Měření tepelných ztrát horkovodů – porovnání jednotlivých metod výpočtu s naměřenými výsledky I.
Článek se věnuje měření teplotního pole v okolí teplárenského potrubí zasypaného v zemi a porovnání jeho tepelných ztrát, získaných z naměřených hodnot, s hodnotami vypočtenými podle různých metodik. Svým obsahem zapadá do několikaletého cyklu článků na téma sdílení tepla v oblasti podzemních potrubních tras z hlediska kvantifikace tepelných ztrát a rozsahu a intenzity teplotního pole, vznikajícího v okolí těchto potrubních sítí.
© Fotolia.com
Obsah 1. dílu:
| Seznam použité symboliky | |
| 1. Úvod | |
| 1.1. Cíle měření | |
| 1.2. Odborný problém | |
| 2. Měření | |
| 2.1. Lokalita měření | |
| 2.2. Technické provedení měření | |
| 2.2.1. Varianta 1 uspořádání měřidel | |
| 2.2.2. Varianta 2 uspořádání měřidel | |
| 2.2.3. Odhad nejistot měření |
Seznam použité symboliky
| Označení v textu | Plný význam | Jednotka |
|---|---|---|
| Latinská abeceda | ||
| q | měrný tepelný tok vztažený k jednotce délky či plochy (délková či plošná hustota tepelného toku) | W/m [W/m2] |
| R | tepelný odpor | mK/W |
| Sr | hydroskopická vlhkost | % |
| t | teplota | °C |
| x | souřadnice ve směru rovnoněžném s povrchem země | m |
| Řecká abeceda | ||
| λ | tepelná vodivost | W/mK |
| σ | pravděpodobnost správné hodnoty | [–] |
| Indexy | ||
| et | dle etalonu | |
| f | přívodní linie | |
| iz | izolační | |
| j | v jádře | |
| r | vratná linie | |
| str | střední hodnota | |
| start | počáteční hodnota | |
| t | vztaženo k teplotě | |
| Zkratky | ||
| CZT | centralizované zásobování teplem | |
| ČHMÚ | Český hydrometeorologický ústav | |
| DN | „Diameter Nominal“ – jedná se o označení, určující přibližně velikost příslušných součástí potrubí, a to zpravidla ve vztahu k jejich skutečnému vnitřnímu průměru. | |
| PUR | polyuretan | |
| VWC | měrný objem vody | |
1. Úvod
S ohledem na stále přísnější kritéria omezující využívání fosilních paliv a při snaze o minimalizaci tepelných ztrát mnoha milionů kilometrů provozovaných a průběžně obnovovaných potrubních sítí, zásobujících v hustě zalidněných oblastech Evropy, Asie a Severní Ameriky velké aglomerace teplem a chladem, roste zájem o analytické i numerické nástroje, umožňující přesně predikovat nejen tepelnou ztrátu stávající či nově budované vícetrubní podzemní konstrukce, ale i přesně mapovat bezprostřední okolí takovýchto potrubních vedení. Vedení tepla stěnou izolovaného potrubí v zemním zásypu je poměrně složitý děj, u něhož analytické řešení, s ohledem na možná zjednodušení, nemusí vždy vést ke spolehlivým výsledkům.
Aby tvorba, využívání, a případné úpravy těchto nástrojů byly smysluplnou činností, je třeba provést mnohá měření, která validují vypočtené výsledky v různých provozních režimech horkovodů. Právě postup a výsledky tohoto měření jsou hlavním tématem právě předkládaného článku.
1.1. Cíle měření
- Návrh měřicí sady, vhodné pro potřeby anylýzy termodynamických jevů v bezprostředním okolí tepelných sítí – měřící stand pro měření tepelných vlastností teplárenského potrubí umístěného v běžných provozních podmínkách.
- Provedení měření tepelných charakteristik teplárenského potrubí v dlouhodobém, tj. minimálně 1 rok dlouhém cyklu tak, aby mohly být na tomto podkladě vyhodnoceny teplotní změny během tohoto období a s nimi související tepelné ztráty.
- Ověření analytických výpočtových přístupů a postupů ve vztahu k naměřeným hodnotám uvnitř pozorovaného teplotního pole.
- Získání podkladu pro ověření přesnosti numerického modelu v porovnání s naměřenými hodnotami ve vybraných bodech pozorovaného teplotního pole.
1.2. Odborný problém
Odborným problémem je ověření možnosti využití tradičních výpočtových teorií a metod pro určení tepelných toků v okolí dvojitého zdroje tepla, vybaveného izolací a to v zemním zásypu, s ohledem na skutečný stav zasypané trubní konstrukce, to vše při proměnlivých provozních podmínkách a změnách vnějších klimatických vlivů – tj. především teploty okolního prostředí, s následným posouzením shody jednotlivých použitých metod ve vztahu k naměřeným hodnotám.
2. Měření
2.1. Lokalita měření
Obrázek 2.1.1. – Místo měření v podrobné mapě
Tepelné vlastnosti okolí potrubních rozvodů byly, především ve snaze o podchycení většiny možných provozních stavů, zjišťovány v období od 19. října 2012 do 15. října 2015 za laskavého svolení a velmi přínosné spolupráce společnosti Centroterm Mladá Boleslav, a to v lokalitě Mladá Boleslav (CZ) – Václavkova ulice, v prostoru parčíku u sportovního hřiště, na souřadnicích 50°25'30.753"N, 14°54'25.938"E.
Obrázek 2.1.2. – Místo měření na fotografii Google Earth
Obrázek 2.1.3. – Lokalita měření před montáží měřeného potrubí
Obrázek 2.1.4. – Stav potrubí před výstavbou šachty a umístění měřidel, v popředí vyhloubený prostor pro budoucí armaturní šachtu Š2, kde následně bylo umístěno zapisovací zařízení. V prostoru pod můstkem přes výkop následně byla umístěna měřící čidla v blízkém i vzdáleném okolí potrubí.
2.2. Technické provedení měření
Měření je provedeno na předizolovaném potrubí sdružené konstrukce (viz Obrázek 2.1.4.) s medionosnou ocelovou trubkou z materiálu dle EN P235GH o vnějším průmětu 89,9 mm a tl. stěny 3,2 mm. Potrubí (přívodní i vratná linie) je izolováno tvrdou polyuretanovou pěnou (směs Izokyanát + Polyol MDI) s krycí trubkou izolace o vnějším průměru 180 mm při tloušťce stěny 3 mm z vyskokohustotního polyetylénu (HDPE) o měrné hustotě 960 kg/m3. Konstrukce je umístěna v zásypu, který je tvořen pískem a zeminou (řez místem měření je patrný z Obrázku 2.2.3.). Jedná se zcela standardní předizolované potrubí, vyrobené za použití 2. třídy* izolace. Toto potrubí je standardně používáno pro přepravu topných a chladicích látek. Měřené potrubí je umístěno u okraje sportovního hřiště na sídlišti tvořeném 4patrovými panelovými domy (viz Obrázek 2.1.2.). Zvolený prostor měření v nadmořské výšce cca 235 m n. m. je velmi dobře odvětráván a v jeho bezprostředním okolí není důvod předpokládat jakékoliv klimatické anomálie a tyto ani nebyly v průběhu téměř 3 let měření na místě pozorovány.
* Termín „izolační třída potrubí“ event. „izolační série potrubí“ je v Evropě užíván pro stanovení stupně izolačních vlastností konkrétních rozměrových řad předizolovaného potrubí, v rozsahu od izolační třídy „0“, která byla od sedmdesátých po začátek devadesátých let 20. stol. používána ve státech jižní a východní Evropy pro teplovody a případně i horkovody, po izolační třídu „4“ používanou nyní pro přepravu různých kapalin v místech nepříznivých klimatických podmínek při nebezpečí zámrzu. V současnosti jsou nejvíce využívány izolační třídy „1“ pro výstavbu potrubních sítí zásobování teplou vodou pro hygienické účely, „2“ pro teplovody a „3“ pro horkovody.
2.2.1. Varianta 1 uspořádání měřidel
Obrázek 2.2.1 – Půdorys místa měření, platný pro Varianty měření 1 i 2. Symbol P v názvu potrubního prvku – rovné potrubí, symbol E – oblouk, symbol DSJ – dvojitě těsněná izolační spojka, symbol L – oblouk.
Obrázek 2.2.2. – Řez místa měření pro Variantu 1 zapojení čidel teploty horkovodu
První uspořádání měřících čidel – ve Variantě 1, které bylo testováno v období od 19. října 2012 do 20. prosince 2013 (řez místem měření – viz Obrázek 2.2.2.), se ukázalo jako zcela nedostatečné, a to jak z hlediska počtu a lokalizace měřidel v bezprostředním okolí měřeného potrubí, tak i z hlediska spolehlivosti jednotlivých teplotních čidel. Čidla v počtu 20 ks byla typu: PT100, přesnosti B s vlastní vyhodnocovací jednotkou. Osazení části těchto měřidel v počtu pouze 2 ks měřidel na plášti každé z obou trubek nedovolovalo s dostatečnou přesností aproximovat průběh povrchové teploty izolačního pláště pro správné zadání matematického modelu ani pro kontrolu jednotlivých výpočtových metod. Dále nebylo možno přesněji snímat průběh teplot v prostoru mezi izolačními plášti jednotlivých potrubí a povrchem země, který je, z dlouhodobého hlediska, zajímavý s ohledem na interakci mezi tepelným tokem, vycházejícím z jednotlivých potrubí, a tepelným tokem, vznikajícím působením slunečního záření na zeminu nad potrubím. V tomto místě, za určitých klimatických i provozních podmínek, geometrického uspořádání a specifického provozního režimu potrubí, může dojít k zastavení nebo i k obrácení očekávatelného převažujícího tepelného toku od potrubí směrem vzhůru k povrchu.
Z výše uvedených důvodů nejsou hodnoty získané z teplotních měřidel zapojených dle Varianty 1 do dalších výsledků a hodnocení započítány.
2.2.2. Varianta 2 uspořádání měřidel
2.2.2.1. Měření teploty
Obrázek 2.2.3. – Řez A – A Obrázku 2.2.1. – umístění jednotlivých čidel teploty a čidla vlhkosti v okolí trubní konstrukce ve Variantě 2 měření
Vzhledem k výše zmíněným, v průběhu prvního měření postupně vzniklým požadavkům na počet měřidel a jejich zvýšenou spolehlivost, bylo zvoleno nové (druhé) uspořádání měřících čidel používané v období od 27. března 2014 a které je částečně funkční doposud, tedy i po oficiálním ukončení měření dne 15. října 2015. Toto uspořádání je dále nazýváno „Varianta 2“ – viz Obrázek 2.2.3. Sada měřidel v této variantě obsahuje celkem 315 měřidel typu Maxim (výrobce) DS18 B20 o rozměrech 20 × 5 × 5 mm umístěných na 105 měřicích místech, z toho 6 ks na dvou měřících místech uvnitř šachty Š2, kde měří teplotu na povrchu medionosných ocelových trubek, tedy vzhledem k plně rozvinutému proudění uvnitř potrubí a minimálnímu tepelnému odporu vřazenému mezi proudící teplárensky upravenou vodu a vnější povrch ocelové medionosné trubky, lze s minimální chybou konstatovat, že je tímto způsobem (pouze informativně) měřena i teplota přívodní a vratné topné vody.
Tato měřicí sada je ještě doplněna o čidlo stejného typu, měřící okolní povrchovou teplotu země, umístěné ve vzdálenosti 8 m od měřícího místa na úrovni povrchu země (mimo oblast zasaženou tepelným tokem z horkovodu). Údaje tohoto čidla byly využity pro ověření, zda údaje o teplotách nad povrchem země, poskytované nedalekou meteorologickou stanicí ČHMÚ Semčice, jsou validní i pro tuto konkrétní lokalitu měření, což se potvrdilo. Údaje povrchové teploty (měřené ČHMÚ bez radiačního krytu 50 mm nad zemí) jsou dále porovnávány s hodnotami naměřenými měřidly DS18 B20 v měřícím místě 85 (viz Obrázek 2.2.3.) a umožňují určit, nakolik se radiačně nechráněná povrchová teplota (+50 mm nad zemí) liší od teploty povrchové vrstvičky zeminy ve svislé ose potrubní konstrukce, v měřícím místě č. 85, tj. 60 mm pod povrchem země. Vzájemný poměr těchto hodnot, tedy:
Obrázek 2.2.4. – Snímací jednotky Varianty 2 v šachtě Š2 s označením PŘ. = přívodní linie a ZP. = zpětná linie horkovodu
- teploty médionosných trubek v přívodní i vratné linii
- teploty vzduchu v lokalitě 2 m nad povrchem země s měřidlem vybaveným radiačním krytem
- teploty vzduchu 50 mm nad povrchem země bez radiačního krytu
- teploty povrchové vrstvičky zeminy v ose potrubní konstrukce, měřenou v ose horkovodu 60 mm pod povrchem země
- povrchové teploty země, měřené v zakopané sondě v dostatečné vzdálenosti (8 m) od měřeného místa horkovodu, tedy v teplotně již horkovodem nezasažené oblasti,
je velmi dobře patrný z grafu na Obrázku 2.2.5., který je zpracován pro období plné topné sezony, tedy pro prosinec předmětného roku, kdy se provozní parametry horkovodu blížily svému maximu.
Obrázek 2.2.5. – Teploty přívodního a vratného potrubí horkovodní konstrukce a teploty na povrchu země nad touto trubní konstrukcí
Z grafů na Obrázcích 2.2.5 až 2.2.7. je rovněž patrné minimální ovlivnění teploty povrchové vrstvy zeminy změnami teplot teplonosné látky v obou liniích, tedy v přívodní i vratné, horkovodu. Teplota povrchové vrstvy zeminy po celou dobu měření zcela viditelně závisí především na teplotě vzduchu 2 m nad zemí v dané lokalitě, byť bez vazby na její krátkodobé výkyvy. Dále je patrné, nakolik se v měřeném období teplota povrchové vrstvy země v ose horkovodu blížila povrchové teplotě země měřené mimo oblast horkovodu. Průměr všech naměřených rozdílů těchto dvou teplot byl např. v prosinci 2014 0,5 K.
Obecně lze z předložených grafů usuzovat i na schopnost moderní horkovodní sítě ovlivňovat mikroklima svého nejbližšího okolí v reálném sídlištním celku. Toto mikroklima má pak zcela zásadní vliv pro správnou volbu vegetace, sázené v tomto prostoru, během uvedení místa stavby horkovodu do původního stavu. V konkrétním případě grafu na Obrázku 2.2.5. je možno posoudit vliv přítomnosti horkovodu, provozovaného poblíž maxima svých provozních parametrů, na teplotní poměry na povrchu země, kdy tento vliv je viditelně zcela minimální a kvantifikovatelný rozdílem teplot měřených 60 mm hluboko v zemi přímo nad osou zakopaného horkovodu, oproti teplotám měřeným na povrchu země v nezasažené oblasti. Maximální a minimální rozdíl mezi těmito dvěma sadami teplot byl v období přepravního maxima horkovodu v rozsahu od −0,9 K po 1,7 K při průměrné velikosti odchylky teploty v místě horkovodu o +0,5 K oproti hodnotě teploty měřené na místě mimo vliv horkovodu. Z hlediska jednoho z cílů konané práce, tj. vytvoření matematického modelu teplotního pole oblasti v okolí horkovodu (ten bude prezentován v dalších pokračováních tohoto cyklu článků), je podstatné, že při stanovení druhu okrajových podmínek na horní hraně výpočtového pole je možno, bez výrazné chyby, uvažovat i v době výkonnostního maxima horkovodu, s tím, že pro oblast povrchu země nad konstrukcí horkovodu platí, že 
kdy x je souřadnice rovnoběžná s povrchem země a kolmá na osu horkovodu. Z uvedeného plyne, že teplota povrchu země je ve vztahu k ose x v daném okamžiku konstantní a závisí především na teplotě vzduchu v dané lokalitě.
Obrázek 2.2.6. – Tepelné ztráty vypočtené podle jednotlivých výpočtových metod a na základě měření včetně průběhu teplot v potrubní konstrukci, v jejím okolí, i mimo zasaženou oblast, v březnu
Obrázek 2.2.7. – Tepelné ztráty vypočtené podle jednotlivých výpočtových metod a na základě měření včetně průběhu teplot v potrubní konstrukci, v jejím okolí, i mimo zasaženou oblast, v první polovině září
Obrázek 2.2.8. – Montáž spodního dílu konstrukce měřičů teploty
Obrázek 2.2.9. – Měřidla teploty po montáži
2.2.2.2. Měření vlhkosti
Obrázek 2.2.10. – Vlhkostní čidlo typu EC-5 použité pro kontrolu vlhkosti zemního zásypu v okolí potrubní konstrukce
Vzhledem k možnosti, že výsledné hodnoty měření by mohly být ovlivňovány vlhkostí zeminy v okolí potrubí, a to zejména v případě, že by došlo k zaplnění pórů uvnitř zeminy, zbylých po hutnění, vnější vodou, je v blízkém okolí potrubí (uvnitř písčitého zásypu) umístěno i čidlo měřící objemovou vlhkost zeminy typu EC-5, o rozměrech 89 × 18 × 7 mm, s přesností ±3 % VWC (objemový obsah vody) s měřícím rozsahem 0–100 % VWC, určené pro převážně minerální půdy. Doporučená pracovní teplota použitého vlhkostního čidla je −40 až +50 °C. Výstupní napětí 2,5–3,5 V proporčně odpovídá naměřené vlhkosti. Čidlo, v použitém provedení, je zobrazeno v okamžiku montáže na Obrázku č. 2.2.10.
Uvedené vlhkostní čidlo bylo, vzhledem k nepřítomnosti spodní vody v této, z hlediska průměrné nadmořské výšky intravilánu města Ml. Boleslavi, výše položené lokalitě, umístěno přímo nad potrubím, v hloubce cca 1 m pod povrchem, tedy v místě potencionálně exponovaném pouze dlouhodobějšími dešťovými srážkami. Takto umístěné měřidlo mělo ambici zachytit především vlhkostní změny, které by mohly ovlivnit vlastnosti rozhodné části zásypu v okolí potrubí. Z aplikace Fourierovy rovnice pro výpočet vedení tepla ve válcové stěně je zřejmé, že tímto rozhodným prostorem je především blízké okolí potrubí. Dalším důvodem pro toto umístění snímače vlhkosti je i předpokládatelný vyšší teplotní gradient v blízkém okolí tepelného zdroje (potrubí), který zajišťuje, že v případě expozice vodou jsou změny vodivosti zeminy významnější.
Podle klasifikace vlhkosti zemin, kde lze stupně nasycení rozdělit na suché Sr = 0 až 0,02 (hydroskopická vlhkost), zavlhlé Sr < 0,25, vlhké Sr = 0,25 až 0,80, velmi vlhké Sr > 0,80, a vodou nasycené Sr = 1,0, patřila měřená lokalita do kategorie zavlhlých zemin, tedy vlhkost zásypového materiálu byla konstantně na velmi nízké hodnotě (v rozsahu od 8 do 12 % VWC), a její vliv na průběh měření tepelného pole v okolí potrubí byl nízký a téměř konstantní.
Obrázek 2.2.11. – Průběh vlhkosti zeminy v okolí potrubní konstrukce 21.–22. května 2013
Obrázek 2.2.12. – Průběh vlhkosti zeminy v okolí potrubní konstrukce 23.–24. března 2013
Záznam průběhu naměřené vlhkosti v období jarního tání je patrný z grafů na Obrázcích 2.2.11. a 2.2.12.
2.2.3. Odhad nejistot měření
Princip metody je založen na měření teplot a vlhkosti a jejich využití pro výpočet veličiny, která po kalibraci charakterizuje konduktivní přenos tepla uvnitř zkoumaného teplotního pole ve vazbě na jeho geometricky určené body.
Pro určení nejistot se tedy v daném případě jedná o přímé měření fyzikálních veličin, kdy kombinovaná standardní nejistota je dána kombinací nejistot typu A a nejistoty typu B.
Nejistota je kvantitativní popis v jakém intervalu, a s jakou stanovenou úrovní spolehlivosti, můžeme očekávat výsledek.
Obrázek 2.2.13. – Průběh nepřesnosti naměřené hodnoty měřidla DS18B20 v závislosti na teplotě
Nejistota měření typu A je nejistota určitelná za pomoci statistických metod. Jedná se převážně o chyby nahodilé, k jejichž rozprostření v rámci intervalu dochází dle Gaussovy křivky. V případě měření teploty teplotními čidly je nejistotou typu A rozsah šumu teplotního čidla, který je měřen za ustáleného stavu. Výsledky získané měřením 64kusového vzorku použitých měřidel, popsané pro každé z čidel hodnotou 2σT , zaručující 98% jistotu přítomnosti naměřené hodnoty uvnitř intervalu. Hodnoty pro jednotlivá měřidla jsou patrné z Obrázku 2.2.13.
Nejistota měření typu B je kvantifikovatelná za využití nestatistických metod vyhodnocení. Způsobů určení je více, závisí zejména na racionální úvaze o vlastnostech měřících přístrojů, zkušenostech z předchozích experimentů, informacích z kalibračních certifikátů, katalogových listů, manuálů apod.
Při měření je snímána teplota a data jsou z jednotlivých měřidel teploty načítána v plném rozsahu 13 bitů. Výrobce uvádí přesnost měřidel ±0,5 °C, na zkoušeném vzorku 64 ks z použitých měřidel byla naměřena max. odchylka od jmenovité hodnoty ±0, °C v závislosti na měřené hodnotě. Měřidla jsou určena pro provozní teploty −55°C až +125°C s tím, že přesnost ±0,5 °C zaručují v rozsahu teplot −10 °C až +85 °C, což je interval, ve kterém se pohybuje více než 98 % měřených hodnot.
Obrázek 2.2.14 – Spodní díl (vlevo) a horní díl (vpravo) konstrukce snímačů teploty
Přesnost teploměrů byla validována na vzorku 64 teploměrů srovnáním s teplotou etalonu (Tet) s výsledkem, uvedeným na Obrázku 2.2.13.
Celková souprava měření byla konstruována tak, aby samotná metoda měření experimentu buď vůbec, nebo zcela minimálně, ovlivnila výsledek experimentu. Z tohoto důvodu je konstrukce měřící aparatury provedena jako subtilní lepená konstrukce, kde základní konstrukční díly jsou zhotoveny ze sklolaminátu. K této konstrukci jsou upevněny jednotlivé teploměry. Z Obrázku 2.2.14 je patrná značná subtilnost pomocné konstrukce teploměrů, jejímž úkolem je udržení geometrických souvztažností celé konstrukce měření.
The article deals with the measurement of temperature field around the underground pipeline and compared heat losses derived from the measured values, the values calculated by different methodologies and its content fits into a several-cycle of articles on the topic of heat transfer in the field of underground pipeline in terms of quantifying heat loss and the extent and the intensity of the thermal field generated in the vicinity of the pipeline network.
