Úspora tepla a CO2 vhodnou volbou předizolovaných potrubí

Zdroj: NRG flex

Tepelné sítě soustav centralizovaného zásobování teplem (SCZT) byly v minulosti původně navrhovány celé z ocelových potrubí a nebyly dostatečně izolovány. Návrh probíhal většinou ne podle požadavků a nároků odběratelů na tepelnou síť, ale podle dostupných možností na trhu.

Tepelné sítě byly značně předimenzovány, byly navrženy pro větší potřeby tepla, což mělo za následek i větší dimenze potrubí, která přenášela mnohem větší objemové průtoky, než bylo potřeba. Po stavebních úpravách na objektech se potřeby tepla podstatně snížily, což způsobilo úpravy parametrů teplonosných látek hlavně teplotního spádu a objemového průtoku. Mnohé sítě tak velký přenos hmoty ani tak vysokou teplotu teplonosné pracovní látky nepotřebovaly.

V současnosti jsou dostupné nové technologie, kde přenos tepla může být navržen na míru, čímž lze ušetřit energie na výrobu tepla a snížit i provozní náklady na čerpací práci. Korektním návrhem potrubní tepelné sítě a nastavením správného režimu SCZT prostřednictvím tepelných křivek a regulace podle venkovní teploty vzduchu lze zefektivnit výrobu tepla, snížit produkci skleníkových plynů, hlavně CO2, a zmenšit provozní náklady.

Topné období je dle vyhlášky Ministerstva hospodářství SR č. 152/2005 Z. z. (v ČR vyhláška Ministerstva průmyslu a obchodu č. 194/2007 Sb.). uvedeno tak, že zpravidla začíná 1. září příslušného kalendářního roku a končí 31. května následujícího kalendářního roku.

Dodavatel tepla začíná dodávat teplo tehdy, když vnější průměrná denní teplota vzduchu v topném období klesne během dvou po sobě následujících dní pod 13 °C. Podle předpovědi vývoje nelze očekávat zvýšení vnější průměrné denní teploty a zároveň vnější průměrná denní teplota, která tvoří čtvrtinu sou­čtu venkovních teplot měřených v 7:00, ve 14:00 a ve 21:00 ve stínu s vyloučením vlivu sálání okolních stěn se započítává dvakrát, není vyšší než 13 °C.

Slovenská norma STN EN 12831 udává venkovní výpočetní teploty vzduchu, průměrnou venkovní teplotu vzduchu v topném období a počet dní topného období pro města SR, kde tyto normové údaje jsou zohledňovány při návrhu tepelných rozvodů.

Teplotní křivka a vytápění

Topná teplotní křivka určuje výstupní teplotu teplonosné pracovní látky, která je závislá na venkovní teplotě vzduchu. Strmost křivky a posunutí je způsob regulace, kterým můžeme upravit výstupní teploty vytápění a také rychlost náběhu vytápění.

Tato teplotní křivka je využívána pro ekvitermní regulaci, což je regulace teploty výstupní vody podle venkovní teploty vzduchu. Při teplejších dnech je teplota výstupní teplonosné pracovní látky nastavena na nižší hodnotu, než je tomu u minusových hodnot venkovní teploty vzduchu.

Regulace tepelné sítě zajišťuje požadavky tak, aby zdroj tepla nevytvářel zbytečně vysoké teploty teplonosné pracovní látky. Pokud je tato křivka nesprávně nastavena, může to způsobit nedostatečnou nebo nadměrnou dodávku tepla do SCZT. Na obr. 1 lze vidět pár křivek pro ekvitermní regulaci, kde křivky jsou nastaveny pro požadovanou teplotu přívodní vody, která je závislá na venkovní teplotě vzduchu.

Teplotní křivky, které jsou uvažovány ve výpočtu (obr. 1), jsou stanoveny podle získaných teplotních křivek, jež se nejčastěji opakovaly u provozovatelů tepelných sítí. Tyto křivky byly zvoleny pro pokrytí co nejširšího rozmezí, které je využíváno k transportu přívodní vody v sítích CZT.

Obr. 1 Závislost výstupní teploty teplonosné látky do SCZT na venkovní teplotě vzduchu
Obr. 1 Závislost výstupní teploty teplonosné látky do SCZT na venkovní teplotě vzduchu | Zdroj: NRG flex

Vstupy

Od dodavatelů tepla ze Slovenska, České republiky a Rakouska byly vyžádány teplotní křivky, kterými řídí výstupní teplonosnou pracovní látku pro potřeby zásobování SCZT, aby bylo možné zhodnotit, kde je možné využít předizolovaná plastová potrubí, a následně vyčíslit reálnou životnost těchto potrubí pro charakteristické teplotní křivky. (obr. 1)
Tyto teplotní křivky byly posouzeny dle reálných venkovních teplot vzduchu, a to konkrétně pro nejchladnější rok během dvaceti let (2000 – 2020). 4 207 680 měření hodinových údajů venkovní teploty vzduchu za posledních dvacet let bylo zpracovány pro další posouzení.

Prvním krokem posouzení bylo určení lokality – pro Slovensko byla zvolena dvě města, a to hlavní město Bratislava (s nadmořskou výškou 132 m) a město s nejvyšší nadmořskou výškou Poprad (718 m). Vzhledem k tomu, že jsou posuzována plastová předizolovaná potrubí, výstupní teplota teplonosné pracovní látky při teplotních křivkách se pohybovala od 80 do 115 °C.

Určeny byly i průměrné výpočetní teploty během dne pro dvacet let pro Bratislavu i Poprad. Z přehledu teplotních profilů pro tato města bylo následně vyčísleno, kolik hodin byla jaká teplota venkovního vzduchu. Z těchto hodnot byl stanoven nejchladnější rok pro Bratislavu a Poprad. Bratislava měla nejchladnější rok za posledních dvacet let rok 2006, pro Poprad byl nejchladnější rok 2012.

Studie

Touto řešenou studií byla posouzena plastová předizolovaná potrubí a jejich navazující životnost potrubí, která přímo závisí na teplotě pracovní látky. Regulací výstupu teplonosné pracovní látky podle venkovní teploty vzduchu je možné přizpůsobit výstupní teplotu na nižší teplotní hladinu a tím ušetřit energie na výrobu teplonosné pracovní látky a také snížit produkci CO2 a zároveň zvýšit životnost plastových předizolovaných potrubí.

Obr. 2 Výsek průměrných venkovních teplot za dvacet let pro Bratislavu a Poprad
Obr. 2 Výsek průměrných venkovních teplot za dvacet let pro Bratislavu a Poprad | Zdroj: NRG flex
Obr. 3 Výsek přehledu počtu hodin pro Bratislavu a Poprad s vyznačením nejchladnějšího roku
Obr. 3 Výsek přehledu počtu hodin pro Bratislavu a Poprad s vyznačením nejchladnějšího roku | Zdroj: NRG flex

Stanovením počtu (hodin) dní, kolik potřebujeme dodávat konkrétní výstupní teplotu (závislou na venkovní teplotě vzduchu), lze výpočetním programem stanovit přesnou životnost plastových předizolovaných trubek podle konkrétně stanovených teplotních křivek.

Studie je soustředěna na Bratislavu a Poprad, na nejníže a nejvýše položené město, a hodinové údaje venkovní teploty vzduchu. Byl uvažován provoz SCZT během celého roku, v zimě se zajišťuje potřeba tepla pro otopné soustavy a přípravu teplé vody a v letních měsících je to jen příprava teplé vody.

Teplotní křivky byly rozděleny do následujících kategorií podle venkovní teploty vzduchu:
• s výstupní teplotou teplonosné pracovní látky 70 °C (+20 °C), 75 °C (-5 °C), 85 °C (-12 °C),
• s výstupní teplotou teplonosné pracovní látky 70 °C (+20 °C), 75 °C (-5 °C), 90 °C (-12 °C),
• s výstupní teplotou teplonosné pracovní látky 70 °C (+20 °C), 75 °C (-5 °C), 95 °C (-12 °C),
• s výstupní teplotou teplonosné pracovní látky 70 °C (+20 °C), 75 °C (-5 °C), 100 °C (-12 °C),
• s výstupní teplotou teplonosné pracovní látky 70 °C (+20 °C), 75 °C (-5 °C), 105 °C (-12 °C),
• s výstupní teplotou teplonosné pracovní látky 70 °C (+20 °C), 75 °C (-5 °C), 110 °C (-12 °C),
• s výstupní teplotou teplonosné pracovní látky 75 °C (+20 °C), 95 °C (-5 °C), 115 °C (-12 °C),
• s výstupní teplotou teplonosné pracovní látky 100 °C (+20 °C), 110 °C (-5 °C), 115 °C (-12 °C).

Následně byla posouzena změna regulace a přepočítána životnost plastových předizolovaných potrubí podle různých stanovených regulací. Teplotní křivky byly přepočítány pro Bratislavu a Poprad i pro nejchladnější roky s těmito typy regulace:

• jednohodinový interval regulace výstupní teplonosné látky dle venkovní teploty,
• tříhodinový interval regulace výstupní teplonosné látky podle venkovní teploty (byl uvažován nejchladnější údaj během každých tří hodin),
• šestihodinový interval regulace výstupní teplonosné látky podle venkovní teploty (byl uvažován nejchladnější údaj během každých šesti hodin),
• dvanáctihodinový interval regulace výstupní teplonosné látky podle venkovní teploty (byl uvažován nejchladnější údaj během každých dvanácti hodin).

Při teplotách do 80 °C bylo voleno automaticky, že jsou vhodné pro standardní plasty PE-Xa do max. teploty 95 °C/6 bar. Při teplotách od 80 do 115 °C probíhala analýza životnosti potrubí termoplasticky zesílených trubek pro médium max 115 °C/10 – 16 bar, aby bylo stanoveno, do jakých maximálních teplot lze trubky použít.

Bylo uvažováno s teplovodními a horkovodními sítěmi, parní sítě nejsou předmětem této studie. Vyšší teploty nebyly ve výpočtech uvažovány. Osm set devadesát šest simulací pro zjištění životností bylo provedeno pro po 1, 3, 6, 12 hodin pro města Bratislava a Poprad.

Výstupy

Pro jednotlivé stanovené teplotní křivky byla posouzena životnost pro obě města, Bratislavu pro rok 2006 a pro Poprad rok 2012. Plastová předizolovaná potrubí jsou rozdělena podle zatížení:
• standardní PE-Xa potrubí max. 95 °C/6 bar 4 a 6 bar,
• termoplasticky zesílené potrubí s aramidovým vláknem (TSMR) max. 115 °C/10 bar 4, 6, 8 a 10 bar.

Obr. 4 Výsledné hodnoty životností pro plastová předizolovaná potrubí s regulací výstupní teploty pracovní látky po šesti hodinách, (1 tab. je pro Bratislavu, 2 tab. je pro Poprad). TSMR – termoplasticky zesílená médionosná trubka s aramidovým vláknem
Obr. 4 Výsledné hodnoty životností pro plastová předizolovaná potrubí s regulací výstupní teploty pracovní látky po šesti hodinách, (1 tab. je pro Bratislavu, 2 tab. je pro Poprad).TSMR – termoplasticky zesílená médionosná trubka s aramidovým vláknem | Zdroj: NRG flex
Obr. 5 Vyhodnocení životnosti potrubí reprezentativní křivky s výstupní teplonosnou látkou max. 100 °C, min. 70 °C pro nejchladnější rok 2006 pro Bratislavu, s regulací teploty přívodní vody po jedné hodině, třech hodinách, šesti a dvanácti hodinách. TSMR – termoplasticky zesílená médionosná trubka s aramidovým vláknem
Obr. 5 Vyhodnocení životnosti potrubí reprezentativní křivky s výstupní teplonosnou látkou max. 100 °C, min. 70 °C pro nejchladnější rok 2006 pro Bratislavu, s regulací teploty přívodní vody po jedné hodině, třech hodinách, šesti a dvanácti hodinách. TSMR – termoplasticky zesílená médionosná trubka s aramidovým vláknem  | Zdroj: NRG flex

Byla vyhodnocována tepelná stabilita (Thermal stability) a dlouhodobá tepelná stálost (Long-Term Strength) v letech. Jako vhodná životnost potrubí bylo uvažováno, pokud plastová předizolovaná potrubí vydržela svoji tepelnou stabilitu a dlouhodobou tepelnou stálost nad třicet let.

Těchto třicet let bylo uvažováno jako minimální životnost pro infrastrukturu, přičemž reálně potrubí dosahuje delší životnosti i provozu, proto lze hodnotu považovat za hraniční – všechny údaje jsou počítány s bezpečnostními koeficienty a reálná očekávaná životnost je vyšší.

Bratislava, nejníže posuzované město z pohledu nadmořské výšky, mělo tím pádem mnohem větší množství vyšších průměrných teplot než město Poprad, to můžeme vidět i na následujícím grafu a v tabulce (obr. 6).

Obr. 6 Vyhodnotenie životnosti potrubí reprezentatívnej krivky s výstupnou teplonosnou látkou max 100 ⁰C, min 70 ⁰C pre najchladenejší rok 2012 pre Poprad, s reguláciou teploty prívodnej vody po 1 hodine, 3 hodinách, 6 a 12 hodinách podľa vonkajšej teploty vzduchu. TSMR- termoplasticky zosilnená médionosná rúrka s aramidovým vláknom
Obr. 6 Vyhodnotenie životnosti potrubí reprezentatívnej krivky s výstupnou teplonosnou látkou max 100 ⁰C, min 70 ⁰C pre najchladenejší rok 2012 pre Poprad, s reguláciou teploty prívodnej vody po 1 hodine, 3 hodinách, 6 a 12 hodinách podľa vonkajšej teploty vzduchu. TSMR- termoplasticky zosilnená médionosná rúrka s aramidovým vláknom | Zdroj: NRG flex

Minimální venkovní teploty vzduchu jsou závislé hlavně na nadmořské výšce. V Popradu byla během nejchladnějšího roku mnohem více hodin/dnů zapotřebí vyšší teplota přívodní teplonosné pracovní látky.

Posouzení v kroku 1, 3, 6 a 12 hodin bylo provedeno kvůli rozsáhlejšímu vyhodnocení kvůli nastavení výstupní teploty a regulaci v tepelné síti, která bude více odpovídat aktuálnímu systému řízení hlavně v menších teplárnách.

Při časovém kroku s regulací 12 hodin a vybraným nejvýše položeným městem na Slovensku během nejchladnějšího roku udává relevantní výsledek z nejnepříznivějších dat během posledních dvaceti let měření venkovní teploty vzduchu.

U TSMR potrubí se ukázal jen velmi malý pokles předpokládané životnosti u níže položených oblastí, než je v Bratislava, nebo i ve výše položených místech v Popradu.

Výsledek ukázal, že při použití PE-Xa potrubí je hranice při teplotní křivce č. 1, 2, 3 (max. do 95 °C, viz tab. 4 pro město Poprad). Při TSMR jsou nevhodné až křivky 7 a 8, tam je předpoklad vývoje do budoucna, kdy by měl být k dispozici plast s vyšší tepelnou odolností.

Plastová předizolovaná potrubí se ukázala jako vhodná volba pro většinu teplotních křivek v Bratislavě i v Popradu. Rozdíl mezi PE-Xa a TSMR je až ve dvojnásobné životnosti.

Závěr

Analýza velkého množství vstupních dat a simulací potvrdila předpoklad, že lze velkou část tepelných sítí realizovat i s použitím plastových flexibilních potrubí. Ukázalo se, že sítě provozované s max. teplotou kolem 80 °C je možné realizovat standardními PE-Xa potrubími. Při použití plastových předizolovaných potrubí s termoplasticky zesílenými trubkami s aramidovým vláknem – TRSM by zdvojnásobilo předpokládanou životnost tepelné sítě.

Existují ale i řešení pro sítě s teplotami do 110 °C, které lze realizovat efektivními plastovými potrubími s termoplasticky zesílenými potrubími s aramidovým vláknem. Tyto úspory se přímo promítnou do spotřeby primární energie (zemní plyn, uhlí, biomasa aj.) a výrazně přispějí ke snížení tvorby emisí CO2, ale i jiných pevných částic.

U větších sítí se nabízí možnost realizovat je jako hybridní síť, kde větší dimenze (DN150+) budou realizovány v ocelových předizolovaných potrubích a menší dimenze ve flexibilním plastovém potrubí.

Výhodami tohoto řešení jsou výrazná úspora provozních nákladů (oproti realizaci v ocelových potrubích jsou úspory třicet až padesát procent podle volby tloušťky izolace), menší šířka výkopů, rychlejší montáž, méně spojů na trase.

Ing. Eva Švarcová, prof. Ing. Ján Takács, PhD.
Eva Švarcová působí ve společnosti Ing. Eva Švarcová, prof. Ing. Ján Takács, PhD.
Eva Švarcová působí ve společnosti NRG flex, s. r. o., Ján Takács působí na katedře TZB SvF STU v Bratislavě., Ján Takács působí na katedře TZB SvF STU v Bratislavě.