Úspora tepla a CO2 vhodnou voľbou predizolovaných potrubí
Použitím efektívnych plastových potrubí možno dosiahnuť úspory, ktoré sa premietnu do spotreby primárnej energie a prispejú k zníženiu tvorby emisií CO2
Korektným návrhom potrubnej tepelnej siete a nastavením správneho režimu SCZT prostredníctvom tepelných kriviek a regulácie podľa vonkajšej teploty vzduchu sa dá zefektívniť výroba tepla, znížiť produkcia skleníkových plynov, hlavne CO2, a možno zredukovať aj prevádzkové náklady.
Tepelné siete sústav centralizovaného zásobovania teplom (SCZT) sa v minulosti navrhovali celé z oceľových potrubí a neboli dostatočne izolované. Návrh väčšinou neprebiehal podľa požiadaviek a nárokov odberateľov na tepelnú sieť, ale podľa dostupných možností na trhu.
Tepelné siete boli značne predimenzované, navrhnuté na väčšie potreby tepla, čo malo za následok aj väčšie dimenzie potrubí, ktoré prenášali oveľa väčšie objemové prietoky, než bolo potrebné. Po stavebných úpravách na objektoch sa potreby tepla podstatne znížili, čo prinieslo úpravy parametrov teplonosných látok, hlavne teplotného spádu a objemového prietoku. Mnohé siete už taký veľký prenos hmoty a takú vysokú teplotu teplonosnej pracovnej látky nepotrebovali.
V súčasnosti sú už k dispozícii nové technológie, pri ktorých možno prenos tepla navrhnúť na mieru, pričom sa dá ušetriť energia na výrobu tepla a možno znížiť aj prevádzkové náklady na čerpaciu prácu.
Vykurovacie obdobie
Podľa vyhlášky Ministerstva hospodárstva SR č. 152/2005 Z. z. sa vykurovacie obdobie začína spravidla 1. septembra príslušného kalendárneho roka a končí 31. mája nasledujúceho kalendárneho roka. Dodávateľ tepla začína dodávať teplo vtedy, keď vonkajšia priemerná denná teplota vzduchu vo vykurovacom období klesne počas dvoch za sebou nasledujúcich dní pod 13 °C.
Zároveň podľa predpovede vývoja nemožno očakávať zvýšenie vonkajšej priemernej dennej teploty a vonkajšia priemerná denná teplota, ktorá tvorí štvrtinu súčtu vonkajších teplôt meraných o 7.00, 14.00 a 21.00 h v tieni s vylúčením vplyvu sálania okolitých stien bytových domov (pričom teplota meraná o 21.00 h sa započítava dvakrát), nie je vyššia ako 13 °C.
Slovenská norma STN EN 12831 udáva vonkajšiu výpočtovú teplotu vzduchu, priemernú vonkajšiu teplotu vzduchu vo vykurovacom období a počet dní vykurovacieho obdobia pre mestá SR, kde sa tieto normové údaje zohľadňujú pri návrhu tepelných rozvodov.
Teplotná krivka vykurovania
Vykurovacia teplotná krivka určuje výstupnú teplotu teplonosnej pracovnej látky, ktorá závisí od vonkajšej teploty vzduchu. Strmosť krivky a posunutie predstavujú spôsob regulácie, ktorým môžeme upraviť výstupné teploty vykurovania a takisto rýchlosť nábehu vykurovania.
Teplotná krivka sa využíva na ekvitermickú reguláciu, čo je regulácia teploty výstupnej vody podľa vonkajšej teploty vzduchu. V teplejších dňoch je teplota výstupnej teplonosnej pracovnej látky nastavená na nižšiu hodnotu než pri mínusových hodnotách vonkajšej teploty vzduchu.
Regulácia tepelnej siete zabezpečuje požiadavky tak, aby zdroj tepla nevytváral zbytočne vysoké teploty teplonosnej pracovnej látky. Ak je táto krivka nesprávne nastavená, môže to spôsobiť nedostatočnú alebo nadmernú dodávku tepla do SCZT.
Na obr. 1 môžeme vidieť niekoľko kriviek pre ekvitermickú reguláciu – krivky sú nastavené na požadovanú teplotu prívodnej vody, ktorá závisí od vonkajšej teploty vzduchu.
Teplotné krivky, ktoré sme zahrnuli do výpočtu (obr. 1), sme stanovili podľa získaných teplotných kriviek, ktoré sa najčastejšie opakovali u prevádzkovateľov tepelných sietí. Tieto krivky sme zvolili tak, aby sa pokrylo čo najširšie rozmedzie, ktoré sa využíva na transport prívodnej vody v sieťach CZT.
Vstupy
Od dodávateľov tepla zo Slovenska, Česka a Rakúska sme si vyžiadali teplotné krivky, ktorými riadia výstupnú teplonosnú pracovnú látku pre potreby zásobovania SCZT, aby sme vedeli zhodnotiť, kde môžeme využiť predizolované plastové potrubia a následne vyčísliť reálnu životnosť týchto potrubí pri charakteristických teplotných krivkách (obr. 1).
Aby sme zohľadnili skutočné podmienky, posúdili sme tieto teplotné krivky pri reálnych vonkajších teplotách vzduchu, a to konkrétne v najchladnejšom roku za obdobie rokov 2000 až 2020 (tzn. za 20 rokov). Za toto obdobie sme získali 4 207 680 meraní hodinových údajov vonkajšej teploty vzduchu, ktoré sme spracovali na ďalšie posúdenia.
Prvým krokom bolo určiť lokalitu – v rámci Slovenska sme vybrali dve mestá, a to hlavné mesto Bratislava s nadmorskou výškou 132 m n. m a mesto Poprad s najvyššou nadmorskou výškou 718 m n. m.
Vzhľadom na to, že posudzujeme plastové predizolované potrubia, pohybovala sa výstupná teplota teplonosnej pracovnej látky pri teplotných krivkách od 80 do 115 °C. Pre Bratislavu aj Poprad sme si určili priemerné výpočtové teploty počas dňa v rámci 20 rokov.
Z prehľadu teplotných profilov týchto miest sme následne pre lepšiu orientáciu vyčíslili, koľko hodín bola aká teplota vonkajšieho vzduchu. Z týchto hodnôt sme stanovili najchladnejší rok pre Bratislavu a Poprad. V Bratislave bol za posledných 20 rokov najchladnejší rok 2006 a v Poprade 2012.
Štúdia
Cieľom riešenej štúdie bolo posúdiť plastové predizolované potrubia a nadväzujúcu životnosť týchto potrubí, ktorá priamo závisí od teploty pracovnej látky. Reguláciou výstupu teplonosnej pracovnej látky podľa vonkajšej teploty vzduchu možno prispôsobiť výstupnú teplotu na nižšiu teplotnú hladinu, a tým ušetriť energiu na výrobu teplonosnej pracovnej látky, znížiť produkciu CO2 a zároveň zvýšiť životnosť plastových predizolovaných potrubí.
Stanovením počtu dní (hodín), počas ktorých potrebujeme dodávať konkrétnu výstupnú teplotu (závislú od vonkajšej teploty vzduchu), dokážeme cez výpočtový program stanoviť presnú životnosť plastových predizolovaných rúr podľa konkrétne stanovených teplotných kriviek.
V štúdii sme sa sústredili na Bratislavu a Poprad, čiže na najnižšie a najvyššie položené mesto, a na hodinové údaje vonkajšej teploty vzduchu. Počítali sme s prevádzkou SCZT počas celého roka – v zime sa zabezpečuje potreba tepla pre vykurovacie sústavy a na prípravu teplej vody, v letných mesiacoch ide len o prípravu teplej vody.
Teplotné krivky boli rozdelené do kategórií podľa vonkajšej teploty vzduchu s takouto výstupnou teplotou teplonosnej pracovnej látky:
• 70 °C (+20 °C), 75 °C (-5°C), 85 °C (-12 °C),
• 70 °C (+20 °C), 75 °C (-5°C), 90 °C (-12 °C),
• 70 °C (+20 °C), 75 °C (-5 °C), 95 °C (-12 °C),
• 70 °C (+20 °C), 75 °C (-5 °C), 100 °C (-12 °C),
• 70 °C (+20 °C), 75 °C (-5 °C), 105 °C (-12 °C),
• 70 °C (+20 °C), 75 °C (-5 °C), 110 °C (-12°C),
• 75 °C (+20 °C), 95 °C (-5 °C), 115 °C (-12 °C),
• 100 °C (+20 °C), 110 °C (-5 °C), 115 °C (-12 °C).
Následne sme chceli posúdiť zmenu regulácie, a tak sme prepočítali životnosti plastových predizolovaných potrubí podľa rôzne stanovených regulácií. Teplotné krivky sme prepočítali aj pre najchladnejšie roky v Bratislave a Poprade s týmito typmi regulácie:
• hodinový interval regulácie výstupnej teplonosnej látky podľa vonkajšej teploty,
• 3-hodinový interval regulácie výstupnej teplonosnej látky podľa vonkajšej teploty (počítali sme pritom s najchladnejším údajom každé 3 hodiny),
• 6-hodinový interval regulácie výstupnej teplonosnej látky podľa vonkajšej teploty (počítali sme pritom s najchladnejším údajom každých 6 hodín),
• 12-hodinový interval regulácie výstupnej teplonosnej látky podľa vonkajšej teploty (počítali sme s najchladnejším údajom každých 12 hodín).
Pri teplotách do 80 °C sme brali automaticky, že je vhodné použitie štandardných plastov PE-Xa do maximálnej teploty 95 °C/6 barov. Pri teplotách od 80 do 115 °C sme sa sústredili na analýzu životnosti potrubí termoplasticky zosilnených rúrok pre médium do max. 115 °C/10 – 16 barov, aby sme zistili, do akých maximálnych teplôt ich môžeme použiť.
Počítali sme s teplovodnými a horúcovodnými sieťami, parné siete neboli predmetom tejto štúdie. Takisto sa vo výpočtoch nepočítalo s vyššími teplotami. Na zistenie životností sa vykonalo 896 simulácií po 1, 3, 6 a 12 hodinách pre mestá Bratislava a Poprad.
Výstupy
Pri jednotlivých stanovených teplotných krivkách sme následne posúdili životnosť pre Bratislavu v roku 2006 a Poprad v roku 2012. Zamerali sme sa na plastové predizolované potrubia rozdelené podľa zaťaženia:
• štandardné PE-Xa potrubia max. 95 °C/
6 barov: 4 a 6 barov,
• termoplasticky zosilnené potrubie s aramidovým vláknom (TSMR) max. 115 °C/10 barov: 4, 6, 8 a 10 barov.
Vyhodnocovala sa tepelná stabilita (Thermal Stability) a dlhodobá tepelná stálosť (Long-Term Strength) v rokoch.
Za vhodnú životnosť potrubí sme považovali, ak pri plastových predizolovaných potrubiach vydržala tepelná stabilita a dlhodobá tepelná stálosť dlhšie ako 30 rokov. Týchto 30 rokov sme brali ako minimálnu životnosť pre infraštruktúru, pričom reálne sa dosahujú dlhšie životnosti aj prevádzky, preto ju považujeme za hraničnú. Všetky údaje sa počítali s bezpečnostnými koeficientmi, reálna očakávaná životnosť je preto ešte vyššia.
Bratislava, najnižšie posudzované mesto z pohľadu nadmorskej výšky, malo, prirodzene, oveľa väčšie množstvo vyšších priemerných teplôt než mesto Poprad, čo môžeme vidieť aj na obr. 5 a v prislúchajúcej tabuľke.
Minimálne vonkajšie teploty vzduchu závisia hlavne od nadmorskej výšky, v Poprade tak bola počas najchladnejšieho roka oveľa viac hodín/dní potrebná vyššia teplota prívodnej teplonosnej pracovnej látky.
Posúdenie v kroku 1, 3, 6 a 12 hodín sa robilo z dôvodu rozsiahlejšieho vyhodnotenia, aby sme mali nastavené výstupné teploty a reguláciu v tepelnej sieti, ktorá bude viac zodpovedať aktuálnemu systému riadenia hlavne v menších teplárňach.
Relevantný výsledok z najnepriaznivejších dát počas posledných 20 rokov meraní vonkajšej teploty vzduchu je pri časovom kroku s reguláciu 12 hodín v najvyššie položenom meste na Slovensku počas najchladnejšieho roka 2012.
Pri TSMR potrubiach sa dokázal len veľmi malý pokles predpokladanej životnosti, či už v nižšie položených oblastiach, ako je Bratislava, alebo aj vo vyššie položených miestach, ako je Poprad.
Ukázalo sa, že pri použití PE-Xa potrubí je hranica pri teplotných krivkách č. 1, 2, 3 (max. do 95 °C, tab. 2, mesto Poprad). Pri TSMR sú nevhodné až krivky č. 7 a 8, do budúcna sa pritom predpokladá, že by mal byť k dispozícii plast s vyššou tepelnou odolnosťou.
Plastové predizolované potrubia sa ukázali ako vhodná voľba pri väčšine teplotných kriviek v Bratislave aj v Poprade. Rozdiel medzi PE-Xa a TSMR je však až v dvojnásobnej životnosti.
Záver
Analýza veľkého množstva vstupných dát a simulácií potvrdila náš predpoklad, že veľkú časť tepelných sietí možno realizovať aj s použitím plastových flexibilných potrubí. Ukázalo sa, že siete prevádzkované s maximálnou teplotou okolo 80 °C možno realizovať štandardnými PE-Xa potrubiami. Použitie plastových predizolovaných potrubí s termoplasticky zosilnenými rúrkami s aramidovým vláknom (TRSM) by zdvojnásobilo predpokladanú životnosť tepelnej siete.
Existujú však aj riešenia pre siete s teplotami do 110 °C, ktoré možno realizovať efektívnymi plastovými potrubiami s termoplasticky zosilnenými potrubiami s aramidovým vláknom. Úspory sa priamo premietnu do spotreby primárnej energie (zemný plyn, uhlie, biomasa…) a výrazne prispejú k zníženiu tvorby emisií CO2, ako aj iných pevných častíc.
Pri väčších sieťach sa ponúka možnosť realizovať ich ako hybridné s tým, že väčšie dimenzie (DN 150+) budú realizované v oceľových predizolovaných potrubiach a menšie dimenzie vo flexibilnom plastovom potrubí. Výhodami tohto riešenia sú výrazná úspora prevádzkových nákladov (oproti realizácii v oceľových potrubiach sú úspory 30 až 50 % podľa voľby hrúbky izolácie), menšia šírka výkopov, rýchlejšia montáž a menší počet spojov na trase.
Ing. Eva Švarcová, prof. Ing. Ján Takács, PhD.
Eva Švarcová pôsobí v spoločnosti NRG flex, s. r. o. Ján Takács pôsobí na Katedre TZB SvF STU v Bratislave.
Zdroj: NRG flex, s. r. o.
