Úspora tepla a CO2 díky vhodnému výběru předizolovaného potrubí

V minulosti byly sítě soustav centrálního zásobování teplem (CZT) původně projektovány výhradně z ocelových trubek a nebyly dostatečně izolovány. Konstrukční řešení většinou nevycházela z požadavků a nároků zákazníků na tepelnou síť, ale z možností dostupných na trhu. Tepelné sítě byly značně předimenzované a projektované na větší požadavky na teplo, což mělo za následek i větší rozměry potrubí, které přenášelo mnohem větší objemové průtoky, než bylo potřeba. Poté, co byly u budov provedeny stavební úpravy, došlo k výraznému snížení potřeby tepla, což vedlo k úpravám parametrů teplonosných kapalin, zejména teplotního spádu a objemového průtoku. Mnohé sítě pak nepotřebovaly tak vysoký přenos hmoty, a tak vysokou teplotu teplonosné látky.V současné době máme k dispozici nové technologie, s jejichž použitím lze přenos tepla projektovat na míru, čímž se ušetří energie na výrobu tepla a sníží se také provozní náklady na čerpání. Správným projektováním sítě teplovodů a nastavením správného režimu CZT pomocí tepelných křivek a regulace podle teploty venkovního vzduchu lze zefektivnit výrobu tepla, snížit produkci skleníkových plynů, zejména CO₂, a snížit provozní náklady.

Úvod

Na základě vyhlášky Ministerstva hospodářství Slovenské republiky č. 152/2005 Sb. začíná otopné období zpravidla 1. září příslušného kalendářního roku a končí 31. května následujícího kalendářního roku. Dodavatel tepla začne dodávat teplo ve chvíli, kdy průměrná denní venkovní teplota vzduchu během topného období klesne po dva po sobě následující dny pod 13 °C. Podle předpokládaného vývoje nelze očekávat zvýšení venkovní průměrné denní teploty a zároveň venkovní průměrné denní teplota, která je čtvrtinou součtu venkovních teplot naměřených v 7.00, 14.00 a 21.00 hodin ve stínu, s vyloučením vlivu sálání z okolních stěn obytných domů, přičemž teplota naměřená ve 21.00 hodin se započítává dvakrát, nesmí být vyšší než 13 °C.

Slovenská norma STN EN 12831 stanovuje výpočet teploty venkovního vzduchu, průměrnou teplotu venkovního vzduchu v otopném období a počet dnů otopného období pro města Slovenské republiky, přičemž tyto standardizované údaje se berou v úvahu při projektování soustav zásobování teplem.

Teplotní křivka vytápění

Teplotní křivka vytápění určuje výstupní teplotu teplonosné látky, která je závislá na venkovní teplotě vzduchu. Strmost a posun křivky je způsob regulace, kterým můžeme nastavit výstupní teploty vytápění a také rychlost náběhu vytápění.

Tato teplotní křivka se využívá pro ekvitermní regulaci, což je regulace teploty výstupní vody v závislosti na teplotě venkovního vzduchu. V teplejších dnech je teplota výstupní otopné vody nastavena na nižší hodnotu, než když je venkovní teplota vzduchu pod bodem mrazu.

Regulace tepelné sítě zajišťuje požadavky tak, aby zdroj tepla nevytvářel zbytečně vysoké teploty teplonosné látky. Pokud je tato křivka nastavena nesprávně, může to způsobit nedostatečnou nebo nadměrnou dodávku tepla do sítí CZT.

Na obr. 1 vidíme dvojici křivek pro ekvitermní regulaci. Křivky jsou nastaveny na požadovanou teplotu přiváděné vody, která je závislá na venkovní teplotě vzduchu.

Teplotní křivky uvažované ve výpočtu (obr. 1) byly určeny na základě získaných teplotních křivek, které se u provozovatelů tepelných sítí opakovaly nejčastěji. Tyto křivky jsme zvolili tak, aby pokrývaly co nejširší rozsah, který se používá pro dopravu napájecí vody v sítích CZT.

Vstupy

Od dodavatelů tepla ze Slovenska, České republiky a Rakouska jsme si vyžádali teplotní křivky, kterými se řídí výstupní teplonosná kapalina pro potřeby zásobování CZT. To nám pomohlo určit, kde můžeme použít předizolované plastové trubky a následně vyčíslit reálnou životnost těchto trubek pro charakteristické teplotní křivky (obr. 1).

Snažili jsme se posoudit skutečné podmínky, a proto jsme vyhodnotili tyto teplotní křivky pro skutečné venkovní teploty vzduchu, konkrétně pro nejchladnější rok během 20letého období (2000–2020).

Pro další hodnocení, která jsme vytvořili, bylo zpracováno 4 207 680 hodinových měření venkovní teploty vzduchu za posledních 20 let.

Prvním krokem hodnocení bylo určení lokality – pro Slovensko jsme vybrali 2 města, a to hlavní město Bratislavu s nadmořskou výškou 132 m n. m. a město s nejvyšší nadmořskou výškou – Poprad ležící ve výšce 718 m n. m.

Vzhledem k tomu, že uvažujeme plastové předizolované potrubí, pohybovala se výstupní teplota teplonosné látky na teplotních křivkách v rozmezí 80 až 115 °C. Pro Bratislavu i Poprad jsme stanovili průměrné vypočtené denní teploty za 20 let.

Z přehledu teplotních profilů těchto měst jsme pak pro lepší orientaci stanovili, kolik hodin zde byly jednotlivé teploty venkovního vzduchu. Na základě těchto hodnot jsme určili nejchladnější rok pro Bratislavu a Poprad. V Bratislavě byl nejchladnějším rokem za posledních 20 let rok 2006 a v Popradu rok 2012.

Studie

V této studii jsme chtěli posoudit plastové předizolované potrubí a návazně jeho životnost, která je přímo závislá na teplotě pracovní látky. Regulací výstupu teplonosné látky v závislosti na teplotě venkovního vzduchu je možné nastavit výstupní teplotu na nižší teplotní úroveň, a tím ušetřit energii na výrobu teplonosné látky. Zároveň se tím sníží emise CO₂ a zvýší se životnost plastového předizolovaného potrubí.

Stanovením počtu (hodin) dnů, kdy potřebujeme dodávat určitou výstupní teplotu (v závislosti na teplotě venkovního vzduchu), můžeme pomocí výpočtového programu určit přesnou životnost plastových předizolovaných trubek podle konkrétních teplotních křivek.

Zaměřili jsme se na Bratislavu a Poprad, jako nejníže a nejvýše položená města, a to na základě hodinových údajů o venkovní teplotě vzduchu. Počítali jsme s celoročním provozem CZT, přičemž v zimě je zajišťována potřeba tepla pro otopnou soustavu a přípravu teplé vody a v letních měsících pouze příprava teplé vody.

Teplotní křivky byly rozděleny do následujících kategorií podle teploty venkovního vzduchu:

• s výstupní teplotou teplonosné látky 70 °C (+20 °C), 75 °C (–5 °C), 85 °C (–12 °C),
• s výstupní teplotou teplonosné látky 70 °C (+20 °C), 75 °C (–5 °C), 90 °C (–12 °C),
• s výstupní teplotou teplonosné látky 70 °C (+20 °C), 75 °C (–5 °C), 95 °C (–12 °C),
• s výstupní teplotou teplonosné látky 70 °C (+20 °C), 75 °C (–5 °C), 100 °C (–12 °C),
• s výstupní teplotou teplonosné látky 70 °C (+20 °C), 75 °C (–5 °C),105 °C (–12 °C),
• s výstupní teplotou teplonosné látky 70 °C (+20 °C), 75 °C (–5 °C), 110 °C (–12 °C),
• s výstupní teplotou teplonosné látky 75 °C (+20 °C), 95 °C (–5 °C), 115 °C (–12 °C),
• s výstupní teplotou teplonosné látky 100 °C (+20 °C), 110 °C (–5 °C), 115 °C (–12 °C).

Následně jsme chtěli posoudit změnu regulace a propočítali jsme životnost plastového předizolovaného potrubí podle různých stanovených předpisů. Vypočítali jsme také teplotní křivky pro Bratislavu a Poprad pro nejchladnější roky s těmito typy regulace:

• 1hodinový interval regulace výstupní teplonosné látky podle venkovní teploty,
• 3hodinový interval regulace výstupní teplonosné látky podle venkovní teploty (přičemž jsme uvažovali nejchladnější údaje během každých 3 hodin),
• 6hodinový interval kontroly výstupní teplonosné látky podle vnější teploty (přičemž jsme uvažovali nejchladnější údaj během každých 6 hodin),
• 12hodinový interval kontroly výstupní teplonosné látky podle venkovní teploty (přičemž jsme uvažovali nejchladnější údaj během každých 12 hodin).

U teplot do 80 °C jsme automaticky předpokládali, že jsou vhodné pro standardní plasty PE-Xa až do maximální teploty 95 °C/6 bar. Při teplotách od 80 do
115 °C jsme se zaměřili na analýzu odolnosti trubek vyztužených termoplasty pro médium max. 115 °C/10–16 bar, abychom zjistili, do jakých maximálních teplot je lze použít.

Zabývali jsme se horkovodními a teplovodními sítěmi, parní sítě nejsou předmětem této studie. Vyšší teploty nebyly ve výpočtech uvažovány. Provedli jsme 896 simulací, na jejichž základě jsme stanovili životnost. Byly prováděny pro 1, 3, 6, 12 hodinách pro města Bratislava a Poprad.

Výstupy

Pro jednotlivé teplotní křivky jsme pak vyhodnotili životnost pro obě města – pro Bratislavu pro rok 2006 a pro Poprad pro rok 2012. Zaměřili jsme se na plastové předizolované potrubí, které je rozdělené podle zatížení:

• standardní trubky PE-Xa max. 95 °C/6 bar – 4 a 6 bar
• potrubí vyztužené termoplastem s aradmidovým vláknem (TSMR) max. 115 °C/10 bar – 4, 6, 8 a 10 bar

Vyhodnocovali jsme tepelnou stabilitu (Thermal stability) a dlouhodobou tepelnou stálost (Long-Term Strength) v jednotlivých letech.

Za vhodnou životnost trubek jsme považovali, pokud si plastové předizolované potrubí dokázalo uchovat svou tepelnou stabilitu (Thermal Stability) a dlouhodobou tepelnou stabilitu (Long-Term Strength) nad 30 let. Těchto 30 let jsme považovali za minimální životnost infrastruktury, přičemž reálně lze dosáhnout delší životnosti a provozu, proto ji považujeme za hraniční. Všechny údaje jsou vypočteny s bezpečnostními faktory a skutečná očekávaná životnost je vyšší.

Bratislava, jako město, které z hlediska nadmořské výšky leží nejníže, měla proto mnohem vyšší počet vyšších průměrných teplot než Poprad, což je patrné z grafu a tabulky na obr. 6.

Minimální venkovní teploty vzduchu závisí především na nadmořské výšce. V Popradu bylo během nejchladnějšího roku zapotřebí mnohem více hodin/dnů s vyšší teplotou přiváděné teplonosné látky.

Toto hodnocení jsme provedli v krocích 1, 3, 6 a 12 hodin pro rozsáhlejší vyhodnocení, abychom měli nastavené výstupní teploty a regulaci v tepelné síti, které by více odpovídaly skutečnému řídicímu systému, zejména v menších teplárnách.

Při časovém kroku s regulací 12 hodin a vybraným nejvýše položeným městem na Slovensku během nejchladnějšího roku poskytuje relevantní výsledek z nejnepříznivějších údajů za posledních 20 let z hlediska měření venkovní teploty vzduchu.

U potrubí TSMR bylo prokázáno pouze velmi malé snížení předpokládané životnosti, ať už v oblastech s nižší nadmořskou výškou, jako je Bratislava, nebo v místech s vyšší nadmořskou výškou, jako je Poprad.

Výsledky ukázaly, že při použití potrubí PE-Xa je mezní hodnota na teplotní křivce 1, 2, 3 (max. do 95 °C, viz tab. 4 pro město Poprad). Pro TSMR jsou nevhodné až křivky 7 a 8, zde je předpoklad budoucího vývoje, kdy by měly být k dispozici plasty s vyšší tepelnou odolností.

Plastové předizolované potrubí se ukázalo jako vhodná volba pro většinu teplotních křivek v Bratislavě i Popradu. Rozdíl mezi PE- Xa a TSMR je z hlediska životnosti až dvojnásobný.

Závěr

Analýza velkého množství vstupních dat a simulace potvrdily náš předpoklad, že velkou část tepelných sítí lze realizovat pomocí plastového flexibilního potrubí. Prokázali jsme, že sítě provozované při maximální teplotě kolem 80 °C lze realizovat se standardními trubkami PE-Xa. Použití plastového předizolovaného potrubí s termoplastickými trubkami vyztuženými aramidovými vlákny – TRSM by zdvojnásobilo předpokládanou životnost tepelné sítě.

Existují však řešení pro sítě s teplotami do 110 °C, která lze realizovat s použitím účinného plastového potrubí s termoplastickými trubkami vyztuženými aramidovými vlákny. Tyto úspory se přímo odrážejí ve spotřebě primární energie (zemní plyn, uhlí, biomasa …) a významně přispívají ke snížení emisí CO₂ a dalších pevných částic.

U větších sítí existuje možnost realizovat je jako hybridní síť, kde větší dimenze (DN150+) budou realizovány v předizolovaných ocelových trubkách a menší dimenze ve flexibilních plastových trubkách. Výhodou tohoto řešení je výrazná úspora provozních nákladů – v porovnání s realizací v ocelových trubkách dosahuje úspora až 30–50 % v závislosti na volbě tloušťky izolace, menší šířka výkopu, rychlejší pokládka a menší počet spojů na trase.