнение застройки городских районов объектами жилья; — кроме того, значительная часть застройки приходится на местности с неразвитой инженерной инфраструктурой; — более низкие капиталовложения и возможность поэтапного покрытия тепловых нагрузок; — возможность поддержания комфортных условий в квартире по своему собственному желанию, что в свою очередь является более привлекательным по сравнению с квартирами при централизованном теплоснабжении, температура в которых зависит от директивного решения о начале и окончании отопительного периода; — появление на рынке большого количества различных модификаций отечественных и импортных (зарубежных) теплогенераторов малой мощности. Теплогенераторы могут размещаться на кухне, в отдельном помещении на любом этаже (в том числе чердачном или подвальном) или в пристройке. Наиболее распространенная схема автономного (децентрализованного) теплоснабжения включает в себя: одноконтурный или двухконтурный котел, циркуляционные насосы для отопления и горячего водоснабжения, обратные клапаны, закрытые расширительные баки, предохранительные клапаны. При одноконтурном котле для приготовления горячего водоснабжения применяется емкостной или пластинчатый теплообменник. Достоинствами децентрализованного теплоснабжения являются: — отсутствие необходимости отводов земли под тепловые сети и котельные; — снижение потерь теплоты из-за отсутствия внешних тепловых сетей, снижение потерь сетевой воды, уменьшение затрат на водоподготовку; — значительное снижение затрат на ремонт и обслуживание оборудование; — полная автоматизация режимов потребления. В автономных системах теплоснабжения не рекомендуется использовать неподготовленную воду из водопровода в виду ее агрессивного воздействия на элементы котла, что вызывает необходимость в фильтрах и других устройствах водоподготовки. Среди экспериментальных зданий, построенных в российских регионах, есть как элитные дома, так и дома массовой застройки. Квартиры в них стоят дороже аналогичного жилья с централизованным теплоснабжением. Однако уровень комфорта дает им преимущества на рынке недвижимости. Их владельцы получают возможность самостоятельно решить, сколько им нужно теплоты и горячей воды; исчезает проблема сезонных и других перебоев в теплоснабжении. Децентрализованные системы любого вида позволяют исключить потери энергии при ее транспортировке (в результате снижается стоимость теплоты для конечного потребителя), повысить надежность систем отопления и горячего водоснабжения, вести жилищное строительство там, где нет развитых тепловых сетей. При всех этих достоинствах децентрализованного теплоснабжения имеются и негативные стороны. У мелких котельных, в том числе и «крышных», высота дымовых труб, как правило, значительно ниже, чем у крупных. При суммарном равенстве тепловой мощности величины выбросов не изменяются, однако резко ухудшаются условия рассеивания. Кроме того, небольшие котельные располагаются, как правило, вблизи жилой зоны. В пользу централизованного теплоснабжения следует также рассматривать комбинированную выработку тепловой и электрической энергии на ТЭЦ. Дело заключается в том, что рост количества автономных котельных однозначно не приведет к снижению потребления топлива на ТЭЦ (при условии неизменной выработки электроэнергии). Это говорит о том, что в целом по городу возрастает потребление топлива, и уровень загрязнения воздушного бассейна увеличивается [1]. При сравнении вариантов одними из основных показателей являются следующие виды затрат. Они наглядно представлены в таблице ~4~ [2]. В качестве подтверждения вышеизложенного нами был произведен расчет двух вариантов систем с централизованным и децентрализованным теплоснабжением одного квартала. Рассматриваемый квартал представляет собой четыре 3-секционных 5-этажных жилых здания. На этаже каждой секции расположены по четыре квартиры общей площадью 70 м2 (Таблица ~4~). Допустим, что данный район отапливается котельной с котлами КВГМ-4 на природном газе (I — вариант). В качестве II варианта — индивидуальный газовый котел со встроенным проточным теплообменником для приготовления горячей воды. Зависимость удельной стоимости котла (DM/кВт) от установленной мощности приведена на ~1~. Расчет нами был произведен в соответствии с [3]. Котлы «De Dietrich» Котлы «Viessmann» Котлы «Vaillant» При анализе зависимостей использовались данные для импортных котлов. Котлы российского производства на 20-40 % дешевле, в зависимости от фирмы производителя и фирмы посредника. При определении основных техникоэкономических показателей для децентрализованных систем теплоснабжения необходимо учитывать расходы, связанные с увеличением величины диаметров газопроводов низкого давления, так как в этом случае возрастают потери газа. Но в этом есть положительный фактор, выступающий в пользу децентрализованного теплоснабжения: отпадает необходимость в прокладке тепловых сетей. Расчетные данные наглядно представлены на ~2~ и ~3~, из которых видно, что: — годовой расход топлива при децентрализованном теплоснабжении снижается в среднем на 40-50 %; — снижаются затраты на обслуживание примерно в 2,5-3 раза; — затраты на электрическую энергию в 3 раза; — эксплуатационные расходы при децентрализованном теплоснабжении также меньше, чем при централизованном теплоснабжении. Применение поквартирной системы теплоснабжения многоэтажных жилых домов позволяет полностью исключить потери тепла в тепловых сетях и при распределении между потребителями, и значительно снизить потери на источнике. Позволит организовать индивидуальный учет и регулирование потребления теплоты в зависимости от экономических возможностей и физиологических потребностей. Поквартирное теплоснабжение приведет к снижению единовременных капитальных вложений и эксплуатационных затрат, а также позволяет экономить энергетические и сырьевые ресурсы на выработку тепловой энергии и как следствие этого, приводит к уменьшению нагрузки на экологическую обстановку. Поквартирная система теплоснабжения является экономически, энергетически, экологически эффективным решением вопроса теплоснабжения для многоэтажных домов. И все-таки, необходимо проводить всесторонний анализ эффективности применения той или иной системы теплоснабжения, принимая во внимание множество факторов.
Литература. 1. Ионин А. А. Теплоснабжение. М.: Стройиздат, 1984. 2. Братенков В. Н. Теплоснабжение сельских населенных мест, М.: МИСИ, 1988. 3. Пермяков Б. А., Кононович Ю. В. Экономическое и экологическое сравнение централизованной и децентрализованной систем теплоснабжения, М.: МГСУ, 2002. По материалам 5-го Московского Международного Форума по проблемам проектирования и строительства систем отопления, вентиляции, кондиционирования воздуха и охлаждения в рамках международной выставки HEAT&VENT’2003 MOSCOW (стр. 95–100), Издатель ITE Group PLC, под редакцией профессора, к.т.н. Махова Л. М., 2003 г.

Децентрализация энергетики: Грани Разумного

Общие сведения о централизованных и децентрализованных системах отопления

25 августа 2017 г.

Перед установкой новой системы отопления в вашем доме необходимо принять несколько начальных решений. Первое решение, которое вам нужно будет принять, связано с фундаментальной конструкцией системы отопления — какую систему отопления выбрать для своего дома — централизованную или децентрализованную? После того, как это решение будет принято, последуют более конкретные решения, касающиеся типа топлива и оборудования, технического обслуживания или эффективности использования энергии. Однако обо всем по порядку: чтобы принять это важное первое решение, вам необходимо знать, чем отличаются централизованные и децентрализованные системы отопления.

Централизованное отопление

Централизованное отопление – это тип системы отопления, в которой тепло вырабатывается из одной «центральной» точки дома. Из этого единственного источника тепло распределяется по различным комнатам дома, чтобы довести воздух в доме до постоянной температуры, которая контролируется термостатом.

Централизованное отопление часто комбинируют с системой охлаждения и системой вентиляции, чтобы создать полную систему вентиляции и кондиционирования, способную управлять потоком воздуха, температурой и даже влажностью по всему дому с единой точки управления.

Преимущества централизованного отопления:

• Простота управления с одного центрального термостата
• Комфортная, постоянная температура в разных комнатах
• Обычно приводится в действие высокоэффективными механизмами выработки тепла
• Централизованная установка создает меньше потенциальных проблемных мест для ремонта при неисправности системы
• Снижение стоимости отопления с течением времени

Децентрализованные системы отопления

Децентрализованные системы отопления, по существу, противоположны централизованным альтернативам. Вместо того, чтобы иметь один блок, который распределяет тепло по всему дому, есть индивидуальные блоки, которые контролируют отопление в одной комнате или месте. Децентрализованные системы отопления позволяют индивидуально регулировать температуру в разных частях здания по мере необходимости. Это гарантирует, что затраты на отопление будут сведены к минимуму.

Эти системы часто очень практичны в контексте больших коммерческих помещений. Имея дело с огромными квадратными метрами, может быть финансово нецелесообразно поддерживать все пространство нагретым до постоянной температуры.

Преимущества децентрализованных систем отопления:

• Простая и дешевая установка
• Упрощает индивидуальное управление отдельными помещениями
• Может быть более доступным при работе с большими помещениями
• Ремонт затрагивает только блоки в помещениях, где возникла неисправность

Типы систем отопления

В рамках этих широких категорий имеется несколько различных систем отопления. Каждая из этих систем имеет свое собственное сочетание преимуществ и недостатков, которые необходимо учитывать. Эти индивидуальные различия в сочетании с базовыми знаниями о централизованных и децентрализованных системах отопления должны помочь каждому решить, какой тип системы отопления лучше всего подходит для его дома.

Печи: Печи являются наиболее известным и наиболее распространенным типом централизованного отопительного устройства. В печи сжигается источник топлива для выработки тепла. Затем это тепло используется для нагревания воздуха, который циркулирует в доме по ряду воздуховодов. Печи могут работать на различных источниках топлива: в прошлом дровяные печи были чрезвычайно распространены, но сегодня большинство печей работают на природном газе или мазуте.

Печи могут быть очень эффективными, особенно при выборе новых моделей, работающих на природном газе. Газовые печи также чрезвычайно надежны, а их ремонт, как правило, доступен и прост.

Котлы: Котел – еще один вид централизованной системы отопления. Котлы работают так же, как печи, за исключением того, что они используют топливо не для нагрева воздуха, а для нагрева воды. Эта горячая вода течет по ряду труб, которые проходят по всему зданию и соединяются с радиаторами в каждой комнате. Радиаторы наполняются горячей водой, а затем передают это тепло в помещение для их обогрева. В современных системах вода часто подается через встроенные в пол тепловые трубы, а не через настенные радиаторы.

Одним из преимуществ бойлера является его влияние на качество воздуха в вашем доме. Котлы не перемещают пыль и аллергены в окружающую среду и не имеют воздуховодов, требующих очистки, как в воздушных системах. Котлы также абсолютно бесшумны.

Тепловые насосы: Тепловые насосы работают путем обмена тепловой энергией либо с воздухом вне дома, либо с землей под землей. Тепловые насосы передают тепло от земли или воздуха за пределами вашего дома к хладагенту в змеевиках вашей системы, который затем распределяется по всему дому. Системы с тепловым насосом лучше всего подходят для сред с умеренными температурами. Их можно использовать как для охлаждения, так и для обогрева окружающей среды, если требуемое изменение температуры не слишком велико.

Мини-сплиты: Мини-сплиты являются примером того, как децентрализованные системы могут работать в жилых помещениях. Жилые мини-сплиты работают с использованием системы теплового насоса, но нагревают или охлаждают воздух в отдельной комнате вместо подключения к централизованному воздуховоду. Преимущество такого подхода заключается в том, что мини-сплит-системы можно легко добавить в любую комнату, не требуя масштабной модернизации существующей системы. Они также позволяют более точно настроить и эффективно контролировать температуру в той части дома, которая может использоваться чаще других, например, в столовой или домашнем офисе.

Выбор правильной системы отопления для вашего дома

Сложность выбора системы, подходящей для вашего дома, заключается в том, что существует множество переменных. К ним относятся:

• Ваш местный климат
• Существующее отопительное оборудование в вашем доме
• Планировка вашего дома
• Земля, на которой расположен ваш дом
• Размер вашего дома
• Независимо от того, используется ли ваш дом сезонно или круглый год

В конечном счете, лучший способ понять, какой тип системы отопления идеально подходит для данного дома, — это профессиональная консультация с нашими специалистами по HVAC из компании Presidential Heating & Air Conditioning. Наши специалисты по отоплению могут изучить детали вашего дома и определить, какая система предоставит вам наиболее экономичную, удобную и энергоэффективную систему, исходя из ваших конкретных потребностей.

Категории: Отопление Метки: Отопление

5GDHC короче | 5GDHC

Определение стандартов

5GDHC

© Mijnwater B.V, Heerlen & Pascal Moors

Определение стандартов

5GDHC

9000 5-е поколение теплоснабжения обмен тепловой энергией между зданиями с разными потребностями. Основная сетка несет поток низкой температуры на активные и распределенные подстанции, которые повышают температуру до необходимого уровня. Распределенный накопитель тепла компенсирует колебания спроса и предложения тепла и холода. Эта архитектура максимально увеличивает долю низкопотенциальных возобновляемых и бросовых источников энергии.

5 принципов 5GDHC

Чтобы обеспечить гибкую и отказоустойчивую энергетическую сеть для удовлетворения текущих и будущих потребностей, система отопления и охлаждения 5-го поколения (5GDHC) создана на следующих пяти принципах:

Замыкание энергетического контура

Отапливаемые и охлаждаемые здания всегда будут терять энергию, которую необходимо компенсировать за счет внешних источников и/или между зданиями (выполнение потребности в охлаждении поставляет тепло в систему ЦТ, а удовлетворение потребности в отоплении поставляет холод в ЦТ- система). Идея 1 принципа состоит в том, чтобы предотвратить внутренние потери в системе за счет повторного использования и максимально возможного замыкания энергетических циклов, а также за счет накопления энергии для временного дисбаланса. Ключевым фактором в подходе 5GDHC является оптимальное повторное использование обратных потоков в различных пространственных и временных масштабах. Мы работаем по этому принципу снизу вверх, сначала обмениваясь внутри здания/комплекса, затем на уровне кластера/района и, наконец, на уровне города/района. Дальнейшая оптимизация будет не технической, а в большей степени пространственно-планировочной.

Использование низкосортных источников для низкосортного спроса

В будущем количество высокосортных (высокой эксергии) источников будет ограничено. Помимо удовлетворения местного спроса за счет больших доступных потоков низкопотенциальной энергии (таких как неглубокая геотермальная энергия, потоки промышленных отходов, конверсионные отходы, отходы процессов охлаждения, сточные воды и т. из зеленых источников, таких как глубинная геотермальная энергия, ветряные мельницы, солнечная энергия, гидроэнергетика и биомасса. Это позволяет системе полностью отказаться от ископаемого топлива и регенерировать тепловую энергию из низкопотенциальных источников тепловой энергии.

Децентрализованное и управляемое спросом энергоснабжение

Многие системы централизованы и контролируются по требованию, например, при мониторинге возвратных потоков энергии. Эти системы циркулируют много энергии, которая никогда не используется. Таким образом, цель этого принципа состоит в том, чтобы работать снизу вверх и начинать генерировать и циркулировать энергию только в случае возникновения потребности. Это направлено на обеспечение возможности одновременного предоставления услуг по нагреву и охлаждению при разных температурах разным клиентам, точно в соответствии с требованиями, когда требуется, и никогда больше, чем необходимо.

Интегрированный подход к потокам энергии

Многие энергетические системы содержат разделенные стимулы, что означает, что они не оптимизируют интегральные потребности по системам и секторам. Интеграция важна не только для экономии энергии, но и для сокращения инвестиций в мощности, например, для управления пиковыми нагрузками. Целью этого принципа является разработка системы 5GDHC, которая будет интегрирована со всеми другими потоками энергии в данной области (электросистема, транспорт, промышленность, сельское хозяйство и т. д.) для достижения максимальной оптимальной эффективности доставки и использования энергии.

Местные источники в приоритете

Часто планы составляются в больших масштабах и учитывают большие планы с удаленными источниками энергии. Экономическое обоснование не всегда целостно, поэтому некоторые затраты относятся к конечным пользователям, а другие рассматриваются как общественные затраты. Цель этого принципа состоит в том, что то, что вы можете получить на месте, должно иметь приоритет над более отдаленными источниками, чтобы сэкономить на транспортных потерях и инвестициях.

Необходимые условия для 5GDHC

Должен иметь

• Близкая к земле колеблющаяся температура решетки для предотвращения тепловых потерь
• Способность адресовать по крайней мере две разные нагрузки : Потребности в тепле и холоде при небольшой разнице температур с температурой окружающей среды
• Источники энергии, имеющие низкую температуру разницу с температурой окружающей среды
• Интеграция энергосистемы для обеспечения накопления тепла избыточной электроэнергии, вырабатываемой возобновляемыми источниками
• 100% возобновляемые источники энергии целевое значение энергии

Должен иметь

• Цель замкнутых энергетических контуров
• Физический источник энергии, распределительные трубы, насосы, теплоаккумуляторы, подстанции активной энергии с тепловыми насосами и теплообменниками
• Сеть открытого доступа для поставщиков

Преимущества 5GDHC

Централизованное теплоснабжение и охлаждение 5-го поколения (5GDHC) представляет собой принципиально новую концепцию, основанную на децентрализованной сети, обеспечивающей прямые потоки энергии между зданиями и внутри них, не требующие центральной тепловой станции. Ее основные особенности: 1) низкоэксергетическая сеть, использующая низкотемпературные источники тепла; 2) замкнутые контуры тепловой энергии, обеспечивающие обмен тепла и холода между группами зданий; 3) интеграция и синергия между тепловыми и электрическими сетями. Эти функции позволяют системам 5GDHC работать исключительно на ВИЭ.

Децентрализованная низкотемпературная сеть с более короткими расстояниями транспортировки снижает потери при распределении до 5% по сравнению с 25%, типичными для традиционных тепловых сетей.

Система позволяет интегрировать тепловые и электрические сети, что позволяет хранить избыточную электроэнергию, вырабатываемую ВИЭ.

Концепция, продвигаемая D2Grids, определяется спросом даже на ранней стадии проектирования, поскольку она настроена таким образом, чтобы профили спроса и предложения H&C в подключенных зданиях были максимально сбалансированы. Во время работы применяется расширенное управление на стороне спроса (решение пиковой нагрузки и балансировка спроса), что гарантирует, что система обеспечивает только требуемые температуры в нужное время и в нужном месте (поставка, адаптированная к спросу) с низкими потерями в сети.

5GDHC — наиболее подходящая технологическая модель для увеличения доли возобновляемых источников энергии в секторе ЖКХ.

Кроме того, 5GDHC — это очень адаптируемая система, которую можно сначала внедрить в небольшом масштабе, а затем расширить в соответствии с потребностями в нагреве и охлаждении.

Аппаратное решение: как работает 5GDHC

Следующее описание аппаратного решения в значительной степени основано на системе централизованного теплоснабжения и охлаждения Mijnwater в Херлене с ее большим сочетанием геотермального источника и аккумулирования тепла в шахтная вода заброшенной угольной шахты под городом. Вполне вероятно, что сети в других местах с другими местными условиями сделают несколько иной выбор, но почти везде должны быть возможны очень похожие решения.

Распределенные тепловые насосы – нет централизованного источника энергии

В тепловых сетях 4-го поколения тепло из сети доставляется потребителю через «подстанцию», которая содержит один или несколько теплообменников. В сети 5-го поколения эти подстанции имеют тепловые насосы и становятся «энергостанциями». Тепловые насосы предназначены для создания необходимой температуры прямо в точке спроса. Горячая вода обеспечивается дополнительным бойлером с бустерным тепловым насосом, который является неотъемлемой частью системы. Важным следствием этого является то, что сеть транспортирует тепловую энергию, но не должна обеспечивать необходимую температуру. Каждое здание получает именно то, что ему нужно, не более того. Поскольку эти тепловые насосы являются двунаправленными, энергетические станции могут обеспечивать как тепло, так и охлаждение. Сеть и тепловые насосы могут предоставлять эту услугу с очень высоким системным коэффициентом полезного действия (COP), что снижает потребление электроэнергии до уровня, при котором ее в конечном итоге можно обеспечить из устойчивых источников. Тепловые насосы гарантируют высокий уровень надежности системы, поскольку они всегда могут отдавать больше тепла, пока температура возвращаемой холодной воды остается значительно выше точки замерзания.

Двухтрубная сеть, управляемая спросом, предназначенная для обмена энергией

Двухтрубная сеть не настроена так, как тепловая сеть 4-го поколения, которая имеет «подводящую линию» для доставки тепла и «обратную линию» обратно в источник тепла, где он снова нагревается. В сети 5-го поколения есть «теплая труба» и «холодная труба». Точная температура внутри этих труб не фиксируется, но может колебаться вверх и вниз в определенном диапазоне. Энергетические станции, нуждающиеся в тепле, будут брать воду из «теплой трубы», отбирать тепло и возвращать холодную воду в «холодную трубу». Охлаждение осуществляется наоборот. Насосы на энергостанциях вдоль сети будут перекачивать воду из теплой трубы в холодную или наоборот. Это означает, что размер и направление потока воды в двух трубах не фиксированы, а просто сумма всех потоков, требуемых всеми энергетическими станциями. Энергетические станции всегда увеличивают разницу температур между двумя трубами сети. Сеть транспортирует энергию, и потребности в энергии для нагрева и охлаждения автоматически компенсируют друг друга в локальной сети. На уровне отдельных зданий можно снизить потребность в энергии с помощью различных мер. На уровне района сеть добавляет новую возможность сократить потребление энергии: путем обмена энергией между потребителями, которым требуется либо отопление, либо охлаждение. Сеть, управляемая спросом, облегчает такой обмен для низкотемпературного тепла и более высокотемпературного охлаждения. Дополнительным преимуществом сети является то, что поток тепловой энергии к тепловым насосам приводит к достаточно высокому системному сезонному КПД, чтобы оправдать инвестиции.

Аккумулирование тепла и холода

Такая сеть могла бы функционировать, если бы потребности в тепле и холоде всегда точно компенсировали друг друга. В любой момент времени это может произойти, но маловероятно. Следующим шагом является добавление достаточно больших резервуаров для хранения тепла, в которых можно хранить избыточное тепло и холод и сохранять их на более позднее время, когда их можно будет использовать. В точке, где теплоаккумулятор подключается к сети, он может уравновешивать потоки потребности в теплообменнике, где любой избыток с «холодной» стороны преобразуется в «теплую» или наоборот. По сути, хранилище действует как труба, которая забирает избыточную энергию из настоящего для обмена ею с будущим.

Хранилище может быть большим и централизованным, а также меньшим по размеру и распределенным по местам, расположенным ближе к точкам спроса. Различные хранилища обслуживают сеть в разных временных масштабах. Бытовые водогрейные котлы являются примером очень краткосрочного хранения, которое помогает гарантировать достаточную мощность в моменты большого спроса, например, когда многие люди хотят принять душ. Сама сеть и здания также обладают значительной способностью накапливать тепло и стабилизировать температуру. Водохранилище тепловой энергии (ATES) может хранить тепло и холод в течение средних временных масштабов, а также сезонно. В Mijnwater энергетические станции объединены с буферными резервуарами для хранения тепла и холода, обеспечивая достаточную мощность, чтобы справиться с моментами высокого спроса. Сеть Mijnwater в Херлене имеет то преимущество, что имеет огромный объем хранения тепла, состоящий из заброшенных угольных шахт под городом, заполненных водой. И шахтная вода, и термальный накопитель водоносного горизонта имеют дополнительное преимущество, заключающееся в том, что со временем они пополняются за счет геотермальной энергии.

Отопление и охлаждение никогда не обходятся без потерь энергии, и не всегда удается сбалансировать потребность в тепловой и холодильной мощности, даже при усреднении за сезон. Тем не менее, можно предположить, что в настоящее время в большинстве городов имеется достаточное количество отработанного тепла и охлаждающей энергии, в то время как, кроме того, существует также большой потенциал для возобновляемого низкотемпературного солнечного тепла. Такие источники тепла будут необходимы для баланса и восполнения долговременного запаса тепла. Но этим источникам никогда не придется играть роль бывших централизованных тепловых станций, обладавших высокой мощностью для покрытия всех возможных пиков спроса.

Этих трех основных компонентов приблизительно достаточно, чтобы определить основные аппаратные характеристики 5GDHC, в которых основное внимание смещено от источников энергии к спросу. Однако нам нужно добавить несколько других технических условий, которые также необходимы для работы сети:

Улучшение зданий

Они необходимы для системы отопления/охлаждения. Поскольку сеть отопления и охлаждения 5GDHC должна работать при «сверхнизкой температуре», необходимо, чтобы здания адаптировали свою систему подачи тепла и охлаждения к низким температурам. Чем ниже требуемая температура, тем эффективнее могут быть тепловые насосы. Кроме того, здания могут снизить общее потребление энергии за счет высококачественной изоляции и внедрения вентиляции с рекуперацией тепла. Важно оптимизировать баланс инвестиций в здания против инвестиций в сеть.

Иерархия в топологии сетки

Это не обязательно, но возможно полезно. В конкретной реализации Mijnwater исходные скважины, соединяющиеся с теплой и холодной сторонами шахты, находятся на расстоянии около 8 км друг от друга, и их нужно было соединить с исходной двухтрубной «магистралью». Конструкция сети Mijnwater иерархична: «магистраль» соединена с 4 «кластерными сетями» через большие теплообменники в так называемой «кластерной установке». При необходимости энергия шахтной воды используется для балансировки потребности в тепле и холоде в каждой сети кластера. «Основа» выполняет две функции. С одной стороны, это прямой интерфейс к резервуару шахтной воды, и он находится под давлением, чтобы предотвратить отложение минералов в шахтной воде и засорение системы. С другой стороны, он обменивает любую избыточную энергию между кластерами до того, как окончательный избыток тепла или холода будет сохранен в шахте.

 Другие сети 5GDHC без шахтного водохранилища могут хорошо функционировать без иерархии между «магистралью» и «кластерными сетями». Ясно одно: новые топологии сетки могут сильно отличаться от традиционной древовидной структуры, начинающейся с очень широкой трубы у центрального источника тепла и заканчивающейся все более узкими трубами, из которых, наконец, соединяются отдельные жилые помещения. Все трубы могут иметь одинаковый диаметр. Топология может быть линейной, с несколькими ответвлениями, возможно, содержать замкнутый круг и даже переходить в ячеистую топологию, если это обеспечивает правильную связность для оптимальных локальных потоков энергии.

Локальные вычислительные сети, «секторная сеть»

Энергетические станции с тепловыми насосами и аккумулирующими теплоаккумуляторами будут занимать больше места, чем традиционные подстанции, имеющие только теплообменники и измерительное оборудование. Следствием этого является то, что энергостанция имеет смысл обслуживать большое здание, торговый центр или небольшую жилую сеть. Сеть Mijnwater в Херлене в настоящее время развертывает первую такую ​​малую сеть, используя термин «секторная сеть». Он питается от сборного «секторального подвала», содержащего сборную платформу с энергетической станцией, достаточно большой, чтобы обслуживать большой многоквартирный дом или уличный квартал с 100-200 домами. В этом локальном масштабе было принято решение использовать более обычную 4-трубную сеть для отопления и охлаждения. Горячая вода для бытовых нужд по-прежнему производится в каждом доме с помощью отдельного вспомогательного теплового насоса и буферного резервуара.

Сеть 5GDHC имеет гидравлическую установку, которая уже жестко подключена к распределению энергии между потребителями, что снижает потребность в энергии. Добавление компьютеризированного управления добавляет системе новые преимущества, как для пропускной способности тепловой сети, так и для оптимизации ее требований к электрической сети (сеть 4DHC также может это сделать):

Система становится намного более мощной с интеллектуальной компьютеризированной система управления, оптимизирующая использование хранилища на всех уровнях. Это позволяет системе намного эффективнее справляться с пиками потребности в тепле или холоде. Интеллектуальное управление повышает надежность системы, позволяет более эффективно использовать трубы в сети, а также тепловые насосы. Это означает, что большее количество клиентов может быть подключено к одному и тому же оборудованию, распределяя затраты на большее количество клиентов.

Системный контроль, делегирование и доверие: включая здания. Сеть 5GDHC содержит множество элементов, которые могут функционировать как аккумулирующие тепло, но сюда следует добавить и сами здания, имеющие значительную тепловую массу. Оптимальное системное использование всех этих элементов вместе в решающей степени зависит от интеллектуальных механизмов управления. Этот контроль не обязательно должен быть полностью централизованным, но в надежной конструкции хорошо, когда управление делегируется интеллектуальным компонентам настолько, насколько это разумно. Важным примером являются здания, каждое из которых имеет свою индивидуальную систему управления зданием или интеллектуальный термостат.