Optimalizácia návrhu tepelných rozvodov pri rekonštrukcii siete CZT

V rámci riešeného projektu rekonštrukcie rozvodných tepelných sietí pre okruhy kotolní sa menili staré potrubné rozvody v zastavanom území v intraviláne mesta na východe Slovenska. Išlo o rozvody vykurovacej a teplej vody, ktoré boli umiestnené v kanálovom systéme rozvodu potrubí.

Rekonštrukcia rozvodov vykurovacej a teplej vody rieši nevyhnutnú výmenu pôvodných potrubí s cieľom zamedziť únikom tepla do okolia. Novými potrubnými rozvodmi sa zabezpečujú požadované parametre teplonosnej látky pre koncových užívateľov a zároveň sa celkovo zlepšuje prevádzka tepelnej siete.

Rekonštrukcia sa rozdeľuje do viacerých častí potrubných rozvodov na pripojene kotolne v okolí. Na sieť je spolu napojených viac ako 100 odberných miest, pričom polovica je napojená na priamy odber, ostatní odberatelia sú napojení na doskové odovzdávacie stanice tepla.

Znížením únikov tepla do okolia sa môže ušetriť pri výrobe a prenose teplonosnej latky. Zmodernizovaním teplovodu sa tak značne zvýši efektívnosť distribúcie tepelnej energie do odberných miest. Projekt riešil kotolňu na biomasu, výmenu rozvodov tepla a realizáciu výmenníkových staníc.

Zadanie

Výzvou v rámci štúdie bolo posúdiť a zhodnotiť možnosti, ako sa dá realizovať zadaný projekt pomocou rôznych potrubných rozvodov. Zároveň bolo otázkou, či a v akej miere možno optimalizovať návrh výmeny rozvodov tepla tak, ako bol navrhnutý do výberového konania.

Pri vonkajších rozvodoch tepla ústredného vykurovania sa požadovalo použiť nové oceľové potrubia v bezkanálovom predizolovanom vyhotovení. Oceľové predizolované potrubie malo byť v najvyššej izolačnej triede 3.

Na porovnanie sme vybrali všetky tri triedy ocele NRG PREMIO v sériách 1, 2 a 3 a porovnali sme ich s plastovým predizolovaným potrubím NRG FibreFlex Pro.

Pri vonkajších rozvodoch teplej vody sa požadovalo použiť nové polypropylénové potrubia v bezkanálovom predizolovanom vyhotovení. Predizolované potrubie malo byť v izolačnej triede 2.

Na porovnanie sme spravili posúdenie polypropylénových potrubí v sériách 1, 2 a 3 a porovnali sme ich s plastovým potrubím NRG FibreFlex.

Parametre novej rozvodnej siete

Výpočtové teploty a tlaky – teplovod:

Výpočtová teplota prívodu ústredného vykurovania: T_p = 80 °C
Výpočtová teplota spiatočky ústredného vykurovania: T_s = 60 °C
Rozdiel teplôt: ΔT = 20 °C
Konštrukčný tlak rozvodu ústredného vykurovania: PN 10, 1,0 MPa
Výpočtová teplota prívodu teplej vody: T_p = 60 °C
Konštrukčný tlak rozvodu teplej vody: PN 10, 1,0 MPa

Porovnania

Cieľom štúdie bolo posúdiť rôzne alternatívy a ukázať, aké možnosti sa ponúkajú pri tomto konkrétnom type projektu a prevádzky s reálnymi hodnotami.

Každý teplovod má iné prevádzkové podmienky, teplotu teplonosnej latky, prevádzkový tlak a prietoky, preto je nevyhnutné vybrať správny typ potrubia, aby sa prevádzkovateľovi poskytlo efektívne a ekonomicky prijateľné riešenie. V tab. 1 vidieť rozdiely v hrúbke svetlosti rôznych potrubných rozvodov a s nimi súvisiacu zmenu dimenzie.

Ako možno vidieť z grafu prierezu potrubí na obr. 1, pri nahradení systémov s tým istým nominálnym vonkajším priemerom sa svetlosť potrubia výrazne odlišuje.

Pri návrhu potrubia si treba uvedomiť, že pôvodná rozvodná sieť môže mať inú dimenziu, než je potrebná pri novom rozvode, preto je nevyhnutné spraviť nový návrh podľa výberu potrubia. To, aké potrubie sa vyberie, má teda veľký vplyv na celkovú rozvodnú sieť. Tento dôležitý fakt sa musí brať do úvahy, pretože ovplyvňuje množstvo prietoku v potrubí, čím ovplyvňuje aj celkový tlak v potrubí.

Z grafu na obr. 1 vidieť, že vnútorná svetlosť je pri rôznych potrubiach odlišná, čím sa mení aj prietok v potrubných sieťach.

V tab. 1 sú uvedené skutočné vnútorné priemery pri plastových potrubiach NRG FibreFlex a pri polypropylénových potrubiach.

Vďaka tomu, že pri flexibilných plastových potrubiach NRG FibreFlex je menšia hrúbka steny rúrky, možno v porovnaní s pôvodným návrhom tyčí PPR znížiť pri použití tohto potrubia svetlosť o jednu dimenziu. Tým sa zachovajú vnútorný prierez a prietok v potrubiach a zároveň sa nezmenia tlakové pomery podľa výpočtu a zaregulovania siete.

Ďalšou časťou posúdenia je celková strata tepla na meter trasy. V grafe na obr. 2 je zobrazený priebeh straty tepla na meter trasy pri prislúchajúcich dimenziách jednotlivých potrubných systémov ocele NRG PREMIO a plastového predizolovaného potrubia NRG FibreFlex Pro.

V tab. 2 sú uvedené údaje z porovnania ocele v sériách 1, 2 a 3 (trieda izolácie oceľového potrubia, pričom séria 3 má najväčšiu hrúbku izolácie) a flexibilného plastového predizolovaného potrubia NRG FibreFlex Pro a NRG FibreFlex Pro PLUS v systéme dvojrúrkového vyhotovenia.

V tab. 2 a 3 je uvedené porovnanie celkových strát na trasu v rozvodoch pre ústredné vykurovanie, vidieť aj veľký rozdiel v počte spojov v porovnaní s plastovými potrubiami. Zvárané spoje pri oceľových potrubiach sú nevyhnutné na každých 12 m, no pri plastových potrubiach sa to redukuje na niekoľko spojov vďaka návinom na kotúč v potrebných dĺžkach.

Pri optimalizovanej časti rozvodu vykurovania je až o 80 % menej spojov a pri rozvode teplej vody o 70 % (pri spojoch počítame pre objektívne porovnanie každý spoj na trase, kolenách a na odbočkách). Čas montáže aj šírka výkopov pri plastových potrubiach poukazujú na to, že ide o veľmi vhodnú alternatívu pri výmene starých rozvodov.

V tab. 3 je uvedený prehľad dimenzií pri PPR potrubiach v troch sériách izolácie v navrhovaných dimenziách z projektu a pri flexibilných plastových predizolovaných potrubiach NRG FibreFlex optimalizovanej dimenzie.

Zhrnutie

V tab. 4 a 5 uvádzame výsledné porovnania riešených alternatív v projekte rekonštrukcie tepelných sietí. V rámci ústredného vykurovania sme porovnávali systémy flexibilného plastového predizolovaného potrubia NRG FibreFlex Pro v systéme dvojrúrkoveho vedenia v spoločnej izolácii s oceľovými potrubiami v sériách 1, 2 a 3.

Pri rozvodoch teplej vody sme porovnávali celkové tepelné straty v rozvodoch v potrubnom systéme plastových flexibilných predizolovaných potrubí NRG FibreFlex s polypropylénovými potrubiami v sériách 1, 2, 3.

Pri alternatíve 1 pri rozvodoch teplej vody podľa tab. 4 uvádzame možnosť ponechať dimenzie podľa vonkajšieho priemeru pre iný systém bez ohľadu na vnútornú svetlosť, pri alternatíve 2 sme však urobili úpravu dimenzie tak, aby zostali zachované výpočtové parametre prietoku teplej vody.

Výpočet úspory pri optimalizácii návrhu a technického riešenia

Ústredné vykurovanie

Návrh riešenia s NRG FibreFlex Pro PLUS oproti realizácii v oceli vidieť v tab. 6.

Teplá voda

Návrh riešenia s NRG FibreFlex PLUS oproti realizácii v tyčiach PPR vidieť v tab. 7. Ak budeme počítať s celoročnou prevádzkou pri daných parametroch, bude úspora 590 až 1 413 GJ tepla za rok.

Ak zoberieme do úvahy aktuálne priemerné palivové náklady na výrobu jedného GJ tepla (pohybujeme sa v cene okolo 10 eur bez DPH), pôjde o ročnú úsporu 5 900 až 14 130 eur. Počas prevádzky teplovodu 20, 30 až 40 rokov bude toto číslo násobne vyššie.

Samozrejme, dôležitá je aj otázka investičných nákladov. Ak sa pozeráme na dielo ako na celok (dodávka materiálu, montáž potrubí, výkopové práce, dopravné obmedzenia, množstvo spojov…), sú investičné náklady viac-menej rovnaké alebo mierne vyššie v porovnaní s bežným riešením realizácie v oceľovom predizolovanom potrubí.

Záver

Cieľom štúdie bolo porovnať možnosť výmeny potrubí pri rekonštrukcii a ukázať, ako sa dá spraviť optimalizácia celkovej rozvodnej siete. Štvorrúrkový systém celý v oceli, navrhovaný pôvodne pre ústredné vykurovanie a systém v tyčiach PPR pre teplú vodu, by sme s materiálmi dnes dostupnými na trhu dokázali upraviť na hybridné riešenie.

Pri oceli by išlo o kombináciu flexibilných potrubí do DN100 a vyšších dimenzií v oceľových tyčiach a pri teplej vode o komplet plastové flexibilné potrubia.

Treba ešte podotknúť, že samotný návrh a zadanie od investora boli nadštandardne technicky spracované a požadovaná najvyššia trieda izolácie na oceľovom potrubí je dnes skôr výnimkou.

Ale aj pri takýchto okrajových podmienkach by bolo možné dosiahnuť vhodným návrhom a voľbou potrubí nemalé úspory tepla – sumárne na vykurovaní a teplej vode takmer vo výške 24 %. Ak by sme robili porovnanie oproti bežnému technickému návrhu so základnou alebo iba raz zosilnenou hrúbkou izolácie na oceľovom potrubí a PPR tyčiach, bola by úspora 43 – 46 %, resp. 32 – 36 %.

Existuje niekoľko takýchto optimalizovaných rozvodov, kde sa zmenou na hybridné riešenie podarilo zrealizovať rozvody rýchlejšie, s menším vplyvom na okolie a hlavne efektívnejšie z prevádzkového hľadiska, ktoré je skutočnou investíciou do budúcnosti.

Zhrnutie výhod hybridného riešenia

• Hybridné siete posúvajú rekonštrukcie a budovanie tepelných sietí nielen v zastavanom území do úplne novej perspektívy.
• Dimenzie pod DN125 sa dajú bez problémov nahradiť plastovým flexibilným potrubím, čím sa získajú výhody pri realizácii a hlavne dlhodobé úspory pri prevádzke.
• Znížením tepelných strát v systéme sa šetria aj životné prostredie a palivo a znižujú sa emisie CO₂.
• Filozofia a riešenie sú v maximálnej miere používať efektívne flexibilné riešenie, ktoré je plne kompatibilné s robustnými predizolovanými rozvodmi v tyčiach s oceľovou rúrkou pre médium.
• Ide o plne kompatibilný a vyladený systém vhodný v každej situácii a pre každý typ spojov.
• Vždy sa hľadá optimálne riešenie z pohľadu rýchlosti realizácie a zníženia zaťaženia pri budovaní či rekonštrukcii tepelnej siete.
• Snaha je minimalizovať prevádzkové náklady počas životnosti predpokladanej minimálne na 30 až 50 rokov v závislosti od prevádzkových parametrov.

Obrázky: NRG flex