Předizolované ocelové trubky – s difuzní bariérou nebo bez ní?

Izolační vlastnosti vrstvy polyuretanové pěny (PUR) v předizolovaných ocelových trubkách se během provozu tepelných sítí postupně zhoršují. Oxid uhličitý a cyklopentan jsou postupně nahrazovány kyslíkem a dusíkem, což zvyšuje součinitel tepelné vodivosti pěny. Jednou z metod, jak tento negativní účinek omezit, je použití difuzní bariéry v plášti potrubí a ve všech součástech předizolovaných sítí.

Sítě dálkového vytápění jsou koncipovány pro 30 let provozu. Z tohoto důvodu má zvýšení součinitele tepelné vodivosti v průběhu času z hlediska tepelných ztrát zásadní význam.

Úvod

Předizolované ocelové trubky se skládají z těchto vrstev:
1. Ocelová trubka teplonosné látky.
2. Monitorovací vodiče (pro kontrolu a signalizaci v nouzových situacích).
3. Izolační vrstva – polyuretanová pěna PUR.
4. Ochranný vnější plášť z HDPE.

V předizolovaných trubkách s difuzní bariérou mají trubky přidanou střední vrstvu z EVOH, která je zabudována přímo do HDPE pláště.

Z hlediska tepelných ztrát je díky své tloušťce a nejnižšímu součiniteli tepelné vodivosti nejdůležitější izolační vrstva. Vzhledem ke složité struktuře PUR pěny probíhá přenos tepla touto vrstvou třemi způsoby [1]:
1. Přenos tepla plynem v buňkách prostřednictvím dvou mechanismů: tepelné vedení (přenos energie na molekulární úrovni) a přirozená konvekce vyplývající z pohybu plynu v buňce. S klesající velikostí pěnových buněk klesá podíl přirozené konvekce v plynu v buňce.
2. Vedení tepla strukturou polymerových stěn.
3. Tepelné záření.

Během provozu předizolovaných trubek dochází v důsledku rozdílu parciálních tlaků plynů v pěnových buňkách a v okolním prostředí k obousměrné difuzi plynů. Tlak plynu v pěnových buňkách v ůsledku výměny plynů klesá. To má za následek nejen zhoršení tepelně izolačních vlastností, ale také oslabení mechanické odolnosti izolace [1].

Bylo prokázáno, že se plynný cyklopenan vyznačuje velmi nízkým difuzním součinitelem v PUR pěně, a proto je jeho přenos pěnou mnohonásobně nižší než u jiných plynů [2].
Z údajů vyplývá, že rychlost přenosu plynu (GTR) pro EVOH je několik tisíckrát nižší než pro HDPE. To znamená, že 1 mm silná membrána EVOH poskytuje stejný odpor proti přenosu plynu jako ěkolik metrů silná vrstva HDPE.

Vliv difuzní bariéry na součinitel tepelné vodivosti izolace

Pozitivní účinek difuzní bariéry byl potvrzen měřením součinitelů tepelné vodivosti izolace PUR λ50. Podle odborných zdrojů se během umělého stárnutí standardních trubek DN50/125 tento součinitel výšil v rozmezí od 4,3 do 14,4 % [3, 8] u systémů bez bariéry, zatímco u systémů s difuzní bariérou se zvýšil pouze v rozmezí od 0,36 do 4,23 % [4]. Hodnoty součinitele ^λ50 pro předizolované trubky Radpol Pipes se rovněž pohybují v rámci výše uvedených limitů (tab. 2).

Rozvodné tepelné sítě jsou koncipovány na 30 let provozu. Z tohoto důvodu má nárůst součinitele tepelné vodivosti v průběhu času rozhodující význam z hlediska tepelných ztrát. Hodnoty součinitele 50 jsou měřeny akreditovanými laboratořemi v souladu s normou EN 253 [9]; umělé stárnutí se provádí zahříváním potrubního systému při teplotě 90 °C po dobu 150 dnů. Ukázalo se však, že odmínky umělého stárnutí plně neodrážejí skutečný proces degradace izolace [3, 8].

U trubek DN50/125 s izolací foukanou cyklopentanem je nárůst součinitele tepelné vodivosti po přirozeném stárnutí oproti umělému stárnutí [3] více než dvojnásobný. Zkoušky na předizolovaných trubkách v provozu po dobu 4 až 14 let ukázaly, že se součinitel ^λ50 nejrychleji zvyšuje v prvním období, a to až do 4 let.

Byl vypracován model změn součinitele tepelné vodivosti, který odráží skutečné zhoršování izolačních vlastností pěny během 30 let provozu potrubí [10]. Tento model umožňuje odhadnout tepel-
né ztráty v následujících letech používání rozvodných otopných instalací. Podle tohoto modelu se u trubek bez difuzní bariéry poměr (^λ50 po 30 letech provozu / ^λ50 nové izolace) mění v závislosti na průměru trubky – od 9 % pro DN450 do 35 % pro DN20. U trubek s bariérou se předpokládá, že nárůst λ50 je, bez ohledu na průměr trubek, konstantní, a po 30 letech dosahuje 4 %. [1].

Bilance tepelných ztrát v rozvodné tepelné síti – případová studie

Následující část představuje případovou studii bilance tepelných ztrát v rozvodné síti tepla. Výpočty společnosti Radpol Pipes byly založeny na normě EN 13941–1 [11] a výše popsaném modelu změn součinitele tepelné vodivosti.

Výpočty byly provedeny pro dvě varianty – pro předizolované ocelové trubky bez a s difuzní bariérou. Ve druhé variantě se předpokládalo, že bariéra byla umístěna nejen v rovných trubkách, ale také ve všech tvarovkách a spojích. Tepelné ztráty byly stanoveny na dobu jednoho roku za předpokladu změn hodnot součinitele λ50 podle tab. 4 z reference [10].

Pro výpočty byly použity následující předpoklady [1]:

• Doba provozu 30 let.
• Systém jednopotrubních předizolovaných trubek uložených přímo do země.
• Celková délka sítě 973,5 m. Délky jednotlivých úseků, sestávající z rovných trubek a nezbytných tvarovek (ohyby, odbočky, ventily atd.), jsou uvedeny v tab. 3. Hodnoty se vztahují k délkám sítě, přičemž celková délka potrubí je dvojnásobná, protože zahrnuje jak přívodní, tak vratné potrubí.
• Standardní izolace na přívodním i vratném potrubí.
• Hloubka uložení H = 1 m.
• Teplota půdy T_s = 8 °C.
• Teplota teplonosné látky během topné sezony T = 124/59 °C.
• Teplota teplonosné látky mimo topnou sezonu T = 68/25 °C.
• Součinitel tepelné vodivosti půdy ^λc = 1,6 W·m^–1·K^–1.
• Součinitel tepelné vodivosti nové PUR pěny pro potrubí s difuzní bariérou a bez difuzní bariéry ^λ50 = 0,0262 W·m^–1·K^–1.
• Počet dní v topné sezoně 220, mimo topnou sezonu 145.

Kromě toho byly pro polský trh vypočítány náklady na ztracenou tepelnou energii a emise. CO₂ na základě konstantní průměrné ceny energie 32,02 €/GJ [12] a emisí CO₂ odpovídajících energetickým ztrátám u několika druhů paliv používaných v teplárnách [13]:

• Černé uhlí 94,99 kg CO₂/GJ.
• Hnědé uhlí 110,81 kg CO₂/GJ.
• Zemní plyn 55,73 kg CO₂/GJ.
• Topný olej 76,86 kg CO₂/GJ.

Pro předpokládanou strukturu tepelné sítě výsledky výpočtů ukazují, že [1]:

• Difuzní bariéra snižuje tepelné ztráty o více než 12 %.
• Úspory za 30 let provozu činí 130 713 €, přičemž se předpokládá konstantní cena tepla. Cena tepla má vzestupný trend, takže v budoucnu lze očekávat ještě vyšší úspory.
• Emise CO₂ během tohoto období poklesnou o 227 až 452 tun, v závislosti na použitém palivu. V případě fosilních paliv dojde navíc ke snížení emisí škodlivých látek do ovzduší, zejména prachu, oxidu siřičitého
  a oxidů dusíku.

Uvedené hodnoty byly získány za předpokladu, že bariéra je použita ve všech částech tepelné instalace. V síťové struktuře použité pro výpočty tvořila délka přímých trubkových úseků přibližně 77 %. Zbývající prvky tvoří různé typy tvarovek, které jsou důležitými součástmi sítě. Příklad výrobní struktury předizolovaných systémů společnosti Radpol Pipes je uveden v tab. 4. Jak je vidět, jiné výrobky než rovné trubky přispívají v průměru až 15 % k délce sítě, proto je důležité použít difuzní bariéru i na tyto komponenty. [1].

Závěr

Soustavné zvyšování nákladů na výrobu tepla, k němuž dochází v posledních letech, vyžaduje zavedení moderních řešení, která snižují tepelné ztráty v systémech dálkového vytápění. Použití předizolovaných potrubních systémů s difuzní bariérou je v této oblasti účinnou metodou.

Difuzní bariéra snižuje migraci nadouvadel z izolační pěny a pronikání kyslíku a dusíku do buněk pěny. Je zásadní používat difuzní bariéru ve všech prvcích otopné sítě – nejen v rovných trubkách, ale také ve všech tvarovkách a spojích. Stabilizuje tepelně izolační vlastnosti pěny na téměř neměnné úrovni po celou dobu provozu systému. Výsledkem jsou snížené tepelné ztráty a nižší ekonomické a ekologické náklady.

Literatura

[1] R. Krzywda, B. Wrzesińska, Pre-insulated pipes – with or without a diffusion barrier? Euro Heat & Power, IV/2025, str. 34–41.
[2] M. E. Olsson, U. Jarfelt, M. Froling, S. Mangs, O. Ramnas, Diffusion of Cyclopentane in Polyurethane Foam at Different Temperatures and Implications for District Heating Pipes, J. Cell. Plast., 2002, 38, 177–188, DOI: 10.1106/002195502022248.
[3] E. Kręcielewska, I. Iwko, The Myth&Facts Concerning District Heating Preinsulated Bonded Pipes – Part II, Ciepłownictwo, Ogrzewnictwo, Wentylacja 2022, 51/1, 14–21, DOI:10.15199/9.2022.1.2
[4] E. Kręcielewska, I. Iwko, Influence of the thickness of PE-HD casing and the diffusion barrier on thermal conductivity, specific heat loss and gas composition in PUR insulation in preinsulated pipes manufactured using traditional methods, Instal, 2022, 9,11–15.
[5] Gas permeability of HDPE Pipes, PES.TEC, YI 610–3, Edition 0104,1–2.
[6] C. Maes, M. te Molder, W. Luyten, G. Herremans, N. Winckelmans, R. Peeters, R. Carleer, M. Buntinx, Determination of the nitrogen gas transmission rate (N2GTR) of ethylene vinyl alcohol copolymer, using a newly developed permeation measurement system, Polym. Test., 2021, 93,106979, 1–14, DOI:10.1016/j.polymertesting.2020.106979.
[7] C. Maes, W. Luyten, G. Herremans, R. Peeters, R. Carleer, M. Buntinx, Recent Updates on the Barrier Properties of Ethylene Vinyl Alcohol Copolymer (EVOH): A Review, Polym. Rev., 2018, 58:2, 209–246, DOI:10.1080/15583724.2017.1394323.
[8] E. Kręcielewska, D. Menard, Thermal conductivity coefficient of pur insulation material from pre-insulated pipes after real operation on district heating networks and after artificial ageing process in heat chamber, Instal, 2014, 11, 14–20.
[9] PN-EN 253+A1:2024–06 District heating – A system of single composite pipes for water-based district heating networks laid directly in the ground – Factory-made pipe assembly made of steel carrier pipe, polyurethane heat insulation and polyethylene sheath.
[10] E. Kręcielewska, A. Starobrat, I. Iwko, The calculation of heat losses of single and twin preinsulated pipe systems in accordance with PN-EN 13941–1. Part 1: Methodology and assumptions, Instal, 2024, 9, 14–23.
[11] PN-EN 13941–1+A1:2022–05 District heating networks – Design and installation of a system of thermally insulated single and double pipe assemblies for hot water networks laid directly in the ground – Part 1: Design
[12] https://www.spec-pec.pl/ceny-ciepla-z-wyrowaniem, access 24. 03. 2025.
[13] Wartości opałowe (WO) i wskaźniki emisji CO2 (WE) w roku 2022 do raportowania w ramach Systemu Handlu Uprawnieniami do Emisji za rok 2025, KOBIZE, Instytut Ochrony Środowiska, 2024.