Zvýšení úspor tepla v tepelných napáječích a ve větších dimenzích tepelných sítí
Přehrát audio verzi
Zvýšení úspor tepla v tepelných napáječích a ve větších dimenzích tepelných sítí
00:00
00:00
1x
- 0.25x
- 0.5x
- 0.75x
- 1x
- 1.25x
- 1.5x
- 2x
V tepelných sítích s velkým přenosem ohřáté hmoty v soustavách centralizovaného zásobování teplem (SCZT) se používají tepelné napáječe. V současnosti jsou dostupné nové technologie, kde přenos tepla může být navržen na míru, přičemž lze ušetřit energii na výrobě tepla a snížit také provozní náklady na čerpací práci. Snížením tepelných ztrát v rozvodech určených pro vytápění a rozvody teplé vody je možné ušetřit na výrobě energie i při její distribuci. Správným návrhem a regulací tepelných sítí zajistíme požadované podmínky pro odběratele a přispějeme ke snížení provozních nákladů a emisí.
Foto: Pexels
Úvod
Tepelné napáječe neboli velká potrubí pro rozvod tepla, jsou ocelová potrubí v dimenzích nad DN 300. Tyto dálkové tepelné napáječe přenášejí ohřáté teplonosné kapaliny z teplárny do menších rozvodných celků CZT. Na Slovensku můžeme jako příklady uvést tepelné napáječe v Košicích, v České republice je to tepelný napáječ z Temelína do Českých Budějovic. Teplo v novém napáječi proudí z jaderné elektrárny Temelín v DN 500 v délce 26 kilometrů při vnější dimenzi potrubí DA 800 a DA 710. Výstavba nového horkovodu trvala 4 a půl roku [7]. Dalším příkladem tepelného napáječe plánovaného k výstavbě v roce 2030 je horkovodní tepelný napáječ z Dukovan do Brna v České republice. Půjde o trasu dlouhou více než 40 km [8]. Na základě urbanisticko-technického řešení probíhá jejich instalace podle primárních požadavků technologie na instalaci a provoz technologických zařízení a na napojení nových nebo rekonstruovaných rozvodů na stávající rozvody veřejného teplovodu, jakož i na efektivní využití příslušné části území. Části potrubních přivaděčů mohou být realizovány v nadzemním nebo podzemním provedení.
Výchozí postup pro správný návrh tepelných sítí
Prvním a nejdůležitějším krokem ke zvýšení úspor tepla a snížení finančních investic je správný návrh tras potrubních rozvodů tepla. Samotný návrh zahrnuje koncová místa připojení (tepelné výkony odběrných míst), délky samotných potrubních tras, provozní tlak v potrubní síti a v neposlední řadě teplotní spád teplonosné látky (rozdíl teplot přívodní a vratné vody). Pokud známe všechny tyto údaje, dokážeme nadimenzovat tepelnou rozvodnou síť, přičemž ale nesmíme zapomínat také na vstupní teplotu teplonosné látky, kterou budeme do výpočtu zadávat. Mnohdy jsou tepelné sítě dimenzovány na vyšší teploty, než je nutné. Musíme především zvážit, zda je možné snížit teplotní úroveň teplonosné látky. Pokud nelze snížit vstupní teplotu teplonosné látky, můžeme úpravou, a tedy snížením teploty vratné teplonosné látky z 90 °C na 80 °C nebo 75 °C, ovlivnit skutečný návrh rozměrů potrubí. Změnou vratné teploty teplonosné látky můžeme zmenšit průměr potrubí až o 1 celou dimenzi. S touto změnou dimenze souvisí i snížení celkových ztrát v potrubí (menší dimenze = menší plochy úniku tepla), což se projeví i na celkových investičních nákladech projektu, které se rovněž sníží.
V tab. 1 je uveden výpočet tlakové ztráty a rychlosti proudění v potrubí DN 350 až DN 450 pro přenos výkonu 30 MW a délku potrubí 1000 m. Změnou teplotních spádů dokážeme přizpůsobit návrh potrubí tak, aby splňovalo požadované podmínky pro návrh potrubí tepelného napáječe (nedojde k překročení maximální přípustné tlakové ztráty a maximální rychlosti proudění).
Tab. 1 Výpočet konstrukčních rozměrů při změně teplotního spádu teplonosné látky
Porovnání současných potrubních systémů pro dálkové potrubní tepelné napáječe pro CZT
V následujícím popisu jsme se zaměřili na porovnání hlavních prvků ovlivňujících návrh dálkových potrubních přivaděčů tepla pro CZT: ty zahrnují tepelné ztráty v tepelných sítích, životnost potrubí, výkopové práce a dopravu materiálu.
Ztráty v potrubí tepelné sítě – životnost potrubí
Ztráty v rozvodech tepla závisí na vodivosti samotných materiálů potrubí a na jejich tloušťce. Výsledkem je součinitel prostupu tepla U [W/m.K], který vyjadřuje tepelný tok souvrstvím vztažený na rozdíl teplot. Hodnoty R popisují tepelné odpory jednotlivých vrstev (ocelové potrubí, plášť potrubí, izolace, zemina, mezera mezi trubkami).
Tepelný odpor ocelového potrubí:
[m.K/W]
Tepelný odpor izolace potrubí:
[m.K/W]
Tepelný odpor pláště potrubí:
[m.K/W]
Tepelný odpor zeminy:
[m.K/W]
Tepelný odpor mezi potrubími:
[m.K/W]
Hloubka uložení zc , odvozená od osy potrubí, je vyjádřena vztahem
,
[m]
kde je
- DN
- vnitřní průměr trubky [m];
- da
- vnější průměr trubky [m];
- DA
- vnější průměr potrubí s pláštěm [m];
- s
- tloušťka stěny pláště [m];
- zc
- hloubka uložení od osy potrubí [m];
- A
- rozestup mezi potrubími [m];
- H
- výška krytí potrubí [m].
Součinitel prostupu tepla U [W/m.K] závisí na tepelném odporu jednotlivých vrstev tvořících potrubní systém. Stanoví se jako
[W/m.K]
Dalšími parametry, které ovlivňují tepelné ztráty v potrubí přivaděčů tepla, jsou teplota zeminy, tepelná vodivost zeminy a překrytí potrubí ve výkopu.
V následujících výpočtech jsme vycházeli z následujících hodnot:
- provozní tlak: 25 bar;
- teplota půdy: 10 °C;
- tepelná vodivost půdy: 1,2 W/m.K;
- překrytí potrubí: 0,9 m.
Předizolované ocelové potrubí je k dispozici ve standardním provedení. Toto potrubí se skládá z ocelových trubek s vrstvou PUR izolace a pláštěm z HDPE. Dále to jsou předizolovaná ocelová potrubí s difuzní bariérou, která je aplikována v rámci technologického procesu na tzv. conti lince. Zde je ocelové potrubí izolováno ovinutím Al fólií a nanesením PUR pěny. Na tuto fólii se pak vytlačuje HDPE plášť. Touto technologií lze v současné době vyrábět pouze rovné potrubí s difuzní bariérou.
Ocelové předizolované potrubí s difuzní bariérou, s uplatněním inovativního přístupu k výrobě, má mezi pláštěm difuzní bariéru EVOH s přidanou hodnotou, která zabraňuje pronikání vlhkosti do izolace a trubek. Vrstva EVOH – difuzní bariéra se postupně umísťuje v plášti v pořadí: HDPE + EVOH + HDPE a poté následuje PUR izolace a ocelové potrubí, což znamená, že v kontinuálním procesu jsou jednotlivé vrstvy vytlačovány tak, aby bylo zajištěno jejich dokonalé spojení.
Ocelové trubky jsou otryskávány, aby byla zajištěna maximální soudržnost systému. Difuzní bariéru obsahují všechny komponenty: rovné trubky, T-kusy, kolena, doizolování i předizolované tvarovky. Všechna dostupná předizolovaná ocelová potrubí se dodávají v izolačních řadách S1, S2 a S3, přičemž S3 je potrubí s největší tloušťkou izolace. Podle normy EN 253 by maximální počáteční tepelná vodivost PUR pěny neměla překročit 0,029 W/m.K při 50 °C. Moderní PUR pěny mají často hodnoty nižší než 0,029 W/m.K, ale tato hodnota se může mírně lišit v důsledku migrace plynů do pěny nebo z ní. Krátkodobě dochází k difuzi oxidu uhličitého a jeho nahrazení vzduchem [5]. Vzduch má vyšší tepelnou vodivost než oxid uhličitý, a proto se zvýší i tepelná vodivost pěny. U běžných předizolovaných ocelových potrubí bylo experimentálními měřeními zjištěno, že změna součinitele tepelné vodivosti PUR izolace se může zvýšit z 0,027 W/m.K na 0,038 W/m.K [6, 7].
U předizolovaných ocelových potrubí s difuzní bariérou se tato hodnota tepelné vodivosti PUR izolace v průběhu let nemění a zůstává stejná na hodnotě nižší než 0,027 W/m.K. Tato difuzní bariéra EVOH v předizolovaných trubkách (zabudovaná přímo do ochranného pláště) tedy zvyšuje životnost teplárenských potrubí tím, že eliminuje korozi trubek a zároveň snižuje tepelné ztráty v rozvodech tepla.
Tab. 2 uvádí kumulativní tepelné ztráty v dimenzích DN 350 až DN 500 na 10 km trasy potrubí pro tři různé teplotní spády (120/90, 120/80, 120/70). Jak jsme se výše zmínili o změně teplotního spádu a zmenšení dimenze potrubí, má tato změna teplotního spádu také vliv na tepelné ztráty. V této tabulce je uvedeno srovnání kumulativních tepelných ztrát u potrubí se standardním HDPE pláštěm (kde podle měření dochází k postupnému zhoršování tepelné vodivosti potrubí) s potrubími, která mají difuzní bariéru (která zabraňuje difuzi a změně izolačních vlastností).
Tab. 2 Výpočet tepelných ztrát v GJ po 30 letech pro 10 km trasy ve třech dimenzích DN 350, DN 400 a DN 500. Bylo provedeno srovnání mezi standardním ocelovým předizolovaným potrubím a ocelovým předizolovaným potrubím s difuzní bariérou
Obecně lze říct, že je možné změnit třídu izolace ze standardního předizolovaného potrubí S2 na S1 s difuzní bariérou, nebo ji změnit ze standardního potrubí S3 na S2 s difuzní bariérou dle zvolené úspory tepla v rozvodech. Respektive můžeme potvrdit, že při volbě stejné tloušťky izolace v každé izolační řadě dochází k výrazné úspoře tepla, a to díky nižším tepelným ztrátám v potrubí, které jsou zajištěny v systému s difuzní bariérou.
Životnost předizolovaného potrubí a celé tepelné sítě závisí na [8]:
- kvalitě materiálu a surovin použitých při výrobě – na správném zpracování trubek a izolačních prvků,
- správném projektovém návrhu,
- kvalitě stavebních a montážních prací,
- kvalifikaci svářečů a montérů,
- dohledu při instalaci potrubí,
- způsobu přepravy a skladování izolovaných prvků na staveništi,
- kvalitě vody v distribuční síti.
Dodržování stanovených zásad při navrhování tepelných sítí, při výrobě potrubí a izolačních prvků a při výstavbě, instalaci a provozu rozvodu tepla zajistí, že soustava bude spolehlivě fungovat po dobu 30 let.
Vliv délky potrubí na rychlost instalace
U větších projektů s násobně delšími trasami potrubí je vhodné zvážit také možnost použití potrubí o délce 16 nebo dokonce 18 m, které někteří výrobci nabízejí pro dimenze nad DN 300. Tyto vetší délky potrubí mohou významně snížit počet spojů na trase. Na 10 km je pro 12m potrubí potřeba 1 667 spojů, pro 16m potrubí 1250 a pro 18m potrubí pouze 1 111 spojů. Použitím 18m potrubí ve srovnání s 12m potrubím lze tedy ušetřit 1/3 svarů a spojů. Ve výpočtu jsme nezohlednili kolena, dilatační spáry ani jiné součásti. Uvážíme-li, že běžně připadá pro DN 500 na jednoho svářeče cca 1,5 svaru na člověkoden a pro DN 700 1 svar na člověkoden, dochází tím k výraznému zrychlení výstavby (nižší počet svářečů s potřebnou kvalifikací). Samozřejmě nejde jen o svar a svářeče, ale také o přípravu svaru, která může trvat déle než samotný svar. Pak následuje kontrola svaru, rentgen apod. Každý spoj musí být odborně tepelně zaizolován.
Závěr
Celkový návrh a úprava tepelné sítě je základním krokem k zajištění správně navržené trasy v sítích CZT – tj. volba správného teplotního spádu a provozního tlaku, volba potrubního systému (materiál potrubí a úroveň tepelné izolace). Volbou správného potrubního systému můžeme snížit tepelné ztráty v soustavách a také prodloužit jejich životnost. I malá změna může ovlivnit parametry sítě, protože dimenze jsou vyšší než DN 300 a násobné jsou u velkých projektů i délky tras. Volbou větších délek potrubí lze urychlit celkovou montáž a výstavbu tepelných sítí. Správným návrhem tepelných sítí můžeme přispět k ochraně životního prostředí a snížit emise CO2, a také snížit provozní náklady díky menší potřebě tepla při jeho výrobě.
Literatura
- ŠROUBEK M. Prezentácia na Teplárny Brno, Dny teplárenství a energetiky, 26. 4. 2023.
- VEGA A. Assessment of the lifetime of district heating pipes. Thesis for the degree of doctor of philosophy, Sweden, 2020.
- KORSMAN H., DE BOER S., SMITS I. IEA Implementing Agreement on District Heating and Cooling, including te integretion of CHP. Department of Mechanical and Process Engineering. Nuon N.V. Duiven, the Netherlands, 2005.
- LEFTER R.-C., POPESCU D. Analysis of “Conti” Preinsulated Pipes with Diffusion Barrier Versus Traditional Preinsulated Pipes Used in District Heating Networks.
- KRECIELEWSKA E. Predizolované systémy v teplonosných sietiach – hodnotenie používaných riešení z pohľadu približne 30 rokov prevádzky, kľúčové body. Spec Grupa Dalkia.
- Ocelové predizolované potrubia, https://www.nrgflex.sk/ocelove-predizolovane-potrubia/
- Horkovod z Temelína do Českých Budějovic
https://www.cez.cz/cs/pro-media/tiskove-zpravy/bezemisni-teplo-uz-proudi-z-temelina-do-ceskych-budejovic-183168 - Brno dostane teplo z Dukovan https://www.novinky.cz/clanek/domaci-brno-dostane-teplo-z-dukovan-40433076
In heating networks with large heat transfer in centralized heat supply systems (CHS), heat feeders are used. Nowadays, there are new technologies available where heat transfer can be custom-designed, allowing for energy savings in heat production and also reducing operating costs for pumping. By reducing heat losses in the pipelines meant for heating and hot water distribution, it’s possible to save on energy production even during distribution. With proper design and regulation of heating networks, we can ensure the desired conditions for consumers and help lower operating costs and emissions.